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[硕士论文] 马震
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着智能电网的不断完善和发展,智能电表作为智能电网中重要的基础组成部分之一,是实现互动智能用电的“末端神经”,智能电网对智能电表提出了较高要求。智能电表在智能电网中扮演着采集电能数据、计算和传输数据的角色,是数据集成、数据展示以及优化分析等得以实现的基础,结合数字信号处理技术,智能电表需要给出电网中谐波的分量,对电网中的谐波进行分析。满足了电网的需求后,智能电表应朝着更加人性化的方向发展,方便用户实时查看电量的消耗等,本文对此作了研究和设计。
  本文针对目前市场上的电表成本高、体积大、功能不丰富的缺点,提出了对多功能智能电表的研究,选择一种性价比高的MCU芯片--STM32F作为智能电表的核心器件,STM32F的功能丰富使得智能电表的多功能成为可能。
  本文提出的对多功能智能电表设计方案是在当前智能电表分时计费、远程抄表、远程断供电等的基础上,以STM32F为主控核心、还有交流电压电流检测电路模块、WIFI功能电路模块、指示灯电路模块、LCD显示电路模块、谐波分析模块、防窃电稳压电路模块等组成。通过电压互感器TV1005M和电流互感器TA1005M分别检测交流电压和交流电流值,手机APP和WIFI模块互联后,可以实时显示交流电压、交流电流、功率和电量在手机上。当瞬时功率超过200W时,继电器自动断开。瞬时功率不超过200W时,可以手动控制继电器的开关。手机和WIFI模块连接后,手机上显示计时时间。同时可以实现电表的防窃电功能、上传供电系统,最后将采样得到的数据进行谐波分析,实现多功能智能电表设计。
[硕士论文] 赵训波
控制工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着智能电网建设的不断发展,电力系统中动态负荷不断增加,动态负荷呈现出复杂的随机特性,对智能电能表的电能计量特性产生了严重的影响。据统计,2017年全社会用电量为63077亿千瓦时,重工业用电量达到36131亿千瓦时。因此,如何正确测试评价电能表的动态计量特性引起了国内外相关领域研究人员的广泛关注。
  本文首先介绍了电力系统动态负荷特性分析和电能表动态误差测试的研究现状,阐述了建立具有实际动态负荷随机波动特性的智能电能表动态误差测试信号模型的重要性。
  其次,分析了电气化铁路动态负荷现场采集瞬时电流和瞬时功率随机信号的均值、方差、自相关函数和概率密度函数,建立了具有实际动态负荷随机特性的m序列动态测试信号模型;基于动态测试信号对电能表动态计量性能影响的特点,建立了截短m序列动态测试信号模型;针对动态测试信号在电能表动态误差测试过程中的电能量值溯源问题,推导了动态测试信号的电能量值溯源公式,给出了动态误差计算公式。
  然后,设计了动态测试信号产生的部分硬件电路和编写了相关单片机和FPGA/CPLD软件程序,基于动态测试信号整周期测试问题设计了同步测试方法,针对智能电能表动态误差测试过程中的测量不确定度进行了评估。
  最后,研发了HE5025智能电能表动态误差测试装置,设计了电能表动态误差测试方案并搭建了测试系统,采用m序列动态测试信号对国内不同厂家生产的电能表进行了实验测试,并对截短m序列动态测试信号进行了实验验证,测试结果表明本文研究的动态测试信号合理有效,能够应用于测试评价电能表的动态计量特性。
[硕士论文] 王艳君
控制工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:目前,智能电网已迈入引领提升阶段。新型能源大量接入、数字化变电站快速建设以及动态负荷不断增加,导致电力系统电能计量误差增大,给国家和社会造成巨大经济损失。因此,亟待开展对电能计量装置的量化误差影响和动态误差的研究,为功率电能测量和动态误差测试提供强有力的理论指导。
  本文首先介绍了互感器、电能表与电能计量技术的发展概况,同时详细分析了国内外电能计量装置量化误差影响与动态误差的研究现状。
  其次,从系统的角度出发,建立了数字化电能计量系统和智能电能表的结构化测量模型,揭示了系统内部构成要素与信号在要素间的传递关系;详细分析了A/D转换、协议组帧和功率测量单元的工作机理以及量化误差和动态误差的来源,为展开量化误差影响分析和动态误差测试信号完备性的研究奠定基础。
  再次,针对电能计量装置的量化误差,采用广义循环平稳随机过程功率谱密度法和自相关函数法,推导给出同步和非同步采样时量化误差影响下的平均功率标准不确定度解析式;并分别采用蒙特卡罗仿真实验和研发设计的基于PXIe的数字化计量装置数据采集系统实验验证了理论分析的正确性,对评估高精度平均功率不确定度研究具有理论指导意义。
  最后,针对电能计量装置的动态误差,提出了动态误差测试信号模型需要具备的五个重要特性的定义和动态测试信号完备性条件;采用广义循环平稳随机过程理论和输入输出互相关函数辨识法,证明了m序列调制的正弦离散(m sequence modulating sine discrete,mSD)伪随机动态测试信号的完备性,揭示了引起电能表动态误差的内部影响因素。对分析建立电能计量装置的动态测试信号模型和动态误差测试实验具有一定的指导意义。
