【正文】 輸入輸出數(shù)據(jù)進行處理，從Chirp信號得到的幅頻特性曲線圖中我們不難發(fā)現(xiàn)，其測試精度較低，在要求具有較高的測試精度的場合下，限制了功率譜算法的運用，因此，在以后的研究中，不再關(guān)心功率譜算法，而重點運用FFT算法進行分析。 小結(jié)本章研究了另外一種頻率特性測試信號—Chirp信號。第4章 Multitone信號仿真研究 引言上一章主要研究了Chirp信號進行頻率特性時相關(guān)結(jié)論，值得一提的是，本章所提出的Multitone信號以及上一章的Chirp信號，都是為了提高頻率特性測試時的測試效率，在要求足夠高的測試精度以及測試時間充裕的情況下，盡量選擇正弦掃描信號進行測試，然而，在工業(yè)運用中有時精度要求不是十分苛刻，而突出強調(diào)的是提高其測試效率，因此，Multitone信號在保證具有一定測試精度的同時，還能夠提高測試效率，本章著重研究的就是使用Multitone信號在進行頻率特性測試時，其對測試結(jié)果的影響。常用到得初相角分布有三種：線性分布、均取零、隨機分布，圖41a、41b所示為初相角按照線性分布和均取零的Multitone信號波形，兩個信號幅值、起始頻率、截止頻率都相同，從兩個信號波形圖中可以看出，初相角的分布對輸出信號的最大幅值有很大影響。因此，在實際系統(tǒng)測試中，Multitone信號均按照線性分布的方式設(shè)定初始相角。圖21c 初相角按線性分布的Multitone信號頻譜圖（2）起始頻率的設(shè)置式（41）的必須是的整數(shù)倍，這樣才能保證合成波形仍然是一個周期波形。這樣，該信號可更簡單地表示為 （42）式中，（3）歸一化處理實際硬件系統(tǒng)產(chǎn)生上述信號時，信號發(fā)生器輸出信號的最大幅值A(chǔ)m受到確定域值A(chǔ)o限制，當(dāng)Am超過Ao時，必須進行歸一化處理。其表現(xiàn)為輸出信號做頻譜分析時每一個頻率成分的幅值降低，從而影響到測量精度。運用Multitone信號進行頻率特性測試，其原理類似于運用一系列有規(guī)則的正弦波進行頻率特性測試，此處不在贅述。圖42a Multitone信號輸入輸出波形圖圖42b Multitone信號輸入輸出頻譜圖從Multitone信號表達式（41）可以看出，理論上講，一旦組合正弦波個數(shù)確定，以N=10為例，每進行一次Multitone信號頻率特性測試，系統(tǒng)都進行了10個頻率點的測試，只要在多次重復(fù)測試中，合適的選取起始頻率和截止頻率，就可以在所有感興趣的頻率范圍內(nèi)進行頻率特性測試，該方法比正弦逐點掃描測試速度提高了10倍。表41為運用FFT算法處理后得到的頻率特性表。 小結(jié)本章再次研究了另外一種能提高測試效率的信號，即Multitone信號，首先，講述了Multitone信號的概念及其特性，然后根據(jù)其物理表達式，介紹了一下Multitone信號在頻率特性當(dāng)中的應(yīng)用，并摒棄了測試精度低的互功率譜算法，選擇FFT算法進行數(shù)據(jù)處理，得到了相關(guān)的結(jié)論，從第2章至第4章都是在Matlab仿真下得到的結(jié)果，利用這些仿真結(jié)果，為接下來的編程工作提供指導(dǎo)，并能夠為本課題的理論研究打下堅實的基礎(chǔ)。利用本實驗室研發(fā)的高速高精度采集卡以及任意波形發(fā)生器卡進行本課題的實驗環(huán)節(jié)，通過適當(dāng)?shù)木幊蹋軌驖M足在本課題研究當(dāng)中所有任務(wù)要求。圖51 實驗硬件平臺計算機虛擬儀器機殼內(nèi)固定有四槽母版，本實驗只使用其中三槽，分別插入CPU板卡、任意波形發(fā)生器卡以及高速采集卡。任意波形發(fā)生器卡能夠輸出16位高精度任意波形測試信號，高速采集卡能夠同時采集8路測試信號，采集精度16位，最大采樣速率200kHz。 