本發(fā)明屬于地球物理勘探技術(shù)領(lǐng)域，其涉及一種基于Goertzel變換算法的檢波器測(cè)試儀及測(cè)試方法,其適用于對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行拾取的檢波器進(jìn)行測(cè)試。

背景技術(shù)：

地震檢波器是一種被廣泛應(yīng)用于地球物理勘探和地震研究的檢波器，對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行拾取，檢波器的性能直接關(guān)系到地震數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，其各項(xiàng)性能的測(cè)量結(jié)果對(duì)于保證勘探數(shù)據(jù)品質(zhì)和后續(xù)采集電路的設(shè)計(jì)十分重要。

現(xiàn)有的檢波器測(cè)試儀，測(cè)試檢波器的固有頻率、靈敏度、阻尼比、直流電阻、動(dòng)態(tài)電阻等參數(shù)時(shí)，大多使用直流激勵(lì)法以及正弦掃頻電激勵(lì)法。直流激勵(lì)法原理清楚，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適宜于小阻尼低固有頻率檢波器，但對(duì)于較大阻尼及較高固有頻率檢波器，測(cè)量誤差較大；而且在利用測(cè)得的參數(shù)對(duì)檢波器進(jìn)行幅頻和相頻響應(yīng)特性分析時(shí)，誤差更大。由于低頻檢波器制作難度高，價(jià)格昂貴，現(xiàn)在地震檢波器在測(cè)量地震微弱低頻信號(hào)時(shí)，大多為了擴(kuò)頻的目的，使用反饋電路對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，若只是利用測(cè)量的固有頻率和阻尼比等參數(shù)進(jìn)行反饋計(jì)算，對(duì)于低于固有頻率部分的頻率響應(yīng)不真實(shí)，對(duì)采集的地震信號(hào)質(zhì)量有嚴(yán)重影響，因此更需要利用掃頻的方式，將檢波器低頻的響應(yīng)的真實(shí)特性測(cè)量出來(lái)。在現(xiàn)有的檢波器測(cè)試儀中使用的正弦掃頻激勵(lì)測(cè)試準(zhǔn)確度更高，且測(cè)試速度也更快，是地震勘探隨時(shí)隨地檢波器測(cè)試標(biāo)定的最佳方法，但是目前使用正弦掃頻測(cè)試所產(chǎn)生的正弦信號(hào)都是通過(guò)振蕩器產(chǎn)生，這種方式產(chǎn)生的信號(hào)的精度受振蕩器的環(huán)境影響較大，易老化，信號(hào)本身易失真；同時(shí)振蕩器產(chǎn)生的低頻信號(hào)精度不高，造成硬件電路復(fù)雜、成本過(guò)高。

在地震檢波器中諧波失真度是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，諧波失真度是輸出信號(hào)諧波分量有效值總和與基波分量有效值之比的百分比，是衡量檢波器性能的綜合指標(biāo)，它決定了檢波器的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍?，F(xiàn)有檢波器測(cè)試儀的測(cè)量方式大多數(shù)都是在檢波器線圈兩端通入高保真測(cè)量頻率的正弦波信號(hào)，檢波器在此信號(hào)激勵(lì)下由電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生輸出響應(yīng)，對(duì)輸出響應(yīng)進(jìn)行FFT頻率分析，來(lái)確定檢波器輸出的失真度；在利用正弦掃頻測(cè)量檢波器的頻率響應(yīng)時(shí)，同樣也需要對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換。但是現(xiàn)在普遍使用的傅里葉變換計(jì)算方法需要先保存采集的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行頻譜分析。實(shí)際測(cè)量時(shí)，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間總是有限的，由于采集時(shí)間越長(zhǎng)精度越高，這就需要大量?jī)?nèi)存來(lái)保證計(jì)算精度。

因此，需要研發(fā)能夠解決上述技術(shù)問(wèn)題的新檢波器的測(cè)試儀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于現(xiàn)實(shí)和生產(chǎn)實(shí)踐的需要，本申請(qǐng)人投入大量資金及長(zhǎng)期研究，提供了一種基于Goertzel變換算法的檢波器測(cè)試儀及測(cè)試方法，其不僅很好地解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的生產(chǎn)成本高的問(wèn)題，還能解決了檢波器失真度過(guò)高的問(wèn)題，同時(shí)提高了測(cè)試儀的測(cè)試精度。

