【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 定時(shí)、產(chǎn)生方波等。定時(shí)器包括三個(gè)重要信息 :門限信號(hào)、計(jì)時(shí)信號(hào)、輸出。門限信號(hào)實(shí)際上是觸發(fā)信號(hào)一使它工作或不工作 。計(jì)時(shí)信號(hào)也就是信號(hào)源，它提供了繼續(xù)其操作的時(shí)間基準(zhǔn) 。輸出是在輸出線 上產(chǎn)生方波和脈沖。他們最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率。高分辨率意味著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)，時(shí)鐘頻率決定了產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號(hào)輸入的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)增長(zhǎng)得越快，因而輸入端的信號(hào)頻率高，就可以產(chǎn)生高頻的脈沖波和方波。 4 驅(qū)動(dòng)軟件 沒有軟件，甚至沒有好的軟件，數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)不可能發(fā)揮很大的作用。數(shù)據(jù)系統(tǒng)一個(gè)主要方面是驅(qū)動(dòng)軟件的使用。驅(qū)動(dòng)軟件是直接對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的軟件層，管理著系統(tǒng)的操作以及和計(jì)算機(jī)資源的組合，比如 CPU中斷、 DMA 傳送、存儲(chǔ)器等。驅(qū)動(dòng)軟件在保持高性能、提高給用戶易于理解的基礎(chǔ)的同時(shí)， 隱藏了復(fù)雜、詳細(xì)的硬件及程序設(shè)計(jì)。 N 工一 DAQ 就是 N1 公司高性能數(shù)據(jù)采集及驅(qū)動(dòng)程序。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是電子測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)，當(dāng)然也是虛擬儀器的基礎(chǔ)。只有當(dāng)數(shù)據(jù)采集部分正確工作，整個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)才能正確工作。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)稱 DAS(DataAequisitionSyst。 m)是信息科學(xué)的重要分支，它不僅應(yīng)用在現(xiàn)代智能檢測(cè)系統(tǒng)中，而且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、國防軍事及科學(xué)研究等方面都得到廣泛應(yīng)用，無論是過程控制狀態(tài)檢測(cè)、還是故障診斷、質(zhì)量檢測(cè)，都離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)、智能儀 器與外界物理世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。其核心是計(jì)算機(jī)，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。它所處理的是數(shù)字信號(hào)，因此輸入的模擬信號(hào)必須進(jìn)行模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)量化 :，變成數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如 4 一 2 所示，它由多路開關(guān)、采樣 /保持器、放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)等組成。數(shù)據(jù)采集要經(jīng)過采樣和量化兩個(gè)必要步驟。采樣過程是將被測(cè)的連續(xù)信號(hào)離散化，從連續(xù)信號(hào)中抽取采樣時(shí)刻的信號(hào)值，由多路開關(guān)、采樣 /保持器完成。如果被測(cè)信號(hào)變化緩慢，也可以不用采樣 /保持器。多路開關(guān)將各路信號(hào)輪流切換到輸入 端，對(duì) 10 各路信號(hào)分時(shí)采樣。 A/D 轉(zhuǎn)換器將采樣信號(hào)量化，將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中。放大器、濾波器可根據(jù)被測(cè)信號(hào)的大小及干擾的強(qiáng)弱選用。有的系統(tǒng)不采用公用放大器，而根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)單獨(dú)配置。 。 。 。 圖 31 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)圖 采樣 /保持器的工作原理 在實(shí)際系統(tǒng)中用到 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，如果模擬信號(hào)變換較快，那么，為了保證轉(zhuǎn)換精度，就要在 A/D 轉(zhuǎn)換之前加上采樣 /保持電路，使得在 A/D 轉(zhuǎn)換期間輸入的模擬信號(hào) 保持不變。