【導讀】本設計為前放電路專用測試設備，前放電路是指對初始信號進行選擇，的測試是非常必要和有意義的。另外，作為模擬域和數字域的。橋梁，我還對模數轉換芯片的有效位數進行了測試。此測試項目可以抽象為：。測試信號發(fā)生，信號采集和送入計算機進行分析三個部分。行處理和分析，從而完成相關測試。噪比；在此基礎上由ADC有效位與SNR的關系算出模數轉換的有效位數。

　　

【正文】 100MS/s 2 路 輸入 NI PXI5142 14 位 100MS/s 2 路輸入 NI PXI5732 14 位 80MS/s 2 路輸入 NI PXI5751 14 位 50MS/s 16 路輸入 這個測試只需對信號的發(fā)生和最后輸出的信號兩路進行采集，而使用的AD 轉換器精度也只是 12 位 ，但是其信號頻率為 1MHz， 根據采樣定理，至少需要兩倍以上的采樣頻率， NI PXI5761 這個型號 數據采集卡分辨率為 14位，采樣率 250MS/s， 具有良好的采樣效果， 4 通道也夠用 ，而且具有很好的擴展性能 。 NI PXI5761 卡外觀 如圖 32 所示 ： 圖 32 NI PXI5761 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 21 相關參數如下： （ 1） 4 路同步采樣 14 位通道 （ 2） 500 MHz 帶寬和 250 MS/s 采樣率可將信號降采樣至第四 奈 奎斯特 (Nyquist)區(qū) （ 3） 8 條通用數字 I/O 通道 （ 4） 交流和直流耦合 （ 5） 需要 NI FlexRIO FPGA 模塊 167。 選型后基于 PXI 的前放電路測試儀器硬件實現(xiàn) 經過前面的分析，使用 NI 公司的 PXI5422 作為系統(tǒng)的測試用信號源，然后制作通用的前放電路的接口插座，使得盡 可能多的兼容各種前放電路，使測試信號可靠而方便地通過測試設備 ，然后再使用 NI 公司的 PXI5761 作為信號采集設備，同時采集通過前放電路前后的測試信號，送給計算機。計算機通過 LabVIEW 分析采集到的信號， 通過編程的方式 進行放大倍數、頻域特性（通頻帶）、通道信噪比等的測試 ，將測試結果早計算機屏幕上顯示出來，如果有必要可以加入打印功能 。 硬件 選型后 系統(tǒng) 如 圖 33 所示 ： 信 號 發(fā) 生 卡P X I 5 4 2 2信 號 采 集 卡P X I 5 7 6 1放 大 倍 數 測 試頻 域 ( 帶 寬 ) 測 試通 道 信 噪 比 測 試前 放 插 座顯 示 器操 作計 算 機 圖 33 系統(tǒng)原理圖 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 22 在此硬件實現(xiàn)中，由于采用了 NI 公司用于信號分析的專用板卡，使得測試系統(tǒng)變得非常容易實現(xiàn)，只需做一個合適的前放插座，然后用 電纜把這幾個部件連接起來就可以完善地進行前放電路的測試。 對于輸入計算機的數據，只需通過 LabVIEW 編程的方式即可實現(xiàn)相關的測試項目。 而且，此設備只需進行簡單的改裝，甚至不需改裝就可以用于其它設備的測試工作，區(qū)別只是軟件上的，使得完成相應的測試工作變得非常容易。 對于大量的測試工作，使用這種形式的硬件結構可以省下不少力氣， 如果整個測試項目，具體到每個硬件均由自己設計，那么從畫原理圖到 PCB 板設計和制作，再加上后期的測試，需要花費大量的精力，而且 對于硬件的各種干擾抑制和精度的設計尤其困難 ，稍有不慎，或者開始時 候的一點考慮不周便會前功盡棄一切從頭開始 。而使用像 NI 公司的一系列 專業(yè) 模塊化的 卡卻不會出現(xiàn)這種情況，它 可以很方便地組織起來一套行之有效的測試系統(tǒng)，而且在精度和系統(tǒng)穩(wěn)健性方面也是有足夠的余量 ，不用特別擔心這方面會出現(xiàn)問題，畢竟它們是通過專門的設計和檢驗通過后才批量生產的 。 由這樣的模塊來組建自己的設計系統(tǒng) 很適合于那些沒有太多硬件設計經驗的工程師，況且在這個分工越來越精細的社會里，每一部分都自己設計并不是特別明智和必要，充分利用別人的研究成果和技術來組建自己性能優(yōu)越的工程項目顯然成為一種有益的潮流。 就此前方電路的 專用測試設備的設計項目來說，由于使用了 NI 公司 PXI 平臺的一系列卡，使得一個普通本科生即可完成對前放電路精度達 12 位的測試工作，如果沒有這些設備，組建一個分辨率如此之高的系統(tǒng)是難以想象的。 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 23 第 4章 測試系統(tǒng)軟件設計 167。 虛擬儀器簡介 虛擬儀器（ virtual instrument）是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大， 目前已經出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。 虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數據采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎理論主要有計算機數據采集和數字信號處理。目前在這一領域內，使用較為廣泛的計算機語言是美國 NI 公司的 LabVIEW。 虛擬儀器的起源可以追溯到 20 世紀 70 年代，那時計算機測控系統(tǒng)在國防、航天等領域已經有了相當的發(fā)展。 PC 機出現(xiàn)以后，儀器級的計算機化成為可能，甚至在 Microsoft 公司的 Windows 誕生之前， NI 公司已經在Macintosh 計 算 機上 推出 了 以前 的版 本。 對虛 擬 儀器 和 LabVIEW 長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認的權威。目前 LabVIEW 的最新版本為 LabVIEW2020， LabVIEW 2020 為多線程功能添加了更多特性，這種特性在 1998 年的版本 5 中被初次引入。使用 LabVIEW 軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境，該環(huán)境由于其數據流編程特性、LabVIEW RealTime 工具對嵌入式平臺開發(fā)的多核支持，以及自上而下的 為多核而設計的軟件層次，是進行并行編程的首選。 普通的 PC 有一些不可避免的弱點。用它構建的虛擬儀器或計算機測試系統(tǒng)性能不可能太高。目前作為計算機化儀器的一個重要發(fā)展方向是制定了VXI 標準，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計算機屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標準的 VXI 機箱，再與河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 24 計算機相連，就組成了一個測試系統(tǒng)。 VXI 儀器價格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的 PXI 標準儀器。 與 C 和 BASIC 一 樣， LabVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務的龐大函數庫。 LabVIEW 的函數庫包括數據采集、 GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲，等等。 LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數據及其子程序（子 VI）的結果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調試。 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程 序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數據流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數據流向決定了 VI 及函數的執(zhí)行順序。 VI 指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。 LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱 G 代碼。 LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。 167。 總體思路 本次測試是基于軟件模擬的方式進行的，采 用低通濾波器加上白噪聲作為前放電路的模擬，作為被測試器件，其中低通濾波器模擬了前放電路的幅頻特性和相頻特性，而白噪聲模擬了前放電路的線路噪聲，為了使其具有一定的放大特性，又加入了數學乘法器，使得可以調節(jié)前放電 路的放大倍數。經后續(xù)的測試表明，此模擬與前放電路具有極好的逼真度 。 此次軟件環(huán)境為 LabVIEW 2020 SP1 (64bit)， 為了使此測試更易于管理和每個項目的測試方便，采用了項目工程的模式進行的 ，而且對于每一項都生成了可執(zhí)行程序，以方便于沒有安裝 LabVIEW 的機器可以使用這些測試項目，只是由 于是在 64 位系統(tǒng)下生成的，目前只支持 64 位平臺 ，對于 實際的開發(fā)平臺 根據 項目 應用環(huán)境 選擇即可 。 