依據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種基于Goertzel變換算法的檢波器測(cè)試儀，其利用單片機(jī)的直接內(nèi)存存取技術(shù)(DMA)，直接讀取存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)查找表，產(chǎn)生所需頻率正弦信號(hào)，并通過(guò)低諧波失真、高頻譜純度的電流源架構(gòu)，提高檢波器參數(shù)測(cè)試的測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度；使用數(shù)字化正弦掃頻信號(hào)作為輸入，測(cè)得的檢波器參數(shù)，可以直接測(cè)量待測(cè)檢波器幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)特性；使用反饋電路對(duì)檢波器進(jìn)行擴(kuò)頻的方式，測(cè)量檢波器低頻響應(yīng)的真實(shí)特性。

所述檢波器測(cè)試儀包括單片機(jī)和FPGA主電路板、D/A轉(zhuǎn)換電路、電流源、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換電路和LCD顯示屏；單片機(jī)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)查找表，利用DMA直接產(chǎn)生不同頻率正弦信號(hào)，再連接D/A轉(zhuǎn)換電路，并通過(guò)電流源加到檢波器上，再對(duì)檢波器的輸出電壓放大調(diào)理，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)紽PGA中，利用Goertzel變換算法和正弦查找表直接計(jì)算出所采不同頻率下的頻率響應(yīng)和諧波失真度；同時(shí)通過(guò)采集的數(shù)據(jù)全面計(jì)算和分析出檢波器固有頻率、靈敏度、阻尼比、直流電阻、動(dòng)態(tài)電阻的各項(xiàng)參數(shù)，利用LCD顯示出來(lái)，并提供USB接口，存儲(chǔ)測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果。其中單片機(jī)存儲(chǔ)一個(gè)正弦信號(hào)查找表，利用DMA直接產(chǎn)生高精度數(shù)字化正弦掃頻信號(hào)作為檢波器輸入，檢測(cè)檢波器幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)特性。

依據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種使用上述的檢波器測(cè)試儀的檢測(cè)方法，其基于Goertzel變換算法對(duì)幅頻特性和相頻特性進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)計(jì)算出幅度和相位信息，完整還原出檢波器的頻率響應(yīng)，并得到待檢測(cè)檢波器的諧波失真度和各項(xiàng)參數(shù)，精度可程序調(diào)整，無(wú)需存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后再計(jì)算，無(wú)需預(yù)留大量硬件內(nèi)存。

其中，Goertzel算法為一個(gè)二階IIR帶通濾波器，濾波器的傳遞函數(shù)為：

其中，H_k(Z)為濾波器的傳遞函數(shù)，k＝f_t*N/f_s，f_t為信號(hào)頻率，f_s為系統(tǒng)采樣頻率，N為樣本點(diǎn)數(shù)。

進(jìn)一步地，基于Goertzel變換算法的檢波器測(cè)試儀的測(cè)試原理如下：

第一步，在檢波器測(cè)試儀單片機(jī)FLASH里建立和存儲(chǔ)了標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)查找表，用于產(chǎn)生不同頻率正弦信號(hào)，查找表中為一個(gè)周期內(nèi)正弦信號(hào)的幅值，精度為2的16次方，分辨率為10KSPS；

第二步，利用單片機(jī)的DMA，直接讀取FLASH里正弦信號(hào)查找表；在產(chǎn)生不同頻率信號(hào)時(shí)，直接在正弦信號(hào)查找表中抽取數(shù)據(jù)，生成所需頻率的數(shù)字信號(hào)，利用DMA傳輸?shù)紻/A轉(zhuǎn)換器中即可；

第三步，采用16位高精度D/A轉(zhuǎn)換器，提高了測(cè)試信號(hào)源源頭的準(zhǔn)確度，將單片機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為高精度模擬信號(hào)；

