计算机测控技术在微弱信号测量仪表中的应用探讨

余衡树

摘 要：对于微弱信号测量仪表，存在测量精度不准确、频带不宽等问题，对此，可以将计算机测控技术应用在微弱信号测量仪表中。在测量仪表结构上，可以通过电磁兼容，实现嵌入计算机和微弱信号测量电路的有效结合。在软件设计方面，可以通过数字滤波、量程校准、幅频曲线拟合、频响误差修正等对计算机数据进行处理，从而达到优化微弱信号测量仪表的目的。

关键词：计算机测控技术；微弱信号；测量仪表；应用

新环境下，精密的测量仪表已经朝着自动化、智能化的方向发展，在测量仪表中，嵌入式计算机已经得到十分广泛的应用，特别是在数据采集、输出、处理等方面，发挥着不可替代的作用。对于微弱信号测量仪表中，嵌入式计算机的应用还有待加强，对于微弱信号测量仪表，和其他精密测量仪表相比较，必须处理好噪声、干扰等问题，在微弱信号测量仪表中，应用嵌入式计算机测控系统很容易引起相互干扰。因此，如何有效地消除微弱信号测量仪表和嵌入式计算机测控系统之间的干扰是当前思考的主要问题。

1 ZJL801纳伏电压标准装置组成与结构分析

在本次研究中，采用ZJL801纳伏电压标准装置进行研究，该装置主要由计算机测控系统、屏蔽箱、滤波器、校准信号源、电源、程控放大器以及其他装置组成，ZJL801纳伏电压标准装置具有校准、测量等多种功能，可以对微弱信号进行直接测量，同时也能通过计算机测控系统将相应的微弱信号进行测量。计算机测控系统主要由电路板、24位A/D数据采集卡、PC104/586计算机、面板控制功能等组成。

对于微弱信号测量，当出现测量电路与计算机控制电路在同一机箱，或者测量电路与元器件在同一机箱中，就会产生很大的电磁干扰。为了解决电磁兼容问题，需要经过合理的布局。在ZJL801纳伏电压标准装置中，滤波器是一个次要环节，主要负责将工作频带以外的不相干信号、噪声滤除，在噪声、干扰消除方面，主要由相关处理器进行。对于计算机，主要通过电子开关、控制电路，对程控放大器、相关处理器、校准信号、数据采集等进行自动控制，从而实现量程选择、设置时间常数、数据采集等。对于ZJL801纳伏电压标准装置的结构原理如图1所示：

2 相关软件设计

在本次研究中，ZJL801纳伏电压标准装置主要是在DOS6.22操作系统下运行，软件设计从多任务程序设计出发，利用C语言编程，通过限时任务轮流处理方式，根据消息队列中需要处理的任务，以及任务优先级，对相应任务进行处理。在软件系統中，主要由多个模块组成，该软件的主要流程是：首先打开ZJL801纳伏电压标准装置，仪器初始化，并读取校准数据；其次设置时间常数、选择量程、设置滤波器带宽、选择衰减器衰减比例；再次开始进行数据采集，并判断是否需要进行自校准，如果需要，则产生并调用新的量程对数据进行校准，并进入数字滤波环节，如果不需要进行自校准，则直接进入数字滤波环节；最后进行幅频曲线拟合，修正频响误差，显示结果和仪器状态。

3 实验分析

3.1 量程校准

在进行量程校准时，主要采用稳定性、精度高的校准源输出标准信号，然后调用校准程序，对标准信号进行检测，并对计算机数据处理自动生产校准因子进行检测，从而实现量程校准。对于校准源需要保证每日频率变化不会超过10-5，其变化幅度不会超过0.3%。在进行测试时，根据不同的量程，引入相对应的校准因子，对ZJL801纳伏电压标准装置的元器件性能参数、硬件设施的系统误差、随机误差进行修正，从而提高装置的测量精度。

3.2 数字滤波

对于数字滤波，是处理数据的一种有效方法，主要是按照一定的规律，将输入信号转换成相应的输出信号，从而达到降低干扰、消除噪声的目的，保证测量结果更加准确。利用数字滤波将粗大误差剔除，然后利用周期信号积累求和、重复采集平均达到降低噪声的目的。

3.3 幅频曲线拟合及修正频响误差

在进行微弱信号测量时，通过某种检测是抑制微弱信号测量装置中噪声、干扰的有效方法，受元器件性能的影响，微弱信号测量标准装置呈在大范围内幅频非线性变化的趋势，这会导致测量结果频响误差过大，从而影响到微弱信号测量装置的综合性能。对此，可以根据测量结果幅度-频率变化规律，利用函数拟合法，将相应的幅频曲线拟合成幂级函数，按照拟合的代表幅频特性幂级函数，转换成相应的修正因子，对计算机数据测量结果的频响误差进行自动修正。通过这种修正方法，与误差理论参照系统修正方法进行频响误差修正进行对比，修正后，本装置的工作频段扩展到10Hz～250kHz，影响频响误差降低到1%以下。

4 总结

研究表明，有效地解决微弱信号仪表中的嵌入式计算机和微弱信号测量电路的电磁兼容问题，能将计算机系统的优势充分发挥出来，有利于提高微弱信号测量精度。通过计算机控制与操作自动化系统，能优化整个系统的结构；利用计算机数据处理系统，能减少硬件系统的系统误差及随机误差，还可以减小人员操作引起的粗大误差，或者元器件引起的频响误差，使得微弱信号仪表测量精度得到极大提高。同时，还可以利用计算机软件实现微弱信号测量仪表的工作频段两端延伸，极大改善微弱信号仪表的性能。

参考文献

[1]彭先洪，何共建，梁国杰，等.计算机测控技术在微弱信号测量仪表中的应用研究[J].电子测量技术，2010，33（7）：40-42.

[2]杨晖，于向飞，杨海马，等.虚拟仪器技术在微弱信号检测教学中的应用探讨[J].曲阜师范大学学报：自然科学版，2013，39（4）：122-124.

（作者单位：成都理工大学）