科氏质量流量计全数字闭环系统的设计与实现

科氏质量流量计(CMF,Coriolis Mass Flowmeter)全数字闭环系统,采用现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Array)和现代数字信号处理方法对CMF传感器进行稳定精确的闭环控制,实时性和精度较高.以高速并行器件FPGA为运算和控制核心,在相位控制中引入FIFO(First In First Out)组件,通过控制FIFO的读、写请求信号来改变时间差,实现对拾振和激励信号的相位差准确、稳定的控制;采用不连续和连续幅值控制相结合的非线性幅值控制方法,快速、准确地设定幅值,适应性强,实现对拾振信号幅值的良好控制,并控制拾振信号以稳定的幅值输出,提高CMF的测量精度和稳定性.实流标定对比实验结果表明:CMF数字闭环在零点稳定性、动态响应特性和重复性方面都优于模拟闭环,并在一定程度上提高了CMF的测量精度.      

GNSS信号模拟器通道群时延标定方法

传统的全球导航卫星系统(GNSS)信号模拟器通道群时延标定方法有相位翻转点法和相关峰法两种,两者均在零伪距或固定伪距的特殊仿真场景下进行测量,且在通道传输特性非理想的情况下测得的群时延均存在偏差.提出了基于闭环伪距测量的模拟器通道群时延标定方法,并设计实现了GNSS信号模拟器通道群时延标定系统.首先,采用高速直接射频采样存储系统对模拟器正常星座动态仿真场景下输出的导航信号和秒脉冲(1 PPS)信号同时进行记录.其次,使用软件接收机对信号进行捕获跟踪,利用三次样条插值判定1 PPS上升沿位置作为伪距观测历元时刻,对软件接收机的伪距观测量和模拟器仿真的伪距记录值做数据比对,得到模拟器的群时延标定值.最后,分别利用上述方法对两种商用模拟器的群时延进行了标定,实验结果表明,闭环伪距测量法有效可行,测量不确定度优于0.7 ns.      

新型数字-频率变换在科氏质量流量计中的应用

对新型全数字式科氏质量流量计频率输出信号采用数字—频率转换D/F(Digital to Frequency Conversion)方法实现.利用晶振和现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Arrays)与数字信号运算处理单元DSP(Digital Signal Processing)配合实现频率量输出,有效避免了传统的模拟式科氏质量流量计的电压—频率V/F(Voltage to Frequency Conversion)转换方法中存在的精度不高、温漂以及电路复杂等问题,而且也消除了由于频率刷新造成的输出频率非整周期对输出结果的影响.实验表明,该数字—频率转换方法具有较高的转换精度,实现了输出频率的整周期刷新,不存在V/F转换电路的温漂等问题.该电路简单,与数字电路实现无缝接口,对于数字系统的频率输出设计具有较高的参考价值.      

谐振式微小型压力传感器数字闭环系统

在微小型特别是硅谐振微传感器中,低信噪比的微弱信号检测、闭环自激电路的小型化和抗干扰等问题十分突出.复合音叉微小型谐振式压力传感器数字锁相环闭环检测系统将输入的模拟信号(压力)直接转换为准数字量(频率),测量精度高,基本上解决了测量系统中结构参数小、工作频率高、信号幅度弱、耦合强、干扰大等问题,该方法可直接应用于硅谐振式微传感器,对实现硅谐振微传感器的工程化具有指导意义.      

基于FPGA+单片机的示波器校准仪通信命令传输系统

为了研制国产示波器校准仪,简化模拟电路板设计,实现上位机对模拟电路的控制,设计基于现场可编程门阵列+单片机的示波器校准仪通信命令传输系统。在单片机中实现读写中断、串并转换模块,在FPGA中生成模拟电路芯片需要的所有直流、方波、正弦波的控制信号,利用上位机软件通过RS232串口对系统进行控制并显示结果,采用该架构数字处理系统的示波器校准仪可以输出满足技术指标要求的直流信号、方波信号、正弦波信号、时基信号、快沿脉冲信号,并具有阻抗测量功能。     