第四步，高精度模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)電流源后，加載到待測(cè)檢波器上。通過(guò)信號(hào)調(diào)理后，將采集到的檢波器信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，傳輸?shù)紽PGA中；

第五步，F(xiàn)PGA對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行Goertzel變換，Goertzel變換算法的計(jì)算同樣通過(guò)查找正弦信號(hào)表，直接查找正弦值，提高了計(jì)算速度；

第六步，F(xiàn)PGA將計(jì)算的Goertzel變換實(shí)時(shí)結(jié)果傳給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和保存，顯示到LCD上，并提供USB接口，測(cè)試完成后可以將測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外設(shè)中。

優(yōu)選地，基于Goertzel變換算法的檢波器測(cè)試儀的檢測(cè)方法如下：

第一步，打開(kāi)檢波器測(cè)試儀上的測(cè)試儀電源，將輸入信號(hào)線、輸出信號(hào)線加載到待測(cè)檢波器上；檢波器測(cè)試儀上使用的4.3英寸的LCD，開(kāi)機(jī)后會(huì)顯示檢波器測(cè)試儀初始化正常和檢波器測(cè)試儀的電池電源電量；電量不足時(shí)，提供外接5V直流插口可供充電使用；

第二步，開(kāi)始測(cè)試時(shí)，首先判斷是否插入U(xiǎn)SB外接設(shè)備，若有外接設(shè)備，設(shè)置保存數(shù)據(jù)的路徑；沒(méi)有外接設(shè)備時(shí)，跳過(guò)保存數(shù)據(jù)選擇；

第三步，通過(guò)檢波器測(cè)試儀上的4*4鍵盤，先選擇需要產(chǎn)生的掃頻頻段、各頻段掃頻時(shí)間；再通過(guò)鍵盤輸入電流值，來(lái)改變對(duì)應(yīng)的測(cè)試儀輸入信號(hào)幅度；最后選擇ENT按鍵，開(kāi)始測(cè)試和分析；

第四步，測(cè)試過(guò)程中，若出現(xiàn)異常電流情況，本發(fā)明包含安全保護(hù)器，如果測(cè)試儀輸出電流過(guò)大造成過(guò)載時(shí)，發(fā)出蜂鳴并中斷測(cè)試保護(hù)檢波器，并在LCD上顯示錯(cuò)誤原因；正常測(cè)試時(shí)，LCD上實(shí)時(shí)顯示的不同頻率和幅度下，待測(cè)檢波器的頻率響應(yīng)、諧波失真度、靈敏度、直流電阻、動(dòng)態(tài)電阻參數(shù)，并得到和顯示出待測(cè)檢波器的直流電阻、固有頻率；

第五步，檢波器測(cè)試儀提供的USB存儲(chǔ)接口，在測(cè)試完成后，可以將測(cè)試時(shí)間內(nèi)的測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)保存成EXCEL表格，保存到外接USB存儲(chǔ)設(shè)備中。

本發(fā)明中提出的檢波器檢測(cè)儀及測(cè)試方法，單片機(jī)產(chǎn)生數(shù)字化正弦掃頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)低諧波失真、高頻譜純度的電流源架構(gòu)，以此測(cè)量出檢波器的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)特性，提高了檢波器測(cè)試精度?；贕oertzel變換的計(jì)算方法，能快速簡(jiǎn)單的計(jì)算出幅度和相位信息，無(wú)需存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)得到檢波器頻率響應(yīng)、諧波失真度和各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算速度快，測(cè)試儀操作簡(jiǎn)便，測(cè)試儀硬件構(gòu)成簡(jiǎn)單，體積小，質(zhì)量輕，價(jià)格低，準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

附圖1是Goertzel算法的實(shí)現(xiàn)原理結(jié)構(gòu)框圖。

附圖2是本發(fā)明檢波器測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖3是本發(fā)明檢波器測(cè)試儀的整體電路圖。

附圖4-1、4-2、4-3分別是是本發(fā)明檢波器測(cè)試儀的D/A轉(zhuǎn)換模塊電路圖。

附圖5是本發(fā)明檢波器測(cè)試儀的電流源模塊電路圖。

附圖6是本發(fā)明檢波器測(cè)試儀的信號(hào)調(diào)理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊電路圖。

