【正文】 WM）控制。C2000為此專門設(shè)計(jì)了能產(chǎn)生PWM的事件管理器（EV），用戶可以方便地用來(lái)生成PWM，調(diào)節(jié)死區(qū)等。一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例為AB公司變頻器（電機(jī)控制器）。事實(shí)上絕大多數(shù)電機(jī)控制，包括步進(jìn)電機(jī)，都是采用PWM控制，都適合采用DSP C2000控制，可獲得更好的細(xì)分、速度與精度。(1) 數(shù)字信號(hào)處理器的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善，多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重?cái)?shù)據(jù)(SIMD)、特大指令字組(VLIM)將在新的高性能處理器中將占主導(dǎo)地位，如Analog Devices的ADSP2116x。ADSP產(chǎn)品(2) DSP和微處理器的融合：微處理器是低成本的，主要執(zhí)行智能定向控制任務(wù)的通用處理器能很好執(zhí)行智能控制任務(wù)，但是數(shù)字信號(hào)處理功能很差。而DSP的功能正好與之相反。在許多應(yīng)用中均需要同時(shí)具有智能控制和數(shù)字信號(hào)處理兩種功能，如數(shù)字蜂窩電話就需要監(jiān)測(cè)和聲音處理功能。因此，把DSP和微處理器結(jié)合起來(lái)，用單一芯片的處理器實(shí)現(xiàn)這兩種功能，將加速個(gè)人通信機(jī)、智能電話、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的開發(fā)，同時(shí)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減小PCB體積，降低功耗和整個(gè)系統(tǒng)的成本。例如，有多個(gè)處理器的Motorola公司的DSP5665x，有協(xié)處理器功能的Massan公司FILU200，把MCU功能擴(kuò)展成DSP和MCU功能的TI公司的TMS320C27xx以及Hitachi公司的SHDSP，都是DSP和MCU融合在一起的產(chǎn)品?；ヂ?lián)網(wǎng)和多媒體的應(yīng)用需要將進(jìn)一步加速這一融合過(guò)程。(3) DSP和高檔CPU的融合：大多數(shù)高檔GPP如Pentium 和PowerPC都是SIMD指令組的超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，速度很快。LSI Logic 公司的LSI401Z采用高檔CPU的分支預(yù)示和動(dòng)態(tài)緩沖技術(shù)，結(jié)構(gòu)規(guī)范，利于編程，不用擔(dān)心指令排隊(duì)，使得性能大幅度提高。Intel公司涉足數(shù)字信號(hào)處理器領(lǐng)域?qū)?huì)加速這種融合。(4) DSP和SOC的融合：SOCSOC(SystemOnChip)是指把一個(gè)系統(tǒng)集成在一塊芯片上。這個(gè)系統(tǒng)包括DSP 和系統(tǒng)接口軟件等。比如Virata公司購(gòu)買了LSI Logic公司的ZSP400處理器內(nèi)核使用許可證，將其與系統(tǒng)軟件如USB、10BASET、以太網(wǎng)、UART、GPIO、HDLC等一起集成在芯片上，應(yīng)用在xDSL上，得到了很好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，SOC芯片近幾年銷售很好。1999年，約39%的SOC產(chǎn)品應(yīng)用于通訊系統(tǒng)。今后幾年，SOC將以每年31%的平均速度增長(zhǎng)，到2004年將達(dá)到13億片。毋庸置疑，SOC將成為市場(chǎng)中越來(lái)越耀眼的明星。(5) DSP和FPGA的融合：FPGA是現(xiàn)場(chǎng)編程門陣列器件。它和DSP集成在一塊芯片上，可實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)處理，大大提高信號(hào)處理速度。據(jù)報(bào)道，Xilinx 公司的VirtexII FPGA對(duì)快速傅立葉變換(FFT)的處理可提高30倍以上。它的芯片中有自由的FPGA可供編程。Xilinx公司開發(fā)出一種稱作Turbo卷積編譯碼器的高性能內(nèi)核。