【文章內(nèi)容簡介】 后的電寧夏大學(xué)新華學(xué)院本科學(xué)位論文 6 路出現(xiàn)各種各樣的物理缺陷問題，比如線與線之間或者層與層之間出現(xiàn)短路，線與線之間出現(xiàn)開路等，這些都會導(dǎo)致制造后的電路與預(yù)期的結(jié)果不一樣，而不能正確的工作。 如果故障芯片已經(jīng)裝在了 PCB 上，可能會造成整個 PCB 維修甚至更換，這種更換的成本是相當(dāng)大的，所以出場前進(jìn)行完整的測試是相當(dāng)重要的，雖然為提高芯片制作質(zhì)量做出了很大的努力，卻不可避免的出現(xiàn)制作故障和生產(chǎn)出廢品。 D/A 芯片測試方法發(fā)展現(xiàn)狀 當(dāng)前，數(shù)字處理系統(tǒng)正在飛速發(fā)展，在通信領(lǐng)域，過去無線通信系統(tǒng)的設(shè)計都是靜態(tài)的，只能在規(guī)定范圍內(nèi)的特定頻段上使用專用調(diào)制器、編碼器和信道協(xié)議。而軟件無線電技術(shù) (SDR)能更加靈活、有效地 利用頻譜，并能方便地升級和跟蹤新技術(shù)，大大地推動了無線通信系統(tǒng)的發(fā)展。在高精度測量領(lǐng)域，高級儀表的分辨率在不斷提高，電流到達(dá) μA 量級，電壓到達(dá) mV 甚至更低 。 為了滿足數(shù)字系統(tǒng)的發(fā)展要求， D/A 轉(zhuǎn)換器的性能也必須不斷提高，它將主要向以下幾個方向發(fā)展 : 高轉(zhuǎn)換速度 ： 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度越來越快，要求獲取數(shù)據(jù)的速度也要不斷提高。 高精度：現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的分辨率在不斷提高，比如，高級儀表的最小可測值在不斷地減小，因此， D/A 轉(zhuǎn)換器的分辨率也必須隨之提高。 低功耗：片上系統(tǒng) (SOC)已經(jīng)成為集 成電路發(fā)展的趨勢，在同一塊芯片上既有模擬電路又有數(shù)字電路。為了完成復(fù)雜的系統(tǒng)功能，大系統(tǒng)中每個子模塊的功耗應(yīng)盡可能地 。 課題研究內(nèi)容和研究方法 通過本設(shè)計所研究與設(shè)計基于 LabVIEW 的 D/A 芯片測試系統(tǒng)，針對 工業(yè)環(huán)境中各種干擾與沖擊的影響，在 D/A 芯片的設(shè)計投入使用前，需要對其進(jìn)行模擬干擾環(huán)境下的測試 這一問題，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。不但利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)出一種基于 LabVIEW 的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以對壓力、溫度、頻率移等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，而且利用 LabVIEW 平臺的數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng) 來實現(xiàn)高精度的數(shù)字控制。課題的研究主要內(nèi)容是基于 LabVIEW 的 D/A 芯片的測試系統(tǒng)設(shè)計，其中主要寧夏大學(xué)新華學(xué)院本科學(xué)位論文 7 包括靜態(tài)電壓參數(shù)的設(shè)計、動態(tài)電壓參數(shù)的設(shè)計、基于 LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的設(shè)計。 在 LabVIEW 語言程序設(shè)計的過程中包括三個部分 :前面板、框圖程序和硬件電路，因此一個 VI 程序的設(shè)計主要包括前面板的設(shè)計、框圖程序的設(shè)計以及 DAQ卡的連接和調(diào)試。 1. 前面板 虛擬儀器的面板設(shè)計都在這個窗口中完成，并且在前面板中執(zhí)行對儀器的操作。應(yīng)根據(jù)實際中的儀器面板以及該虛擬儀器所要實現(xiàn)的功能來設(shè)計前面板。 前面板中主要由輸入控制器和輸出指示器組成。利用工具模板來添加輸入控制器和輸出指示器?？刂破魇褂脩艨梢暂斎霐?shù)據(jù)到程序 ,而指示器則用來顯示程序產(chǎn)生的數(shù)值。 2. 框圖程序 實現(xiàn)虛擬發(fā)生器的所有程序都在這個窗口中完成。程序相當(dāng)于源代碼 ,只有在創(chuàng)建了框圖程序以后該程序才能真正運行。所以在設(shè)計好前面板以后 ,就要根據(jù)各個框圖之間的關(guān)系以及對數(shù)據(jù)的處理方法等設(shè)計框圖程序。對框圖程序的設(shè)計主要是對節(jié)點、數(shù)據(jù)端口和連線的設(shè)計。 3. DAQ 卡的連接和調(diào)試 DAQ 系統(tǒng)的基本任務(wù)是物理信號的產(chǎn)生或測量。但是要使計算機(jī)系統(tǒng)能夠 測量物理信號，必須要使用傳感器把物理信號轉(zhuǎn)換成電信號（電壓或者電流信號）。有時不能把被測信號直接連接到 DAQ 卡，而必須使用信號調(diào)理輔助電路，先將信號進(jìn)行一定的處理。總之，數(shù)據(jù)采集是借助軟件來控制整個 DAQ 系統(tǒng)，包括采集原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、給出結(jié)果等。