激勵信號源軟件控制發(fā)生方法研究*

鄒欽文，王 英(浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

波形信號可由硬件或軟件產(chǎn)生，可廣泛應用于電子電路、自動控制和科學實驗等領域[1]。傳統(tǒng)的波形產(chǎn)生利用各種分立元件及電路，通過對正弦波信號的處理，得到不同種類的波形信號。但受到元器件以及材料的影響，產(chǎn)生的波形信號穩(wěn)定性及準確性差、波形可調(diào)頻率范圍窄、工作場合十分單一[2]，并且信號輸出通道少、參數(shù)調(diào)節(jié)不便、儀器升級換代困難。2010年，袁三男等[3]利用單片機和LMX2485實現(xiàn)了微波信號源發(fā)生器的設計；2012年，梁孟享等[4]基于FPGA實現(xiàn)了高分辨率、低失真任意波形信號發(fā)生裝置的設計；2013年，曹怡然[5]以單片機為基礎，通過軟硬件設計，實現(xiàn)了三相相差120°的正弦波波形輸出；2013年，劉艷昌等[6]以AVR單片機ATmega16和波形發(fā)生器芯片MAX038為核心設計了能夠輸出方波、正弦波、三角波形的信號發(fā)生器。不同的波形有不同的應用背景。正弦波是較普遍的波形，也比較容易產(chǎn)生。三角波主要應用在CRT作顯示器件的掃描電路中，如示波器、顯像管、顯示器等。而方波一般用于電子和訊號處理。正弦波與方波常常在超聲波產(chǎn)生中作為激勵信號。

無論是在工程實踐，還是學術(shù)理論研究領域，都需要用到多種類型的信號源。利用LabVIEW軟件編寫程序并結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡設計的波形信號發(fā)生器具有界面直觀、功能多樣、參數(shù)調(diào)節(jié)方便、產(chǎn)生波形信號種類豐富等特點。

本研究將利用PXI總線及LabVIEW技術(shù)設計多種波形信號發(fā)生裝置，利用算法實現(xiàn)多種信號的產(chǎn)生，通過參數(shù)的設置方便獲取精度高、穩(wěn)定性良好的信號源。

1 軟件編程

LabVIEW是由NI公司開發(fā)的軟件，是功能強勁的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境[7]。本研究主要利用LabVIEW作為編程軟件，利用算法實現(xiàn)不同類型波形的產(chǎn)生，利用NI-DAQ驅(qū)動實現(xiàn)物理通道的構(gòu)建。整個程序分為3部分，即：NI-DAQmx任務產(chǎn)生、模擬波形產(chǎn)生、波形信息顯示。其中，根據(jù)功能選擇，波形產(chǎn)生部分又由波形類型選擇及波形輸出方式兩部分組成，其實現(xiàn)的功能有：(1)產(chǎn)生連續(xù)方波、正弦波、鋸齒波、三角波及公式波形電壓；(2)可以控制波形占空比不變波形的產(chǎn)生頻率；(3)半波整流，實現(xiàn)波形正電壓輸出；(4)控制每秒脈沖波形發(fā)射頻率及脈沖的個數(shù)；(5)顯示輸出波形電壓的準確信息。

系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 程序流程圖

整個系統(tǒng)主要分為波形產(chǎn)生和波形寫入輸出兩部分。首先本研究通過采樣率及采樣數(shù)的設置確定輸出波形的頻率范圍。若選擇的是公式波形輸出，則只需要輸入公式及波形頻率即可產(chǎn)生波形；若選擇基本波形輸出，則需要設置波形參數(shù)，并選擇波形的類型以及波形輸出方式。波形類型主要包括方波、正弦波、鋸齒波和三角波。在選擇波形輸出方式時，既可選擇原始的連續(xù)波形輸出，也可以通過參數(shù)設置輸出相應的脈沖波形。

1.1 NI-DAQmx任務產(chǎn)生

NI-DAQmx是NI公司的跨平臺DAQ設備驅(qū)動程序。利用DAQmx硬件驅(qū)動，可以簡化數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)程序設計。由于其能夠被多種編程語言調(diào)用，應用行業(yè)范圍十分廣闊[8]。在LabVIEW中使用NI-DAQmx任務，具體步驟如下：(1)創(chuàng)建任務；(2)啟動任務；(3)讀或?qū)懭霐?shù)據(jù)；(4)停止任務；(5)清除任務。

創(chuàng)建任務是利用DAQmx創(chuàng)建通道vi，主要功能是創(chuàng)建物理通道，決定數(shù)據(jù)采集還是數(shù)據(jù)輸出。通過設置最大值與最小值決定數(shù)據(jù)大小范圍。DAQmx任務的產(chǎn)生需要用到DAQmx定時vi，其主要功能是設置采樣模式及采樣率。DAQmx任務開始vi使任務處于運行狀態(tài)，開始測量或生成。DAQmx寫入vi通過通道采樣的選擇，在包含單個模擬輸出通道的任務中，寫入單個或多個浮點采樣。由DAQmx搭建的程序任務框架如圖2所示。