設(shè)計(jì)者可以在FPGA中集成一個(gè)或多個(gè)Turbo內(nèi)核，它支持多路大數(shù)據(jù)流，以滿足第三代(3G)WCDMA無(wú)線基站和手機(jī)的需要，同時(shí)大大WCDMA無(wú)線基站節(jié)省開發(fā)時(shí)間，使功能的增加或性能的改善非常容易。因此在無(wú)線通信、多媒體等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛應(yīng)用。 小波分析斷路器在分合閘操作中所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)是一系列無(wú)規(guī)則的信號(hào)量，這些振動(dòng)信號(hào)中還會(huì)夾雜著各種各樣的噪聲干擾和隨機(jī)振動(dòng)。斷路器的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)是典型的帶有噪聲的非平穩(wěn)信號(hào)，分析比較困難。傳統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)處理方法采用傅立葉變換進(jìn)行分析，基于傅立葉變換的FFT頻譜分析在全頻域范圍內(nèi)分辨率理論上可達(dá)無(wú)窮大，但時(shí)域分辨率為零，因此不適合對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行分析。小波變換具有“變焦”的特點(diǎn)和良好的時(shí)頻局部化特性，可以把信號(hào)在空間和頻域上局部化。近年來(lái)，小波分析在電力系統(tǒng)故障診斷、信號(hào)消噪等方面得到廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐證明，利用小波變換分析振動(dòng)信號(hào)能取得更好的效果。，通過(guò)物理的直觀和信號(hào)處理的實(shí)際需要經(jīng)驗(yàn)的建立了反演公式，當(dāng)時(shí)未能得到數(shù)學(xué)家的認(rèn)可。幸運(yùn)的是，早在七十年代，、Hardy空間的原子分解和無(wú)條件基的深入研究為小波變換的誕生做了理論上的準(zhǔn)備，；，小波分析才開始蓬勃發(fā)展起來(lái)，《小波十講（Ten Lectures on Wavelets）》對(duì)小波的普及起了重要的推動(dòng)作用。它與Fourier變換、窗口Fourier變換（Gabor變換）相比，這是一個(gè)時(shí)間和頻率的局域變換，因而能有效的從信號(hào)中提取信息，通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析（Multiscale Analysis），解決了Fourier變換不能解決的許多困難問(wèn)題，從而小波變化被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”，它是調(diào)和分析發(fā)展史上里程碑式的進(jìn)展。小波分析是當(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)和工程學(xué)科中一個(gè)迅速發(fā)展的新領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)近10年的探索研究，重要的數(shù)學(xué)形式化體系已經(jīng)建立，理論基礎(chǔ)更加扎實(shí)。與Fourier變換相比，小波變換是空間(時(shí)間)和頻率的局部變換，因而能有效地從信號(hào)中提取信息。通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算功能可對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度的細(xì)化分析，解決了Fourier變換不能解決的許多困難問(wèn)題。小波變換聯(lián)系了應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信號(hào)與信息處理、圖像處理、地震勘探等多個(gè)學(xué)科。數(shù)學(xué)家認(rèn)為，小波分析是一個(gè)新的數(shù)學(xué)分支，它是泛函分析、Fourier分析、樣調(diào)分析、數(shù)值分析的完美結(jié)晶；信號(hào)和信息處理專家認(rèn)為，小波分析是時(shí)間—尺度分析和多分辨分析的一種新技術(shù)，它在信號(hào)分析、語(yǔ)音合成、圖像識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)據(jù)壓縮、地震勘探、大氣與海洋波分析等方面的研究都取得了有科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值的成果。