任意波形發(fā)生器卡本卡是本課題所在實驗室自主研發(fā)，采用基于存儲方式設(shè)計，可以產(chǎn)生任意波形，圖53為任意波形發(fā)生器卡實物圖，采用本卡有兩個明顯優(yōu)勢：一是可以產(chǎn)生任意波形，便于程控；另一個明顯優(yōu)勢是能夠獨立于CPU運行，該卡可廣泛應(yīng)用到虛擬儀器中。數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分采用高速高精度D/A轉(zhuǎn)換器，具有16bit的分辨率，信號輸出時通過信號調(diào)理電路及輸出電壓范圍控制電路，使信號具有良好特性。被掃描的地址按設(shè)定的掃描頻率遞增，當(dāng)它與寫入的終止地址相同時，在下一個時鐘周期地址掃描電路又開始從起始地址掃描，如此往復(fù)輸出波形?！?00kHz，輸出信號幅值精度為2mV，%。圖54 任意波形發(fā)生器卡原理框圖圖55 任意波形發(fā)生器工作流程圖 高速采集卡本卡同樣為本實驗室自主研發(fā)，主要由邏輯控制電路，先進先出（FIFO）緩沖存儲器電路，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，高速高精度放大電路，高速多路模擬開關(guān)選通等部分組成，圖56是其實物圖。圖57是高速采集卡原理框圖，圖58是其工作流程圖。圖57 高速采集卡原理框圖圖58 高速采集卡工作流程圖 操作系統(tǒng)及其余配置本測試裝置的操作系統(tǒng)采用經(jīng)過精簡的Windows98操作系統(tǒng)，與普通的Windows相比，它卸載了大量多余的系統(tǒng)組件，因此，其體積更小，啟動速度更快，可靠性更高。 被測對象本課題的實驗對象為標(biāo)準(zhǔn)的二階電路，其實物圖如圖59所示。5V進行供電，利用電阻色環(huán)以及電容編碼原理，可以得到各參數(shù)較準(zhǔn)確的值，經(jīng)過萬用表的測量，可得其電路圖如圖510所示。加深了對實驗室環(huán)境的認識，對實驗室硬件設(shè)備的了解，是下文進行軟件編程的基礎(chǔ)。Delphi的這些優(yōu)點為我們提供了一種方便的、快捷的Windows應(yīng)用程序開發(fā)工具。按照軟件工程的思想，軟件設(shè)計包括需求分析、可行性分析、總體設(shè)計、詳細代碼編寫、測試與維護環(huán)節(jié)等。它是分析、設(shè)計伺服系統(tǒng)以及對伺服系統(tǒng)進行故障診斷的基礎(chǔ)。結(jié)合本課題的需要，本軟件應(yīng)該具備如下功能：信號產(chǎn)生。信號采集。頻域分析。 可行性分析從硬件設(shè)備、技術(shù)、工作量三個方面分析該軟件的可行性。最大幅值范圍為V，滿足設(shè)計信號的要求。從技術(shù)上講，用Delphi語言實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的頻率特性測試完全可行，使用該語言編寫程序結(jié)構(gòu)清晰，界面友好，該軟件具有強大的數(shù)據(jù)庫功能。 軟件功能圖61是該軟件人機交互界面，從該界面可以看出，該軟件具有如下功能：信號設(shè)置。信號采集。數(shù)據(jù)處理。圖61 伺服系統(tǒng)動態(tài)性能測試軟件界面在實驗時，具體操作如下：(1)在輸入信號設(shè)置欄里設(shè)置激勵信號，按“輸出”按鈕，任意波形輸出卡工作，輸出激勵信號，并加載到被測系統(tǒng)中，得到輸出信號。同時，若選擇的是正弦信號，則“相關(guān)”按鈕則在每隔一定時間的情況下自動按下，表示將采集得到的數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，其結(jié)果通過按鈕右邊的黑色模擬數(shù)據(jù)顯示框顯示出來；若選擇的是Chirp信號或Multitone信號，則“相關(guān)”按鈕不工作，其右邊的黑色框也不顯示。(3)點擊“FFT頻譜”、“FFT相譜”則將采集到的數(shù)據(jù)進行FFT分析，并將輸入輸出的頻譜和相譜曲線在右上角顯示出來。 