（检测技术与自动化装置专业论文）个人仪器系统构建技术研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 设计和实现了一套个人仪器系统，具体包含一种微弱信号检测仪器和两种电子测量仪 器：数字锁相放大器、逻辑分析仪、数字示波器。系统基于虚拟仪器技术，采用p c d a q 结构，硬件上仅包含一个p c 机和一块数据采集卡，三种不同的仪器仅靠p c 内编写不同 软件来体现。发挥虚拟仪器技术的优点，提高了可扩展性、可维护性，减小了实现的难 度，降低了成本。 论文第一章为引言部分，简要介绍三种仪器在电子测量技术中的应用及国内外的发展 概况。第二章介绍系统总体软硬件结构及各仪器共用的数据采集模块，第三、四、五章 分别依次介绍三种仪器的设计、实现以及测试。 第三章介绍了数字锁相放大器的设计和实现。详细介绍了相关器、9 0 度移相器、幅 值和相位计算模块、时间常数计算模块、过渡时间及每帧样本数计算模块等其它模块的 设计和实现。其中的相关器采用“相乘+ 平均”结构，减小了系统的复杂性和实现的难度。 推导了相关器数学模型，分析了相关器在参考通道分别输入方波或正弦波时，待测信号 通道输入各种不同频率正弦波时的性能特点。9 0 度移相器用带附加相移的数字锁相环实 现，推导了数字锁相环的数学模型，分析了数字锁相环在不带附加相移以及带有附加相 移两种情况下输出信号周期随输入信号周期的变化情况及部分性能特点。并且用n i 公司 的l a w i e w8 2 软件实现了基于该数学模型的双相锁相放大器。 第四章介绍了逻辑分析仪的设计和实现。详细介绍了模数转换模块、序列触发模块、 截取波形模块、设置模块、保存数据及设置模块、读取数据及设置模块、周期及频率测 试模块、光标生成模块等的设计和实现。实现了序列触发、手动触发功能，用户可通过 移动触发光标实现开始触发、终止触发、中心触发等触发方式。触发级数和通道数均可 调。通过开关切换，可以在时序图和状态表之间切换。仪器还提供保存和读取数据及设 置的功能。 第五章介绍了数字示波器的设计和实现。详细介绍触发并截取波形模块、波形测试模 块、显示模式设黄模块、增益及偏移设置模块、保存波形模块、读取波形模块等的设计 和实现。提供普通双通道波形图、通道和差波形图及李沙育图三种显示模式。用户可在 面板上选择显示模式、设置波形的水平增益和偏移及垂直增益和偏移、通过拖动光标测 试波形参数。提供了保存和读取波形数据功能。 第三、四、五章分别介绍了各仪器的测试方法及测试结果。 第六章为结论，介绍系统的特点及不足，以及改进和扩展的方向。 关键词：个人仪器；虚拟仪器；锁相放大器；锁定放大器：逻辑分析仪；示波器 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t ap e r s o n a li i l s t 】m i i l e n t ss y s t e mi sd e s i g n e d 锄di m p l e m e n t e d 1 1 l i ss y s t e mi n c l u d e so n e w e a l 【s i g n 甜d e t e c t i o ni n s t n l i i l e m 锄dt h r e ee l e c 仰i l i cs u r v e y i n gi n s m 啪e n t s ，d i g i t a ll o c k - i n a m p l i 6 e r ，l o g i ca n a l y z e r a i l dd i g i 诅lo s c i l l o s c o p e n sb 勰e do n m 试i n s t n 珊e n t t e c l l i l o l o g y a n dp c d a q 仔a m e w o r k i t sh a r d w 蜀啪i n c l u d e so l l l yap c 强d ad a qc a r d ，w t l i l e i t st h r e ed i 丘宅r e n t 访s t r t 珊e n t sa r ei m p l e m e n t e db yp r 0 伊a m m i n gd i f f e r e n ts o m a r e b e c a u s eo f t h em e r i to f r h l a li i l s t r 啪e n tt e c h l l o l o 卧i t se x p a n d a b i l i t ) r 观dm a i n t a i n a b i l i t ) ra r ee l l i l a i l c e d a n dt h ed i 伍c u l t y 砒l dc o s ti ni m p l e m e n ti sr e d u c e d 1 1 1 ef i r s tc h 印t e ro f “sp 印e ri si n t r o d u c t i o n ，w h i c hg i v e sab r i e fj n 仃o d u c t i o nf o