[硕士论文] 王肖峰
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:三相智能电表是家庭用电以及工业用电中主要的测量工具,是电量核算的主要依据,其计量的准确性涉及各方面的利益。现代生活中随着非线性负荷的不断使用,产生的谐波导致电能质量的不断下降,例如电压和电流的畸变就是因此产生的。经过专家不懈的研究分析,可知:非线性负荷会吸收电网基波的一部分电能,并转化为谐波,并将其注入到电力网络中,不仅降低了电能质量,也影响到了现有电能表计量的准确性。随着电力市场的不断深入的改革,为更加紧密的协调各方面,例如电网系统、市场和用户,提高电网配电效率和配电自动化,改善电能质量。建立集成、计量准确、高速的双向通信的智能电表是亟需解决的问题。
  通过理论分析,发现目前的电能计量方案在谐波存在时,将导致电表的计量精度下降。通过查找文献分析目前电能计量方案出现缺陷的原因,并针对其缺陷,改进了计量方案,将电力信号中的基波分量和谐波分量提取出来后进行分别分析,并根据谐波的流向,最终确定用户的电费。并利用加窗傅里叶变换在分析稳态信号时的优势,以及小波变换在检测高次谐波上的优势,设计了一种混合检测算法,以适应所改进的计量方案,提高谐波检测分析的准确性,最终提高电表的计量精度。
  考虑到在实现电表功能的前提下,应选择性价比较高的芯片作为其MCU。因此在这里选择STM32系列作为系统的主控制器来进行设计,设计了前置采样电路、存储电路和通信电路等硬件电路。并设计了基本的程序,其中包括:主程序的设计、数据采样及处理程序设计和通信程序设计等。能实现智能电表的一些基本功能,例如:电能计量、通信等功能。最后搭建实验平台对其进行测试分析,验证方案的可行性。
[硕士论文] 关靓
信息统计技术 黑龙江大学 2018(学位年度)
摘要:智能电表是在传统电表的基础功能上进行改进和功能提升的智能化电子表。国内“十三五”规划有着明确的目标开始全面建设适合中国的坚强智能电网,又由于智能电表是智能电网也是智能配电网最重要的基础设备之一,极大促进智能电表市场的快速增长。随着智能电表这一新生代的电子产品进入人们生活之中,全国在线智能电表接近5亿只运行,因此智能电表可靠性分析尤其的重要。其中智能电表在应用中计量误差是否超出标准规定范围,是人们极为关注,智能电表计量的可靠性、稳定性是电能交易双方紧密关注的问题。
  在结合过去对智能电表可靠性分析的研究试验成果基础上,为了更好和更接近真实工作条件的检验智能电表的失效率,提出温度修正值这一概念,其作用为对智能电表的加速寿命试验方法Peck多应力模型的加速因子进行改进。加入电流和电压应力的加速寿命试验共五组不同温度和湿度的高应力施加下记录的失效前时间,使用最小二乘法对失效前时间最为拟合度高的威布尔分布进行参数估计,利用修正过的加速因子,可推导至智能电表正常使用条件下失效前时间,从而预测得到智能电表的失效率。本文即对国家规定的智能电表使用年限内计量误差的偏差是否合乎规定要求进行深入研究。
  本文研究智能电表的寿命可靠性技术,主要完成了以下工作:
  1.基于对国内外对智能电表可靠性分析的调研与分析,以“寿命+不可靠度”的评价指标对智能电表使用年限内计量误差的偏差进行寿命分析。同时,除了对计量误差的主要分析,还对加速寿命试验过程中暴露出的其他失效模式进行相应的分析。
  2.利用回归分析最小二乘法对威布尔分布和多应力Peck模型进行参数估计,并增加温度修正值对加速因子的改进,得到了更为精确地智能电表寿命可靠性分析结果。分析了目前国内科研和生产技术条件下智能电表所达到的寿命指标,基于本文提出的对智能电表的可靠性分析方法,对DDSY283型号智能电表的试验数据分析寿命指标。该研究结果得到智能电表国家质量检测中心支持,作为补充和数据参考,为电力公司对智能电表寿命指标的评定提供基础数据依据。
  3.利用本文推导至智能电表正常使用条件下的失效前时间的试验方法,建立智能电表工作条件下的寿命可靠性分析模型;依据智能电表可靠性指标和功能需求等,为电力公司考核供应商的智能电表可靠性水平提供一定程度上的评判依据,并且通过实验暴露的问题,可据此提高智能电表的可靠性。
[硕士论文] 刘继彦
电气工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:本文主要通过无线通信的形式,使用现如今较为成熟GPRS通信方式,构建出一套基于ARM与通用无线分组业务的自动抄表终端设备,该设备融合了当今先进的计算机和通信技术,具有成本低、数据传输稳定、能够适应复杂环境的优势。本系统能够最大限度提高传统人工抄表方式中存在的效率低下、精度较差等问题,在节省人力物力资源,提高整工作效率的同时,能够为错峰电力调度等提供更加真实的原始数据,便于电力部门进行管理,并且在现有抄表的基础上,提出新型四表合一的抄表方式,将水表、热表、燃气表与电表的数据统一采集,集中反映,实现跨行业新型集中采集与处理。
  本论文研究并开发了基于ARM与通用无线分组业务的终端抄表设备,主要使用的技术是GPRS网络通信技术、嵌入式技术等,设计了系统整体硬件结构,并且分析其基本的工作原理。本系统硬件模块主要包含:电源电路模块、STM32F103主控模块、显示电路模块、存储单元模块、RS-485通信模块、时钟电路模块、采样电路模块、数据采集模块、GPRS电路模块等。
