【導(dǎo)讀】-1-. 中文5650字。附錄。BasedonLabVIEW. Ⅰ.INTRODUCTION. facilityandsoon.附錄。-2-. someways.Inthereal-timewaveformdispl

　　

【正文】 時保持波形 的 零點位置不變。 設(shè) 置 一個幅值數(shù)組，用于存儲每次調(diào)整后的波形幅值大小。這樣，每當選擇某一條波形時，先將其上一次調(diào)整的幅值數(shù)據(jù)賦給幅值調(diào)整按鈕，在調(diào)整完畢后， 用 新調(diào)整的值覆蓋相應(yīng)的數(shù)組元 素。這樣，即完成了波形幅值調(diào)整的功能。 C：時基調(diào)整 時基調(diào)整是示波器中最基本的功能之一。時基調(diào)整按鈕的數(shù)值表示屏幕網(wǎng)格每一小格所代表的時間。這是示波器設(shè)計過程的難點。 附 錄 12 1） 基本思路 根據(jù) Graph 示波器的特點， 要 將一次輸入的所有波形數(shù)據(jù)點全部顯示出來。故將屏幕 X 軸分成10 格，設(shè)每格所表示的時間為 t，如果波形能夠橫跨整個 X 軸，則采集該段波形所需的時間為 10t。再設(shè)板卡采樣頻率為 f，即 1s 內(nèi)采 f 個數(shù)據(jù)點。因此，所需要波形數(shù)據(jù)點個數(shù) N 應(yīng)為： N= fl0t =l0ft （ 1） 保持 數(shù)據(jù)采集板卡以頻率 f 采集，程序在每一次循環(huán)內(nèi)讀取板卡內(nèi)存的 N 個數(shù)據(jù)并放入示波器中顯示。改變 t 的值即改變每次讀取的 N 的個數(shù)，從而做到實時采集過程中時基的調(diào)整。 但是，經(jīng)過實驗我們可以發(fā)現(xiàn)，當時基太長 (100ms)或太短 (500μs)時，顯示的波形會有不同程度的延時。這是因為當時基太大時 （如所需要的波形長度超過 1 秒） ，則必須等板卡采集足夠的時間后才能將數(shù)據(jù)全部取出，一次性地在屏幕上顯示出來，就會造成屏幕上顯示的波形不連續(xù)。而當時基太小，由于每次循環(huán)讀取的 N值太小， 1s鐘的數(shù)據(jù)要經(jīng)過多次循環(huán)才能取完， 加上程序其它部分的一些處理，每次取數(shù)不及時，造成了顯示的延時。同時，由于板卡的內(nèi)存有限，取數(shù)的速度小于采集的速度，從而造成舊數(shù)據(jù)來不及取出而被新數(shù)據(jù)覆蓋，板卡內(nèi)存溢出的情況。因此，有必要對長 時基和 短 時基的情況分別處理。 2） 長時基 對于長時基，為了避免上述波形延時的情況，必須減少每次循環(huán)所讀取數(shù)據(jù)點的個數(shù)，同時考慮到 Graph 示波器的顯示特點，不能將每次讀取的點分別輸入示波器，這樣會讓示波器不斷刷新，使波形不能顯示滿屏?？梢钥紤]建立一個波形數(shù)組，用于存儲所要顯示的波形數(shù)據(jù)。數(shù)組的容量為N， N 為顯示滿屏波形所需要 的數(shù)據(jù)點的個數(shù)。設(shè)每次讀取板卡數(shù)據(jù)的個數(shù)為固定值 m， m 為合適時基所對應(yīng)的讀取點的個數(shù)。 整個顯示過程分兩步。先將數(shù)組初值置為空。在顯示初期，數(shù)組未滿，每次循環(huán)將新取得的數(shù)據(jù)加入數(shù)組末尾 (入隊 )，并將整個數(shù)組的數(shù)據(jù)一起輸入示波器顯示。這時在屏幕上可以看到顯示的是一條不斷往前運動的波形。當數(shù)組滿時，將數(shù)組開頭 m 個數(shù)據(jù)去掉，把后面的數(shù)據(jù)往前移動 m個位置，再將新取得的 m 個數(shù)據(jù)放至數(shù)組末尾。我們把這個過程叫做 FIFO 過程。這時，屏幕上所看到的是一條完整的波形如圖 3 所示。 由于每次從板卡中讀取的數(shù)據(jù)點的值 m 都是合適 的， 因此很好地解決了等待采樣數(shù)據(jù)造成的顯示延時的問題，保證了采集與顯示的同步。為了減少系統(tǒng)計算 FIFO 過程所占用的時間，可在長時基下降低采樣頻率，以減小所設(shè)數(shù)組大小。 3）短時基 對于短時基，我們所要解決的是 由于數(shù)值 N經(jīng) 公式 (1)計算出的值過小 而帶來的顯示延時和內(nèi)存溢出問題。不能盲目增加讀取數(shù)據(jù)點數(shù) N，這樣會導(dǎo)致顯示的波形和所設(shè)時基大小不一致。為此，提出 EM(expandmove)解決辦法。將每次讀取的數(shù)據(jù)個數(shù)固定，一般為合適時基所對應(yīng)的讀取點的個數(shù)。