鄒欽文，王 英(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

波形信號(hào)可由硬件或軟件產(chǎn)生，可廣泛應(yīng)用于電子電路、自動(dòng)控制和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)的波形產(chǎn)生利用各種分立元件及電路，通過(guò)對(duì)正弦波信號(hào)的處理，得到不同種類(lèi)的波形信號(hào)。但受到元器件以及材料的影響，產(chǎn)生的波形信號(hào)穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性差、波形可調(diào)頻率范圍窄、工作場(chǎng)合十分單一[2]，并且信號(hào)輸出通道少、參數(shù)調(diào)節(jié)不便、儀器升級(jí)換代困難。2010年，袁三男等[3]利用單片機(jī)和LMX2485實(shí)現(xiàn)了微波信號(hào)源發(fā)生器的設(shè)計(jì)；2012年，梁孟享等[4]基于FPGA實(shí)現(xiàn)了高分辨率、低失真任意波形信號(hào)發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)；2013年，曹怡然[5]以單片機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)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(jī)ATmega16和波形發(fā)生器芯片MAX038為核心設(shè)計(jì)了能夠輸出方波、正弦波、三角波形的信號(hào)發(fā)生器。不同的波形有不同的應(yīng)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(yīng)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(hào)處理。正弦波與方波常常在超聲波產(chǎn)生中作為激勵(lì)信號(hào)。

無(wú)論是在工程實(shí)踐，還是學(xué)術(shù)理論研究領(lǐng)域，都需要用到多種類(lèi)型的信號(hào)源。利用LabVIEW軟件編寫(xiě)程序并結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)的波形信號(hào)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(hào)種類(lèi)豐富等特點(diǎn)。

本研究將利用PXI總線及LabVIEW技術(shù)設(shè)計(jì)多種波形信號(hào)發(fā)生裝置，利用算法實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)的產(chǎn)生，通過(guò)參數(shù)的設(shè)置方便獲取精度高、穩(wěn)定性良好的信號(hào)源。

1 軟件編程

LabVIEW是由NI公司開(kāi)發(fā)的軟件，是功能強(qiáng)勁的圖形化軟件開(kāi)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(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型波形的產(chǎn)生，利用NI-DAQ驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)物理通道的構(gòu)建。整個(gè)程序分為3部分，即：NI-DAQmx任務(wù)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(lèi)型選擇及波形輸出方式兩部分組成，其實(shí)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(shí)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(gè)數(shù)；(5)顯示輸出波形電壓的準(zhǔn)確信息。

系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 程序流程圖

整個(gè)系統(tǒng)主要分為波形產(chǎn)生和波形寫(xiě)入輸出兩部分。首先本研究通過(guò)采樣率及采樣數(shù)的設(shè)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(shè)置波形參數(shù)，并選擇波形的類(lèi)型以及波形輸出方式。波形類(lèi)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(shí)，既可選擇原始的連續(xù)波形輸出，也可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置輸出相應(yīng)的脈沖波形。

1.1 NI-DAQmx任務(wù)產(chǎn)生

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

創(chuàng)建任務(wù)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(guò)設(shè)置最大值與最小值決定數(shù)據(jù)大小范圍。DAQmx任務(wù)的產(chǎn)生需要用到DAQmx定時(shí)vi，其主要功能是設(shè)置采樣模式及采樣率。DAQmx任務(wù)開(kāi)始vi使任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)始測(cè)量或生成。DAQmx寫(xiě)入vi通過(guò)通道采樣的選擇，在包含單個(gè)模擬輸出通道的任務(wù)中，寫(xiě)入單個(gè)或多個(gè)浮點(diǎn)采樣。由DAQmx搭建的程序任務(wù)框架如圖2所示。

1.2 基于LabVIEW的信號(hào)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(duì)于不同波形，參數(shù)設(shè)置不方便，并且受采集卡時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器個(gè)數(shù)及輸出的路數(shù)限制，產(chǎn)生信號(hào)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(rèn)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(shè)置原則上應(yīng)該小于500 Hz，通過(guò)創(chuàng)建采樣信息輸入控件，通過(guò)設(shè)置采樣率及采樣數(shù)的大小，可以提高生成波形信號(hào)的頻率范圍。

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

圖2 NI-DAQmx任務(wù)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(shí)際的應(yīng)用中，針對(duì)不同的工程應(yīng)用環(huán)境，對(duì)信號(hào)激勵(lì)源有不同的要求。如超聲波探頭在激勵(lì)脈沖的激勵(lì)下可以產(chǎn)生超聲波，激勵(lì)方式有尖峰脈沖激勵(lì)、方波脈沖激勵(lì)、正弦波脈沖激勵(lì)和階躍信號(hào)激勵(lì)[9]。激勵(lì)脈沖寬度與換能器諧振頻率需要滿足如下關(guān)系時(shí)，超聲波理論發(fā)射功率可達(dá)最大值：

(1)