  本系统的软件功能主要包含:GPRS传输、设备参数更改、存储设备读写操作、液晶显示、实时时钟等。程序模块全都使用C语言进行编写,首先介绍了整体的软件流程,然后对每一个程序模块进行介绍。
  本文最后对系统进行综合的调试,使用函数发生器等设备产生必要的基准信号,将获得的数据进行校正,校正之后总体的误差保持在1%以内。最后的调试结果清晰的表明本系统能够良好的实现所期望的功能。
  本系统创新性的解决了以往抄表形式的弊端,通过嵌入式技术结合先进的GPRS通信技术实现了自动抄表功能,能够准确计量各项电能参数,拥有非常强大的优势,具有非常广泛的应用前景。
[硕士论文] 吕炳霖
电子与通信工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:随着社会经济的高速发展,人们对电能的需求日益增加,对电能采集的精确程度也有了更高的要求,传统的抄表方式费时费力且难以管理,已经逐渐被淘汰。因此,对于国家电网公司来说,寻求一种新型的、适宜的智能化采集装置已经成为当下的重点工作。目前,山东省电力公司采用了多种采集方式,其中最常用的电表的采集方式可以分为三种,分别是电力线载波通信、微功率无线通信和485线通信。本文从三种通信方式的原理分析出发,分别对电力线载波通信、微功率无线传输等采集方式的构造和影响因素进行分析,重点对基于485线的通信系统进行硬件电路设计,并通过本公司营销系统导出来的数据对三种采集方式的可靠性和精准度进行对比分析,将台区地理分布、天气影响等因素也列入考核通信可靠性的重要指标中来,最终筛选出一个最适宜的智能电表的通信方式。在文章的最后,作者对于电能采集通信方式的使用情况做了总结,对未来建设智能化电网和配网增量等多个业务方向进行展望。
[硕士论文] 唐瑶
仪器科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:在如今的高校课程中,实验类课程所占的比例非常高,特别对于理工科学校而言,为锻炼他们的动手操作能力,实验课程数量更是日益增加。然而在实际的实验课程教学中,却存在着如实验仪器使用的不便捷性和仪器匮乏等方方面面的问题。而近年来,随着计算机技术和网络的高速发展,使得采用软件程序来模拟真实实验环境、仿真真实仪器成为可能。
  本文在虚拟仪器设计理论的基础上,利用 Labwindows/CVI软件开发平中丰富的控件及函数库,首先设计了仿真实验管理器,对仿真仪器进行管理;其次从界面和功能上仿真了通用测试仪器:函数发生器、示波器。仿真实验管理器和仿真仪器完整的组成了仿真实验系统。本次设计采用纯软件仿真的方式进行仿真,使仿真实验系统不受硬件限制且具有更强的适用性、更好的性价比,更加的便于扩充及维护。
  在本次设计中,首先设计并完成了仿真实验管理器的构建,让用户可以通过仿真实验管理器来对仿真实验进行构建。其次,设计并完成了对函数发生器、示波器这两个通用测试仪器的的基本功能仿真。本次的仿真设计中,函数发生器仿真的原型为安捷伦33220A函数发生器,实现了用户通过点击数字按钮设定波形信号各个参数,以此来产生对应不同参数的波形数据的功能。示波器的仿真以安捷伦5012A示波器为原型,通过 TCP通信方式实现了对波形数据的接收功能。同时在仿真示波器端对应用户设置的不同的时基与垂直灵敏度,实现了波形重建以及触发、数据标准化以及波形显示等功能。另外在 SCPI指令学习实验中实现了用户通过电脑端发送SCPI命令对仿真示波器进行设置或测量波形的功能。
  本次利用 Labwindows/CVI软件设计的通用测试仪器仿真实验系统,打破了传统实验仪器不能满足用户随时随地进行实验的需求的限制,具有很大的研究意义。
[博士论文] 吕颖超
控制科学与工程 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:气液两相流在工业过程中涉及范围十分广泛,其参数的有效测量是一个具有重大意义但仍未得到较好解决的课题。基于等效电导检测的气液两相流参数检测方法具有结构简单和实时响应快等优点而得到广泛关注,但该方法仍然存在两方面不足:在测量机理方面,现有的电导检测方法主要是接触式的,其检测电极直接与被测流体接触,会引起电极极化和电化学腐蚀等问题;在测量信息方面,现有的电导检测方法以获取流体等效电导信号为目的,但对复杂的气液两相流体而言,包含更多流动特征的完整电阻抗信息(实部、虚部和幅值)的获取将更有利于气液两相流参数检测。本学位论文针对以上两个问题,对现有的电容耦合式非接触电导检测(Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection,C4D)技术存在的问题进行改进,研发了新型非接触式电阻抗传感器,利用完整电阻抗信息实现气液两相流参数测量。
  本学位论文中的主要创新点和贡献如下:
  1、为克服本课题组已有工业型C4D传感器存在的输入输出特性呈现非单调性的不足,提出了一种基于双电感串联谐振的非接触式电导检测新方法,研发了一种工业型双电感结构C4D传感器。该方法在激励电极和检测电极端各串联一个电感器件,不仅克服了耦合电容对测量的不利影响,还解决了已有工业型C4D传感器输入输出特性的非单调性的问题。实验结果表明,所提出的基于双电感串联谐振的非接触式电导检测新方法是有效的,所研发的工业型双电感结构C4D传感器是成功的。在四种管道(内径分别为1.8mm、3.3 mm、5.0mm和7.6mm)中,电导测量最大相对误差均小于4%。
