【正文】 正逐漸改變著電子技術(shù)教學(xué)的傳統(tǒng)模式，這也是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展 的必然。在電工電子實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中，實(shí)驗(yàn)室常規(guī)設(shè)備有的已經(jīng)老化，有的技術(shù)上有些落后，在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費(fèi)較少的情況下，如果配置常規(guī)儀器、儀表，學(xué)校財(cái)力難以支付，也不符合目前學(xué)校的實(shí)際。而且，隨著測(cè)試儀器的數(shù)字化、計(jì)算機(jī)化的發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)測(cè)試儀器漸漸有被取代的趨勢(shì)。如果運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，以微機(jī)為基礎(chǔ)，構(gòu)建集成化測(cè)試平臺(tái)，代替常規(guī)儀器、儀表，不但滿足電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，而且將這批微機(jī)可作為其他有關(guān)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)用機(jī)，大大提高了設(shè)備利用率，降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成本 [16]。當(dāng)前應(yīng)該解決的是如何使虛擬儀器和現(xiàn)有儀器配合， 挖掘現(xiàn)有儀器的潛力，達(dá)到逐步淘汰和取代傳統(tǒng)儀器的目的。 總之，虛擬儀器有很廣闊的發(fā)展空間，并最終要取代大量的傳統(tǒng)儀器成為儀器領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，成為測(cè)量、分析、控制、自動(dòng)化儀表的核心。浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái) PC 機(jī) 虛擬儀器就是用通用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力代替以往需要硬件電路才能完成的功能，所以現(xiàn)在隨著個(gè)人電腦的快速發(fā)展， 個(gè)人電腦在許多科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用使其為測(cè)量?jī)x器的執(zhí)行搭建了一個(gè)理想的硬件和軟件平臺(tái)，通過增加一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，個(gè)人計(jì)算機(jī)可以仿真任何儀器 [17]。不同的儀器只要對(duì)該軟件重新編程 就可以在同一硬件中實(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)采集卡的選擇 數(shù)據(jù)采集板卡的性能與眾多因素相關(guān)，要根據(jù)具體情況來具體分析 [18]。所以在選擇數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)，首先必須對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)有所了解。 數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo) 1）采樣頻率 采樣頻率的高低，決定了在一定時(shí)間內(nèi)獲取原始信號(hào)信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號(hào)，不產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。根據(jù)奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號(hào)的兩倍，但實(shí)際中，一般都需要 5～ 10 倍。 2）采樣方法 采集卡通常都有好幾個(gè)數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都 輪流使用同一個(gè)放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器，要比每個(gè)通道單獨(dú)使用各自的經(jīng)濟(jì)的多，但這僅適用于對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。如果采樣系統(tǒng)對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必須同時(shí)采集，這就需要每個(gè)通道都有自己的放大和 A/D 轉(zhuǎn)換器。