式中：f0—換能器的諧振頻率；2a—激勵(lì)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(lì)脈沖寬度為0.75 μs。如果采用方波作為激勵(lì)信號(hào)，占空比為50%，則方波頻率為達(dá)到兆赫茲級(jí)別，高頻率信號(hào)不僅對(duì)硬件系統(tǒng)有更高的要求，還會(huì)增加后續(xù)信號(hào)處理分析的難度。

通過(guò)增加超聲波之間發(fā)生的時(shí)間，可以給數(shù)據(jù)處理帶來(lái)很大的方便。因此需要控制信號(hào)波形的發(fā)射頻率。設(shè)產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)頻率為f1。若設(shè)置發(fā)射頻率為f2，發(fā)射頻率為f1的波形個(gè)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(jì)算公式如下：

(2)

在實(shí)際應(yīng)用中，為保證方波信號(hào)占空比τ小于100%，在設(shè)置發(fā)射頻率f2和波形個(gè)數(shù)n時(shí)，它們的乘積一定要小于激勵(lì)信號(hào)的頻率f1，即：

n·f2≤f1

(3)

將兩個(gè)波形進(jìn)行乘法運(yùn)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(lì)信號(hào)仿真波形圖如圖4所示。

圖4 仿真波形圖

實(shí)際波形電壓輸出如圖5所示。

圖5 實(shí)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(lì)脈沖寬度不變的情況下，通過(guò)控制每秒輸出脈沖的個(gè)數(shù)，能夠減少占空比的計(jì)算。當(dāng)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(shí)間為：

(4)

當(dāng)輸出高電平持續(xù)時(shí)間不變而希望輸出波形頻率為fz的方波時(shí)，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(guò)設(shè)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(gè)數(shù)前后，輸出波形電壓對(duì)比圖如圖6所示。

圖6 控制前后對(duì)比圖

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

實(shí)現(xiàn)半波整流分為4步：(1)設(shè)置波形參數(shù)，產(chǎn)生基本波形；(2)將產(chǎn)生的波形取絕對(duì)值；(3)將產(chǎn)生的基本波形與取絕對(duì)值以后的波形相加；(4)將第3步獲得的波形取均值。經(jīng)過(guò)這3步即可獲得整流后的波形。對(duì)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(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)，需要考慮其多種參數(shù)可能對(duì)后續(xù)電路帶來(lái)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(shí)際參數(shù)與設(shè)置參數(shù)有所差異，波形顯示vi可顯示輸出波形的詳細(xì)信息，針對(duì)實(shí)際需求對(duì)波形參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使最終產(chǎn)生的波形與預(yù)期波形之間的差異達(dá)到最小。

圖7 半波整流仿真圖

幅值和電平vi用來(lái)測(cè)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(dāng)設(shè)置的波形幅值為5 V時(shí)，LabVIEW產(chǎn)生波形的實(shí)際幅值小于5 V。利用幅值和電平vi可通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)，使輸出波形的實(shí)際電壓幅值到達(dá)預(yù)期值。瞬態(tài)特性測(cè)量vi接收單個(gè)波形或一個(gè)數(shù)組的輸入信號(hào)測(cè)量每個(gè)波形中選定正躍遷或負(fù)躍遷的瞬態(tài)持續(xù)期、邊沿斜率以及下沖和過(guò)沖。

整個(gè)系統(tǒng)的界面如圖8所示(該界面包含參數(shù)設(shè)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(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本研究選取了PXIe-6341數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)LabVIEW程序結(jié)合NI數(shù)據(jù)采集卡，利用示波器，驗(yàn)證了波形電壓輸出效果。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)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(hào)以及頻率為1 000 Hz,幅值為5 V的正弦波信號(hào)，如圖9所示。

圖9 實(shí)際激勵(lì)信號(hào)波形圖

筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用本研究方法能夠產(chǎn)生多種激勵(lì)信號(hào)，實(shí)際輸出信號(hào)比較穩(wěn)定，準(zhǔn)確度較高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究對(duì)激勵(lì)信號(hào)源產(chǎn)生方法進(jìn)行了研究，利用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)了多種激勵(lì)信號(hào)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(shè)計(jì)了激勵(lì)信號(hào)發(fā)生界面，通過(guò)設(shè)置采樣數(shù)及采樣率的大小選擇激勵(lì)信號(hào)源的頻率范圍大小，通過(guò)信號(hào)源參數(shù)設(shè)置及激勵(lì)信號(hào)源類(lèi)型的選擇實(shí)現(xiàn)了多種信號(hào)源的產(chǎn)生，并且可直觀顯示波形信息；利用DAQmx設(shè)計(jì)了信號(hào)源輸出程序，確定了信號(hào)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(cè)試了實(shí)際輸出的激勵(lì)源信號(hào)。

測(cè)試表明：利用該方法可產(chǎn)生多種激勵(lì)信號(hào)源，產(chǎn)生的信號(hào)穩(wěn)定可靠、準(zhǔn)確度高、應(yīng)用范圍廣。

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