  2、针对实除电感存在电感可调范围窄、大电感制造困难和体积较大等问题,引入模拟电感技术,提出了基于模拟电感串联谐振的非接触式电导检测新方法。研发了对称浮置模拟电感以及基于对称浮置模拟电感的C4D传感器。研究结果表明,对称浮置模拟电感和该新型C4D传感器的设计是成功的,称浮置模拟电感等效电感值调节大并可实现较大电感值,采用对称浮置模拟电感的C4D传感器的性能和电导测量精度令人满意。在三种管道(内径分别为3.0 mm、4.6 mm和6.4 mm)中,电导测量最大相对误差均小于5%。
  3、针对对称浮置模拟电感存在的结构复杂、运行稳定性需重点考虑等问题,研发了两种基于接地模拟电感的C4D传感器:A(利用电流转电压的原理)和B(测量分压电阻两端电压差的原理)。在三种管道(内径分别为3.0mm、4.6mm和6.4 mm)中利用C4D传感器A和C4D传感器B进行电导测量实验。实验结果表明,接地模拟电感和新型C4D传感器的设计是成功的。与对称浮置模拟电感相比,接地模拟电感具有结构简单和运行稳定性较好等优点。基于接地模拟电感的C4D传感器的电导测量精度也令人满意(三种管径下,新型C4D传感器A和B的电导测量最大相对误差分别为4.5%和5.0%),且C4D传感器A的整体测量性能较C4D传感器B更好。
  4、结合接地模拟电感阻抗相消技术和数字相敏解调(DPSD)技术提出了一种非接触式电阻抗测量新方法,研发了一种新型非接触式电阻抗传感器。该非接触式电阻抗测量方法根据阻抗相消原理克服耦合电容对电阻抗测量的不利影响,利用DPSD技术获取气液两相流的完整电阻抗(实部、虚部和幅值)信息。模拟和实际流体测量实验表明:所提出的非接触式电阻抗测量方法是有效的,所研发的新型非接触式电阻抗传感器是成功的。模拟测量实验中,电阻测量和电容测量的最大相对误差分别为3.7%和2.4%,电阻-电容组合测量实验中,电阻和电容测量的最大相对误差分别为2.1%和5.1%;实际流体测量实验中,KCl溶液电导率测量和有机溶剂介电常数测量的最大相对误差分别为3.7%和5.8%。
  5、将所研发的新型非接触式电阻抗传感器与小波分析和k均值聚类方法相结合提出了一种基于非接触电阻抗测量的气液两相流流型辨识新方法。该方法采用小波分析提取所获电阻抗信号各部分的频域特征,结合电阻抗信号的统计特征构成特征向量,利用以马氏距离作为距离度量指标的k均值聚类方法进行流型分类。三种管径(3.0mm、4.0 mm和7.0mm)下的流型辨识实验结果表明,所提出的流型辨识新方法是有效的。利用实部、虚部、幅值和完整电阻抗信号对泡状流和段塞流进行辨识的最低准确率分别为91.1%和90.9%、90.2%和87.9%、92.7%和87.0%及91.1%和93.5%。采用完整电阻抗信号的整体流型辨识效果略优于单独采用实部、虚部或幅值信号的流型辨识效果。
  6、提出了一种基于非接触电阻抗测量的气液两相流相含率测量新方法。该方法充分利用电阻抗各部分信息,结合最小二乘法,建立不同流型相含率测量模型,实际测量时根据流型判别结果选择相应的相含率测量模型并最终实现相含率测量。三种不同管径(3.0mm、4.0mm和7.0 mm)泡状流和段塞流下的实验研究结果表明所提出的相含率测量新方法是可行的和有效的,充分利用气液两相流完整电阻抗信息(实部,虚部和幅值)有助于相含率测量精度的提高。
[硕士论文] 段维维
光学工程 西安石油大学 2017(学位年度)
摘要:微纳光纤光栅结合了纳米光纤较强的倏逝场特点以及光纤布拉格光栅较强的波长选择特性,突破了传统光纤布拉格光栅本身对折射率不敏感的局限性,具有体积小、结构紧凑、灵敏度高和快速响应等优点。由于化学腐蚀法制作微纳光纤光栅耗时较长,不适于商业化生产。因此,本论文通过结合光纤熔融拉锥系统以及光栅刻写系统,实验研究了一种制作微纳光纤光栅的方法,优化了制作参数,并对其折射率传感特性进行了研究。
  (1)实验研究了熔融拉锥法制作微纳光纤的方法。通过大量实验优化了拉锥速度、长度以及氢气流量)等微纳光纤的制作参数,在此优化参数下制作了几种不同类型的锥形干涉型光纤传感器件,理论并实验研究了传感器的温度及折射率响应特性。结果表明,光纤最小直径为14.37μm的锥形多模干涉型传感器在1.3484 RIU-1.3971 RIU折射率测量范围内线性灵敏度高达539.15 nm/RIU,为制作高灵敏度传感器件提供了技术支撑。同时,实验研究了拉锥长度为12 mm、最小直径为27.42μm的锥形单模干涉的微纳光纤传感器的折射率响应特性,在1.3412 RIU-1.3784 RIU的折射率测量范围内传感器灵敏度为50.56 nm/RIU,线性拟合度高达99.23%。
  (2)实验研究了相位掩膜技术刻写光纤光栅的方法。通过波长为193 nm的准分子激光器结合相位掩膜技术刻写在未经载氢处理的单模光纤上刻写光栅的并对其温度响应特性进行了研究。结果表明,该方法下制作的光纤光栅传感器在200℃-800℃范围内对温度变化具有较好线性响应特性,该传感器在高温传感领域具有一定的应用价值。
