基于虛擬儀器技術(shù)的模擬信號發(fā)生器簡化設(shè)計

曾 榮 白 巍 于 杰 王 成

(中國華陰兵器試驗中心，陜西 華陰 714200）

1.引言

測試準備和設(shè)備調(diào)試時一般要使用信號發(fā)生器進行模擬測試，同時以此檢測設(shè)備狀態(tài)，因此采用與實測信號一致的信號進行系統(tǒng)驗證無疑是最理想的。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器大多依靠硬件實現(xiàn)信號發(fā)生，價格在數(shù)千到數(shù)萬元不等。而在動態(tài)測試領(lǐng)域，由于測試對象、測試參數(shù)的千差萬別，僅僅依靠傳統(tǒng)的信號發(fā)生器對所有設(shè)備進行檢測實現(xiàn)起來難度較大，并且一般的信號發(fā)生器只有正弦、余弦等函數(shù)信號，不能產(chǎn)生我們期望的各種特殊要求的信號，無法完全滿足我們的使用要求。因此，可以考慮采用虛擬儀器技術(shù)并利用已有的硬件設(shè)計滿足實際需求的信號發(fā)生器。

2.技術(shù)實現(xiàn)

虛擬儀器技術(shù)的特色即在于使用基本的硬件設(shè)備，通過靈活的軟件編程，來實現(xiàn)多種需求，尤其是特殊需求的儀器功能。在虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集設(shè)備上，除了標準的信號輸入端口外，一般都具有模擬信號輸出的端口。因此，利用這些輸出端口，在不增加硬件成本的前提下，利用程序?qū)⒁酝臏y試數(shù)據(jù)通過計算機的控制，“虛擬”出實測的模擬信號并由模出端口輸出，再由相應的測試設(shè)備采集，可以檢驗整套系統(tǒng)。

這種方法既充分利用了硬件設(shè)備，節(jié)約了經(jīng)費，又最大限度地發(fā)揮了軟件是核心的特點。

2.1 原理框圖

圖1 原理框圖

信號發(fā)生器軟件通過控制計算機的PCI總線，向NI6070數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出指令，控制板上的DAC電路將計算機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，并由兩路模擬輸出口輸出，可以產(chǎn)生兩路獨立的輸出信號，經(jīng)BNC-2090輸出信號，可以連接任何BNC接口的模擬輸入端。既可產(chǎn)生標準函數(shù)波形(如正弦波、三角波、方波、鋸齒波等），又可產(chǎn)生用戶定義的波形。

圖2 軟件界面

2.2 硬件組成

A：NI6070數(shù)據(jù)采集卡

輸入?yún)?shù)：16-ch SE/8-ch DI模入，12-bit精度，最高1.25MS/s采樣率，各路增益和輸入范圍可單獨設(shè)定；輸出參數(shù)：2-ch、12-bit、1MS/s更新率模出。

B：BNC-2090多功能連接器用于將各種由BNC端口的輸入轉(zhuǎn)換到NI6070數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，或?qū)I6070數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出轉(zhuǎn)換到BNC端口。

C：SH-6868電纜：連接NI6070數(shù)據(jù)采集卡(輸入輸出端口為雙排68針插座)與BNC-2090(BNC接口與雙排68針插座相互轉(zhuǎn)換)。

2.3 軟件設(shè)計

軟件在圖形化編程軟件LabView的平臺上完成，由主程序和功能子程序組成，分為以下幾個模塊：

A：硬件設(shè)置：設(shè)置儀器地址、輸出信號的刷新率、緩沖長度等，一般使用軟件的默認設(shè)置；

B：信號選擇：選擇標準函數(shù)信號或是測試數(shù)據(jù)信號作為輸出信號；函數(shù)信號：包括正弦波。余弦波、三角波、方波、鋸齒波，并可以設(shè)置信號幅度、信號頻率、信號點數(shù)、直流偏置和相位等；數(shù)據(jù)信號：選擇需要的數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)；

C：輸出方式：選擇單次或是連續(xù)輸出；

D：輸出控制：控制輸出通道的開關(guān)、信號的輸出、信號的清除等。

主要功能有：可產(chǎn)生最高更新率1MS/s；可產(chǎn)生多種標準函數(shù)的波形；可根據(jù)實測數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應的波形；可同時產(chǎn)生雙通道波形；可單次或連續(xù)產(chǎn)生波形；

需要說明的是，由于數(shù)據(jù)采集卡輸入輸出信號的標準范圍為±10V，而DAC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信號是按照實際的數(shù)據(jù)進行的(如數(shù)據(jù)中的最大值是1000，則其轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)波形仍然是1000)，如果完全按照這樣進行，在軟件的顯示是正常的，但是在輸出端卻因為信號過載而得不到正確的數(shù)據(jù)。因此，需要將數(shù)據(jù)在進入DAC之前進行相應的衰減，使其符合輸入輸出的要求，并且能夠正確反映源數(shù)據(jù)。同時在數(shù)據(jù)采集端，也要對放大器等進行相應的參數(shù)設(shè)置，使采集的數(shù)據(jù)正確地轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)據(jù)。

3.應用實例

我們分別采用模擬信號發(fā)生器的函數(shù)信號和某火炮膛壓曲線的實測數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，使用模擬信號發(fā)生器軟件控制并由模擬輸出端將其輸出，并使用不同的測試系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集進行驗證。測試系統(tǒng)分別是專用火炮膛壓測試系統(tǒng)和我們使用LabVIEW語言編制的一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集部分使用的是NI6070采集卡。采集的數(shù)據(jù)分別有不使用電荷放大器(采集電壓信號)和使用電荷放大器(采集電荷信號，相當于實測模擬)的數(shù)據(jù)，將所得數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的波形進行比較，得出了非常滿意的結(jié)果。

圖3 某火炮的實測膛壓曲線

圖4 由實測數(shù)據(jù)模擬輸出的膛壓曲線

圖5 專用火炮膛壓測試系統(tǒng)測試的模擬數(shù)據(jù)

圖6 新編制的測試系統(tǒng)測試的模擬數(shù)據(jù)

由以上數(shù)據(jù)可以看出，計算機“虛擬”出的模擬信號與實際的測試信號是一致的，既驗證了信號發(fā)生器設(shè)計的正確性，同時也驗證了新設(shè)計的采集系統(tǒng)的可靠性。

4.結(jié)束語

采用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計的信號發(fā)生器不僅具有一般的信號發(fā)生器的功能，更具有其所不具備的能力，在不增加成本的情況下，不失為一種有效的方法。況且，即便是有了類似的基于虛擬儀器設(shè)備，仍然只具有一般的函數(shù)信號功能，如果需要進行實測信號的模擬測試，也可以使用本文的方法。

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