rm e 印p l i c a t i o n o ft h e s et h r e ei n s t n 蚰e n t si ne l e c t r o i l i cs u r y e y i n gt e c l l i l o l o g y觚dt h c i r d e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d t h es e c o n dc h a p t e ri n 仃o d u c e sm eo v e r a l ls t m c t u r ei n s o r w a r ea n dh 踟d w 铀屯a n dt h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e 、h i c hi su s e db yt l l r e ei n s e n t s t h e t h i r d ，f o r t h ，a 1 1 df i 矗hc h 印t e rw i l lr e s p e c t i v e l yi n t r o d u c et h ed c s i g n ，i i n p l e m e n t ，锄dt e s tf o rt l l e t l l r e ei n s t n l m e n t s t h em i r dc h a p t e ri n t r o d u c e s l ed e s i g na n di m p l e m e n to fd i g i t a ll o c k - i na m p l i f i e r 1 1 l e d e s i g na 1 1 di m p l e m e n tf o rc o r r e l a t o r 9 0d e g r e e sp h 勰e 蛳i r e r 锄p l i t l j d ea n dp i 粥ec a l c u l a t i o n m o d u l e ，t i m ec o n s t 锄tc a l c u l a t i o nm o d u l e ，仃锄s i t i o nt i m e 觚dn u m b e ro fs 锄p l e sp e rf h m e c a l c u l a t i o nm o d u l e ，e t c w i l lb ei n t r o d u c e d t h e r e i n t 0 ，廿l ec o r r e l a t o ri sc o n s t n i c t e di n “m u l t i p l i c a t i o n + a v e r a g e ”s t m c t u r e ，w h i c hh a sr e d u c e dt l l ec o m p l e x i t ) ，o f 也es y s t e m 锄i d d i f f i c u i t yo fi m p l e m e n t a n dt t l cc o r r e l a t o r sp e r f o 肌a l l c e 、：h e ns q u a r ew a v eo rs i i l ew a v ei s i n p u t t e dj n l 0j t s 豫f e i i e n c ec h 踟e la n dv 撕o u s 丹e q u c n c i c s0 fs i n ew a v e sa 陀i n p u n e dj n t 0i t s m e 2 u s u r e m e n tc h 锄e li s 锄a l y z e d t h e9 0d e g r e e sp l 璐es m 舭ri si m p l e m e n t c db yad i g i t a l p h a s el o c kl 0 0 pw i t ha d d i t i o n a lp h 雒es h i f t ，w h o s em 到k m a t i c a lm o d e l i sd e d u c e da n ds o n 圮 p e r f 0 彻a l l c e 、) l ，i t ha n d 、) l ，i t h o u ta d d i t i o n a lp h a s es l l i ri s 锄a l y z e d 1 kd u a lp h 嬲el o c k - i n a m p l 弧e rb a s e do nt 1 1 i sm a t h e m a t i c a lm o d e li si m p l e m e m e db yu s i i l gn ic o i p sl a b v i e w 8 2 s o 胁a r e 1 1 1 ef o 柏c h a p t e ri n t r o d u c e sm ed e s i g l la i l di n l p l 锄锄to fl o g i ca n a l y z e r i tp 矾i