  (3)通过“先拉锥后刻写”的方法,分别在锥形微纳光纤的不同位置(过渡区、均匀区以及过渡区)刻写光栅。制作了几种不同结构的微纳光纤光栅,并对其折射率响应特性进行了研究。结果表明,直径为11.52μm的微纳光纤光栅传感器在折射率测量范围1.3483 RIU-1.3971 RIU内的线性灵敏度为-11.3284 dB/RIU;在过渡区最大直径为55.7μm的锥形光纤上刻写的光栅,在1553.7 nm附近的反射光谱在1.3336 RIU-1.3638 RIU折射率范围内灵敏度为-1.1273 nm/RIU;长度为18 mm的锥形光纤上刻写的光纤光栅,在折射率1.3682 RIU-1.3726 RIU测量范围内最高灵敏度达10.05 nm/RIU。
  随着折射率传感在生化、医药、食品检测以及环境监测中扮演着越来越重要的角色,对微纳光纤光栅折射率制作技术以及折射率传感的深入研究,将会使其在传感领域更具实用性更具有工业生产化价值。
[硕士论文] 尹飞
控制工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:智能电表作为电能数据采集的基础设备,在智能电网的建设中起着非常关键的作用。智能电表要求具备原始电能数据采集、测量和数据传输的功能。随着智能电网的发展,对智能电表提出了新的要求。由于越来越多的非线性负荷接入电网,导致电网中产生谐波污染,不仅浪费电能还给电力部门带来一定的经济损失。因此,具有谐波检测功能的智能电表应运而生;随着国家节能减排的号召,为了提高居民节约用电意识,分时复费电价被提出已在部分地区实施应用,这要求电表具有分时计费功能。同时为提高用户用电的便捷,电力公司和用户间的双向通信也受到更多的关注。
  课题基于微处理器STM32强大的数据处理能力,配合电能采集电路及主控制器STM32外围电路,实现智能电表的电能计量功能、分时电价功能、双向通信功能与谐波检测功能。课题研究了FFT对谐波分析中的作用,将插值加窗的FFT算法用于谐波分析,减小了频谱泄漏和栅栏效应带来的误差影响。
  课题主要完成了智能电表硬件与软件程序的设计,硬件电路主要设计了电压、电流采集电路、ADC采样电路、RS-485通信电路等。通过利用MATLAB仿真软件,用加窗插值的FFT算法对谐波信号进行了仿真分析,并验证该算法对谐波分析的准确性。最后搭建实验平台对智能电表进行了调试。
[硕士论文] 李根
仪器仪表工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着无线通讯技术的广泛应用,为解决复杂带宽信号的测试问题,宽带实时频谱分析技术应运而生。宽带实时频谱分析每秒产生的二维频谱高达数十万帧以上,如何将如此大量的频谱数据进行实时处理和传输,同时让频谱以肉眼可接受的速度实时显示成为实时频谱仪设计的一个关键问题。另外,随着无线通讯的编码、调制持续地改进,跳频、扩频等技术在通信工程中的使用也越来越普遍。此类技术的应用产生了大量偶发信号、短暂发生事件,如何在成功捕获这些信号的同时,帮助测试者识别和观测这些事件是实时频谱分析的技术重点。
  针对以上两个技术问题,本文基于相关项目实践,针对重叠帧和频谱三维压缩技术进行了研究与实现。所设计的重叠帧和频谱三维压缩模块在完整保留信号频谱信息的同时,实现了信号频谱的实时处理与显示。其中重叠帧有效地避免了窗口效应所带来的频谱数据失真,保证了信号频谱的完整性;对于瞬时事件的观测,重叠帧技术的应用能提高频谱时间分辨率,放大频谱的时域信息,有利于瞬时信号的识别;频谱三维压缩则是将一段时间内的二维频谱压缩到一帧三维频谱图像,大大降低了频谱刷新率,使频谱能以人眼可接受的速率实时显示一段时间内频谱全部的细节,有利于短暂发生事件的识别观测,为了进一步提高仪器对短暂事件的观测能力,项目中还设计了一种三维数字余晖显示。另外,频谱三维压缩极大降低了频谱数据量,有利于频谱的实时处理与传输。为解决频谱数据实时传输的问题,项目中设计了一种吞吐量大于30MB/s的数据传输接口。
  频谱分析能否实时进行,关键在于频谱数据的处理是否实时,系统的分析带宽、重叠处理的重叠率和逻辑时序等都会影响数据处理量与处理速度。重叠率的增加将会使系统数据处理量增加,为了保证数据处理的实时性,系统的最大实时分析带宽将会受到限制。项目设计的频谱分析仪进行非实时分析时分析带宽达160MHz,进行50%重叠帧处理后实时分析带宽达80MHz。结合工程实践,论文对频谱三维压缩逻辑模块的资源使用和时序状况做了详细分析,并给出了相应的优化方法。
  在研制的宽带实时频谱分析仪上,论文针对重叠帧、频谱三维压缩技术特点设计了多种信号对各个模块进行了测试,并给出了测试和分析结果。测试结果表明,重叠帧和频谱三维压缩技术均可达预期效果。
[硕士论文] 王俊权
仪器仪表工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:由于多元化和高效化检测的需要,虚拟示波器应用需求逐年增多。不同于直接通过硬件处理的台式示波器,虚拟示波器需要通过 PC机进行分析处理,所以在处理波形数据的耗时上,虚拟示波器比台式示波器长,导致虚拟示波器的死区时间较长,波形捕获率低。因为波形捕获率决定了示波器捕获波形完整信息的能力,所以提高虚拟示波器的波形捕获能力具有较大的理论研究和实用价值。
  提高虚拟示波器波形捕获能力的方法主要有两种,即硬件升级和软件优化。本文主要研究使用软件提升波形捕获率的方法。通过设计一种虚拟示波器软件优化方法,加快程序数据处理以及绘制波形的速率,减少死区时间,提高波形捕获率,最大限度还原真实信号内容。并为其添加波形快速定位功能,在高速捕获模式下能更好地观查被测波形。