小波分析的應(yīng)用是與小波分析的理論研究緊密地結(jié)合在一起地?，F(xiàn)在，它已經(jīng)在科技信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。電子信息技術(shù)是六大高新技術(shù)中重要的一個(gè)領(lǐng)域，它的重要方面是圖像和信號(hào)處理?，F(xiàn)今，信號(hào)處理已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)工作的重要部分，信號(hào)處理的目的就是：準(zhǔn)確的分析、診斷、編碼壓縮和量化、快速傳遞或存儲(chǔ)、精確地重構(gòu)（或恢復(fù)）。從數(shù)學(xué)地角度來(lái)看，信號(hào)與圖像處理可以統(tǒng)一看作是信號(hào)處理（圖像可以看作是二維信號(hào)），在小波分析地許多分析的許多應(yīng)用中，都可以歸結(jié)為信號(hào)處理問(wèn)題?，F(xiàn)在，對(duì)于其性質(zhì)隨時(shí)間是穩(wěn)定不變的信號(hào)，處理的理想工具仍然是傅立葉分析。但是在實(shí)際應(yīng)用中的絕大多數(shù)信號(hào)是非穩(wěn)定的，而特別適用于非穩(wěn)定信號(hào)的工具就是小波分析。（1） 信號(hào)的濾波小波濾波方法目前在分析化學(xué)中應(yīng)用主要是小波平滑和小波去噪兩種方法。小波平滑是將某一信號(hào)先經(jīng)小波分解，將在時(shí)間域上的單一信號(hào)分解為一系列不同尺度上的小波系數(shù)(也稱不同頻率上的信號(hào))， 然后選定某一截?cái)喑叨龋垢哂诖顺叨鹊男〔ㄏ禂?shù)全部為零，再重構(gòu)信號(hào)，這樣就完成了一個(gè)低通小波濾波器的設(shè)計(jì)；而小波去噪，則是在小波分解基礎(chǔ)上選定一閾值，對(duì)所有尺度空間的小波系數(shù)進(jìn)行比較，使小于此閾值的小波系數(shù)為零，然后重構(gòu)信號(hào)。（2） 信號(hào)小波壓縮信號(hào)經(jīng)小波分解之后，噪音信號(hào)會(huì)在高頻部分出現(xiàn)，而對(duì)于有用的信號(hào)分量大部分在低頻部分出現(xiàn)，據(jù)此可以將高頻部分小波系數(shù)中低于某一閾值的系數(shù)去除，而對(duì)其余系數(shù)重新編碼，只保留編碼后的小波系數(shù)，這樣可大大減少數(shù)據(jù)貯存量，達(dá)到信號(hào)壓縮的目的。（3） 小波多尺度分析在多尺度分析方面的應(yīng)用主要是對(duì)化學(xué)電信號(hào)進(jìn)行小波分解，使原來(lái)單一的時(shí)域信號(hào)分解為系列不同頻率尺度下的信號(hào)，然后對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析研究。小波在色譜信號(hào)處理方面的應(yīng)用，主要是對(duì)重疊色譜峰的解析。MATLAB意即矩陣實(shí)驗(yàn)室，是一種建立在向量、數(shù)組和矩陣基礎(chǔ)上，面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言，它集科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理于一體，具有極高的編程效率。從7O年代中期開始， 經(jīng)Cleve Moler等研究開發(fā)了調(diào)用LINPACK和EISPACK的FORTRAN子程序庫(kù)，Cleve Moler編寫了方便使用LINPACK和EISPACK的接口程序，并把這個(gè)接口程序取名為MATLAB，1983年春，Johr．Little和Moler、Steve、Banqert一起合作開發(fā)第二代專業(yè)版的MATLAB，MATL B的核心開始用C語(yǔ)言編寫， 同時(shí)增加了繪圖和圖形功能。1984年，MATLAB公司成立并出了MATLAB最初版本。之后，1992年、1993年、1994年、1997年相繼推出了MATL B4．0版、微機(jī)版和Windows版、MATLAB4．2版、適用于Windows95的MAT_LAB5．0和SIMULINK2．0，它實(shí)現(xiàn)了32位運(yùn)作，數(shù)值計(jì)算的速度也更快，圖形表現(xiàn)更豐富有效，編程更簡(jiǎn)捷直觀，用戶界面更友好。2000年l0月、2002年8月Mathworks公司進(jìn)一步推出了MA ⅡAB6．0版、MATLAB6．5版已經(jīng)開始發(fā)布了。