但是處于成本的考慮，現(xiàn)在普遍流行的是各個(gè)數(shù)據(jù)通道公用一套放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器。 3）分辨率 ADC 的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。 4）電壓動(dòng)態(tài)范圍 電壓范圍指 ADC 能掃描到的最高和最低電壓。一般最好能夠使進(jìn)入采集卡的電壓范圍剛好與其符合，以便利用其可靠的分辨率范圍。 5） I/O 通道數(shù) 該參數(shù)表明 了數(shù)據(jù)采集卡所能夠采集的最多的信號(hào)路數(shù)。 13 數(shù)據(jù)采集卡的組成 1）多路開關(guān)。將各路信號(hào)輪流切換至放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多路信號(hào)的分時(shí)采集。 2）放大器。將切換進(jìn)入采集卡的信號(hào)放大至需要的量程內(nèi)。通常的放大器都是增益可調(diào)的，使用者可根據(jù)需要來選擇不同的增益倍數(shù)。 3）采樣保持器。把采集到的信號(hào)瞬間值保持在 A/D 轉(zhuǎn)換的過程中不變化。 4） A/D 轉(zhuǎn)換器。將模擬的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，完成信號(hào)幅值的量化。 USB6211 USB6211 是 NI 公司的一款多功能數(shù)據(jù)采集卡，是一款 USB 總 線供電 M 系列多功能 DAQ 模塊，在高采樣率下也能保持高精度。該模塊提供了 16 路模擬輸入；250 kS/s 單通道采樣率； 2 路模擬輸出； 8 路數(shù)字輸入線； 8 路數(shù)字輸出線；每通道有4 個(gè)可編程輸入范圍 (177。 V— 177。10 V) ；數(shù)字觸發(fā)； 2 個(gè)計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器。 NI USB6211 為移動(dòng)應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用專門設(shè)計(jì)。其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設(shè)置時(shí)間，同時(shí)它能直接與螺絲端子相連，從而削減了成本并簡(jiǎn)化了信號(hào)的連接。 USB 總線可以供電，使用戶不再需要攜帶多余的外部電源。 NIDAQmx 驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)量 服務(wù)軟件提供了簡(jiǎn)單易用的配置和編程界面，其中 DAQ Assistant 等功能可幫助用戶縮短開發(fā)時(shí)間。 基于以上原因，本設(shè)計(jì)采用了 USB6211 數(shù)據(jù)采集卡。 圖 數(shù)據(jù)采集卡 USB6211 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 章 4 系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)框架和設(shè)計(jì)流程 程序框圖的設(shè)計(jì)流程 用 LABVIEW 設(shè)計(jì)虛擬信號(hào)發(fā)生器 的主要步驟是在設(shè)計(jì)程序框圖上，圖 是設(shè)計(jì)程序框圖的主要流程。 創(chuàng) 建 通 道選 擇 連 續(xù) 采樣指 定 采 樣 率指 定 采 樣 數(shù)寫 入 采 樣開 始等 待 生 成 所有 采 樣停 止清 除 圖 程序框圖的設(shè)計(jì)流程 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)程序框圖和前面板，在設(shè)計(jì)這兩部分中若沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)類型不匹配、控件的屬性設(shè)置等問題，再跟硬件連接，看是否可以產(chǎn)生各種信號(hào)，并且能被數(shù)字示波器采集到，并在硬件允許的范圍內(nèi)體現(xiàn)比現(xiàn)有信號(hào)發(fā)生器更寬泛的信號(hào)范圍。 15 系統(tǒng)具體應(yīng)用程序 按系統(tǒng)的總體要求，可以分為兩部分來設(shè)計(jì)，一個(gè)是基本波形的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如正弦 波，方波，三角波和鋸齒波，另一個(gè)是基于數(shù)字脈沖的 PWM 波設(shè)計(jì)。 程序框圖的具體設(shè)計(jì)步驟 利用 LABVIEW 設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，其中的主要部分是程序框圖的設(shè)計(jì)，以下就是程序框圖設(shè)計(jì)的基本過程。 