  本文主要通过绘图优化和并行化的方法提高虚拟示波器的波形捕获能力:
  (1)在绘图方法上,通过调用 Direct2D绘图编程接口,借助现在性能不断提升的图形处理器,使 Direct2D的硬件加速效果更加明显,从而提高虚拟示波器的波形绘制速率,使波形刷新率提高。并且还对波形数据进行批量处理,缩短死区时间,显示更多波形细节。最后通过波形定位功能找出需要的单幅波形并显示出来,方便对波形数据的检测。
  (2)在数据处理及任务划分上,利用Intel多核处理器的特点,将虚拟示波器程序进行并行化改造,使之能在多核处理器上并行执行各个任务,缩短任务执行时间,提升程序运行速率。并行化改造主要利用 Intel线程构造块 TBB(Intel Thread Building Blocks),它能实现多核处理器下的串行程序的并行化,以及通过Intel Parallel Studio工具集对并行程序进行调试及调优。缩短程序中数据处理时间,达到提高波形捕获能力的目的。
  通过对软件优化的研究及实施,实现虚拟示波器在相同的硬件配置及操作环境下波形捕获率的提升。本文研究的软件优化方法适用于不同核心数的处理器,在双核处理器平台上其波形捕获率可提高1.33倍,在四核处理器的平台上优化带来的加速比能高达1.7。
[硕士论文] 张乐锋
仪器仪表工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:校准仪作为标准的信号发生器,广泛应用于各类示波器的设计、维护及调试等工程领域。脉冲快速沿产生技术是校准仪的主要技术之一,随着示波器校准需求的提高,对快速沿技术的要求也越来越高。国际上的快沿技术已经达到皮秒级,处于领先地位,国内对该技术的研究起步较晚,仍然处于追赶阶段。
  课题主要研究基于阶跃恢复二极管的脉冲边沿整形技术,主要利用该类型二极管具有大的存储时间和小的暂态时间的特性,对脉冲的边沿进行整形。针对脉冲整形电路对前端输入信号边沿与幅度的要求,研究了脉冲线性调理技术及非线性调理技术;针对课题对脉冲信号占空比特征的要求,研究了脉冲合成技术。经过调试,输出端脉冲的幅度、边沿时间、频率及占空比等指标均已达标。
  本文的主要技术如下:
  (1)高精度脉冲合成技术:课题要求脉冲快速沿的占空比为10%,且不随信号频率的该变而改变。为了合成高精度的脉冲,本文阐述了采用集成电路精确延时的延时方法和利用高速D触发器合成脉冲的方法。
  (2)宽频带大幅度脉冲调理技术:脉冲快速沿整形电路对预整形电路输出信号的幅度要求较高,其边沿时间也应该尽量小;而传统的线性放大电路无法满足该课题中高速信号的要求。结合实验室的技术积累,课题采用基于差分放大电路的非线性调理技术,通过调整精密可控的恒压源与恒流源电路可以实现输出脉冲的幅度及电平的精密控制。
  (3)基于阶跃恢复二极管的脉冲边沿整形技术:利用阶跃恢复二极管对脉冲边沿进行整形,是当前的主流技术之一;课题重点分析了阶跃恢复二极管的结构特性及动态特性,并结合阶跃恢复二极管的电气特性,分别搭建脉冲上升沿与下降沿整形电路。文章详细分析了脉冲整形电路的工作原理,并分析了电路中各器件的参数选择。
  (4)高速信号的完整性设计:电路中脉冲的边沿时间较短,对应于信号的带宽较高,因此文章论述了如何设计PCB才能确保信号完整性的问题。
[硕士论文] 兰迪
仪器仪表工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:任意波形发生器作为电子测试领域广泛使用的信号源,包括了波形合成模块、输出调理模块、时钟模块、接口模块等部分。时钟模块主要作用是为波形合成过程提供采样时钟,以及保证波形合成过程中各部分同步工作。
  本文围绕“4GSPS任意波形发生器”的时钟模块展开研究,针对4GSPS采样率和通道偏差精密控制的要求,设计了双通道偏差可精调的宽带精密可变时钟模块,主要研究内容如下:
  1.时钟模块需求分析。针对4GSPS任意波形发生器项目的指标要求,结合波形合成方案,确定了1GHz-2GHz频率可调范围、±1kHz精度、100Hz分辨率、输出频率为2GHz时的相位噪声小于-76dBc/Hz@10kHz以及输出功率不超出9dBm-15dBm范围的采样时钟要求。结合通道偏差精密控制方案,确定了-1ns到+1ns调节范围,10ps分辨率的时钟偏差精调要求。
  2.时钟模块方案设计。针对采样时钟的频率相关指标要求,研究了现代频率合成技术,结合DDS分辨率高、捷变速度快和PLL输出频率范围大的优点,设计了DDS激励PLL的宽带精密可变时钟生成方案;针对时钟通道独立/同步以及外部时钟可选择的功能要求,设计了时钟源切换方案;针对时钟偏差调节的指标要求,通过比较几种偏差调节的方法,设计了延迟线调节时钟偏差的方案。
  3.时钟模块硬件设计。结合时钟频率相关指标要求和DDS激励PLL的宽带精密可变时钟生成方案,选择以AD9912和ADF4351为核心芯片,设计了时钟生成电路。结合时钟源切换方案,使用模拟开关和时钟分配芯片设计了时钟源切换电路。结合时钟偏差精密调节方案,选择延迟线芯片SY100EP196V作为延迟单元,设计了时钟偏差调节电路。
