【正文】 正逐漸改變著電子技術(shù)教學的傳統(tǒng)模式，這也是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展 的必然。在電工電子實驗室的建設中，實驗室常規(guī)設備有的已經(jīng)老化，有的技術(shù)上有些落后，在當前學校經(jīng)費較少的情況下，如果配置常規(guī)儀器、儀表，學校財力難以支付，也不符合目前學校的實際。而且，隨著測試儀器的數(shù)字化、計算機化的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)測試儀器漸漸有被取代的趨勢。如果運用虛擬儀器技術(shù)，以微機為基礎，構(gòu)建集成化測試平臺，代替常規(guī)儀器、儀表，不但滿足電工電子實驗教學的需要，而且將這批微機可作為其他有關(guān)計算機課程教學用機，大大提高了設備利用率，降低了實驗室建設的成本 [16]。當前應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，成為測量、分析、控制、自動化儀表的核心。浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 第 3 章 3 系統(tǒng)設計的硬件平臺 PC 機 虛擬儀器就是用通用計算機強大的數(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)在隨著個人電腦的快速發(fā)展， 個人電腦在許多科技領(lǐng)域的廣泛應用使其為測量儀器的執(zhí)行搭建了一個理想的硬件和軟件平臺，通過增加一個簡單的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，個人計算機可以仿真任何儀器 [17]。不同的儀器只要對該軟件重新編程 就可以在同一硬件中實現(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，首先必須對數(shù)據(jù)采集卡的性能指標有所了解。 數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標 1）采樣頻率 采樣頻率的高低，決定了在一定時間內(nèi)獲取原始信號信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號，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的兩倍，但實際中，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 輪流使用同一個放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器，要比每個通道單獨使用各自的經(jīng)濟的多，但這僅適用于對時間不是很重要的場合。如果采樣系統(tǒng)對時間要求嚴格，則必須同時采集，這就需要每個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)。將各路信號輪流切換至放大器的輸入端，實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。 2）放大器。將切換進入采集卡的信號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。將模擬的輸入信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，完成信號幅值的量化。 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 個可編程輸入范圍 (177。 V— 177。10 V) ；數(shù)字觸發(fā)； 2 個計數(shù)器 /定時器。 NI USB6211 為移動應用或空間上有限制的應用專門設計。其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設置時間，同時它能直接與螺絲端子相連，從而削減了成本并簡化了信號的連接。 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)動程序和測量 服務軟件提供了簡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)時間。 基于以上原因，本設計采用了 USB6211 數(shù)據(jù)采集卡。 圖 數(shù)據(jù)采集卡 USB6211 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 第 4 章 4 系統(tǒng)總體的設計及實現(xiàn) 系統(tǒng)框架和設計流程 程序框圖的設計流程 用 LABVIEW 設計虛擬信號發(fā)生器 的主要步驟是在設計程序框圖上，圖 是設計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 程序框圖的設計流程 系統(tǒng)設計 設計信號發(fā)生器的主要任務是設計程序框圖和前面板，在設計這兩部分中若沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)類型不匹配、控件的屬性設置等問題，再跟硬件連接，看是否可以產(chǎn)生各種信號，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)有信號發(fā)生器更寬泛的信號范圍。 15 系統(tǒng)具體應用程序 按系統(tǒng)的總體要求，可以分為兩部分來設計，一個是基本波形的系統(tǒng)設計，如正弦 波，方波，三角波和鋸齒波，另一個是基于數(shù)字脈沖的 PWM 波設計。 程序框圖的具體設計步驟 利用 LABVIEW 設計一個系統(tǒng)，其中的主要部分是程序框圖的設計，以下就是程序框圖設計的基本過程。 1）創(chuàng)建虛擬通道，可以根據(jù)輸出的波形的類型來設置物理通道的性質(zhì)，并可以設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）設置基本波形的緩沖區(qū)和采樣時鐘，緩沖區(qū)中則可以對信號的頻率、幅值、采樣值、波形類 型等進行設置，采樣時鐘設為模擬。本設計中的 PWM 波是基于計數(shù)器產(chǎn)生的，采樣時鐘則是設置成計數(shù)器（隱式）。時鐘采樣方式均設置為連續(xù)采樣。圖 是基本信號的時鐘，圖 則是 PWM 波的時鐘。 