信號發(fā)生與采集代碼設(shè)計在本實驗中，需要產(chǎn)生三種信號，對不同的信號，雖然寫入RAM的數(shù)據(jù)不一樣，但是其編程原理類似，其流程圖如圖62所示。在應(yīng)用相關(guān)算法進行分析之時，由于伺服系統(tǒng)存在暫態(tài)響應(yīng)的關(guān)系，因此在采集得到輸入輸出數(shù)據(jù)之后，舍棄前兩個周期的數(shù)據(jù)，截取穩(wěn)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，去除系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)對實驗結(jié)果的影響。 圖65a 時間抽取基2FFT算法流程圖 圖65b 倒序流程圖在利用FFT算法計算被測系統(tǒng)頻率特性時，是對信號采集N個點，進行FFT變換后，得到的時2N個實數(shù)值，構(gòu)成N個復(fù)數(shù)值，其中，序號列為2i1的是信號FFT變換后的第i個復(fù)數(shù)的實部，序號列為2i的是信號FFT變換后的第i個復(fù)數(shù)的虛部（）,由于FFT變換結(jié)果的對稱性（前N/2與后N/2譜線是對稱的），我們只去前N/2根譜線進行分析，在第k跟譜線處，對應(yīng)頻率為k*()，對應(yīng)幅值為2*x(k)/N，相位為信號FFT變換后復(fù)數(shù)值的相位在對Multitone信號進行FFT算法分析時，由于Multitone信號頻率的不連續(xù)性，在進行FFT算法分析時，在不存在的頻率點處得到的幅頻特性和相頻特性有很大誤差，需要舍棄，因此僅保留頻率點處的值，再用曲線擬合，得到光滑的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，對正弦信號，只取頻率點處的值，其余值均舍棄。首先，從需求分析出發(fā)，介紹了軟件應(yīng)該具備的功能；其次，對軟件編程的可行性進行了分析；再次，通過軟件界面，詳細敘述了如何運用該軟件進行動態(tài)測試，最后，介紹了本軟件在信號以及算法編程方面的代碼設(shè)計方法。第7章 實驗結(jié)果研究 引言為了能夠驗證本文所研究各種測試信號及數(shù)據(jù)算法的處理精度，在這之前，進行了大量的Matlab仿真方面的研究，同時，在前文中也提到了本課題所涉及到的硬件工作原理以及軟件編程思路。其實驗原理圖如圖71所示。 正弦測試結(jié)果實驗結(jié)果如圖73所示，輸入177。表71記錄了在多次測試中，正弦信號相關(guān)分析結(jié)果，表72記錄了在該次同頻率的測試中，采用FFT算法的分析結(jié)果。5V，同樣利用TiXYPlot控件顯示其頻譜、相譜、幅頻特性、相頻特性，利用TiAnalogOutput控件輸入感興趣的頻率值，TiAnalogDisplay控件便可顯示相應(yīng)的結(jié)果。5V，測試時間為3s情況下的Chirp輸入輸出曲線。測試時間為1s，其結(jié)果顯示過程參照Chirp信號，其幅頻特性曲線和相頻特性曲線的顯示過程去除了非頻率點處的值，是一個擬合的過程。 圖75a Multitone信號波形圖 圖75b Multitone信號頻譜圖 圖75c Multitone信號所得幅頻特性 圖75d Multitone信號所得相頻特性圖75e Multitone信號波形圖表74記錄了在一次測試中，利用FFT分析時的結(jié)果。(1)使用正弦掃描信號主要優(yōu)點是穩(wěn)定可靠，精度高，最為符合測試原理，缺點是測量速度比較慢。(2)使用Chirp信號主要優(yōu)點是測試速度比較快，但對低頻的掃頻效果不夠理想，對其進行FFT分析時，存在頻譜泄露的問題，因此對測試精度影響較大，不過在要求快速確定其頻率特性時，Chirp信號仍然被廣泛應(yīng)用。 