  4.时钟模块驱动程序设计。按照功能的划分,分别分析了时钟生成、时钟源切换、时钟偏差精密调节的驱动程序设计流程。
  经过测试,输出的时钟信号频率可调范围为1GHz-2GHz,频率精度小于±1kHz,分辨率100Hz,输出频率为2GHz时的相位噪声优于-83dBc/Hz@10kHz,输出功率在11.16dBm-13.23dBm范围内,能够实现时钟源的切换,时钟信号通道间偏差可调范围大于-1ns到+1ns,分辨率10ps。最后指标均满足项目要求。
[硕士论文] 曾红林
仪器仪表工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着电子行业对宽带微弱小信号、开关电源测试、高速信号完整性等领域测试应用需求的增加,力科、是德科技等国外公司相继发布了宽带高分辨率示波器产品,国内相关技术研究较少。高分辨率示波器能够观察捕获到更加准确、精细的波形,而低噪声模拟前端是高分辨示波器的重要组成部分。本文以宽带低噪声模拟通道为研究课题,重点研究了示波器模拟前端的宽带阻抗变换技术、宽带低噪声可变增益放大电路技术、差分ADC驱动技术、宽带触发电路技术等,研究主要分为五部分:
  1、研究设计了一种基于高低频分离路径的阻抗变换电路。分析了电路结构,推导了电路的传递函数,分析了影响电路高频增益的因素;使用场效应管、三极管、运放等分立器件搭建了实际电路;对电路进行了仿真,调试。并设计了基于阻抗变换电路的偏置电压调整电路。
  2、对级联放大器的噪声进行了研究,包括常见运放噪声种类,放大器的噪声模型,级联放大器的噪声计算方法等。
  3、研究设计了宽带低噪声可变增益放大电路。对电路的增益和衰减范围进行了分析,确立了可编程衰减器+固定增益运放+全差分运放ADC驱动电路的级联结构。对芯片进行选型,设计了具体电路,并对电路噪声进行了分析计算。
  4、分析了信号调理通道的增益温度特性,给出了基于 ADC增益调节的幅度测量温度补偿方法。
  5、研究设计了宽带触发调理通道。分析了触发的原理结构,设计了边沿触发电路、分频电路、触发耦合控制电路等。
  最后,论文研究设计了1GHz带宽示波器模拟通道,并在2.5GSPS采样率、12位垂直分辨率的示波器平台上调试验证。通道的带宽、上升时间、本底噪声等关键指标均满足设计要求。
[硕士论文] 梁炎
仪器科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:自动测试系统(ATS,Automatic Test System)指能测量仪器和其他设备组合起来的有机整体,能完成某种测试任务。自动测试技术发展至今,仪器的可互换性和测试软件的可移植性是自动测试系统中非常重要的衡量指标。从系统软件结构上看,ATS可分为面向仪器和面向信号两类。传统的ATS主要为面向仪器类型,根据仪器的能力描述测试需求,执行测试过程。这对仪器的互换能力,TPS的升级与移植能力都造成了很大的限制。面向信号的ATS以系统总的信号能力作为核心,从信号的角度出发构建系统测试软件,从根本上解决ATS通用性的问题。
  本文研究测试和信号定义的技术标准(IEEE1641),主要分析信号标准分层结构中的TSF层与TPL层,提出其工程实现的可行性,并完成图形化信号描述软件的设计与实现。主要的工作为以下几点:
  1)根据IEEE1641标准的信号分层结构,分析信号的可扩展机制与复用机制、信号的静态描述、信号的动态描述以及信号的TPL与编程语言的可结合性。提出利用图形化的方式构建信号模型的软件方案,并结合微软 Visual Studio软件开发环境中的MFC框架进行工程实现。
  2)图形化信号描述软件的设计基于面向对象编程思想、软件结构组件化思想。软件的主要功能为信号的图形化描述、信号信息管理、信号动态组件生成、测试组件生成。其中信号图形化描述功能模块采用Visio绘图控件的二次开发方式完成,信号信息管理功能模块与测试组件生成模块采用开发ActiveX控件的方式完成。
  3)分析XML解析技术,以XML文档作为软件数据信息的交互载体。为了提供软件的功能扩展性,结合数据库访问技术,以动态链接库的形式实现信号的数据存储功能。
  4)通过构建测试用例完成对图形化信号描述软件的功能性检验。验证结果表明软件拥有信号构建能力,可以根据需求定义复杂信号并生成信号组件与测试组件。
  本课题完成了信号标准中TSF与TPL的工程实现,能应用于面向信号的系统软件平台中,具有一定的使用价值。
[硕士论文] 刘向斌
仪器科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:LXI(LAN Extensions for Instrumentation)总线技术作为当前仪器技术发展的一个前沿方向,能更好的满足分布式和远距离控制的需求,为全面提高仪器自动测试技术水平提供一种全新解决途径。作为一种高精度测试仪器,示波器校准仪在各类示波器调试和维护中的重要性愈加凸显。本课题需要设计符合LXI C类标准的示波器校准仪网络控制软件,将LXI总线技术与示波器校准仪控制软件融合后的LXI示波器校准仪网络控制软件,可以很好地解决传统仪器在地域与空间上的使用限制。
  LXI协议要求设备必须提供标准的网络页面和网络服务器程序,因此本课题软件设计总体上基于B/S架构。本课题论文提出了LXI C类仪器标准的网页和本地服务器程序的功能需求,设计了LXI示波器校准仪B/S网络控制软件的总体方案,并在此基础上完成仪器网络控制软件的开发,最后对软件的功能进行了测试。工作的主要内容有:
  (1)完成示波器校准仪网络控制软件需求分析和总体设计。根据LXI C级仪器的协议要求和示波器校准仪的功能需求,完成软件整体模块划分和流程设计。
  (2)完成web页面设计,完成B/S架构网络通信设计。本课题按照LXI仪器的标准要求设计了仪器访问页面,并根据示波器校准仪的功能需求,设计了示波器校准仪功能控制页面等。
  (3)设计和实现了仪器网络服务器程序。通过运用RPC和TCP/IP通讯协议完成LXI仪器的自动发现功能,以及网页端与服务器之间的通信。服务器程序还需要完成SCPI命令解析模块,正确响应仪器客户端命令。
  (4)设计和实现了仪器参数管理和驱动模块。运用面向对象的程序设计思想使示波器校准仪多类型参数得到了有效管理,仪器驱动模块的端口映射机制简化了仪器驱动模块的设计。
  本课题完成了示波器校准仪网络控制软件设计,并对网络控制程序中各项功能进行测试,通过分析测试结果,得出本课题所设计软件符合LXI C类仪器的要求。
[硕士论文] 靳银帅
仪器科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:实时频谱分析仪在射频信号测试中发挥着重要作用,借助其高效的数据处理能力、独特频率模板触发和数字荧光显示功能,可以实现对射频信号的无缝捕获分析。本课题在Windows7操作系统下,以Visual Studio2008为开发环境开发设计实时频谱分析仪软件系统。在软件开发过程中以Windows GDI为工具实现数据图形的高效显示,以界面工具库wxWidgets为工具实现软件界面的开发设计。
  论文中根据实时频谱分析仪软件的需求分析,首先给出软件的总体设计方案,之后详细介绍软件中各个功能模块的设计过程。文中涉及到的研究内容如下。
  1、数据显示。以Windows GDI为工具实现测量数据的二维及三维显示,其中二维显示包括频谱图等迹线数据显示图形;三维显示包括借助伪彩色处理技术实现的数字荧光显示图和时间频谱图;
  2、频率模板显示及Marker测量。为辅助硬件实现频率模板触发和数据测量功能,完成频率模板和Marker的绘图显示,并提供多种方法以方便灵活地设置模板及Marker;
  3、窗口管理。借助wxWidgets中的AUI窗口管理器实现数据测量过程中多个图形显示窗口的合理布局;
  4、仪器命令控制。为实现软件对于硬件的控制,设计多种仪器命令参数的格式,如频跨(Span)、分辨率带宽(RBW),并提供对应的参数设置窗口;
  5、测量数据处理。完成测量数据显示之前的坐标轴转换、刻度标定等相关数据处理操作;
  6、软件辅助功能。为使软件的功能更加丰富,设计实现网口数据传输和数据导出功能。其中数据导出功能可以将测量数据导出到多种格式的文件中,或将数据显示图形通过打印机打印出来。
  本文中研究的实时频谱分析仪软件系统的各个功能模块经整机调试与验证,均可正确有效的工作,达到了软件系统的设计预期,使软件拥有了较为良好的人机交互性能。
[硕士论文] 刘志平
仪器科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:当今信号特征正在不断地朝着高频高速、复杂多变的小信号领域发展,要对这类信号进行完整捕获并分析,就需要使用高速高精度的数据采集系统。高垂直分辨率由于能够帮助示波器采集到更真实、精确的波形,因此越来越多的技术公司开始着手研发高分辨率示波器,像力科、是德科技等国外公司已经推出了高速高分辨率示波器产品,而国内相关的技术研究都非常少。为此,本文基于某型号高分辨率示波器项目平台,对高速高分辨率数据采集系统进行了深入研究,并且设计了该项目四通道采集系统的硬件平台,其主要指标为:2.5GSPS实时采样率、125GSPS等效采样率、12比特垂直分辨率和每秒100万次触发。
  本文研究的具体主要内容如下:
  1、时钟设计:根据JESD204B协议设计了能满足ADC和FPGA工作需求的系统时钟。深入地分析了时钟抖动对本文高速高分辨率数据采集系统的影响,并给出了时钟抖动范围,研究了JESD204B系统时钟方案,并设计了时钟芯片的外围电路,验证了时钟的输出抖动满足要求。
  2、ADC设计:通过电路设计保证了信号的低噪声采样,并根据校正要求实现了ADC增益的细调,根据ADC内部工作原理论述了测试模式等寄存器配置,实现了ADC测试、链路传输、交直流耦合等控制,结合供电要求分析了ADC电源设计方案。
  3、高速串行数据流传输与接收设计:针对JESD204B内核对串行数据接收原理引出了链路数据建立和通道同步设计方法,设计了数据接收逻辑模块,实现了数据的正确接收。
  4、波形数据采集模式设计:通过对数据抽点、求最值、做平均的方式分别实现了正常采集、峰值检测、高分辨率模式和平均模式;针对高频重复信号的采集设计了基于高精度时间测量电路的随机等效采样;借助外接存储器实现了波形连续采集并多段存储和读取的顺序采样。
  经实际测试,本文设计的高速高分辨率数据采集系统的采样率、分辨率和触发速率等主要指标要求能够达到,并且部分指标高于设计要求。
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