所以在設(shè)計好前面板和框圖程序后，就要連接 DAQ 的硬件電路，使其軟件通過 DAQ 卡完成數(shù)據(jù)采集。 第二章 總體方案設(shè)計 本設(shè)計所研究與設(shè)計是基于 LabVIEW的 D/A芯片測試系統(tǒng)， 針對 工業(yè)環(huán)境中各種干擾與沖擊的影響，在 D/A芯片的設(shè)計投入使用前，需要對其進(jìn)行模擬 干擾環(huán)境下的測試 這一問題，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng) 。課題的研究內(nèi)容 主要包括靜態(tài)參數(shù)的設(shè)計、動態(tài)參數(shù)的設(shè)計、基于 LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的設(shè)計。 本課題選用的 D/A 芯片測試系統(tǒng)的設(shè)計 D/A 芯片外部連線如下圖 23 所示 寧夏大學(xué)新華學(xué)院本科學(xué)位論文 8 圖 23 D/A芯片外部連線 D/A芯片測試系統(tǒng)的設(shè)計步驟 實際設(shè)計中選用的方案， D/A芯片外部連線如下圖 24所示 寧夏大學(xué)新華學(xué)院本科學(xué)位論文 9 圖 24 D/A芯片外部連線 （ 1） ： 連接給定模擬數(shù)值，通過十進(jìn)制與二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字控制信號通過采集面板 A的 Line0～ 3位數(shù)字輸出端口與 Line4～ 7位端口相連。 （ 2）： 采集卡在其內(nèi)部做 D/A轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)化出 數(shù)字 信號 。 （ 3）：檢測端采集到的數(shù)字信號通過 D/A轉(zhuǎn)換出模擬信號與最初給定的模擬信號做對比，得出結(jié)論。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的介紹 一個典型的數(shù)據(jù)采集 卡 的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字 I/O、計數(shù)器 /計時器等，這些功能分別由相應(yīng)的電路來實現(xiàn)。 模擬輸入是 采集 最基本的功能。它一般由多路開關(guān) （ MUX）、放大器、采樣保持電路以及 A/D 來實現(xiàn)，通過這些部分，一個模擬信號就可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 A/D的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量，要根據(jù)實際需要的精度來選擇合適的A/D。 數(shù)字輸出通常是為 采集 系統(tǒng)提供激勵。輸出信號受數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （ D/A） 的建立時間、轉(zhuǎn)換率、分辨率等因素影響。建立時間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號幅值改變的快慢。建立時間短、轉(zhuǎn)換率高的 D/A 可以提供一個較高頻率的信號。應(yīng)該根據(jù)實際需要選擇 D/A 的參數(shù)指標(biāo)。 數(shù)字 I/O 通常用來控制過程、產(chǎn)生測試信號、與外設(shè)通信等。它的重要參數(shù)包括：數(shù)字口路數(shù) （ line） 、接收 (發(fā)送 )率、驅(qū)動能力等。如果輸出去驅(qū)動電機(jī)、燈、寧夏大學(xué)新華學(xué)院本科學(xué)位論文 10 開關(guān)型加熱器等用電器，就不必用較高 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率。路數(shù)要能同控制對象配合，而且需要的電流要小于采集卡所能提供的驅(qū)動電流。但加上合適的數(shù)字信號調(diào)理設(shè)備，仍可以用采集卡輸出的低電流的 TTL 電平信號去監(jiān)控高電壓、大電流的工業(yè)設(shè)備。數(shù)字 I/O 常見的應(yīng)用是在計算機(jī)和外設(shè)如打印機(jī)、數(shù)據(jù)記錄儀等之間傳送數(shù)據(jù)。另外一些數(shù)字口為了同步通信的需要還有“握手”線。路數(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率、“握手”能力都是應(yīng)理解的重要參數(shù)，應(yīng)依據(jù)具體的應(yīng)用場合而選擇有合適參數(shù)的數(shù)字I/O。 許多場合都要用到計數(shù)器，如定時、產(chǎn)生方波等。計數(shù)器包括三個重要信號：門限信號、計數(shù)信號、輸出。門 限信號實際上是觸發(fā)信號 —— 使計數(shù)器工作或不工作；計數(shù)信號也即信號源，它提供了計數(shù)器操作的時間基準(zhǔn)；輸出是在輸出線上產(chǎn)生脈沖或方波。計數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時鐘頻率，高分辨率意味著計數(shù)器可以計更多的數(shù)，時鐘頻率決定了計數(shù)的快慢，頻率越高，計數(shù)速度就越快。 