c u l 捌y i n t r o d u c e st h ei m p l e m e n tf o ra dc o n v e r t i n gm o d u l e ，s e q u e n c et 五g g e rm o d u l e ，e x 慨t i l 鸣 w a v e f o 册m o d u l e ，c o n f i g i l r i n gm o d u l e s ，s a v i n gd a l 协觚dc o n f i g u r a t i o nm o d u l e ，l o a d i n gd a t a a i l dc o i l f i g u r a t i o ni n o d u l e ，p e r i o da l l df r e q u e n c ym e 弱u r e m e n tm o d u l e ，c u r s o rg c n e m t i o n m o d u l ee t c t h es y s t e mp r o v i d e sf 豫c t i o nf o rs e q u e n c et r i g g e r ，m a i l u a lt r i g g e r u s e r sc 锄l l s e m e 如n c t i o no fb e g i nt r i g g e r ，e n dt r i g g e r a n dm i d d l et r i g g e rb yd r a g g i i l gt h ct r i g g e rc u r s 睨 玎 桂林工学院硕士学位论文 t h en 啪b c ro fl e v e l so f 伍g g e rs e q u e n c ea n dm en u m b e ro fc h a i u l e l sa r ea d i u s t a b l e w i t hm e h e l po fas w i t c h ，t l l ei 璐t 姗e n tc 觚b cs w i t c h e db e t v v e e nt i m i n g - d i a g r 锄a n ds t a t e 嘲b l e 髓e o s c i l l o s c o p ea l s op r o v i d e st h em n c t i o no fs a v i i l gw a v e f o m 锄d1 0 a d i n gw a v e f o m t h ee n d so ft l l et h j r d ，f 0 r t h ，锄df i f u lc h a p t e ri n 仃o d u c ee a c hi n s t n 蚰e n t st e s tm e t h o d s 锄d t e s tr e s u l t s t l l es i x mc h a p t e i i sc o n c l l l s i o 氐w h i c hg i v e s 锄i n t r o d u c t i o nf 0 rt l l e c h a r a c t i 嘶s t i c s ， i n s u m c i e n c i e s ，a l l dt l l ed i r e c t i o no f 锄e l i o r a t i n ga i l de x p a n d a b i l i 以 k e yw o r d ：p c r s o n a l i n s t m m e n t ；v i r t 吲i i l s t m m t ， o c k - i na m p l 嫡e r l o 西ca 工l a l y z c f ； o s c i l l o s c o p e ；o s c i l l o g r 印h 1 1 1 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在陆绮荣副教授指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以 了谢意。 学位论文作者( 签字) ：! 查至三! 望 签字日期：丝翌圣主鱼塑! ! 璺 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要 求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提 供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵 守此规定) 撇论曩篡鼗 指导教师签字： l 叁! 兰红 签字日期：2 嫂塞：丕! 12 桂林工学院硕士学位论文 第一章引言 国家的工业化需要高水平仪器仪表工业的支持。我国目前绝大部分国产仪器仪表的技 术水平仅相当于国际上9 0 年代初、中期的水平。研制自己的仪器仪表对我国工业的发展 有重要意义： 电子测量仪器发展至今大体可分为四代【l 】： 第一代，模拟仪器。如指针式万用表等。 第二代，数字化仪器。