1信號(hào)設(shè)備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)原理

　　信號(hào)設(shè)備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要針對(duì)ZPW2000A型無(wú)絕緣軌道電路設(shè)備的發(fā)送器和接收器而設(shè)計(jì)，其硬件結(jié)構(gòu)如1所示。

　　從1可以看出，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字I/O卡、信號(hào)調(diào)理模塊、繼電器陣列、信號(hào)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)等6部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集卡是系統(tǒng)的核心器件，采集檢測(cè)對(duì)象的所有信號(hào)，利用DMA方式通過(guò)PCI總線把信號(hào)傳送到內(nèi)存中，以供應(yīng)用程序分析處理。數(shù)字I/O卡是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵，通過(guò)它產(chǎn)生TTL兼容電平，控制繼電器陣列。繼電器陣列是用于執(zhí)行動(dòng)作的器件，通過(guò)其開/關(guān)選擇不同的測(cè)試項(xiàng)目，完成對(duì)被測(cè)設(shè)備各種指標(biāo)的檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試的功能。對(duì)于軌道電路電壓指標(biāo)的測(cè)量，由于電壓的幅度比較大，還有各種電流的測(cè)量，因此必須把它們轉(zhuǎn)化為合適的電壓幅度。電流傳感器和信號(hào)調(diào)理模塊是把信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡可測(cè)的信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的鐵路設(shè)備信號(hào)，供給被檢測(cè)對(duì)象。計(jì)算機(jī)提供通用平臺(tái)。

　　2系統(tǒng)誤差分析

　　測(cè)試系統(tǒng)誤差主要有隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。由于隨機(jī)誤差可通過(guò)剔除壞值，算出測(cè)量值的算術(shù)平均值來(lái)消除，所以對(duì)結(jié)果影響不大，因此重點(diǎn)分析測(cè)試系統(tǒng)中系統(tǒng)誤差的傳遞與合成。

　　被測(cè)信號(hào)作為輸入信號(hào)進(jìn)入虛擬測(cè)試儀器后，經(jīng)過(guò)一系列變換轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)，同時(shí)還包含了以下2個(gè)方面的誤差：一是經(jīng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換而帶來(lái)的輸入信號(hào)誤差;另一個(gè)是引入了虛擬測(cè)試儀器本身的誤差。系統(tǒng)誤差傳遞過(guò)程如所示。

　　自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)每一部分在測(cè)試過(guò)程中都會(huì)引入不同的誤差，這些誤差再通過(guò)一定的傳遞而形成系統(tǒng)的總誤差。若傳感器、信號(hào)調(diào)理電路模塊、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)的誤差傳遞系數(shù)分別為a1、a2、a3、a4，因這幾個(gè)環(huán)節(jié)是串聯(lián)在一起的，則這幾個(gè)誤差傳遞系數(shù)相乘就是整個(gè)系統(tǒng)的誤差傳遞系數(shù)a，從而可用下式來(lái)表現(xiàn)系統(tǒng)誤差的傳遞過(guò)程。

　　y=a(1 e)x

　　其中：x為被測(cè)信號(hào)進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)時(shí)本身所帶誤差;e為測(cè)試系統(tǒng)自身的誤差;a為測(cè)試系統(tǒng)誤差傳遞系數(shù);y為輸出信號(hào)的誤差。

　　由上式可知，虛擬測(cè)試儀器的誤差是以誤差傳遞系數(shù)的形式出現(xiàn)的，是系統(tǒng)傳遞函數(shù)和本身的誤差因素綜合作用的結(jié)果，可以通過(guò)修正系數(shù)來(lái)校正。

　　3誤差處理方法

　　由于虛擬儀器本身的特點(diǎn)是軟件即儀器，從而可通過(guò)一系列的校準(zhǔn)測(cè)試獲得虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的誤差傳遞系數(shù)，再對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償和修正，即可以獲得所需的高精度測(cè)試結(jié)果。測(cè)試系統(tǒng)校正原理示意圖如所示。首先，提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源V1并以之為校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，然后設(shè)計(jì)一個(gè)校準(zhǔn)程序，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)源V1進(jìn)行測(cè)試得到測(cè)試值V2，取k=V1/V2并將k存儲(chǔ)在校準(zhǔn)配置文件中。測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，先從配置文件中讀取校準(zhǔn)系數(shù)k，然后對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得值為V4，最后使用系數(shù)k進(jìn)行校準(zhǔn)，輸出結(jié)果為V=kV4。

　　3測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)示意圖下面以ZPW2000A型無(wú)絕緣軌道電路設(shè)備發(fā)送器電源電壓的校準(zhǔn)測(cè)試為例說(shuō)明。由于實(shí)際上無(wú)法獲得被測(cè)值的真值，因此在測(cè)試中以Agilent的34401A612位的數(shù)字萬(wàn)用表，所測(cè)信號(hào)源的實(shí)際值來(lái)代替，校準(zhǔn)過(guò)程如下。

　　首先，用校準(zhǔn)檢測(cè)電源輸出電壓，同時(shí)用上述萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)電源的輸出，將二者數(shù)據(jù)記錄下來(lái)并進(jìn)行比較，如1所示。

　　1系統(tǒng)校準(zhǔn)前所測(cè)電源電壓數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)V1/V萬(wàn)用表所測(cè)數(shù)據(jù)V2/VV2/V1相對(duì)誤差/2223242526

　　-057-053-0502將V2/V1的5個(gè)數(shù)據(jù)取平均，就可獲得此項(xiàng)目的修正系數(shù)10057，然后將該系數(shù)存到校準(zhǔn)系數(shù)的配置文件中。以此系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)后，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)如2所示。

　　2系統(tǒng)校準(zhǔn)后所測(cè)電源電壓數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)/V系統(tǒng)校準(zhǔn)后萬(wàn)用表測(cè)得數(shù)據(jù)/V校準(zhǔn)后相對(duì)誤差/22232425262202323008240062499725983-0104-0035-002500120065從可知，系統(tǒng)校準(zhǔn)后，相對(duì)誤差最大為0104，相對(duì)校準(zhǔn)前的065，測(cè)試精度大大提高，并超過(guò)了被測(cè)設(shè)備測(cè)試大綱中所要求的1的相對(duì)誤差，符合測(cè)試要求。

　　4總結(jié)

　　虛擬儀器最為核心的理念就是軟件即儀器，也就是說(shuō)可借助于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力，用軟件來(lái)代替部分硬件。就測(cè)試系統(tǒng)的誤差來(lái)說(shuō)，搭建測(cè)試系統(tǒng)時(shí)就要考慮哪些硬件可能會(huì)引起誤差，應(yīng)盡量采用軟件實(shí)現(xiàn)，否則可以參考以上例子對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以獲得高精度的測(cè)量結(jié)果。ZPW2000A型無(wú)絕緣軌道電路設(shè)備的發(fā)送器和接收器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已投入試用，修正誤差方法簡(jiǎn)單實(shí)用，大幅度提高了測(cè)量精度，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。