1）創(chuàng)建虛擬通道，可以根據(jù)輸出的波形的類型來設(shè)置物理通道的性質(zhì)，并可以設(shè)置波形的一些基本參數(shù)。圖 是輸出基本波形的通道，圖 是輸出 PWM 波的通道。 圖 基本波形虛擬通道 圖 PWM 波虛擬通道 2）設(shè)置基本波形的緩沖區(qū)和采樣時(shí)鐘，緩沖區(qū)中則可以對(duì)信號(hào)的頻率、幅值、采樣值、波形類 型等進(jìn)行設(shè)置，采樣時(shí)鐘設(shè)為模擬。本設(shè)計(jì)中的 PWM 波是基于計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的，采樣時(shí)鐘則是設(shè)置成計(jì)數(shù)器（隱式）。時(shí)鐘采樣方式均設(shè)置為連續(xù)采樣。圖 是基本信號(hào)的時(shí)鐘，圖 則是 PWM 波的時(shí)鐘。 16 圖 基本波形信號(hào)時(shí)鐘 圖 PWM 波信號(hào)時(shí)鐘 3）基本信號(hào)發(fā)生器需要先設(shè)置模擬信號(hào)的通道數(shù)及采樣數(shù)，然后運(yùn)行， PWM 波則是則是在設(shè)置好波形參數(shù)和時(shí)鐘后可以直接運(yùn)行。 圖 基本信號(hào)波形運(yùn)行 圖 PWM 波運(yùn)行 17 4）運(yùn)行后，需要不斷循環(huán)該程序，則在兩個(gè)程序后都添加循環(huán)程序，并可以根據(jù)用戶 的需求隨時(shí)按下停止按鈕。在程序停止后，添上任務(wù)清除控件，若有錯(cuò)誤產(chǎn)生，則在最后加上可以提示錯(cuò)誤的錯(cuò)誤對(duì)話框。具體程序如圖 所示。 圖 循環(huán)及清除程序 基本波形信號(hào)發(fā)生器 系統(tǒng)采用的是 USB6211 采集卡，由于該卡支持 DAQmx 驅(qū)動(dòng)程序，所以本設(shè)計(jì)是直接使用 DAQmxData Acquisition 開發(fā)的。在這部分中，主要是采集參數(shù)的設(shè)置，其中包括物理通道的選擇，采樣模式、采樣率、每通道采樣數(shù)、每緩沖的循環(huán)次數(shù)的配置，采樣最大最小值、預(yù)設(shè)頻率、幅值、波形類型的設(shè)置。具體程序見圖 。 圖 基本信號(hào)發(fā)生器程序 該程序運(yùn)行時(shí)的具體步驟如下： 1）先 創(chuàng)建一個(gè)模擬輸出的電壓任務(wù)。 2） 以波形緩沖區(qū)的采樣速率為基礎(chǔ)來設(shè)定采樣時(shí)鐘速率，采樣模式設(shè)置為連續(xù)采樣模式。 3） 給輸出緩沖區(qū)編寫波形。 18 4） 開始運(yùn)行任務(wù)。 5） 不斷循環(huán)，直到用戶按下停止按鈕，每 100 毫秒查核錯(cuò)誤，看任務(wù)是否完成。 6） 調(diào)用清除任務(wù)來清除任務(wù)，若出現(xiàn)錯(cuò)誤，則使用彈出對(duì)話框顯示錯(cuò)誤或警告。 在設(shè)計(jì)好程序之后，圖 是基本信號(hào)發(fā)生器程序所對(duì)應(yīng)的前面板，分別顯示了波形參數(shù)，采樣參數(shù)，物理通道參數(shù)和輸出波形等控件， 可以很方便地進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，物理通道修改和觀察輸出波形是否出現(xiàn)失真或噪聲。 圖 基本信號(hào)發(fā)生器前面板 PWM波信號(hào)發(fā)生器 脈寬調(diào)制 (PWM)信號(hào)可以使用計(jì)數(shù)器或數(shù)字 I/O 輸出等數(shù)字信號(hào)來產(chǎn)生，或者也可以利用任意波形發(fā)生器或 RF 信號(hào)發(fā)生器之類的模擬信號(hào)來產(chǎn)生。 NI 很多的多功能數(shù)據(jù)采集 (DAQ)設(shè)備都可以用來產(chǎn)生脈寬調(diào)制 (PWM)信號(hào)。該設(shè)計(jì)的 PWM 波是基于USB6211 的計(jì)數(shù)器來設(shè)計(jì)的。圖 是 PWM 波信號(hào)發(fā)生程序。 圖 PWM 波信號(hào)發(fā)生程序 19 該程序運(yùn)行時(shí)的具體步驟如下： 1）先創(chuàng)建一個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出通道，在一個(gè)頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生脈沖。如果脈沖空閑狀態(tài)設(shè)置為低信號(hào)，則生成的第一個(gè)轉(zhuǎn)換是從低電平到高電平。 2）使用 DAQmx 的定時(shí)（隱式）來配置的脈沖產(chǎn)生的時(shí)間。 3）調(diào)用 Start，并開始產(chǎn)生脈沖序列。 4）不斷循環(huán)，直到用戶按下停止按鈕，每 100 毫秒查核錯(cuò)誤，看任務(wù)是否完成。 