【導(dǎo)讀】密的結(jié)合成一個(gè)有機(jī)整體，隨之就出現(xiàn)了新的測(cè)試儀器——虛擬儀器。理、存儲(chǔ)以及圖形化顯示等。因此與虛擬儀器相結(jié)合的戰(zhàn)略就成了第三代自動(dòng)。測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展方向。為了滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，我們自行設(shè)計(jì)了模。層應(yīng)用程序，很大程度上現(xiàn)實(shí)了軟件和硬件的可移植，增加了系統(tǒng)的靈活性。得到實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的目的。

　　

【正文】 信號(hào)發(fā)生電路 本模塊用于信號(hào)發(fā)生的芯片是 AD9834，此芯片參考時(shí)鐘最高可達(dá) 50MHZ，輸出頻率最高可達(dá) 25MHZ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于指標(biāo)上的 100KHZ 的要求，輸出為正弦波 /三角波。 基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 22 A D 9 8 3 4A D 8 0 3 3A D 5 5 8 2A D 8 0 3 3R 2R 1+S I N E _ O BS I N E _ OQ _ O U T V O DV O U T 3V R E F H DV R E F L DD A D [ 0 . . 1 1 ]+ 圖 34 信號(hào)發(fā)生電路 示意 圖 在本系 統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)輸出的正弦信號(hào)無(wú)幅度調(diào)節(jié)要求，圖 34所示的電路示意圖 完成對(duì)方波實(shí)現(xiàn) ~12V的幅度調(diào)節(jié)。 其中 AD9834的參考時(shí)鐘是 12MHz，對(duì)100KHz的要求已經(jīng)足夠了，通過(guò)對(duì) AD9834的控制可以輸出頻率不同的正弦波，SINE_O和 SINE_OB是相位相差 180度的正弦波， 將他們輸入 AD8033的正負(fù)輸入端 ，AD8033使用 +5V單端供電，輸出的 Q_OUT即是 幅度為 5V的方波信號(hào)， 然后將 Q_OUT輸入 D/A轉(zhuǎn)換芯片（ AD5582） ，因?yàn)?AD5582的電壓擺動(dòng)速率（ Voltage Slew Rate）為 2V/us，當(dāng)信號(hào)頻率為 100KHZ時(shí) ，輸出的最大幅度為 5V，而此時(shí)波形也成了三角波，為了波形的效果，我們 在此最大幅度輸出為 2V， 然后經(jīng)過(guò)后面的 AD8033進(jìn)行信號(hào)放大 ， AD8033的電壓擺動(dòng)速率為 80V/us可以滿(mǎn)足我們 的 要求。 計(jì)數(shù)電路 D C N T 1+光 藕L M 1 3 9P U L S E I N 1低通濾波器 圖 35 頻率計(jì)數(shù)電路示意圖 基于虛擬儀器的 ATS 實(shí)現(xiàn) 23 待測(cè)信號(hào)先經(jīng)過(guò)低通濾波 器 濾除高頻信號(hào)，為了頻率計(jì)數(shù)方便，再把經(jīng)過(guò)濾波的信號(hào)脈沖變換，變?yōu)?5V的 脈沖 信號(hào)，然后用光藕進(jìn)行隔離，最后輸入 FPGA進(jìn)行計(jì)數(shù)。 計(jì)數(shù)模塊具 有六路計(jì)數(shù)通道， 并且六路計(jì)數(shù)通道具有三種不同的工作方式可以選擇，即：事件計(jì)數(shù)、頻率測(cè)量和周期測(cè)量。六路計(jì)數(shù)通道同時(shí)工作，用戶(hù)可以同時(shí)對(duì)六路通道進(jìn)行設(shè)置。 計(jì)數(shù)部分的功能是由硬件來(lái)完成的，不需要主機(jī)的干預(yù)。主機(jī)對(duì)模塊進(jìn)行初始化，設(shè)置不同通道的工作方式，此后，模塊即按照用戶(hù)的設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)行預(yù)定的工作。根據(jù)不同的工作方式，模塊對(duì)輸入脈沖的計(jì)數(shù)值進(jìn)行刷新，模塊的寄存器中始終保持最新的測(cè)量數(shù)據(jù)，主機(jī)可隨時(shí)讀取最新的數(shù)據(jù)。在模塊工作過(guò)程中，如果用戶(hù)需要改變工作方式，可以重新設(shè)置工作方式，模塊即按新的工作方式進(jìn)行工作。當(dāng)用 戶(hù)需要讀取指定通道的數(shù)據(jù)時(shí)，首先對(duì)指定的通道發(fā)鎖存命令，然后讀回?cái)?shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)鎖存命令后，通道依然按照原來(lái)的方式工作。 