光纤Sagnac温度传感器信号检测技术

利用光纤Sagnac干涉仪的偏振非互易性PNR(Polarization Non-Reciprocity)可以实现对单温度点的高精度测量.传感头周围温度场的变化引起干涉仪光路中两相干光的相位差变化.通过分析温度传感器的测温原理,得到其输出的线性化模型.采用方波调制解调技术实现了对温度传感器光路系统输出的全数字信号检测.设计了以C8051F060混合信号微控制器为核心的全数字信号检测系统,实现其采样信号和调制信号的相位关系保持.16位高精度模/数转换器的电压采样值通过数字滤波及分段函数解算处理,得到测量温度值的数字输出.这种技术具有实现方便,便于数字化处理及时序控制等优点.通过-15~55℃的全温扫描实验得到的实验数据和理论曲线近乎重合,系统输入/输出成很好的线性关系,线性度达到了10-3量级.实验研究表明这种温度传感器可以实现高精度的温度测量.      

直接数字式频率合成

直接数字式频率合成采用一种数字码控制的相位累加器。该累加器对包含有所需波形的只读存贮器(ROM)寻址。ROM 依次向数模变换器提供指令,以变换成量化的模拟信号。这种方法由于器件加工工艺(特别是 ROM 和数模变换器)的限制而被列入音频和低频射频信号的合成范围。大规模集成(LSI)器件工艺的迅速发展以及直接数字式电路与间接合成电路的结合将导致兼有两种技术优点的混合电路的设计。本文介绍基本的直接数字式合成器的设计及其与间接锁相环相比较的优缺点。还介绍将两者加以组合来实现兼有两种技术优点的可能方法。     

涡街流量计信号处理方法与实现

设计一种基于变增益运算放大器和带通开关电容滤波器的新型涡街流量计信号处理电路.单片机利用模拟数字转换电路(A/D)实时检测涡街流量计传感器输出信号的幅度和频率,同时利用数字模拟转换电路(D/A)对变增益运放进行控制,为后续的信号检测电路提供幅度相对稳定的有效信号.带通开关电容滤波器在单片机的控制下实时跟踪变增益运放输出的信号频率,保证带通滤波器的中心频率接近信号频率,以达到良好的滤波效果.滤波后信号通过单片机进行频率信息的精确计算以及流量的解算.实验结果表明,变增益运算放大电路有效解决了涡街流量计传感器输出信号幅度变化范围大而造成的放大电路复杂,分段放大信号幅度不连续等问题;带通滤波器通过单片机实时调整中心频率,对信号中各种干扰起到较好滤波效果.      

基于Fabry-Perot干涉仪的闭环微光机电加速度计

设计了一种闭环反馈差动式双FP腔的微光机电(MOEMS)加速度计,介绍了其工作原理及系统构成.利用惯性敏感单元将对载体加速度的测量转变为对载体位移的测量,利用光纤自聚焦透镜的端面与质量块组成的FP腔测量载体位移.为了提高系统的测量灵敏度和抑制温度等环境因素的影响,设计了一种差动式双FP腔测量机构.为提高微加速度计的输出线性度和动态测量范围,提出了采用静电力平衡技术构成闭环加速度计.建立了其数学模型,对所设计的加速度计重要参数指标——灵敏度、敏感头受载、固有频率等一一进行了详细计算和分析.在此基础上完成了设计背景要求下加速度计参数的优化设计,结果表明:该系统精度可以达到5×10-6g以上.      

基于Riccati方程解的高增益未知输入观测器设计

针对具有未知输入和测量噪声的一类Lipschitz非线性系统,研究了状态估计、噪声估计及未知输入重构问题.通过将输出噪声看作扩展状态,把原系统转化为描述系统.针对描述系统,首先基于Riccati方程的解,提出了一种高增益观测器设计方法,实现对系统状态的估计和测量噪声的重构;之后,设计二阶高增益滑模观测器精确估计输出的微分,并利用状态和输出微分的估计,提出了一种未知输入的重构方法.在一Riccati方程有解的前提下,所提出的未知输入和测量噪声的重构,均适用于强时变信号.最后,对一个实际模型仿真,验证所提出方法的有效性.      