采樣 /保持電路有兩種工作方式，即采樣方式和保持方式。在采樣方式下，采樣 /保持器的輸出必須跟蹤模擬輸入電壓 :在保持方式下，采樣/保持器的輸出將保持采樣命令發(fā)出時(shí)刻的電壓輸入值，直到保持命令結(jié)束為止。圖 4 一 3 為采樣 /保持器的原理電路。從圖中可以看到，采樣 /保持器由輸入緩沖放大器、輸出緩沖放大器、保持電容和控制開關(guān)組成。 圖 32 采樣 /保持器 多路轉(zhuǎn)換模擬開關(guān) 模擬開關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中主要部件之一，它的作用是切換各路輸入信號(hào)。在測(cè)控系統(tǒng)中，被測(cè)量經(jīng)常是幾個(gè)或者幾十個(gè)，為了降低成本和減 小面積，系統(tǒng)通常使用公共的放大器、采樣 /保持器以及 A/D 轉(zhuǎn)換器，因此需要使用多路開關(guān)輪流把各路被測(cè)信號(hào)分時(shí)的與這些公用器件連通。 傳感器 傳感器 傳感器 多路開關(guān) 放大器 采樣保持器 A/D 轉(zhuǎn) 換 器 計(jì)算機(jī) 11 圖 33 多路轉(zhuǎn)換模擬開關(guān) 為了滿足不同需要，現(xiàn)己開發(fā)出各種集成模擬開關(guān)，按輸入信號(hào)的連接方式可以分為單端輸入和差動(dòng)輸入。圖 4一 4為 LF13508 單端 8通道多路模擬開關(guān)原理框圖，它有三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端口。三個(gè)二進(jìn)制控制信號(hào)經(jīng)過三八譯碼器后，選擇 5158個(gè)輸入通道中的一個(gè)通道與輸出端 D接通。 EN 為使能端，當(dāng) EN=0 時(shí)，通道斷開，禁止模擬量輸入 。當(dāng) EN=1 時(shí)，通道接通，允許 控制輸入端選中的模擬量輸入，并和輸出通道相連。在實(shí)際數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有時(shí)采樣點(diǎn)數(shù)不止八路，因此需要使用多個(gè)集成模擬開關(guān)進(jìn)行通到擴(kuò)展，以滿足要求。 圖 34 數(shù)據(jù)采集卡 12 圖 35 數(shù)據(jù)采集卡布局圖 第 4 章 虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì) 虛擬示波器是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生并逐步發(fā)展起來的一種具有存儲(chǔ)功能的新型儀器，主要用于觀察、分析和測(cè)量非重復(fù)信號(hào)、重復(fù)信號(hào)、單次信號(hào)、沖激信號(hào)等。正是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、量化采集和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的引入，使其對(duì)于各類簡(jiǎn)單信號(hào)、復(fù)雜信號(hào)、單次信號(hào)和周期信號(hào)波形 的測(cè)量、記錄、存儲(chǔ)、分析復(fù)現(xiàn)都非常有效，在各行各業(yè)中均有廣泛的應(yīng)用。一般測(cè)試儀器由信號(hào)采集、信號(hào)處理和結(jié)果顯示三大部分組成，這三部分均由硬件構(gòu)成。虛擬儀器也是由這三大部分組成，但是除了信號(hào)采集部分可以由硬件或者軟件實(shí)現(xiàn)之外，其它兩部分都是由軟件實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)這一思路，本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器主要功能是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行觸發(fā)、時(shí)基控制后，完成對(duì)輸入信號(hào)的電壓、頻率和周期等參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)，利用 FFT 窗口對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析，可以實(shí)現(xiàn)單、雙信道顯示波形，并可以對(duì)波形運(yùn)算后進(jìn)行輸出顯示。時(shí)基控制主要控制采集掃描數(shù)據(jù)的掃描 率、信道掃描次數(shù) (取樣數(shù) )。觸發(fā)控制包括觸發(fā)電平控制、觸發(fā)模式等 。信道控制主要控制單信道或雙信道測(cè)量 。其中，參數(shù)測(cè)量模塊包括電壓參數(shù)和頻率、周期等時(shí)間參數(shù)的測(cè)量并顯示測(cè)量結(jié)果。頻譜分析模塊采用 FFT算法，完成頻域信號(hào)分析。由于 LabVIEW 是基于模塊化程序設(shè)計(jì)思想，因此在開發(fā)過程中也是基本上遵循著這一基本思想，在總體方案確定后，根據(jù)所需的不同功能分別組建各種功能模塊，最后再集成和調(diào)試。根據(jù)虛擬示波器功能的需要，程序至少應(yīng)包含以下模塊 : (1) 數(shù)據(jù)采集 :主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，包括設(shè)備號(hào)、通道選擇控制、采樣 速率、采樣點(diǎn)數(shù)等，另外選擇采集的波形類型。 (2) 波形顯示 :對(duì)采集到的波形進(jìn)行觸發(fā)控制和時(shí)基控制后再顯示波形，可 13 以實(shí)現(xiàn)單信道顯示和雙信道顯示，以及對(duì)波形運(yùn)算后的輸出顯示，有 :A、 B、 A+B、A一 B、 Aamp。B、 XY、 Aamp。A 積分以及 Aamp。A 微分模式。 (3) 參數(shù)測(cè)量 :完成電壓參數(shù)、頻率和周期等參數(shù)的測(cè)量功能。 (4) 頻譜分析 :利用 FFT 窗口對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析。 (5) 結(jié)果整形、打印、保存模塊 :讀取已存在文件中的波形數(shù)據(jù)，并將當(dāng)前的波形參數(shù)寫到文檔中，打印波形。 系統(tǒng)總體流程圖 圖 41 系統(tǒng)總體流程圖 Labview 前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出值，用于模擬真實(shí)示波器的前面板。由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬示波器控制軟件的核心。設(shè)計(jì)前面板時(shí)，主要考慮界面美觀，操作簡(jiǎn)潔，用戶可以通過前面板中的開關(guān)和旋鈕模擬傳統(tǒng)儀器的操作，通過鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬示波器的控制。前面板上設(shè)有各個(gè)功能模塊按鈕，當(dāng)按下相應(yīng)按鈕時(shí)，即可調(diào)用該子程序。 本系統(tǒng)包括了 27個(gè)控件，其中輸入控件 12個(gè)，顯示控件 15 個(gè)。通過信號(hào)類型選擇器可以從信號(hào)發(fā)生器中選擇不同類型的波形，如正弦波形，方波波形，三角波波形，鋸齒波 形等。枚舉 1控制是輸入原信號(hào)還是輸入已經(jīng)存儲(chǔ)的波形信號(hào)。當(dāng)選擇原信號(hào)時(shí)，由虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生波形，此時(shí)通過對(duì)存儲(chǔ)開關(guān)的關(guān)與開，可以確定是否要記錄正在發(fā)生的波形。枚舉 2控制著系統(tǒng)的三個(gè)不同的功能模塊，即實(shí)時(shí)顯示，頻譜分析和參數(shù)測(cè)量模塊。通過在這個(gè)枚舉的三個(gè)選擇項(xiàng)之間切換，可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。顯示控件主要是對(duì)所測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行顯示，包括有波形的頻率，峰峰值，占空比等。而顯示屏則實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同信號(hào)的顯示，是用戶對(duì)系統(tǒng)結(jié)果最直觀的觀察方式。 14 圖 42 系統(tǒng)總體前面板 圖 43 系統(tǒng)總體程序框圖 利用濾波技術(shù)可以在被噪聲淹沒的信號(hào)中提取所需要的信號(hào)，抑制不需要的干擾信號(hào)。數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計(jì)算的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)離散化信號(hào)的處理，以減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)中所占的比例，從而改變信號(hào)的質(zhì)量，達(dá)到濾波或加工信號(hào)的目的。 LabVIEW 中列有各種數(shù)字濾波器，這些數(shù)字濾波器都可以直接調(diào)用而用考慮它的內(nèi)部設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用巴特沃思濾波器。該節(jié)點(diǎn)可設(shè)置參數(shù)是采樣頻率低通截止頻率、高通截止頻率、濾波器階數(shù)以及 4種濾波器類型 (低通、高通、帶通和帶阻 )的選擇。其中低通截止頻率的設(shè)置必須滿足采樣定理規(guī)則，截止頻率不能高于 采樣頻率的一半。濾波模塊的前面板如圖 15 圖 44 濾波器前面板 圖 45 濾波器程序框圖 波形存儲(chǔ)和回放模塊波形存儲(chǔ)功能主要適用于因特殊原因不能實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，或者是數(shù)據(jù)對(duì)以后的研究具有重要的參考價(jià)值的場(chǎng)合，我們?cè)趯?shí)際實(shí)驗(yàn)中，需要先把數(shù)據(jù)保存下來，日后再將原保存的數(shù)據(jù)文件讀取出來，此時(shí)讀出的數(shù)據(jù)就和實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)一樣，也能進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)測(cè)量，頻譜分析等。在本文用Labview 實(shí)現(xiàn)的虛擬示波器中，當(dāng)用軟件完成數(shù)據(jù)采集、處理等工作后，可以將采集到數(shù)據(jù)以及處理后的數(shù)據(jù)回放出來，以便繼續(xù)研究 。