附圖7是本發(fā)明檢波器測(cè)試儀的外觀示意圖。

附圖8是本發(fā)明測(cè)試方法的主流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明提供的基于Goertzel變換算法的檢波器測(cè)試儀利用單片機(jī)的DMA(直接內(nèi)存存取技術(shù))，直接讀取存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)查找表，產(chǎn)生所需頻率正弦信號(hào)，對(duì)于低頻信號(hào)的產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)尤為明顯，并通過(guò)低諧波失真、高頻譜純度的電流源架構(gòu)，提高了檢波器參數(shù)測(cè)試的測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度，解決測(cè)試信號(hào)源源頭易失真問(wèn)題。使用數(shù)字化正弦掃頻信號(hào)作為輸入，測(cè)得的檢波器參數(shù)精度高，可以直接測(cè)量待測(cè)檢波器幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)特性。對(duì)于使用反饋電路對(duì)檢波器進(jìn)行擴(kuò)頻的方式，由于低于固有頻率部分的幅頻響應(yīng)能通過(guò)掃頻的方式，將檢波器低頻響應(yīng)的真實(shí)特性測(cè)量出來(lái)，因而提供了可靠的特性參數(shù)數(shù)據(jù)，提高了反饋電路對(duì)于低頻信號(hào)的測(cè)量精度。

本發(fā)明檢波器測(cè)試儀由單片機(jī)和FPGA主電路板、D/A轉(zhuǎn)換電路、電流源、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換電路和LCD顯示屏組成。單片機(jī)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)查找表，利用DMA直接產(chǎn)生不同頻率正弦信號(hào)，再連接D/A轉(zhuǎn)換電路，并通過(guò)電流源加到檢波器上，再對(duì)檢波器的輸出電壓放大調(diào)理，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)紽PGA中，利用Goertzel變換算法和正弦查找表直接計(jì)算出所采不同頻率下的頻率響應(yīng)和諧波失真度。同時(shí)，通過(guò)采集的數(shù)據(jù)全面計(jì)算和分析出檢波器固有頻率、靈敏度、阻尼比、直流電阻、動(dòng)態(tài)電阻等其他各項(xiàng)參數(shù)，利用LCD顯示出來(lái)，并提供USB接口，存儲(chǔ)測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果。

此外，本發(fā)明提供的基于Goertzel變換算法的檢波器測(cè)試方法對(duì)幅頻特性和相頻特性進(jìn)行分析時(shí)，基于Goertzel變換算法的測(cè)試方法，能實(shí)時(shí)計(jì)算出幅度和相位信息，完整還原出檢波器的頻率響應(yīng)，并得到待檢測(cè)檢波器的諧波失真度和各項(xiàng)參數(shù)，精度可程序調(diào)整，無(wú)需預(yù)留大量硬件內(nèi)存，計(jì)算速度快。通過(guò)使用嵌入式技術(shù)以及現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以前臺(tái)式檢波器測(cè)試儀全部的功能。體積、重量、功耗等大大縮小。本檢波器測(cè)試儀提供USB接口，可以將測(cè)試結(jié)果保存至外接USB存儲(chǔ)設(shè)備，方便記錄和查看，也解決了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的問(wèn)題，減小了檢波器測(cè)試儀的體積。

本發(fā)明的檢測(cè)技術(shù)對(duì)檢波器采集到的數(shù)字信號(hào)直接Goertzel變換，進(jìn)行幅頻特性分析，無(wú)需對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)后再進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)下時(shí)刻的待測(cè)頻率的幅度和相位信息。采用Goertzel算法，是DFT的一種快速算法。

Goertzel算法可以看作是一個(gè)二階IIR帶通濾波器，濾波器的傳遞函數(shù)為：

其中，H_k(Z)為濾波器的傳遞函數(shù)，k＝f_t*N/f_s，f_t為信號(hào)頻率，f_s為系統(tǒng)采樣頻率，N為樣本點(diǎn)數(shù)。