每一次版本的推出都使MATLAB有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，界面越來(lái)越友好，內(nèi)容越來(lái)越豐富．功能越來(lái)越強(qiáng)大。現(xiàn)在，MATLAB有30多個(gè)工具箱(TOOLBOX)功能極其強(qiáng)大，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化、小波分析、信號(hào)、圖像處理、控制系統(tǒng)、偏微分方程、模糊邏輯、統(tǒng)計(jì)分析、樣條、系統(tǒng)辨識(shí)等，為科學(xué)研究和工程計(jì)算提供了一個(gè)方便有效的工具。MATLAB具有超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，被廣泛的應(yīng)用于信號(hào)處理、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，而且它的圖形用戶界面編程技術(shù)(GUIDE)簡(jiǎn)單易學(xué)，即使非專業(yè)人員也能編制出界面友好、功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。 總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試如圖23所示，當(dāng)永磁機(jī)構(gòu)工作時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、串行異步通信電路后進(jìn)入PC機(jī)，利用MATLAB進(jìn)行小波分析，同時(shí)存儲(chǔ)并畫出頻譜圖，通過(guò)觀察振幅最大處的頻率就可以觀察振動(dòng)物體運(yùn)行情況。圖23 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖本系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理、積分放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理及數(shù)據(jù)傳輸電路。～，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理放大電路后，輸出到A/D轉(zhuǎn)換電路，由A/D完成模擬量信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。軟件由兩部分組成：一是數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集時(shí)利用A/D的定時(shí)觸發(fā)采樣，并將采樣后的數(shù)值存儲(chǔ)在某個(gè)數(shù)據(jù)文件中；二是數(shù)據(jù)處理、圖形選擇和顯示。從數(shù)據(jù)文件中讀出數(shù)據(jù)，在時(shí)域圖形上顯示。用戶可以在時(shí)域數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上作小波變換變換，并顯示頻譜圖。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 信號(hào)調(diào)理電路壓電加速度傳感器的前置放大電路有兩個(gè)作用：一是把壓電傳感器的微弱信號(hào)放大。另一個(gè)是把傳感器的高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵?。根?jù)壓電加速度傳感器的等效電路，它的輸出可以是電壓，也可以是電荷，因此前置放大電路也有兩種形式:電壓放大器和電荷放大器。由于傳感器與電壓放大器相聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓與電纜電容C有關(guān)，而電纜電容又受電纜的長(zhǎng)度決定。所以電壓放大器的靈敏度隨連接電纜的長(zhǎng)度變化而變化，而電荷放大器則不受影響。因此，本設(shè)計(jì)采用電荷放大器。電荷放大器是一種測(cè)量?jī)x器，一般由電荷轉(zhuǎn)換部分，適調(diào)放大器，高低通濾波器，輸出放大級(jí)，穩(wěn)壓電源和過(guò)載指示等幾個(gè)部分組成，其原理框圖如圖31所示:圖31 電荷放大器框圖壓電加速度傳感器輸出的高阻電荷信號(hào)Q首先經(jīng)電荷轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛢?nèi)阻電壓信號(hào)，再經(jīng)適調(diào)放大器歸一后送入高低通濾波器，經(jīng)輸出放大級(jí)進(jìn)行放大，最后輸出。