仿真與實驗結(jié)論比較將本章實驗結(jié)論與仿真結(jié)論進行對比，我們發(fā)現(xiàn)，實驗結(jié)論與仿真結(jié)論具有一致性，從而從理論與實驗上驗證了采用Chirp信號及Multitone信號進行激勵來得到頻率特性的可行性，并且，在各種激勵信號的情況下，都能夠進行FFT分析，從而我們可以得出如下結(jié)論：(1)、在需要快速確定其頻率特性的情況下，對被測系統(tǒng)宜采用Chirp信號進行FFT分析。(3)、在需要精確確定其頻率特性的情況下，宜采用正弦信號進行相關(guān)分析或者FFT分析。本軟件除了能夠應(yīng)用于該伺服系統(tǒng)的測試之外，還能夠應(yīng)用于其余被測系統(tǒng)，應(yīng)用范圍比較廣。本課題著重研究了在頻域特性測試時，激勵信號類型對測試結(jié)果的而影響，主要完成了以下幾方面的工作：(1)、針對傳統(tǒng)的頻率特性測試信號時選用正弦信號進行掃描時測試效率低的問題，研究了另外兩種激勵信號—Chirp掃頻信號以及Multitone信號，通過這兩種信號的表達式，研究并說明了其在進行頻率特性測試時的優(yōu)缺點；講述了相關(guān)分析算法、FFT算法以及功率譜算法的原理及各自優(yōu)缺點，然后選取了FFT算法分別用于當(dāng)被測系統(tǒng)激勵信號為正弦信號、Chirp信號、Multitone信號時的情況，在理論上驗證了相關(guān)分析算法在用于正弦信號測試時其精度較高這一結(jié)論，因此可以在實際系統(tǒng)中作為其余測試信號激勵系統(tǒng)得到頻率特性時的一個精度參考。編程實現(xiàn)三種信號分別加入到被測系統(tǒng)中，在仿真中，F(xiàn)FT算法可以直接利用Matlab上的fft命令得到，功率譜算法可以利用Matlab中的xcorr+fft兩個命令得到，因此仿真算法里面只針對相關(guān)分析進行了Matlab語言編程，由此可得正弦信號相關(guān)分析結(jié)果、FFT分析結(jié)果以及功率譜分析結(jié)果，分別用圖或表的形式將仿真結(jié)果進行了表述。在編程之前，了解了實驗平臺，講述了工控機平臺的CPU卡、以及操作系統(tǒng)等，并詳細敘述了任意波形發(fā)生器以及數(shù)據(jù)采集卡工作原理，在此基礎(chǔ)上利用Borland公司的Delphi軟件進行了信號編程，相關(guān)分析算法、FFT算法等方面的編程。 課題展望本文所研究的各種測試信號、測試方法及測試應(yīng)用軟件，完全適用于伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能測試的實際情況，然而，由于課題的時間限制，本課題還有很大的研究空間：(1)由于本課題的相關(guān)實驗是在實驗室環(huán)境下完成的，在實際工程運用中往往存在很多干擾因素，在運用FFT算法時，沒有考慮如何消除干擾對本實驗的影響，因此可以研究相關(guān)措施來提高抗干擾能力。(3)利用已開發(fā)出的軟件，能夠得到伺服系統(tǒng)頻率特性結(jié)果，可以對課題進行拓展，利用得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進行伺服系統(tǒng)的建模。本課題從2011年2月開始到2011年5月結(jié)束這四個月的時間內(nèi)，都得到了汪老師的悉心指導(dǎo)，在畢設(shè)的開頭階段，遇到了很多困難，這些困難，都是由于自己經(jīng)驗的缺乏以及基礎(chǔ)的不牢固導(dǎo)致，然而都得到了汪老師精心的指導(dǎo)，汪老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，思維敏捷，洞察力強，知識面廣，能夠運用其豐富的經(jīng)驗解決我在畢設(shè)期間遇到的各種困難。同時，感謝實驗室的研究生陳超、郭俊杰、劉金亮以及李德龍，他們在我做畢設(shè)期間，給了我很多具有實際價值的意見，使得我的畢設(shè)能夠圓滿完成，也讓我能夠更早的適應(yīng)未來的研究生生活。僅以此文獻給那些關(guān)心、幫助過