計(jì)算方法如附圖1：

確定采樣率f_s、塊大小N和需要計(jì)算的頻率f_t，計(jì)算需要的常數(shù)：

k＝f_t*N/f_s

則該濾波器的實(shí)現(xiàn)形式為

式中，S_k(n)為遞推計(jì)算的中間值，其中S_k(0)＝S_k(-1)＝0。對(duì)每一個(gè)采樣值X(n)，其中1≤n≤N，在進(jìn)行N次預(yù)采樣計(jì)算之后，可以得到塊N時(shí)間段內(nèi)待測(cè)頻率f_t的FFT值Y(N)為：

Y(N)＝S_k(N)-e^-j2πk/NS_k(N-1)

對(duì)頻率為f_t的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣頻率為f_s，其值大于信號(hào)中f_t的2倍時(shí)滿足采樣定理，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息。所以基于Goertzel變換算法能快速計(jì)算和完整還原出待測(cè)檢波器幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)特性。計(jì)算諧波失真度時(shí)，先確定常數(shù)k，通過(guò)更改A/D轉(zhuǎn)換采樣率，計(jì)算處不同諧波的幅頻特性即可，計(jì)算速度快

下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如附圖2所示，圖2為本發(fā)明的一種基于Goertzel變換算法的檢波器測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)圖，由單片機(jī)和FPGA主電路板①，D/A轉(zhuǎn)換電路②，電流源③，檢波器④，信號(hào)調(diào)理⑤，A/D轉(zhuǎn)換電路⑥，LCD⑦組成。

單片機(jī)和FPGA主電路板①模塊為檢波器測(cè)試儀的數(shù)據(jù)處理器，主要功能是產(chǎn)生正弦掃頻信號(hào)，并對(duì)采集的待測(cè)檢波器信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，測(cè)試檢波器的各項(xiàng)參數(shù)。單片機(jī)的DMA(直接內(nèi)存存取技術(shù))可以直接讀取存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)查找表，產(chǎn)生所需頻率正弦信號(hào)，提供信號(hào)輸出。FPGA對(duì)采集到的待測(cè)檢波器信號(hào)進(jìn)行Goertzel變換算法的計(jì)算，精度可程序調(diào)整，無(wú)需預(yù)留大量硬件內(nèi)存，計(jì)算速度快。

D/A轉(zhuǎn)換電路②模塊是將單片機(jī)產(chǎn)生的正弦掃頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，取代原有的振蕩器，大大降低了低頻信號(hào)的失真度，提高了檢波器參數(shù)測(cè)試的測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度，解決測(cè)試信號(hào)源源頭易失真問(wèn)題。

電流源③模塊是將D/A電路輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，加載到待測(cè)檢波器④上，通過(guò)低諧波失真、高頻譜純度的電流源架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)正弦掃頻信號(hào)作為輸入。

信號(hào)調(diào)理⑤模塊是采集待測(cè)檢波器④輸出的電壓信號(hào)，進(jìn)行整流濾波等信號(hào)調(diào)理后，輸入AD芯片。

A/D轉(zhuǎn)換電路⑥模塊是將信號(hào)調(diào)理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為高精度數(shù)字信號(hào)，輸入到FPGA中，進(jìn)行Goertzel變換算法的計(jì)算。

LCD⑦模塊連接單片機(jī)，顯示檢波器測(cè)試儀的各項(xiàng)工作狀態(tài)和FPGA傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中計(jì)算的結(jié)果等。