事件計(jì)數(shù) 圖 36 事件計(jì)數(shù)工作 時(shí)序 圖 pulse 為外界事件計(jì)數(shù)產(chǎn)生的脈沖。 gate 為用戶(hù)啟動(dòng)計(jì)數(shù)和暫停計(jì)數(shù)過(guò)程中產(chǎn)生的電平。此信號(hào)是門(mén)控信號(hào)。當(dāng)啟動(dòng)計(jì)數(shù)后， gate 為‘ 1’，一直維持到用戶(hù)發(fā)出暫停計(jì)數(shù)命令， gate 變?yōu)椤?0’電平。當(dāng)用戶(hù)再次發(fā)出啟動(dòng)計(jì)數(shù)命令時(shí)， gate 再次跳變?yōu)椤?1’。 clr 為計(jì)數(shù)器清零命令。當(dāng)此信號(hào)有效時(shí) (‘1’ 電平 )，把當(dāng)前的計(jì)數(shù)器 (即t_num)中的數(shù)值清零。 t_num 為當(dāng)前的計(jì)數(shù)值。在啟動(dòng)計(jì)數(shù)后，當(dāng)脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)值加一。 基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 24 latch_num 計(jì)算機(jī)發(fā)鎖存命令，把當(dāng)前的計(jì)數(shù)值鎖存。在 sig_latch 信號(hào)的上升沿， 把 t_num 的數(shù)值鎖存。 sa[9..0] 地址信號(hào)。當(dāng) 291H， 290H 分別為讀取鎖存計(jì)數(shù)值的高八位和低八位。 292H為鎖存命令選通地址。 ior 讀信號(hào)。 d[7..0] 數(shù)據(jù)線。 如圖 36 所示，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)后 (gate 跳變?yōu)椤?1’ )，在 gate 為‘ 1’電平的下一個(gè) pulse 脈沖信號(hào)的上升沿，計(jì)數(shù)值 t_num 從 0到 1，以后每一個(gè) pulse 的上升沿計(jì)數(shù)值就加 1，直到計(jì)算機(jī)發(fā)出暫停計(jì)數(shù)命令 (gate 變?yōu)椤?0’ )，這時(shí)計(jì)數(shù)器中的數(shù)值一直保持當(dāng)發(fā)暫停計(jì)數(shù)時(shí)計(jì)數(shù)器中的數(shù)值，當(dāng)計(jì)算機(jī)再次重新發(fā)出啟動(dòng)計(jì)數(shù)命令時(shí)，在這一保持的數(shù)值基礎(chǔ)上累加。當(dāng)用戶(hù)發(fā)出計(jì)數(shù)器清零命令時(shí) (clr 為‘ 1’電平 )，當(dāng)前的計(jì)數(shù)器中的數(shù)值清零。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出鎖存命令后，把當(dāng)前的計(jì)數(shù)值 t_num(事實(shí)上是前一時(shí)刻的計(jì)數(shù)值 )鎖存到 latch_num中，然后計(jì)算機(jī)的讀信號(hào)和地址均有效時(shí) (圖中的 290H和 291H)，把鎖存的數(shù)值送到數(shù)據(jù)線上。 頻率 /周期測(cè)量 圖 37 頻率 /周期測(cè)量工作 時(shí)序 圖 信號(hào)脈沖的頻率 測(cè)量 和周期 測(cè)量 理論上一致，信號(hào)的頻率為周期的倒數(shù)，即： F=1/T。因此在測(cè)量方法上一致，但是在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的區(qū)分上，我們使用控制字和狀態(tài)字進(jìn)行區(qū)分。如果控制字設(shè)定為測(cè)量周期，那么取回的數(shù)據(jù)按照計(jì)算周期的方法去處理，相應(yīng)的讀回的狀態(tài)字就是正在測(cè)量 的 周期；如果控制字設(shè)定為測(cè)量頻率，那么取回的數(shù)據(jù)按照計(jì)算頻率的方法去處理，相應(yīng)的讀回的狀態(tài)字就是正在測(cè)量 的 頻率。 基于虛擬儀器的 ATS 實(shí)現(xiàn) 25 如圖 37 所示，首先對(duì)輸入的測(cè)量脈沖信號(hào) (pulse)進(jìn)行二分頻，分頻后的信號(hào)為 dpulse，然后對(duì)二分頻后的信號(hào)的‘ 1’狀態(tài)，用一基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，如圖所示為 clock， clock 的頻率遠(yuǎn)高于 dpulse。 