5）調(diào)用清除任務(wù)來清除任務(wù)，若有錯(cuò)誤出現(xiàn)，使用彈出對(duì)話框顯示錯(cuò)誤或警告。 該程序所對(duì)應(yīng)的前面板如圖 所示，顯示了 PWM 的基本參數(shù)，可以很方便地修改波形的計(jì)數(shù)器通道、頻率、占空比等波形輸出條件。 圖 PWM 波信號(hào)發(fā)生前面板 硬件連接調(diào)試 在分別完成基本信號(hào)發(fā)生器和 PWM 波信號(hào)發(fā)生器的前面板和程序框圖后，需要與硬件連接，設(shè)置物理通道，然后運(yùn)行，看是否可以輸出符合實(shí)驗(yàn)要求的波形。 連接數(shù)據(jù)采集卡 USB6211 到電腦上，在系統(tǒng)提示可以使用后，打開 LABVIEW程序，按照實(shí)驗(yàn)要求選擇合適的物理通道和合適的波形參數(shù)，開始運(yùn)行，并用示波器采集信號(hào)，觀察是否有信號(hào)被采集到。 在數(shù)字示波器采集到正確的波形后，說明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是正確的。 整體程序的具體實(shí)現(xiàn) 在設(shè)計(jì)完兩部分程序后，因?yàn)閮蓚€(gè)程序中所 涉及的物理通道不同，所以需要用條件結(jié)構(gòu)將它們組合在同一個(gè)程序框圖中，通過條件語句的真假轉(zhuǎn)換按鈕來分別運(yùn)行兩個(gè)程序，也可以更方便地進(jìn)行程序修改。圖 、圖 是分別是組合后的程序框圖。 20 圖 總程序框圖 —— 基本波形 圖 總程序框圖 —— PWM 波形 LABVIEW 提供了非常豐富的圖形界面來進(jìn)行前面板的設(shè)計(jì)，波形圖能非常清楚而且實(shí)時(shí)顯示虛擬信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的波形信號(hào)，所以將以上兩個(gè)程序的前面板組合在一起，并填充上顏色，使其更接近一個(gè)真實(shí)信號(hào)發(fā)生器的操作面板。圖 的 前面板就 是由 兩個(gè)程序 的前面板所組合成的。 21 圖 總程序前面板 結(jié) 論 本設(shè)計(jì)在研究虛擬儀器技術(shù)、 DAQ 應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，使用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)生器。前面板應(yīng)提供良好的人機(jī)交互界面，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室里幾種常見的信號(hào)波形。 本設(shè)計(jì)大部分工作是程序的編寫，所涉及的硬件部分都是現(xiàn)成的。但是對(duì)硬件的了解也是必需要做的工作，特別是對(duì) USB6211 采集卡的了解，其中包括采集率，采集通道，采樣方式等，然后根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的參數(shù)。 與現(xiàn)有的信號(hào)發(fā)生器相比，該信號(hào)發(fā)生器的輸出波形類型沒有很大的改變，而且波形的頻率由于硬件板卡本 身對(duì)于采樣頻率的限制，并沒有在原來的基礎(chǔ)上提高有所提高。在輸出基本波形時(shí)如果需要增波形的頻率，則需要減小波形的采樣頻率，否則會(huì)由于硬件的溢出問題而不能運(yùn)行，但是減小采樣頻率容易讓波形產(chǎn)生失真。 如果在這個(gè)設(shè)計(jì)上進(jìn)一步研究信號(hào)發(fā)生器，在波形的類型上應(yīng)該有更多的變化，更迅速的響應(yīng)時(shí)間，更準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)過程。對(duì)于信號(hào)波形的參數(shù)，如頻率 、 幅值 、 相位 、占空比等的設(shè)定有更好更精確的方式，而且在波形失真和噪聲方面有更好的解決方法。在面板美化方面也可以做得更好更漂亮。 通過本設(shè)計(jì)，深刻地認(rèn)識(shí)到了虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)代儀器發(fā)展的重要 發(fā)展方向。虛擬儀器也以嶄新的模式和強(qiáng)大的功能深入人心，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展虛擬儀器必將拓展到各個(gè)領(lǐng)域，引起儀器的深層次變革。 參考文獻(xiàn) [1] 周大鵬，常峰，何光普 .基于虛擬儀器的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) [J].樂山師范學(xué)院學(xué)報(bào)， 2021，24（ 5）： 3435. 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