如圖3所示的基于Goertzel變換算法的檢波器測(cè)試儀整體電路，單片機(jī)和FPGA主電路板①模塊中單片機(jī)選用通過(guò)USB認(rèn)證的LPC11Uxx系列微控制器，具有更多內(nèi)存、串行通信、高速ADC等特性。單片機(jī)提供外接USB存儲(chǔ)接口和5V直流插口。5V直流轉(zhuǎn)換為±5V和+3.3V電源，為其他模塊供電。+3.3V電源為單片機(jī)和FPGA供電。單片機(jī)通過(guò)SPI接口(SDO、/SYNC、SCLK、SDIN)和IO口(/CLR、/LDAC、/RESET)與D/A轉(zhuǎn)換電路②模塊連接，同時(shí)±5V和+3.3V電源供電，D/A轉(zhuǎn)換電路②的輸出OUTV通過(guò)連接電流源③，5V直流供電，轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)OUTI，加載到待測(cè)檢波器上，待測(cè)檢波器產(chǎn)生的信號(hào)IN+和IN-經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理⑤和AD模塊⑥，5V直流供電，轉(zhuǎn)換為高精度數(shù)字信號(hào)，利用SPI接口(AD_SCLK、AD_DOUT、AD_CLK)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)和FPGA主電路板①模塊中。FPGA選用Actel公司IGLOO系列，其優(yōu)勢(shì)在于相同規(guī)模下功耗低，基于Flash工藝的非易失性FPGA，可靠性高，計(jì)算速度快。FPGA計(jì)算輸入信號(hào)的Goertzel變換后的幅頻特性，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)通過(guò)IO口(LCD_RS、LCD_E、LCD_D4、LCD_D5、LCD_D6、LCD_D7)與LCD連接，5V直流供電，將結(jié)果顯示到LCD上。

其中D/A轉(zhuǎn)換電路②模塊詳細(xì)電路圖如附圖4-1、4-2、4-3所示，AD5791是一款單通道，提供20位可編程電壓，其輸出范圍為-10V至+10V，單芯片1ppm精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，且具有低噪聲特性。單片機(jī)通過(guò)SPI接口(SDO、/SYNC、SCLK、SDIN)和IO口(/CLR、/LDAC、/RESET)與連接AD5791，傳輸單片機(jī)數(shù)字掃頻信號(hào)。AD5791由±5V和+3V供電，電源分別并接0.1μF和10μF旁路電容到地。AD5791的輸出VOUT連接AD8657正向輸入端，AD8657反向輸入端連接1K電阻到地，以及連接1K電阻到輸出端，提供電壓反饋，產(chǎn)生低諧波失真、高頻譜純度正弦信號(hào)。

圖4-2和圖4-3使用雙通道運(yùn)算放大器AD8676對(duì)AD5791基準(zhǔn)電壓(VREFNF、VREFNS、VREFPF、VREFPS)輸入進(jìn)行緩沖。圖4-2所示，±5V給運(yùn)算放大器AD8676供電，+5V串聯(lián)1.5K電阻到AD8676的一個(gè)運(yùn)算放大器反向輸入端，串聯(lián)1K電阻到輸出端，正向輸入端接地。運(yùn)算放大器輸出端連接AD8676的另一個(gè)運(yùn)算放大器的正向輸入端，反向輸入端和輸出端就是基準(zhǔn)電壓VREFNF和VREFNS。圖4-3所示，±5V給運(yùn)算放大器AD8676供電，+5V串聯(lián)1.5K電阻到AD8676的一個(gè)運(yùn)算放大器正向輸入端，并聯(lián)10μF電容到地。運(yùn)算放大器的反向輸入端并聯(lián)1K電阻到地，串聯(lián)51Ω電阻到輸出端，輸出端連接AD8676的另一個(gè)運(yùn)算放大器的正向輸入端，反向輸入端和輸出端就是基準(zhǔn)電壓VREFPF和VREFPS。

電流源③模塊詳細(xì)電路圖如附圖5所示，AD8276內(nèi)置四個(gè)40kΩ激光調(diào)整電阻，分別與輸入引腳、REF引腳和SENSE引腳相連，基準(zhǔn)電壓VREF加在同相輸入端，該電壓控制輸出電流量IO。由于運(yùn)算放大器AD8603具有低偏置電流和低失調(diào)電壓特性，所以在電路的反饋環(huán)路中選用該器件。AD8276的REF引腳連接AD8603的反相輸入端和輸出引腳，AD8603同相輸入端通過(guò)電阻連接晶體管的發(fā)射極，作為電流源的輸出。AD8276的的反相輸入端-IN直接接地，輸出OUT可用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)晶體管，提供高電流輸出。晶體管基極與AD8276的OUT引腳相連，集電極連接+5V，發(fā)射極連接50Ω電阻到待測(cè)檢波器正向輸入端，提供輸出電流。