計(jì)數(shù)的過(guò)程是這樣工作的：當(dāng) dpulse 跳變到‘ 1’后的下一個(gè) clock 信號(hào)的上升沿開(kāi)始從 0 計(jì)數(shù)，直到 dpulse 變?yōu)椤?0’，即 dpulse 從‘ 1’跳變到‘ 0’(這一過(guò)程中， t_num 維持上一周期的數(shù)值 )，停止計(jì)數(shù)，把當(dāng)前的這一周期的計(jì)數(shù)脈沖數(shù)值送給 t_num，對(duì) t_num 刷新，此刷新的脈沖數(shù)一直維持到下一個(gè) dpulse 的下降沿。在這一過(guò)程中，從 dpulse 的跳變 到‘ 1’的下一個(gè)clock 信號(hào)的上升沿，開(kāi)始重新從 0計(jì)數(shù)，一直計(jì)到 dpulse 的下降沿，此刻把這一過(guò)程中最終的計(jì)數(shù)值送給 t_num，在 dpulse 的下降沿， t_num 又以最新的數(shù)值刷新。 當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)鎖存命令時(shí)，圖示為 sig_latch 的上升沿，把當(dāng)前最新的計(jì)數(shù)鎖存器中的 16 位數(shù)值 t_num 送給鎖存器 latch_num， latch_num 的數(shù)值一直維持到計(jì)算機(jī)發(fā)下一個(gè)鎖存命令，此時(shí)把最近的 t_num 對(duì) latch_num 進(jìn)行刷新。當(dāng)計(jì)算機(jī)需要取數(shù)值時(shí)，當(dāng)?shù)刂泛涂刂菩盘?hào)有效時(shí)，將 latch_num(16 位 )分兩次送到數(shù)據(jù)線上。 模擬信號(hào)采集模塊 模擬信號(hào)采集模塊用于采集來(lái)自數(shù)據(jù)融合器的車(chē)輛工況模擬量（油溫、油壓等），采用 2MHz 采樣率，由接口適配器將 16 路工況模擬量分時(shí)切換至四路采集通道，完成對(duì)模擬信號(hào)的采集，并采用該通道測(cè)試 GPS、電子羅盤(pán)、激光告警以及加固計(jì)算機(jī)等設(shè)備的數(shù)字信號(hào)的物理狀態(tài)。模擬信號(hào)采集模塊組成框圖如下： 基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 26 圖 34 模擬信號(hào)采集模塊組成框圖 4路模擬信號(hào)首先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，完成對(duì)信 號(hào)的隔離，放大和衰減，接著由采樣電路把模擬信號(hào)按一定規(guī)律取樣，量化編碼后 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) ，觸發(fā)電路選擇觸發(fā)源和觸發(fā)方式，采集控制電路用來(lái)控制整個(gè)模塊有序正確的工作，同時(shí)把采集到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，接口控制器實(shí)現(xiàn)模塊和 DSP的通信。 其中，同步觸發(fā)、采集控制和接口控制器等電路通過(guò) FPGA芯片編程實(shí)現(xiàn)。 信號(hào)調(diào)理電路 本模塊的采樣電路所采用的 A/D 轉(zhuǎn)換器要求輸入信號(hào)的最大電壓不超過(guò)2V，但是被測(cè)信號(hào)的輸入電壓變化幅度遠(yuǎn)大于 此，同時(shí)為了減小對(duì)被測(cè)信號(hào) 所在電路 的影響， 我們需要對(duì)輸入的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行衰減、緩沖、放大。信號(hào)調(diào)理電路的組成 框圖如下： A45 A1 信號(hào)調(diào)理 A/D 轉(zhuǎn)換器 同步 觸發(fā) 存儲(chǔ)器 接口 控制器 DSP P 采 集 控 制 信號(hào)調(diào)理 A/D 轉(zhuǎn)換器 同步 觸發(fā) 基于虛擬儀器的 ATS 實(shí)現(xiàn) 27 高 阻 衰 減 器1 / 1 0 / 1 0 0阻 抗 變 換 主 放 大 級(jí)低 阻 衰 減 器1 / 2 / 5驅(qū) 動(dòng) 放 大 圖 35 信號(hào)調(diào)理電路組成框圖 （ 1）衰減電路 衰減電路由兩部分 ：高阻衰減器位于耦合電路之后，用于 100倍衰減；低阻衰減器位于 主放大 電路之后，用于 5倍衰減。 高阻衰減器如下圖，由 RC 電路組成， 100 倍衰減需要兩級(jí)上述電路，每一級(jí)衰減 10 倍，由繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)切換。 R 1C 1R 2C 2V i V o 圖 36 高阻衰減網(wǎng)絡(luò) 其中： 1111 1 CRjRZ ??? 2222 1 CRjRZ ??? 當(dāng)滿(mǎn)足： 2211 CRCR ? 則衰減器的分壓比： 基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 28 212212 RR RZZ Zvvio ???? 