1.2 基于LabVIEW的信號波形產(chǎn)生

利用LabVIEW，可以采用多種方法產(chǎn)生波形。既可以使用DAQ助手也可以使用LabVIEW自帶函數(shù)發(fā)生器。DAQ助手能夠產(chǎn)生不同波形，其精度及穩(wěn)定性較高，但對于不同波形，參數(shù)設置不方便，并且受采集卡時鐘信號發(fā)生器個數(shù)及輸出的路數(shù)限制，產(chǎn)生信號輸出路數(shù)較少?；竞瘮?shù)發(fā)生器可以產(chǎn)生多種波形，其默認的采樣率與采樣數(shù)為1 000，根據(jù)奈奎斯特定理，頻率<=采樣率/2，故波形頻率設置原則上應該小于500 Hz，通過創(chuàng)建采樣信息輸入控件，通過設置采樣率及采樣數(shù)的大小，可以提高生成波形信號的頻率范圍。

一般推薦采樣數(shù)是采樣率的1/10。通過設置DAQmx采樣時鐘采樣率及函數(shù)發(fā)生器采樣數(shù)的設置，可以大幅提升波形產(chǎn)生的頻率。

圖2 NI-DAQmx任務產(chǎn)生程序

頻率為100 kHz，占空比為50%的方波如圖3所示。

圖3 方波波形

在實際的應用中，針對不同的工程應用環(huán)境，對信號激勵源有不同的要求。如超聲波探頭在激勵脈沖的激勵下可以產(chǎn)生超聲波，激勵方式有尖峰脈沖激勵、方波脈沖激勵、正弦波脈沖激勵和階躍信號激勵[9]。激勵脈沖寬度與換能器諧振頻率需要滿足如下關系時，超聲波理論發(fā)射功率可達最大值：

(1)

式中：f0—換能器的諧振頻率；2a—激勵脈沖寬度。

1.2.1 可控發(fā)射頻率脈沖波形輸出

若選取的超聲波換能器諧振頻率為2 MHz，則激勵脈沖寬度為0.75 μs。如果采用方波作為激勵信號，占空比為50%，則方波頻率為達到兆赫茲級別，高頻率信號不僅對硬件系統(tǒng)有更高的要求，還會增加后續(xù)信號處理分析的難度。

通過增加超聲波之間發(fā)生的時間，可以給數(shù)據(jù)處理帶來很大的方便。因此需要控制信號波形的發(fā)射頻率。設產(chǎn)生的激勵信號頻率為f1。若設置發(fā)射頻率為f2，發(fā)射頻率為f1的波形個數(shù)n，首先利用方波波形vi產(chǎn)生幅值為1 V，頻率為f2的方波，其占空比的計算公式如下：

(2)

在實際應用中，為保證方波信號占空比τ小于100%，在設置發(fā)射頻率f2和波形個數(shù)n時，它們的乘積一定要小于激勵信號的頻率f1，即：

n·f2≤f1

(3)

將兩個波形進行乘法運算，即可產(chǎn)生指定的輸出波形。

頻率為20 kHz，幅值為5 V，占空比為50%的激勵信號仿真波形圖如圖4所示。

圖4 仿真波形圖

實際波形電壓輸出如圖5所示。

圖5 實際波形電壓輸出

1.2.2 可控波形頻率輸出

在保證輸出激勵脈沖寬度不變的情況下，通過控制每秒輸出脈沖的個數(shù)，能夠減少占空比的計算。當輸出方波頻率為f1，占空比為τ，則在單位周期內(nèi)方波高電平持續(xù)時間為：

(4)

當輸出高電平持續(xù)時間不變而希望輸出波形頻率為fz的方波時，輸出波形的占空比為：

(5)

由基本函數(shù)發(fā)生器可以產(chǎn)生新的波形。通過設置方波頻率為2 kHz，幅值為5 V，占空比為50%，控制波形輸出個數(shù)前后，輸出波形電壓對比圖如圖6所示。

圖6 控制前后對比圖

由圖6可知，在保證方波高電平持續(xù)時間不變的前提下，方波頻率由2 kHz變?yōu)榱?50 Hz。在工程應用中，經(jīng)常會用到經(jīng)過半波整流的直流信號。半波整流是利用二極管的單向?qū)ㄌ匦匀コ胫?、剩下半周信號的變交流電為直流電的方法。電路雖然簡單，但是卻涉及許多重要理論及概念。利用LabVIEW軟件編程可實現(xiàn)半波整流波形的產(chǎn)生，利用NI數(shù)據(jù)采集卡可實現(xiàn)波形電壓輸出[10]。半波整流仿真圖如圖7所示。