信號(hào)調(diào)理⑤模塊和A/D轉(zhuǎn)換電路⑥模塊詳細(xì)電路圖如附圖6。+5V電源分別給MAX4252、LT1790和ADS1251供電，分別并聯(lián)0.1μF電容到地。待測(cè)檢波器兩段分別連接MAX4252兩組放大器的正向輸入端，MAX4252反向輸入端串聯(lián)一個(gè)10K電阻連接輸出端。檢波器負(fù)極串聯(lián)10K電阻連接LT1790輸出的2.5V參考電壓，并聯(lián)1μF電容到地，抬高直流分量。MAX4252兩組放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后，輸出端連接ADS1251輸入端，并聯(lián)10K電阻到地。ADS1251是TI公司生產(chǎn)的一種高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍的24位△-Σ結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，5V電源供電。ADS1251的SPI接口(AD_SCLK、AD_DOUT、AD_CLK)連接到FPGA，傳輸模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，進(jìn)行Goertzel變換算法的計(jì)算。

本發(fā)明利用單片機(jī)的DMA讀取正弦查找表直接產(chǎn)生數(shù)字掃頻信號(hào)，再連接D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，通過(guò)電流源加載到檢波器上，再對(duì)檢波器上采集到信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理，調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)紽PGA中，利用Goertzel變換算法和正弦查找表直接計(jì)算出所采信號(hào)的頻率響應(yīng)和諧波失真度，并通過(guò)采集的數(shù)據(jù)全面計(jì)算和分析出檢波器固有頻率、靈敏度、阻尼比、直流電阻、動(dòng)態(tài)電阻等其他各項(xiàng)參數(shù)，利用LCD顯示出來(lái)，并提供USB接口，存儲(chǔ)測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果。外觀圖如附圖7所示。

基于Goertzel變換算法的檢波器測(cè)試儀是測(cè)試原理和方式是：

第一步，在單片機(jī)FLASH里建立和存儲(chǔ)了標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)查找表，可以用于產(chǎn)生不同頻率正弦信號(hào)，表中為一個(gè)周期內(nèi)正弦信號(hào)的幅值，精度為2的16次方，分辨率為10KSPS。

第二步，利用單片機(jī)的DMA，直接讀取FLASH里正弦信號(hào)查找表。在產(chǎn)生不同頻率信號(hào)時(shí)，直接在正弦信號(hào)查找表中抽取數(shù)據(jù)，生成所需頻率的數(shù)字信號(hào)，利用DMA傳輸?shù)紻/A轉(zhuǎn)換器中即可。

第三步，本發(fā)明采用16位高精度D/A轉(zhuǎn)換器，提高了測(cè)試信號(hào)源源頭的準(zhǔn)確度，將單片機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為高精度模擬信號(hào)。

第四步，高精度模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)電流源后，加載到待測(cè)檢波器上。通過(guò)信號(hào)調(diào)理后，將采集到的檢波器信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，傳輸?shù)紽PGA中。

第五步，F(xiàn)PGA對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行Goertzel變換，Goertzel變換算法的計(jì)算同樣通過(guò)查找正弦信號(hào)表，直接查找正弦值，提高了計(jì)算速度。

第六步，F(xiàn)PGA將計(jì)算的Goertzel變換實(shí)時(shí)結(jié)果傳給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和保存，顯示到LCD上，并提供USB接口，測(cè)試完成后可以將測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外設(shè)中。

對(duì)檢波器采集到的數(shù)字信號(hào)直接Goertzel變換，進(jìn)行頻率特性分析，無(wú)需對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)后再進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)下時(shí)刻的幅頻特性和相頻特性。

本發(fā)明的使用方法為：

第一步，打開(kāi)檢波器測(cè)試儀上的測(cè)試儀電源，將輸入信號(hào)線、輸出信號(hào)線加載到待測(cè)檢波器上。檢波器測(cè)試儀上使用的4.3英寸的LCD，開(kāi)機(jī)后會(huì)顯示檢波器測(cè)試儀初始化正常和檢波器測(cè)試儀的電池電源電量。電量不足時(shí)，提供外接5V直流插口可供充電使用。