與 頻率無(wú)關(guān)。 上圖 的 C C2 是高頻補(bǔ)償電容，在實(shí)際電路中要計(jì)入電路的分布電容，因此，實(shí)際組成的 高阻衰減器電容應(yīng)有一定的調(diào)節(jié)范圍， 在 本設(shè)計(jì)中 ，調(diào)節(jié) C1來(lái)達(dá)到電路的最佳補(bǔ)償。 R1+R2=1MΩ ,故通道的 高阻 輸入阻抗為 1MΩ。 A D G 4 0 8輸 出衰 減 控 制輸 入R 1R 2R 3R 4R 5R 6 圖 37 低阻衰減電路 低阻衰減電路如圖，由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、高速模擬開(kāi)關(guān)組成， R R R R4組成分壓網(wǎng)絡(luò)，切換用高速模擬開(kāi)關(guān) ADG408來(lái)實(shí)現(xiàn)， R5， R6用來(lái)調(diào)零。為了實(shí)現(xiàn)1/2/5衰減，選擇 R1， R2， R3， R4的阻值分別為： 300Ω， 500Ω， 300Ω， 200Ω。 （ 2）阻抗變換電路 阻抗變換有運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器組成，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入阻抗大、輸出阻抗小，實(shí)現(xiàn)了隔離、緩沖和前后級(jí)之間的阻抗匹配。在本設(shè)計(jì)中，我們使用了 AD843A運(yùn)放，其主要特性參數(shù)如下： 輸入阻抗 ： 大于 lOMΩ 單位增益帶寬積 ： 34MHz 基于虛擬儀器的 ATS 實(shí)現(xiàn) 29 轉(zhuǎn)換速率 ： 250v/us 輸入偏置電流 ： 阻抗變換電路如下： A D 8 4 3輸 入輸 出+ 圖 38 阻抗變換電路 （ 3）放大及驅(qū)動(dòng)電路 信號(hào)放大電路是 信號(hào)調(diào)理電路的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大，同時(shí)保證在要求的帶寬內(nèi)，失真和噪聲小，增益穩(wěn)定，線性性能好。在這里，我們選用了 AD8002 作為主放大電路的高速運(yùn)放，其主要特性參數(shù)如下 : 3dB 帶寬 ： 500MHz(Gain=2) 轉(zhuǎn)換速率 ： 1200v/us 輸出電流 ： 70mA 低失真 ++ 5 V 5 VR 1R 2R 3R 5 R 6C 1A D 8 0 0 2輸 入輸 出 圖 39 放大電路 基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究 30 由于 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗很低，為了減小對(duì)前級(jí)的影響，并作適當(dāng)?shù)脑鲆嬲{(diào)整，采用了 AD8004作為驅(qū)動(dòng)放大器，提供 2~4倍的增益。 A/D轉(zhuǎn)換 芯片信號(hào)輸入電壓范圍是 0V~2V，最大不得超過(guò) 5V，否則極易損壞芯片。所以，該級(jí)放大器采用 5V供電，可以省去限幅器。 采樣電路 采樣電路把連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號(hào)，以便于數(shù)字系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的存儲(chǔ) 、 處理和顯示。在本設(shè)計(jì)中，要求實(shí)時(shí)采樣率 2MSPS，輸入模擬帶寬1MHz，單通道 8 位，低功耗，單電源供電，為減小體積，要求自帶基準(zhǔn)電壓源和采樣保 持器，這里選用了美國(guó) AD公司的 AD7822。其主要特性如下 : 流水線式 ADC 單通道 8位，低功耗 36mW(+3V 供電 ) 單電源供電 ： 3V 或 5V177。 10％ 片內(nèi)模擬輸入緩沖放大器及帶基準(zhǔn)電壓源 輸入模擬帶寬 ： 10MHz 轉(zhuǎn)換速率 ： 2MSPS 觸發(fā)電路 觸發(fā)電路通過(guò)比較輸入信號(hào)和參考電平之間的關(guān)系，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，用來(lái)控制信號(hào)采集的開(kāi)始 ，在這里我們選用了 LT1714 比較器芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā) 電路。 基于虛擬儀器的 ATS 實(shí)現(xiàn) 31 觸發(fā)源選擇觸 發(fā)電 平觸 發(fā) 脈 沖S Y S T R I E 1比 較 器+D A C觸 發(fā) 輸 入T R S 1觸 發(fā) 輸 入T R S 2觸 發(fā) 輸 入T R S 3觸 發(fā) 輸 入T R S 4觸