實現(xiàn)半波整流分為4步：(1)設置波形參數(shù)，產(chǎn)生基本波形；(2)將產(chǎn)生的波形取絕對值；(3)將產(chǎn)生的基本波形與取絕對值以后的波形相加；(4)將第3步獲得的波形取均值。經(jīng)過這3步即可獲得整流后的波形。對于方波、三角波、鋸齒波采用同樣的方法都可以得到半波整流后的波形。

1.3 波形信息顯示

在實際工程應用中，對于產(chǎn)生的激勵信號，需要考慮其多種參數(shù)可能對后續(xù)電路帶來的影響。由軟件產(chǎn)生的波形，受到程序算法的影響，輸出波形部分實際參數(shù)與設置參數(shù)有所差異，波形顯示vi可顯示輸出波形的詳細信息，針對實際需求對波形參數(shù)進行調(diào)整，使最終產(chǎn)生的波形與預期波形之間的差異達到最小。

圖7 半波整流仿真圖

幅值和電平vi用來測量波形或波形數(shù)組的幅值、高狀態(tài)電平和低狀態(tài)電平。當設置的波形幅值為5 V時，LabVIEW產(chǎn)生波形的實際幅值小于5 V。利用幅值和電平vi可通過參數(shù)調(diào)節(jié)，使輸出波形的實際電壓幅值到達預期值。瞬態(tài)特性測量vi接收單個波形或一個數(shù)組的輸入信號測量每個波形中選定正躍遷或負躍遷的瞬態(tài)持續(xù)期、邊沿斜率以及下沖和過沖。

整個系統(tǒng)的界面如圖8所示(該界面包含參數(shù)設置、輸出波形顯示以及波形特性參數(shù)顯示)。

圖8 系統(tǒng)界面圖

2 實驗及結(jié)果分析

本研究選取了PXIe-6341數(shù)據(jù)采集卡，通過LabVIEW程序結(jié)合NI數(shù)據(jù)采集卡，利用示波器，驗證了波形電壓輸出效果。實驗中，通過軟件產(chǎn)生了頻率為1 kHz，幅值為5 V，占空比為50%的方波信號以及頻率為1 000 Hz,幅值為5 V的正弦波信號，如圖9所示。

圖9 實際激勵信號波形圖

筆者通過實驗驗證了利用本研究方法能夠產(chǎn)生多種激勵信號，實際輸出信號比較穩(wěn)定，準確度較高。

3 結(jié)束語

本研究對激勵信號源產(chǎn)生方法進行了研究，利用LabVIEW編程實現(xiàn)了多種激勵信號波形的模擬發(fā)生，包括基本波形、公式波形及特殊脈沖波形；筆者設計了激勵信號發(fā)生界面，通過設置采樣數(shù)及采樣率的大小選擇激勵信號源的頻率范圍大小，通過信號源參數(shù)設置及激勵信號源類型的選擇實現(xiàn)了多種信號源的產(chǎn)生，并且可直觀顯示波形信息；利用DAQmx設計了信號源輸出程序，確定了信號源輸出的物理通道，利用PXIe-6341數(shù)據(jù)采集卡及PXI技術(shù)，結(jié)合示波器測試了實際輸出的激勵源信號。

測試表明：利用該方法可產(chǎn)生多種激勵信號源，產(chǎn)生的信號穩(wěn)定可靠、準確度高、應用范圍廣。

[1] 楊朝中.一種高精度頻率綜合器的研究與實現(xiàn)[D].北京：中國科學院大學電子電氣與通信工程學院,2011.

[2] 宋 蕊.基于DDS的任意波形信號發(fā)生器[D].邯鄲：河北工程大學信息與電氣工程學院,2012.

[3] 袁三男,王紹徐.基于單片機和LMX2485的微波信號源發(fā)生器的設計[J].微型機與應用,2010(19):92-94.

[4] 梁孟享,胡 聰,盤書寶.基于FPGA的高性能信號源模塊設計[J].國外電子測量技術(shù),2012,31(4):64-67.

[5] 曹怡然.基于單片機的三相正弦波發(fā)生器設計[J].軟件導刊,2013(11):45-47.

[6] 劉艷昌,左現(xiàn)剛.基于ATmega16的信號發(fā)生器設計[J].自動化技術(shù)與應用,2013,32(8):65-68.

[7] ELLIOTT C, VIJAYAKUMAR V, ZINK W, et al. National instruments LabVIEW: a programming environment for laboratory automation and measurement[J].JournaloftheAssociationforLaboratoryAutomation,2007,12(1):17-24.

[8] 張 偉,劉紅麗.基于LabVIEW的溫度測控系統(tǒng)設計[J].電子設計工程,2008,16(12):19-21.

[9] 張寧波.基于超聲衰減的污水懸濁液濃度檢測裝置研究[D].杭州：浙江大學機械工程學院,2016.

[10] 楊育霞,李志輝.半波整流濾波電路的仿真實驗及研究[J].實驗科學與技術(shù),2011,9(3):17-18.