第二步，開(kāi)始測(cè)試時(shí)，首先判斷是否插入U(xiǎn)SB外接設(shè)備，若有外接設(shè)備，設(shè)置保存數(shù)據(jù)的路徑。沒(méi)有外接設(shè)備時(shí)，跳過(guò)保存數(shù)據(jù)選擇。

第三步，通過(guò)檢波器測(cè)試儀上的4*4鍵盤，先選擇需要產(chǎn)生的掃頻頻段、各頻段掃頻時(shí)間。再通過(guò)鍵盤輸入電流值，來(lái)改變對(duì)應(yīng)的測(cè)試儀輸入信號(hào)幅度。最后選擇ENT按鍵，開(kāi)始測(cè)試和分析。

第四步，測(cè)試過(guò)程中，若出現(xiàn)異常電流等情況，本發(fā)明包含安全保護(hù)器，如果測(cè)試儀輸出電流過(guò)大造成過(guò)載時(shí)，發(fā)出蜂鳴并中斷測(cè)試保護(hù)檢波器，并在LCD上顯示錯(cuò)誤原因。正常測(cè)試時(shí)，LCD上實(shí)時(shí)顯示的不同頻率和幅度下，待測(cè)檢波器的頻率響應(yīng)、諧波失真度、靈敏度、直流電阻、動(dòng)態(tài)電阻等參數(shù)，并得到和顯示出待測(cè)檢波器的直流電阻、固有頻率等。

第五步，檢波器測(cè)試儀提供的USB存儲(chǔ)接口，在測(cè)試完成后，可以將測(cè)試時(shí)間內(nèi)的測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)保存成EXCEL表格，保存到外接USB存儲(chǔ)設(shè)備中。

系統(tǒng)的主流程圖見(jiàn)附圖8。主流程描述如下：

第一步，程序開(kāi)始運(yùn)行后，首先進(jìn)行軟件和硬件的初始化工作，比如參數(shù)的初值設(shè)置、寄存器清零等；

第二步，先判讀是否插入U(xiǎn)SB，如果有USB外接設(shè)備，則設(shè)置數(shù)據(jù)保存路徑。同時(shí)選擇檢波器掃頻頻率與掃頻時(shí)間、以及測(cè)試幅值等參數(shù)。

第三步，開(kāi)始測(cè)試時(shí)，用單片機(jī)的DMA，直接讀取存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)查找表，產(chǎn)生所需頻率信號(hào)，并通過(guò)低諧波失真、高頻譜純度的電流源加載到檢波器上。

第四步，根據(jù)設(shè)置的測(cè)試頻率，確定采樣率，同時(shí)啟動(dòng)A/D數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA進(jìn)行Goertzel變換算法的計(jì)算，F(xiàn)PGA將計(jì)算的實(shí)時(shí)結(jié)果傳給單片機(jī)，單片機(jī)將得到的頻率響應(yīng)結(jié)果，根據(jù)公式換算成頻率響應(yīng)、諧波失真度、靈敏度、阻尼比、動(dòng)態(tài)電阻、直流電阻、固有頻率等各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示到LCD上。測(cè)試中若電流過(guò)大造成過(guò)載時(shí)，安全保護(hù)器發(fā)出蜂鳴并中斷測(cè)試，保護(hù)檢波器，LCD顯示錯(cuò)誤原因。

第五步，測(cè)試完成后，若有外接設(shè)備，將測(cè)試時(shí)間內(nèi)的檢測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果將全部保存到EXCEL表格，存儲(chǔ)在外接USB設(shè)備里。

本發(fā)明經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，性能穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出檢波器頻率響應(yīng)和各項(xiàng)參數(shù)，測(cè)試精度滿足要求，測(cè)試速度快，使用方便，一般人員即可使用，實(shí)現(xiàn)了可靠、實(shí)用、便捷的檢波器性能和各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量，為后續(xù)檢波器的使用提供了高精度特性參數(shù)，為地震信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明實(shí)施例揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。