設(shè)其為 m，在短時基下根據(jù)公式 (1)計算出所需數(shù)據(jù)點的 個數(shù) 設(shè)為 N（ Nm）。 將所讀取的 m個數(shù)據(jù)的 Δt擴大 m/n倍 (expand 過程 )。同時，改變 x軸的最大和最小值，分幾次將 m 個數(shù)據(jù)（擴大Δt后）完全顯示，再進入下一次循環(huán)。 至此， 整個程序就結(jié)束了。該圖顯示在圖 4 和圖 5 中。 附 錄 13 D：位置調(diào)整和零標志 改變 Y 軸的波形數(shù)據(jù)值可以改變波形在屏幕上的位置顯示。增加或減少 Y 軸的波形數(shù)據(jù)值可以移動波形使之上升或下降。在每個顯示波形上添加一個控制按鈕，可以標志出每個波形的零點位置。拖動控制按鈕成一條線，以標志零點位置。 初始化控件，相對于示波器，位于右屏幕邊緣的中間。當改變波 形的位置時，坐標的零位置點同時改變。因此，零位置點會隨波形移動。此外，可以設(shè)置標志按鈕控制頂部和底部邊緣以外不可見，使效果更加逼真。如圖 2 所示。 E：其他功能 以上介紹的是虛擬示波器最基本的 3 個功能。對于其它功能，如波形移動、觸發(fā)、耦合、光標指示以及存儲與回放，波形打印等等，本文就不一一介紹了。只要根據(jù)實際的需求，充分利用LabVIEW 中屬性節(jié)點的特性，這些功能都能較好地實現(xiàn)。 III. 波形頻率參數(shù)的計算 對于周期性信號，周期頻率是一個關(guān)鍵的參數(shù)。傳統(tǒng)的測量方法是在硬件上用標準信號在閘門脈寬期間對被測信號進行填充計數(shù)，從而計算出被測信號的周期。而基于 PC 的虛擬示波器硬件上通常并沒有可以利用的計數(shù)器，必須通過軟件對信號進行處理。而虛擬示波器的最大特點就是可以對采集到的波形數(shù)據(jù)進行分析處理，從而得到用戶所關(guān)心的波形數(shù)據(jù)的特征值。測量波形周期的基本思想是從采集到的波形數(shù)據(jù)中找到第 K 個周期和第 K+1 個周期之間的時間長度?；谶@種思想，采用一種比較成熟的門檻電壓測頻算法以實現(xiàn)信號周期的計算 [8]。 對于一種周期性變化的 信號，在其相鄰兩次按同一方向穿越某個門檻電壓 (上升沿或下降沿 )的時間間隔，就是信號的一個周期，如圖 6 所示。 附 錄 14 假設(shè)一個信號樣本為 X（ in）， n為整數(shù)，是樣本數(shù)據(jù)的總數(shù)。將樣本數(shù)據(jù)的平均值 作為門檻電壓；將其與 Xi一一對比。當 Xi=v 且 Xi1v 時，表示波形從下到上穿越了門檻電壓，為一個上升沿。當 Xi=v 且 Xi1v 時，表示波形從上到下穿越門檻電壓，為一個下降沿。同時，為了消除干擾所帶來的影響，將間隔小于 10個采樣點的上升沿和下降沿去除，從而定出了上升沿和下降沿的位置。由于采樣頻率固定，則每兩個采樣點之間的時間間隔是固定的，這樣，便可以計算出所采集信號的頻率和周期 [9]。假設(shè)采樣頻率是 f0，采樣周期是 T0， T0 = 1/ f0，采樣率誤差系數(shù)為 a。測量信號的頻率是 f，周期是 T， T= 1/f；實際測量頻率是 fc，周期是 Tc， Tc=1/fc。假設(shè)在每一個采樣時間內(nèi)樣本含有 k 個所測信號的整周期，確切時間是 kt。第一個波峰穿越門檻電壓相位點的時間是 t。由于樣本分散，在 kth節(jié)點，信號穿越門限相位的時間 t+kt可能會有 177?！?T0 的誤差?？紤]到 采 樣率誤差，在最壞的情況下即在 kth周期時，信號穿越門檻電壓的時間是 t+kT+(αkT177?！?T0 )，同時， k 個信號周期是 t+kT+(αkT177?！?T0 )。所以就會有： 假設(shè)樣本長度為 L，就會有 L△To≈kT。將其代入上面的方程，就會有： 當 a 遠比 I/L 小時，增大 L的值就會明顯增加測量的精度。當 a 和 I/L 差不多時，增大 L 的值就沒有意義了。 a 是固定在系統(tǒng)硬件之上的。通過 a，我們可以找到適當?shù)?L 值來使采樣和計算過程達到最佳精度。 假設(shè)有一方波信號，其脈沖持續(xù)時間為 T’，一次的測量值為 TC’，就會有： 上面討論的是采樣程序中波形頻率參數(shù)的計算，提出了測量精度理論。但本文對于 幅值 的上升時間和頻譜分析等都沒有進行討論。運用數(shù)組采集，用戶可以開發(fā)出更好的測量系統(tǒng)。 LabVIEW 提供了很多波形參數(shù)測量的子 VI，可以更加準確地測量出波形的基本參數(shù) [10]。 將虛擬示波器與控制過程緊密結(jié)合起來，可以達到更好的效果。接下來，以直流電機的 PWM調(diào)速為例，簡單介紹一下虛擬示波器在 PID 控制與閉環(huán)反饋控制中的作用。 附 錄 15 IV. 在電機轉(zhuǎn)速控制中的應(yīng)用 鎖相環(huán)技術(shù)在電機調(diào)速方面有著舉足輕重的作用。