一种数字化DS/BPSK扩频接收机

介绍一种新型数字化DS/BPSK(Direct Spread/Binary Phase Shife Keying)扩频接收机的设计.该接收机采用专用数字相关器为核心的硬件设计,并结合数字处理算法完成扩频信号的解调.技术上采用串并组合的伪码捕获、科斯特环载波跟踪、延迟锁定环伪码跟踪等方式,可通过软件算法灵活实现.该接收机具有综合性能强,及软件接口灵活的特点,可有效地应用于基于码分多址的多目标测控系统中.     

基于DSP和FPGA技术的细胞图像采集系统设计

细胞学研究领域中需要对大量细胞的生长情况进行长期的在线跟踪、记录和分析,针对细胞图像采集和处理中的数据量大、采样频率高、运算复杂等问题,设计了一种新颖的细胞图像采集系统,讨论了DSP(Digital Signal Processor)处理系统和FPGA(Field Programmable Gate Arrays)逻辑控制系统设计中的关键技术问题,以及JPEG图像压缩算法的实现问题.系统主要由视频解码芯片、FPGA以及DSP等组成,具有功能集成、结构简单、编程灵活的特点,能够实现对大量细胞进行长期观测记录的图像采集,以及后期图像数据处理的功能.      

GPS卫星信号模拟器中频信号处理与实现

利用数字内插、数字滤波、A/D(Analog／Digital)变换等软件无线电方法,建立GPS卫星信号模拟器中频信号处理的数学模型,提出了数字IF(Intermediate Frequency)的实现方法,且在matlab中进行了中频电路建模、优化和验证,完成了从数字基带信号处理到模拟中频信号生成.电路实现时尽量降低信号处理频率,缩小高频信号处理范围.利用verilog在ISE6.3中完成了数字中频模块的设计和仿真,对仿真输出的数字序列进行FFT(Fast Fourier Transform Algorithm)频谱分析,并在FPGA(Field Programmable Gate Arrays)中实现.      

基于DSP的全数字闭环光纤陀螺

介绍了一种采用DSP(Digital Signal Processor)技术实现的全数字闭环光纤陀螺.该闭环光纤陀螺采用以多功能集成光学器件为核心的全保偏结构,以方波为偏置调制,数字阶梯波反馈.文中对该闭环光纤陀螺的前置放大、信号检测、数字解调、数字滤波等部分进行了设计和实现,对采用DSP技术解决系统精度和实时性矛盾的方案进行了讨论,并对闭环光纤陀螺的性能和参数进行了理论分析和实验测试.测试结果表明系统达到了小于0.3/h的零漂和100×10^－6的非线性度指标.     

数字式地球敏感器信号源的研究

在卫星地面系统测试中,地球敏感器信号源(以下简称地球信号源)为地球敏感器提供电激励信号,参加控制系统开路、闭路试验。根据某公司的新一代数字式地球敏感器,本文详细叙述了数字式地球敏感器信号源的设计原理,给出了硬件组成图和软件流程图,分析了影响系统误差和随机误差的因素,并给出了一些解决办法。     

GPS信号捕获与跟踪策略确定及实现

为了检测GPS(Global Positioning System)信号,设计了码环及载波环捕获与跟踪数字系统.序贯搜索与窄间隔超前-滞后型数字延迟锁相环的采用,保证了码相位的可靠捕获与精确跟踪,四相鉴频器、叉积自动频率跟踪算法及科思塔环载波相位跟踪算法的结合,既保证了载波频率(多普勒频移)的捕获速度,又使环路能有效地跟踪频率/相位变化,获得较好的动态性能与噪声性能.控制算法及参数确定的软化实现使系统具有较好的灵活性.基于扩频相关器与数字信号处理器的数字系统验证了上述方案的正确性及有效性.      

变采样率全数字相位载波解调技术

基于相位载波(PGC,Phase Generated Carrier)解调各环节的信号频率范围,提出变采样率解调方案,解决高采样频率下的实时全数字PGC解调问题.对干涉输出信号采用高采样率进行模数转换,提高解调带宽和动态范围.对混频相乘和低通滤波后的环节采用降低采样率处理,减少实时数字信号处理的运算量.设计变采样率全数字PGC解调系统,采用现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Arrays)并行实现混频相乘和低通滤波环节,采用数字信号处理器(DSP, Digital Signal Processor)实现后续解调环节,实现采样率高达1MHz的实时解调.实验结果表明频率为5kHz、幅度为1rad的被测信号可以被有效解调.