高速數據采集與任意傳感器功能結合多普勒效應的應用

在上篇文章中，大家共同體驗了RIGOL DM3064臺式數字萬用表豐富的功能與人性化的設計，本文中將繼續(xù)與它的高速數據采集、任意傳感器測量功能親密接觸。
高速數據采集、任意傳感器，這些新增且非常實用的功能對萬用表而言可謂具有劃時代意義，讓項目測試開發(fā)工作更加得心應手。為了體會首款國產高性能六位半數字萬用表的魅力，筆者把DM3064應用到了多普勒測速實驗系統(tǒng)的開發(fā)中。

實驗系統(tǒng)設計如下：
運動物體反射的超聲波信號經模擬乘法器與原信號相乘，濾波得到差頻信息后采樣進行信號處理，進而得到可靠可用的信息，最終計算出移動物體的速率。

系統(tǒng)中應用多普勒效應測量移動物體速率，發(fā)射器與接受器全部靜止，運動物體反射聲波。由多普勒效應公式推導并簡化得： 

其中 為實驗中的待測量即移動物體速率， 為多普勒頻移。 為聲速， 為聲波頻率。

為了快速開發(fā)這套系統(tǒng)，應用RIGOL DM3064數字萬用表進行可行性驗證。

預期項目待測信息：
1．    環(huán)境溫度。因為聲速和溫度息息相關，所以這里要測得準確的溫度信息計算出聲速，即 的大小。
2．    經乘法器后的差頻信息。即多普勒頻移值 的大小。
3．    光電門觸發(fā)檢測。為了把多普勒測速值與經典光電門測速值進行比對，需要
在物體通過光電門測速的同時啟動萬用表，捕獲此刻的測速信息。即用光電門作為測量的外部觸發(fā)源。

系統(tǒng)的搭建與測量
系統(tǒng)框架如圖： 
 
圖1. 多普勒測速系統(tǒng)
 
圖2. 引入DM3064的多普勒測速實驗系統(tǒng)

1．聲速測量
在實驗室條件下，采用鉑金電阻溫度探頭作為溫度傳感器。應用DM3064的任意傳感器功能，結合鉑金電阻溫度探頭的阻值溫度對照表配置溫度傳感器功能：
進入任意傳感器菜單，命名后選擇類型為兩線電阻（2WR），單位為 。之后添加參考值。 
 
圖3. 任意傳感器設置

添加完畢后進行清零操作。開始測量。

這種測量方式在獲得溫度信息后還需要計算得出聲速，故改進為電阻->聲速映射的傳感器，只需要在DM3064上簡單的更新參考值對應即可，方便、快捷。

2．差頻信息測量
本系統(tǒng)測速的關鍵是得到準確的差頻信息 ，而且為了繪制連續(xù)的速度曲線，需要對差頻信息連續(xù)快速采集。

RIGOL DM3064數字萬用表巡檢軟件Ultralogger提供2個測量功能選擇，分別為多通道多測量任務巡檢(Scan)和高速單通道大批量數據采集 (Data Log)。針對當前監(jiān)測需求，采用后者。

首先建立一個任務工程，在工程建立的同時，系統(tǒng)會自動建立一個對應于該工程的數據庫，用于存放用戶定制的任務項目和測量數據。
 
圖4. DataLog 設置 

 
圖5. DataLog差頻波形

通過USB連接RIGOL DM3064數字萬用表到PC，單擊下載按鈕，將上面步驟中制定好的任務表下載到RIGOL DM3064數字萬用表中保存，單擊開始按鈕后任務開始。（在第一次連接時，如果萬用表的狀態(tài)為空閑，PC將自動同步萬用表中的RTC時間，以防兩者時間不一樣出現(xiàn)誤差。）

任務保存在RIGOL DM3064數字萬用表中，如果不需要當前PC執(zhí)行操作或顯示采集數據，可以斷開連接，對萬用表的操作不會產生影響。

RIGOL DM3064數字萬用表按照制定的任務去采集測量值，PC能夠通過USB或LAN讀取測量值，保存到PC中，同時萬用表中的FLASH也能保存測量值，不過其存儲空間相對于自然要比PC小很多。

PC讀取數據后保存到數據庫中，該數據庫在建立工程的同時自動建立，所以不需要額外去開發(fā)數據庫。對于讀取的數據，軟件提供表格和圖像兩種顯示方式，如果軟件處于監(jiān)視狀態(tài)，表格和圖像都會自動刷新。出現(xiàn)報警情況將會有顯示和聲音的報警提示。

按照上述方法，可測得連續(xù)的高精度差頻波形，同時整個過程數據被記錄在數據文件中，便于分析、處理。

這樣，應用高速數據采集得到的結果可以為各種處理算法提供原始數據，比如直接傅立葉變換、快速傅立葉變換以及等效濾波法等等。但是，不能應用其直接繪出差頻量曲線。這時，如果想要得到直觀的速度曲線，可以繼續(xù)應用DM3064強大的任意傳感器功能，建立頻率-速度型傳感器，進而可得到速度曲線。 
 
圖6. 頻率-速度傳感器曲線

3．光電門觸發(fā)檢測
為了比對速度，這里測量通過光電門時多普勒頻移。把DM3064表筆接到多普勒系統(tǒng)的差頻輸出端，按照任意傳感器的設置方法設置好頻率->速度對應關系。選擇觸發(fā)源為外部觸發(fā)，并把觸發(fā)電纜引到光電門的整形輸出端。

配置好后，每經過光電門一次，DM3064顯示此刻的速度值，可與光電門測速值進行比對。

系統(tǒng)中的問題分析
按照上述方案搭建的系統(tǒng)符合預期要求，能夠較好的完成精準的多普勒測速功能。但在測量中發(fā)現(xiàn)速度曲線的起始段發(fā)生畸變。借助DM3064強大的高速采集功能分析初始段波形。發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的是尖峰干擾。分析得知是啟動有刷電機瞬間所致的干擾，調整電刷兩線與地間電容后，使用Data Log功能再次查看，干擾有效的得到解決。

總結
RIGOL RIGOL DM3064的引入大大加快了系統(tǒng)的開發(fā)進程，更便于系統(tǒng)各部分功能模塊的測試與故障分析。任意傳感器與高速數據采集功能使臺式數字萬用表與系統(tǒng)融為一體，承擔起系統(tǒng)的功能，在可行性驗證以及系統(tǒng)調試時是十分必要的。