采用鎖相環(huán)技術(shù)， 一方面可以提高電機轉(zhuǎn)速的精度，另一方面，它僅 僅 通過改變給定頻率就能 夠 對電機進行無級調(diào)速，便于控制多臺電機同步運行 [11]?；?PPL 閉環(huán)鎖相電機調(diào)速系統(tǒng)的基本原理如圖 7 所示。 設(shè)給定的電機轉(zhuǎn)速脈沖信號為 fR，從光電傳感器反饋回來的脈沖信號為 fF。將二者在相位比較器中進行頻率與相位比較，并產(chǎn)生比例于頻率和相位差的信號電壓，此電壓經(jīng)低通濾波放大去控制電機的轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速和給定控制信號的同步。一旦負載出現(xiàn)波動，使電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，光電傳感器發(fā)出的脈沖頻率 就 隨之變化，它和給定信號頻率產(chǎn)生頻差，此時相位比 較器的輸出信號也發(fā)生變化，經(jīng)低通濾波和驅(qū)動電路使電機短暫升速或減速，直至反饋信號的頻率與給定信號頻率重新達到相等，此時電機重新達到穩(wěn)態(tài)。由于鎖相系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，其反饋信號頻率被鎖定到給定信號頻率上，即頻差為零，顯然系統(tǒng)的控制精度很高。 將相位比較器與計算機結(jié)合起來，利用虛擬儀器的測量與控制的優(yōu)勢，便構(gòu)成了數(shù)字鎖相環(huán)電路。其原理框圖如圖 8 所示。 圖中，電機轉(zhuǎn)速通過光電碼盤轉(zhuǎn)化成與電機轉(zhuǎn)速成正比的方波信號，經(jīng)虛擬示波器的測量通道，得到電機的轉(zhuǎn)速。如果測得的電機轉(zhuǎn)速低于要求轉(zhuǎn)速，則應(yīng)提高輸出頻率；如果電機轉(zhuǎn)速高于要求轉(zhuǎn)速，則應(yīng)降低輸出頻率。在實際控制中，將測得的轉(zhuǎn)速頻率值與給定頻率作比較，并通過 PID 調(diào)節(jié)，能快速得到所期望的速度頻率值。 依據(jù) PID 理論，將特征方程和 Jury 準則結(jié)合在一起，就會有： 因此，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定的運行，我們必須使 KP = 1， KI = 1/2。 這是一個通過修改 PID 來迅速調(diào)整輸出頻率向預(yù)計頻率轉(zhuǎn)變的方法。我們可以通過精密的 頻率附 錄 16 發(fā)生器得到適當?shù)念l率，同時低通濾波器可以將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電壓。整個程序快速并且穩(wěn)定。采用測量功能的虛擬示波器可以完成作為鎖相速度控制系統(tǒng)完成的相同的工作。相比于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，它的優(yōu)點是能夠利用理論控制程序優(yōu)化控制方法。同時，整個信號的變化曲線是可見的。在虛擬示波器中，操作者可以很清楚的看到控制和反饋狀態(tài)，從而為解決問題 找 到更好的方法。采用多通道 和總線技術(shù)，它可以控制一個以上的電機同時同步工作，這有利于生產(chǎn)線管理和遠程控制。 V. 結(jié)論 本文介紹的虛擬示波器不僅具有普通示波器的波形采集顯示功能，能對采集的波形進行基本參數(shù)的測量， 還 能將其應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，作為電機調(diào)速閉環(huán)過程中的一個極其重要的部分，充分體現(xiàn)了虛擬儀器的靈活便利性。在實際應(yīng)用中，取得了較為理想的效果。結(jié)合不同的硬件系統(tǒng)，可以形成功能更為復(fù)雜靈活的測控系統(tǒng)。隨著計算機技術(shù)和測控技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)將會在更多更新的領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。 VI. 確認 這方面的工作是由中國國家自然科學基金支持，根據(jù)研究項目 50375008 和 60575052。 VII. 參考文獻 [1] , and ,Design, of multicenter virtua oscillograph, China measurement technology, , July, 2020. 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