圖 25 數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的結(jié)構(gòu) 1． 緩沖（ Buffers） 這里的緩沖指的是 PC 內(nèi)存的一個區(qū)域（不是數(shù)據(jù)采集卡上的 FIFO 緩沖），它用來臨時存放數(shù)據(jù)。例如，你需要每秒采集幾千個數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù) 是困難的。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到 Buffer，你就可以先將它們快速存儲起來，稍后再重新找回它們顯示或分析。需要注意的是 Buffer 與采集操作的速度及容量有關(guān)。如果你的卡有 DMA 性能，模擬輸入操作就有一個通向計算機(jī)內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計算機(jī)的內(nèi)存。不使用 Buffer意味著對所采集的每一個數(shù)據(jù)你都必須及時處理（圖形化、分析等），因為這里沒寧夏大學(xué)新華學(xué)院本科學(xué)位論文 11 有一個場合可以保持你著手處理的數(shù)據(jù)之前的若干數(shù)據(jù)點。 下列情況需要使用 Buffer I/O： ① 需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過了實際顯 示、存儲到硬件，或?qū)崟r分析的速度。 ② 需要連續(xù)采集或產(chǎn)生 AC 數(shù)據(jù)（ 10 樣本／秒），并且要同時分析或顯示某些數(shù)據(jù)。 ③ 采樣周期必須準(zhǔn)確、均勻地通過數(shù)據(jù)樣本。 下列情況可以不使用 Buffer I/O： ①數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個通道之一采集一個數(shù)據(jù)點。 ②需要縮減存儲器的開支。 2．觸發(fā)（ Triggering） 觸發(fā)涉及初始化、終止或同步采集事件的任何方法。觸發(fā)器通常是一個數(shù)字或模擬信號，其狀態(tài)可確定動作的發(fā)生。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板控制去啟動 /停止數(shù)據(jù)采集。硬件觸發(fā)讓板卡 上的電路管理觸發(fā)器，控制了采集事件的時間分配，有很高的精確度。硬件觸發(fā)可進(jìn)一步分為外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)。當(dāng)某一模擬通道發(fā)生一個指定的電壓電平時，讓卡輸出一個數(shù)字脈沖，這是內(nèi)部觸發(fā)。采集卡等待一個外部儀器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來后初始化采集卡，這是外部觸發(fā)。許多儀器提供數(shù)字輸出（常稱為“ trigger out”）用于觸發(fā)特定的裝置或儀器，在這里，就是數(shù)據(jù)采集卡。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集硬件、硬件驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)采集函數(shù)幾個部分組成。 數(shù)據(jù)采集硬件有多種多樣的形式。數(shù)據(jù)采集硬件的選擇要根據(jù)具體的應(yīng)用場合并考慮到自己 現(xiàn)有的技術(shù)資源。 本設(shè)計中的數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)設(shè)計要求選用 National Instruments 多功能 I/O采集卡 NI PCI6221。 如下圖 26： 其性能指標(biāo)如下： － 16路單端模擬輸入 － 16bit分辨率 － 200kS/s采樣率 － 200kS/s磁盤寫入速度 寧夏大學(xué)新華學(xué)院本科學(xué)位論文 12 － 177。～ 177。10v的輸入范圍 － 2路 16位模擬輸出 － 8條數(shù)字 I/O接口 － 2路 24位計數(shù) /定時器 －帶校準(zhǔn)認(rèn)證數(shù) －支持 Windows2021/NT/XP的 NIDAQ軟件驅(qū)動 數(shù)據(jù)采集的程序由 LabVIEW軟件編制 ，基本界面為數(shù)據(jù)采集的顯示由示波器顯示波形，還包括數(shù)字顯示和啟動開關(guān)。 圖 26 數(shù)據(jù)采集卡 通過 PC 機(jī)的 I/O 口，通過數(shù)據(jù)輸入端用數(shù)據(jù)輸入線和實驗設(shè)備相連，在實驗設(shè)備的輸出端有個轉(zhuǎn)換電路，可以將實驗系統(tǒng)中存在的信號（位移、壓力等）轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)卡所能采集的信號，下圖 27 是接線端子 BNC—2120 的面板。 寧夏大學(xué)新華學(xué)院本科學(xué)位論文 13 圖 27 接線端子 BNC— 2120 的面板 NI 公司的數(shù)據(jù)采集卡可以使用內(nèi)部時鐘來設(shè)置掃描速率和通道間的時間間隔。多數(shù)數(shù)據(jù)采集卡