基于虚拟仪器的纳秒脉冲测量装置的研制

论文摘要

20世纪60年代初,由于物理学的发展,研究纳秒脉冲的性质成了急待解决的问题。从时域波形看,纳秒具有陡峭的前沿,宽度较窄;从频域看,则覆盖了较宽的频带,是电信号测量技术中的重点也是难点。由于纳秒脉冲固有的这些特性使得测量系统具有一些新的特点:首先,被测脉冲上升时间通常约为几纳秒,有时可低达亚纳秒,所以要想准确地进行测量,对测量系统的要求很高;其次,要确保测量脉冲波形不发生畸变,但是一般的测量系统由于带宽不够,所以测量得到的信号往往是畸变的信号,这就要求对测量系统进行补偿,从而获得真实的信号波形;最后,对于测量系统来说,要防止外界噪声的干扰,所以测量系统要进行屏蔽。由于对测量系统有如此的要求,所以很有必要对其展开深入的研究。为此,很多研究人员一直想办法来解决信号畸变问题。有的只注重硬件的改进,使得测量结果尽量准确,但是硬件改进是有限度的,这就需要用其它办法来弥补硬件的不足。本文设计了一个电阻分压器用来测量高压纳秒脉冲,由于分压器的对地电容以及自身电感的作用,使得纳秒脉冲高频成分通过时发生了畸变,宏观表现出来就是测量到的信号和被测信号不一致。为了弥补分压器的不足,本文利用虚拟仪器软件LabVIEW对分压器测量系统进行辨识与补偿,从而重建真实纳秒脉冲信号。虚拟仪器开发软件LabVIEW是美国NI公司创立的虚拟仪器领域中最具代表性的图形化编程开发平台,是一种图形化的编程语言(G语言),主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域,适用于多种不同的操作系统平台。当硬件平台I/O接口设备与计算机确定后,就可以通过编制不同的软件来实现不同的功能,用户只需改变软件程序就可以改变或扩展其功能,满足多种多样的应用需求。虚拟仪器大大突破了传统仪器在数据处理、表示、传递、存储等方面的限制,达到了传统仪器无法比拟的效果。将基于虚拟仪器技术的图形化编程语言LabVIEW运用到纳秒脉冲测量系统性能补偿与信号处理中去。利用LabVIEW开发虚拟仪器,设计具有时域、频域等测量功能的程序,在测量系统建模与信号重建领域中具有重要的意义。本文以高压纳秒脉冲测量信号为基础,利用LabVIEW设计了一套用于对测量系统进行辨识及波形重建的模块程序。只要获得测量系统的输入输出信号数据,输入到程序中,就可以辨识出测量系统的数学模型,进一步实现波形重建。模型可以用差分方程滤波器或者卷积模型来实现。但是系统辨识的模型并不代表测量系统内部真实结构,只是在外特性上尽量和测量系统保持一致。实验时以标定得到的输入输出数据为基础来进行模型辨识与信号重建。对测量系统的辨识以及信号的重建是本课题研究的核心。实验证实,该软件可以很好地对测量系统进行辨识与信号重建,实现了预期的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 纳秒脉冲测量的分类
• 1.2.1 脉冲电压的测量
• 1.2.2 脉冲电流的测量
• 1.2.3 脉冲电场、磁场的测量
• 1.3 测量信号波形重建的研究现状
• 1.4 本文的主要内容
• 第二章 图形化编程语言LABVIEW
• 2.1 虚拟仪器简介
• 2.1.1 虚拟仪器的产生
• 2.1.2 虚拟仪器系统的构成及分类
• 2.1.3 虚拟仪器的特点
• 2.1.4 虚拟仪器的应用
• 2.1.5 虚拟仪器的发展趋势
• 2.2 图形化编程语言LABVIEW
• 2.2.1 LabVIEW简介
• 2.2.2 LabVIEW的特点
• 2.2.3 LabVIEW的软件开发流程
• 2.3 LABVIEW与MATLAB混合编程
• 2.4 本章小结
• 第三章 测量系统硬件设计及选择
• 3.1 电阻分压器的设计
• 3.2 数据采集卡的选择
• 3.2.1 采样定理
• 3.2.2 采集卡的选择
• 3.3 软件运行环境配置
• 3.4 本章小结
• 第四章 纳秒脉冲测量信号的波形重建
• 4.1 测量系统数学模型表示方法
• 4.1.1 差分方程滤波器法
• 4.1.2 卷积法
• 4.2 测量系统标定
• 4.2.1 差分方程滤波器系数的求取
• 4.2.2 传递函数的求取
• 4.3 测量系统实测信号重建
• 4.3.1 差分方程滤波器法重建
• 4.3.2 反卷积法重建
• 4.4 本章小结
• 第五章 信号分析模块设计与误差分析
• 5.1 数据存储和读取模块的设计
• 5.1.1 用读写电子表格实现读取与存储
• 5.1.2 用读写测量文件实现读取与存储
• 5.2 频谱分析模块的设计与测试
• 5.2.1 离散傅立叶变换
• 5.2.2 窗函数
• 5.2.3 功率谱分析
• 5.2.4 频谱分析模块功能及节点
• 5.2.5 频谱分析模块程序框图
• 5.3 测量系统误差分析
• 5.3.1 电阻分压器误差分析
• 5.3.2 采集转换误差分析
• 5.3.3 虚拟仪器软件的误差分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 附录