這樣的功能就依靠波形存儲(chǔ)回放顯示模塊來實(shí)現(xiàn)。我們之所以將它稱作為“模塊”，主要是因?yàn)樗谡麄€(gè)程序中舉足輕重，如果沒有它，開發(fā)出來的程序不能稱為“虛擬儀器”，只是一個(gè)“信號(hào)處理內(nèi)存”。 16 圖 46 存儲(chǔ)和回放模塊前面板 圖 47 a 存儲(chǔ)和回放模塊程序框圖 圖 47 b 存儲(chǔ)與回放模塊程序框圖 17 頻譜分析模塊采用快速傅立葉 FFT 算法，完成頻域信號(hào)分析，可以獲得對(duì)應(yīng)的頻譜圖。 Labview 提供了與信號(hào)分析有關(guān)的大量函數(shù)可以直接使用，在本文中采用 FFT PowersPectrum作為主要數(shù)據(jù)處理子 Vl進(jìn)行功率譜分析。 本文中可以實(shí)現(xiàn)的頻譜分析控制包括 : (1)窗口選擇 :提供多種頻譜分析窗口。 (2)單位選擇 :有多種單位如 vrms、 vpk、 vrlnS‘ 2 等供選擇。 (3)坐標(biāo)模式選擇 :Log/Linear 兩種坐標(biāo)顯示模式可以選擇。 根據(jù)用戶選擇的不同，該子模塊可以在幅值 (Magnitude)和相應(yīng) (Phase)之間進(jìn)行 轉(zhuǎn)換 ?？梢栽诓煌目v坐標(biāo)單位之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換 。還能夠根據(jù)用戶選用的分析功能的不同自動(dòng)顯示適當(dāng)?shù)臋M坐標(biāo)。 傅里葉變換是信號(hào)處理中最基本，最重要的變換之一，其本質(zhì)是建立了信 號(hào)的以時(shí)間為變量的時(shí)域分析與以頻率為變量的頻譜分析之間的映射關(guān)系。一些在時(shí)域中難以解決的問題在頻域中可以一目了然的觀察出來。 按照傅里葉級(jí)數(shù)的定義，凡是滿足狄利克雷條件的周期函數(shù)都能寫成傅里葉級(jí)數(shù)的形式，函數(shù)的周期為 T1，各次諧波成分的幅度值按以下各式計(jì)算： 直流分量 a0= dtTtt tfT ? ? 1001 )(1 （ 41） 余弦分量的幅度 an= dtTtt tntfT ? ? 100 11 )c os ()(2 ? （ 42） 正弦分量的幅度 bn= dtTtt tntfT ? ? 100 11 )s in ()(2 ? （ 43） 其中 n=1,2,.....。 以上為三角函數(shù)的形式，或者轉(zhuǎn)換成復(fù)指數(shù)形式： x(t)= ????tjmmeC ? （ 44） 使用計(jì)算機(jī)完成信號(hào)處理工作的需求導(dǎo)致了離散傅里葉變換的產(chǎn)生。計(jì)算機(jī)只能處理離散且有限長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，要用計(jì)算機(jī)完成頻譜分析和其它方面的工作，通常的處理方法是模擬信號(hào) x(t)進(jìn)入數(shù)字計(jì)算機(jī)前先經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)中的采樣器，將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間信號(hào)，成為采樣信號(hào)而后再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器在幅值上量化變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)。這樣，將出現(xiàn)一系列的問題。現(xiàn)將在頻域中分析其頻譜的變化。 (l) 信號(hào) XS(i)及其頻譜 XS(? ) 若連續(xù)時(shí)間信號(hào) x(t)被 數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)中的采樣器以等時(shí)間間隔 T采樣，則采樣時(shí)刻 0， T， ZT? .，所得信號(hào) x(t)的瞬時(shí)值，就構(gòu)成了連續(xù)信號(hào)的 x(t)的離散時(shí)間序列 xs(i)， (i==0， 1， 2，? )。采樣信號(hào)的頻譜在幅值上比信號(hào) x(t)的頻譜 X(? )幅值放大了 1/T 倍，并呈現(xiàn)周期性，周期為 s? ,即在頻率 ? 軸上， 18 每隔 ? S=2? /T，在 ? S， 2? S，?， m? s 處重復(fù)出現(xiàn) X(? )/T，在 m=o 處的譜線就是原信號(hào) x(t)的頻譜 X(? )(乘以 1/T，稱為主分量 ? =? /T 到 ? /T 為主周期。m多 1各處出現(xiàn)的譜線稱為高頻分量，將 ? s/2=? /T 稱為折迭頻率或奈奎斯特頻率。 (2) 采樣定理 信號(hào)采樣是把連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間序列的過程。這個(gè)過程相當(dāng)于在連續(xù)時(shí)間信號(hào)上“抽取”許多離散時(shí)刻 iT(i=0， 1， 2，? )上的信號(hào)瞬時(shí)值。其中T是采樣間隔，ω S=2π /T為采樣角頻率，它們的 取值是一個(gè)很重要的問題。 采樣定律 : 采樣頻率 ? S 與信號(hào)最高頻率分量 ? m，必須滿足關(guān)系ω S≥ 2ω m,當(dāng)ω m＜? /T 時(shí)，ω S=2π /T