16 圖 基本波形信號時鐘 圖 PWM 波信號時鐘 3）基本信號發(fā)生器需要先設置模擬信號的通道數(shù)及采樣數(shù)，然后運行， PWM 波則是則是在設置好波形參數(shù)和時鐘后可以直接運行。 圖 基本信號波形運行 圖 PWM 波運行 17 4）運行后，需要不斷循環(huán)該程序，則在兩個程序后都添加循環(huán)程序，并可以根據(jù)用戶 的需求隨時按下停止按鈕。在程序停止后，添上任務清除控件，若有錯誤產(chǎn)生，則在最后加上可以提示錯誤的錯誤對話框。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)動程序，所以本設計是直接使用 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、預設頻率、幅值、波形類型的設置。具體程序見圖 。 圖 基本信號發(fā)生器程序 該程序運行時的具體步驟如下： 1）先 創(chuàng)建一個模擬輸出的電壓任務。 2） 以波形緩沖區(qū)的采樣速率為基礎來設定采樣時鐘速率，采樣模式設置為連續(xù)采樣模式。 3） 給輸出緩沖區(qū)編寫波形。 18 4） 開始運行任務。 5） 不斷循環(huán)，直到用戶按下停止按鈕，每 100 毫秒查核錯誤，看任務是否完成。 6） 調(diào)用清除任務來清除任務，若出現(xiàn)錯誤，則使用彈出對話框顯示錯誤或警告。 在設計好程序之后，圖 是基本信號發(fā)生器程序所對應的前面板，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 基本信號發(fā)生器前面板 PWM波信號發(fā)生器 脈寬調(diào)制 (PWM)信號可以使用計數(shù)器或數(shù)字 I/O 輸出等數(shù)字信號來產(chǎn)生，或者也可以利用任意波形發(fā)生器或 RF 信號發(fā)生器之類的模擬信號來產(chǎn)生。 NI 很多的多功能數(shù)據(jù)采集 (DAQ)設備都可以用來產(chǎn)生脈寬調(diào)制 (PWM)信號。該設計的 PWM 波是基于USB6211 的計數(shù)器來設計的。圖 是 PWM 波信號發(fā)生程序。 圖 PWM 波信號發(fā)生程序 19 該程序運行時的具體步驟如下： 1）先創(chuàng)建一個計數(shù)器的輸出通道，在一個頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生脈沖。如果脈沖空閑狀態(tài)設置為低信號，則生成的第一個轉(zhuǎn)換是從低電平到高電平。 2）使用 DAQmx 的定時（隱式）來配置的脈沖產(chǎn)生的時間。 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 毫秒查核錯誤，看任務是否完成。 5）調(diào)用清除任務來清除任務，若有錯誤出現(xiàn)，使用彈出對話框顯示錯誤或警告。 該程序所對應的前面板如圖 所示，顯示了 PWM 的基本參數(shù)，可以很方便地修改波形的計數(shù)器通道、頻率、占空比等波形輸出條件。 圖 PWM 波信號發(fā)生前面板 硬件連接調(diào)試 在分別完成基本信號發(fā)生器和 PWM 波信號發(fā)生器的前面板和程序框圖后，需要與硬件連接，設置物理通道，然后運行，看是否可以輸出符合實驗要求的波形。 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，按照實驗要求選擇合適的物理通道和合適的波形參數(shù)，開始運行，并用示波器采集信號，觀察是否有信號被采集到。 在數(shù)字示波器采集到正確的波形后，說明該系統(tǒng)的設計是正確的。 整體程序的具體實現(xiàn) 在設計完兩部分程序后，因為兩個程序中所 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程序框圖中，通過條件語句的真假轉(zhuǎn)換按鈕來分別運行兩個程序，也可以更方便地進行程序修改。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行前面板的設計，波形圖能非常清楚而且實時顯示虛擬信號發(fā)生器所產(chǎn)生的波形信號，所以將以上兩個程序的前面板組合在一起，并填充上顏色，使其更接近一個真實信號發(fā)生器的操作面板。圖 的 前面板就 是由 兩個程序 的前面板所組合成的。 21 圖 總程序前面板 結(jié) 論 本設計在研究虛擬儀器技術(shù)、 DAQ 應用技術(shù)的基礎上，使用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)了信號發(fā)生器。前面板應提供良好的人機交互界面，可以實現(xiàn)實驗室里幾種常見的信號波形。 本設計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。但是對硬件的了解也是必需要做的工作，特別是對 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)實際情況選擇合適的參數(shù)。 與現(xiàn)有的信號發(fā)生器相比，該信號發(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 身對于采樣頻率的限制，并沒有在原來的基礎上提高有所提高。在輸出基本波形時如果需要增波形的頻率，則需要減小波形的采樣頻率，否則會由于硬件的溢出問題而不能運行，但是減小采樣頻率容易讓波形產(chǎn)生失真。 如果在這個設計上進一步研究信號發(fā)生器，在波形的類型上應該有更多的變化，更迅速的響應時間，更準確的調(diào)節(jié)過程。對于信號波形的參數(shù)，如頻率 、 幅值 、 相位 、占空比等的設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。 通過本設計，深刻地認識到了虛擬儀器技術(shù)是當代儀器發(fā)展的重要 發(fā)展方向。虛擬儀器也以嶄新的模式和強大的功能深入人心，伴隨計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展虛擬儀器必將拓展到各個領(lǐng)域，引起儀器的深層次變革。 參考文獻 [1] 周大鵬，常峰，何光普 .基于虛擬儀器的函數(shù)信號發(fā)生器設計 [J].樂山師范學院學報， 2021，24（ 5）： 3435. 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