准周期信号基2同步数据采集系统的设计

电源招聘专家准周期信号基2同步数据采集系统的设计数据采集及其傅立叶分析是信号处理的重要环节和基本手段。众所周知，利用FFT技术对信号进行频谱分析时，其精度受谱泄漏和栅栏效应等因素的制约。理论研究和实验均表明：对周期或准周期信号实行按基频整周期同步采集2n个数据，即整周期基2同步采样，可以减小傅立叶分析中的固有误差——谱泄漏和栅栏效应[1]。对周期信号，通常可采用由锁相环和分频器组成的锁相倍频电路[2]，实现对信号的整周期基2同步采样。但对周期缓慢变化的准周期信号，要实现整周期基2同步采样，则非易事。一文提出一款基于单片机周期预测和补偿，从而实现对准周期信号整周期基2号同步采样的倍频电路。该电路倍频精度高、跟踪速度快，能对准周期信号进行预测和补偿，在信号处理和数据采集领域有较好的应用前景。最后给出了基于PC总线实现同步要样的数据采集系统。1准周期信号基2倍频电路的实现1.1准周期信号基2倍频原理设待采集的准周期信号的频率为fx，周期Tx。为了实现对输入信号的整周期同步采样，要求对输入信号N倍频，即产生一个频率为Nfx的A/D采样脉冲。又设某基准时钟脉冲信号的频率为fo(fofx)，周期为To，对fo进行M分频后，使其恰好等于输入待采集周期信号频率fx的N倍，即：Nfx=(f0)/M(1)或Tx=M·NT0=N·MT0（2）为了实现基2同步采样，通常取：N=2n(3)式(3)中n=4,5,...8。显然，当n的位数确定后，改变M，使M随Tx的变化而变化，就能保证整周期基2同步采样。1.2准周期信号基2倍频电路的硬件实现为了保证对准周期信号基2整周期同步采样有较高的精度，笔者提出一款基于双单片机的基2倍频电路如图1所示。它由过零比较器、二分频器、单片机和或门组成，其中单片机选用AT89C2051，外部晶振频率为12MHz，内部计数频率fo为1MHz，输入信号fx经整形和二分频后直接与两单片机的外中断INT0和INT1相连。图1中A、B、C、D、E、F、G各点波形如图2所示。电源招聘专家其工作原理是：在信号的奇周期Tx1期间，单片机(1)定时器To由输入信号Tx1的上升沿启动，并对Tx1填脉冲计数，Tx1的下降沿关闭定时器To;借助单片机的运算功能，确定M值，并利用定时器T1产生频率为Nfx的输出脉冲信号。定时器To设为内部计数形式，工作方式1（16位计数，初值为0），GATE位为1，利用外部中断INT0引脚上的电平Tx1，直接启动和关才计数器。其计数结果是16位二进制数HL，其中高位为H，低位为L值。当输入信号频率较低时，计数器T0会溢出触发中断，在中断服务程序中使用单片机内部寄存器（R4）记灵中断次数，以扩展计数范围。利用外部中断INT0引脚上Tx1电平的下降沿产生中断，读取T0的计数值HL和R4的值。通常（3）式中的n可根据输入信号的频率，智能地选取4到8位的二进制数，（2）式中的M值由下式给出：M=R4HLN（4）显然M为16位二进制数，因此设置定时器T1为内部计数方式，GATE位为1。当输入信号频率较高时，选工作方式2（8们，初值自动重装载）；当输入信号频率较低时，选工作方式1（16位）。定时器T1的初值取决于上一奇周期期间测得的M值，当计数溢出中断时，在中断服务程序中使PLO输出电平翻转，即获得fx的N倍频的方波信号。同理，可实现单片机（2）在偶周期Tx2期间，输出N倍频的方波信号。可见当输入单片机的外部信号?x每产生一个周期脉冲，在其输出端就会有N个输出脉冲，用输出脉冲去触发A/D板卡采集，即实现了N倍频的整周期采样。1.3准周期信号的周期预测上述方法实现整周期采样时，是把这一周的周期值作为下一周的周期来计算采样脉冲输出频率的。对周期性信号，周期固定不会影响结果；但对准周期信号，周期是渐变的，会带来较大的误差。为了减少或补偿这种误差，本设计借助单片机的运算和数据处理功能，分别对下一周期进行周期预测。即利用前m个周期的T值，对下一个周期作出预测，再以预测的M来设置定时器T1的初值。用拉格朗日线性插值法可预测周期[3]，如图3所示。提取最近两周的周期值，推算下一周的周期值。电源招聘专家图3中Tj为第j周终了时刻测得的周期值，Tj-1为第j-1周终了时刻测得的周期值，Tj+1为要预估的下一周终了时刻的周期值，则可得预估公式：Tj+1=2Tj-Tj-1=Tj±ΔTj(5)由此可得：Mj+1=2Mj-Mj-1=Mj±ΔMj(6)2基于PC总线控制的数据采集系统基于PC总线的同步采样系统框图见图4，它主要由地址译码器、单片机倍频电路、A/D转换器组成。各模块功能如下：地址译码：PC机中用户可使用0300H～031FH地址，采用与非门74LS133对PC总线的地址信号A0～A9译码，端口地址为030FH和030FH。单片机倍频电路：产生同步信号进行同步采样，保证信号截断长度正好是信号周期的整数倍。A/D转换器：采用AD678芯片实现模数转换。AD678是带采样保持器的12位A/D转换器，其精度为2-12=1/4096=0.024%，转换时间为5μs，其工作速率满足采样频率的要求。3性能及误差分析（1）输入信号上下限频率fxH和fxL的确定电源招聘专家当输入信号频率较高时，（3）式中的n取4位二进制，考虑到单片机的中断响应时间需要3～8个T0，因此由（2）式可求得：Txmin=8х24T0+TP=128μs+TP(7)式（7）中的TP为单片机周期预测所需的时间，设约为72μs。当输入信号频率较低时，（3）式中的n取8位二进制，（4）式中的M可取16位二进制的最大值，因此由（2）式可求得：Txmax=28х216T0≈16s(8)则由（7）、（8）两式可确定：fxH≤5kHz和fxH≥0.1Hz(2)误差分析根据（5）式估算的周期值，如果准周期信号的周期变化是均匀的，即遵从匀变速规律，由此引入的误差为0；如果周期变化是非均匀的，则仍会带来一定误差。在许多实际应用场合（如旋转机械的起停过程）周期主要是匀变速或接近匀变速，而少许的偏离经（5）式的修正后影响很小。其它的计数误差和单片机中断引起的误差，可看作系统误差，由单片机修正。本文介绍的准周期信号同步数据采集系统，借助单片机的周期预测功能，对准周期信号智能倍频，从而实现整周期基2同步采样，进而大大消除频谱分析中的泄漏误差和栅栏效应，在机械故障诊断、信号测试等相关领域具有很强的实用性。