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 25 項目 工程截圖如 圖 41 所示 ： 圖 41 NI 項目工程總體圖 其中前五項為基本的測試單元， 分別為對前放電路放大倍數的測量，前放電路通頻帶的測試，以及頻域特性的測試，包括幅頻特性和相頻特性的測試，另外對前放電路信噪比也進行了測試，并且在其基礎上通過相應的公式算得模數轉換芯片的有效位數的測量。 最后一項僅僅作為對細節(jié)的中間調試方便而建立的， 也可以作為后續(xù)的完善而預留。 167。 放大倍數的測試 本 測試 模塊 使用的測試信號由信 號發(fā)生器產生標準的正弦信號 ，用于模擬 NI PXI5422 函數波形 發(fā)生卡 ，可以調節(jié)其頻率，對于幅度和相位并不 重要，使用默認值即可，即幅度為 1，相位為 0。再經一個可以調節(jié)的數學乘法器送入低通濾波器 （這里使用巴特沃思低通濾波器）與噪聲信號混合 ，因其頻域特性更接近前放電路。然后對輸出和輸入信號取峰峰值，進行數學相除，得到放大倍數的測量結果。 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 26 前面板如圖 42 所示 ： 圖 42 放大倍數測試圖 本次測試 中曾嘗試使用 1MHz 的正弦信號作為測試信號，低通濾波器的截止頻率為 500kHz，盡管計算結果和預置的值具有良好的 相符性，可是在前面版 上 的波形顯示效果并不是非常好， 出像了嚴重的重疊，經過分析排除了出錯的可能性，是由于顯示的采樣率和信號頻率不匹配引起的，即使偶爾相匹配，只要重新調節(jié)信號頻率，波形又會出現(xiàn)重疊，可讀性降低。所以最后使用的是 100Hz 的信號源， 50Hz 截至頻率， 這樣在信號從 0Hz 到 100Hz 的調節(jié)過程中沒有出現(xiàn)圖像重疊現(xiàn)象，盡管與真實的波形在頻率上有一定的出入，但是考慮到為了更好的圖像可讀性，采用了這種折中的方式。此面板顯示為其正常放大區(qū)的數據，從圖中除了 可以看到前放電路的放大倍數 ，以及噪聲波形外，還可以從波 形圖中看出，放大后的波形 與 放大前 相比 ，有一定的相位延遲，這與理論相符合， 167。 帶寬的測試 此測試組塊采用的是和放大倍數測試相似的信號發(fā)生單元產生標準的正弦信號，送給巴特沃思低通濾波器 加上白噪聲模擬的前放電路 ，為了求其幅頻特性從而根據帶寬的定義式得出其信號衰減 3dB 時候的頻率。 先對濾波河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 27 器輸出信號進行 FFT 變換，得到其頻域特性的幅頻關系，從而得到前放電路的帶寬特性。 為了使測試結果更容易讀取，采用的是放大倍數歸一化處理，這樣下來， 20log10（ Vo/Vi） =0,從而幅頻特性圖從零開始，而縱軸截取 3dB的范圍， 這樣圖線與 x 軸的交點即為前放電路的截止頻率。 前面板如 圖 43 所示 ： 圖 43 通頻帶測試圖 與前一模塊不同的是，此次 不必顯示其時域波形，對頻域的分析 使用的是 1MHz 的信號范圍，圖中所示為其幅頻特性，圖線與 X 軸的交點 ，即前放電路的截至頻率，從圖中可以清楚的看出此 前放電路的截至頻率為 130kHz，從而得出其帶寬為： B=FsFo=130kHz0Hz=130kHz 167。 頻域特性的測試 本測試模塊使用了前一模塊相似的程序結構，先是利用信號發(fā)生模塊產生用于測試使用的正弦信號，經過濾波和 FFT 變換，轉到頻域， 并在 基礎上增加了對 頻域信號的相頻特性的顯示。 與前一個測試不同的是，這個測試組塊使用的是比前一測試更大范圍的標尺，可以更好地表現(xiàn)全局范圍內測試信號通過前放電路的幅值和頻率的關系，以及相位和頻率的關系，只是為了使顯示的數據更易于分析，同樣 使 放大倍數歸一化。 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 28 前面板如圖 44 所示 ： 圖 44 幅頻特性和相頻特性圖 此次測試信號帶寬使用的是 1MHz 帶寬 ，由于使用的是 IIR 型的巴特沃思低通 濾波器模擬的，并沒有嚴格的線性相位 。從上圖的幅頻特性上可以看出，在低頻區(qū) ，即信號頻率小于 100kHz 時 ，前放電路有良好的 放大性能，可以幾乎無失真地傳遞信號，而其相頻特性也具有近似的線性特點，由于這個模擬主要考慮的是幅頻特性，所以此圖中的相頻特性僅作參考。而對于中高頻段，其傳輸特性變差，信號幅度被嚴重衰減，相頻特性也出現(xiàn)非線性，從而使輸入信號被嚴重的畸形化，從輸出信號中恢復原始信號 的時間信息 變得困難，事實上，此時前放電路已經不能勝任其功能特性了。 167。 基于功率譜的信噪比測定 此 測試組塊使用的是快速 VI 建立一個正弦信號，然后增加噪聲，送給信號處理快速 VI 從而抽出功率譜，顯示在前面板中。 而對于信噪比的測量則使用了 MATLAB 進行運 算， 當然也可以將 MATLAB 代碼以腳本的形式插入 LabVIEW 中，只是在本測試中插入代碼后程序運行總是出現(xiàn)崩潰，可能是由于此版本的軟件有缺陷，使其不能完成相應的兼容運行。而在 MATLAB