電荷轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)電荷放大器的核心部分，這部分的輸出電荷信號(hào)Q轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)V。它是由運(yùn)算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成，理想情況下這部分電路的輸入電阻應(yīng)該無(wú)窮大。一般輸入級(jí)多采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管，輸入阻抗可以達(dá)到1010?，F(xiàn)在隨著集成電路的發(fā)展，已出現(xiàn)集成了高阻輸入級(jí)的運(yùn)放，輸入阻抗可達(dá)到1012以上。高阻運(yùn)放的出現(xiàn)使得在輸入級(jí)可以不用再采用由場(chǎng)效應(yīng)管組成的高阻電路來(lái)提升輸入阻抗，這就簡(jiǎn)化了這部分電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試，提高了這部分電路的集成度和性能，降低了設(shè)計(jì)成本。本設(shè)計(jì)中，我們采用的運(yùn)算放大器就是這種集成了高阻輸入級(jí)的高阻運(yùn)算放大器，TI公司的TL084芯片，其輸入阻抗為1012，帶寬為3MHz，開環(huán)增益為105，而且還有內(nèi)部調(diào)零電路。具體參數(shù)性能可參見(jiàn)TL084的數(shù)據(jù)手冊(cè)。所以完全能滿足本設(shè)計(jì)的理論要求。本部分電路如圖32所示。圖32 電荷轉(zhuǎn)換原理圖為了保證精度，反饋電容采用穩(wěn)定性及絕緣電阻高的精密聚苯乙烯電容，%以下。一般輸出電壓在1:10V范圍內(nèi)變化為宜，為保證電路的增益，反饋電容不能取太大，考慮到壓電加速度傳感器的輸出電荷量，反饋電容Cf一般不超過(guò)1OOOOPF，但是反饋電容也不可選得太小，以免因寄生電容得影響給電路調(diào)試和使用造成困難一般Cf不小于1OOPF。這部分的作用是當(dāng)被測(cè)非電量(加速度或壓力)一定時(shí)，用不同靈敏度的傳感器去測(cè)量時(shí)，有相同的輸出，以便處理記錄下來(lái)的圖形和數(shù)據(jù)。假定傳感器的電荷靈敏度為SQ=Q1/g，電荷轉(zhuǎn)換部分的增益為KQ=V1/Q1，適調(diào)部分的增益為Ki=V0/V1，則總的傳遞系數(shù)為三者的乘積；KQSQKI== （31）圖33 適調(diào)放大電路原理圖圖34 電荷轉(zhuǎn)換和適調(diào)部分電路原理圖當(dāng)增益開關(guān)選好后，即反饋電容Cf一定，KQ是常數(shù)，傳感器的靈敏度不同時(shí)，即每個(gè)g所產(chǎn)生的Q1不一樣，這時(shí)我們適當(dāng)調(diào)節(jié)適調(diào)部分的增益K1，就能使總增益K不變。電路原理如圖33所示。本設(shè)計(jì)的核心部分電荷轉(zhuǎn)換和適調(diào)部分電路如圖34所示，電荷轉(zhuǎn)換部分的反饋電阻為1OOM?，反饋電容為1000PF，，RC并聯(lián)電路的作用是消除振蕩和產(chǎn)生超前相移。運(yùn)算放大器正向輸入端的2K電阻是根據(jù)運(yùn)算放大器的本身性能選擇的。電荷轉(zhuǎn)換部分的運(yùn)算放大器的兩個(gè)調(diào)零端還需接入調(diào)零電路，減小運(yùn)放的失調(diào)電壓，具體可參見(jiàn)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)。電源采用15V直流電源。壓電加速度傳感器是一個(gè)若阻尼的振動(dòng)系統(tǒng)，因此它的幅頻特性的高頻段有一個(gè)很高的共振峰，此峰值嚴(yán)重地引起了高頻噪聲，并對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生失真和干擾。為此，需在放大器中采用低通濾波器，以補(bǔ)償傳感器引起的高頻幅頻特性。另外，在某些振動(dòng)測(cè)試中，電荷放大器的通頻帶有時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際的需要，而無(wú)用的高頻頻帶的存在對(duì)低頻測(cè)試只會(huì)帶來(lái)壞的影響。所以在系統(tǒng)中就非常有必要采用低通濾波器，它只能讓低頻交流分量通過(guò)，使無(wú)用的高頻分量受到較大的衰減。圖35 有源低通濾波