动态信号分析仪是一种用于现场测试的仪器,可独立的完成动态信号的生成、采集、存储、分析,具有良好的仪器线性度以及高分辨率,可完成大动态范围信号的高精度采样。动态信号分析仪的动态范围大小由调理采集通道决定,研制大动态范围的调理通道在机械故障诊断、多模态分析、电子设计以及声学测试等领域的动态信号测试中起到关键作用。针对动态信号分析仪输入调理通道单一量程存在较大幅值和极小幅值信号并存的大动态采样问题,本文采用具有固定增益比输入的双ADC同步采集的策略,对应采集较大和极小信号,使小信号获得较大增益,通过对双ADC采集数据的增益偏置迭代处理、量化精度一致化、延时校正,最终完成双通道数据整合,从而获得系统的动态范围拓展。文中所述调理通道具有102.4 k Hz可分析带宽、120 d B以上动态范围的参数指标要求,本文的主要研究内容有以下两点:(一)双ADC采集的低噪声前端信号调理采集模块的设计与实现。对通道进行噪声分析并合理的设计增益调节电路,精确划分增益调节电路的放大倍数使各级低噪声放大调理电路的动态范围被最大化利用。在高增益通道调理电路上进行了与低增益通道的匹配设计减小通道间的相位差异便于进行延时校正。利用抗混叠滤波器的带外抑制特性降低混叠带来的ADC动态范围的损失。(二)双ADC采集数据的整合及校正方法的设计与实现。根据双通道数据特性完成双ADC采集数据的整合,分析小增益通道量化精度一致化所需的增益比系数的精度并使用迭代算法完成增益比与偏置的精确迭代,使用Farrow延时滤波器完成双通道数据延时不一致的校正,根据双通道采样数据不同的有效数据位划分双通道数据整合阈值,最终完成数据整合方案的逻辑设计与实现。最后在动态信号分析仪整机上完成双通道调理电路的各项指标以及噪声特性的测试,测试结果表明通道的输入噪声、噪声本底、谐波失真较低,并且使用本文双ADC动态范围扩展方案在9 d BVrms档位下相对于单片ADC采集可将动态范围提升约12 dB。
风洞是一种能人工产生和控制气流的管道设备,是空气动力实验最常用、最有效的工具之一。在其管道内部以动力设备驱动并控制气流,模拟高速物体周围的气体流动,通过部署在风洞内的测量系统测量气流对被测件的物理作用。风洞内部署的测量系统子系统众多,各子系统测量设备、测量对象、测量要求各不相同,但须所有子系统联合测试,共同提供测量数据。因此,要求不同总线类型、不同采集方式的各测量设备均在统一时间基准下运行,使得测量数据具有时间上的一致性和可比性。精确时钟协议(Precision Time Protocol,PTP)由IEEE 1588标准定义,借助网络通信和本地计算等技术实现分布式系统中时钟的高精度同步。填补NTP和GPS都没能很好覆盖到的缺口,专为需要超出NTP的时间精度的本地系统而设计,也没有GPS每个节点都安装GPS信号接收器的高额成本,同时避免了GPS信号不可访问的问题。随着分组交换技术的发展,重新修订的IEEE 1588-2008标准定义了PTP协议的V2版本。本文以部署于国内某大型风洞内测量系统为研究对象,主要进行了如下工作:(1)对目标测量系统的八大子系统的主要测量设备根据电气接口、协议支持、同步精度需求等进行整理和分析,针对性地提出了时钟同步方案和时间戳方案。实验了网络配置和负载对时钟同步的影响,并根据实验结果进行同步网络架构设计,搭建具备相同拓扑结构的实验网络,验证了设计的效果。(2)针对目标测量系统中测力子系统和姿态角测量子系统对采集时间一致性的极高要求,研究两个子系统信号通道的传播延迟的测量和校正方法,设计共享时钟触发调延装置,通过改变时钟和触发信号链路上的相对延时,对目标子系统信号的传播延时进行校正,降低目标系统的采样时间误差。(3)建立数学模型描述PTP时钟同步机制,并结合实际工作情况分析,通过引入影响同步精度的因素对模型进行修正,设计了一种基于稳定快速横向递归最小二乘的自适应干扰补偿PTP时钟同步算法并进行仿真。工作成果包括一套完整的统一时基方案,一种基于FPGA的共享时钟触发调延装置以及一种自适应PTP时钟同步算法。
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