如数字电压表、数字频率计等。这种仪器把模拟信号转化为 数字信号，再进行测量，并以数字方式输出结果，适用于快速响应和较高准确度测量。 第三代，智能仪器。这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又有一定数据处理 能力。它的功能全部以硬件或固化软件形式存在。相对虚拟仪器而言，在开发和应用方 面都缺乏灵活性。 第四代，虚拟仪器。虚拟仪器是计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物， 是传统仪器观念的一次重大变革，是将来仪器产业发展的一个重要方向。 由于p c 机的飞速发展，虚拟仪器自8 0 年代诞生以来性能已经获得很大提高。由于 它是一门新兴技术，抓住机会研究虚拟仪器有助于缩小我国与发达国家在仪器仪表方面 的差距。 传统的独立式仪器在各方面的性能已达到了非常高的水平，但这些仪器大多价格昂 贵，一般用户难以承受。虚拟仪器是在通用计算机平台上配上功能强大的应用软件、低 成本的硬件及驱动程序共同完成传统仪器的功能1 2 j 。 以往，电子工程师、电器维修人员、电子爱好者常需要花较多费用购买万用表、示波 器等设备，或者因为价格昂贵而无法购买，且配置多台测量仪器往往占用很大空间。基 于虚拟仪器技术的个人仪器系统将有可能为电子工程师、电器维修人员、广大电子爱好 者等用户提供廉价、实用、占用空间小的电子测量仪器。 该课题发挥虚拟仪器的优点，实现了硬件资源的共享，降低了成本。由于在目前的条 件下，p c 机几近普及，组建个人仪器系统时也可不必增加p c 的成本。 该系统实现了三种常用仪器，在需要时，还可以在原有的p c d a q 上开发新的软件， 增加频谱分析仪、取样积分器、晶体管测试仪等一系列新的仪器功能，进而组建一个以 p c 、d a q 以及相关软件为基础的电工电子实验系统，或者虚拟个人实验室1 3 j 。 1 1 锁相放大器( l o c k ina m pi ifie r ) 锁相放大器( 也叫锁定放大器) 是微弱信号检测仪器中一个十分重要的品种，它以相 关器为核心，能在强噪声条件下检测微弱信号的幅值和相位，在弱光、小位移、小电容、 桂林工学院硕士学位论文 微振动的检测中得到广泛应用。 一 1 9 6 2 年，美国p a r c ( p r i n c e t o na p p l i e dr e s e a r c hc o 币o r a t i o n ) 公司研制成功世界上 第一台锁相放大器，用于固体表面组分分析，首次发现了俄歇( a u g e r 峰) ，并很快形成 商品，为物质表面组份分析和表面电子能态研究提供了重要手段【4 】。 四十多年来，锁相放大器获得了很大发展，在检测频带、动态范围、检测精度都有飞 跃式提高。尤其是随着数字信号处理技术的发展，出现了数字锁相放大器，克服了模拟 锁相放大器由物理器件引起的难以克服的缺陷，如零点漂移、非线性失真等。 国外开发较成熟的产品有：美国e g & g ( 原p a r c ) 公司研制的1 2 4 a 模拟锁相放大 器、7 2 8 0 双相模拟锁相放大器；美国斯坦福研究系统公司研制的s r 8 3 0 、s r 8 5 0 数字锁 相放大器：同本n f c o r p 公司研制的多功能数字锁相放大器l 1 5 6 4 0 和l 1 5 6 3 0 等【4 】。另 外美国国家仪器公司( n i ，n a t i o n a li n s t 九姗e n t s ) 已研制出虚拟数字锁相放大器入门工具： n il o c k i na m p l i f i e rs t a r c - u pk j t 。 国内南京大学微弱信号检测中心开发出新一代n d 系列锁相放大器；信息产业部电子 第四十一研究所研制了a v 3 8 9 l 锁相放大器；暨南大学已研制出虚拟锁相放大器。 锁相放大器大多价格昂贵，如l 1 5 6 4 0 网上售价7 6 0 0 0 元，s r 8 3 0 售价也要5 0 0 0 0 元。 1 2 逻辑分析仪( l o g i ca n a i y z e r ) 2 0 世纪7 0 年代以来，计算机和微电子技术得到了迅猛发展，大规模、超大规模集成 电路及微处理器得到了广泛应用。为了解决数字系统及计算机在研制、生产、检修中的 测试问题，数据域测试技术应运而生【5 1 。数据域测试面对的对象是数字逻辑电路，数字 逻辑电路以多位“0 ”、“l ”数据流的不同组合表示具有一定意义的信息。随着数字电路系 统复杂程度的日益增加，节点测试法已无法满足测试要求，而必须借助逻辑分析仪。 2 0 世纪7 0 年代，美国h p 公司和b i o m a t i o n 公司分别研制出状态分析仪和定时分析 仪1 6 j ，两者最初很不相同，但后来合并为逻辑分析仪。 到了8 0 年代后期，逻辑分析仪变得日趋复杂，使用也日趋困难。如为了应付条件语 句等复杂事件而引入多电平树形触发。 近年来，逻辑分析仪逐渐在与计算机融合。高性能逻辑分析仪几乎都内嵌计算机，充 分利用了计算机强大的数据处理、存储、显示等功能，大大提高了仪器的总体性能。 目前市场上的逻辑分析仪主要有两类：一类是独立式逻辑分析仪，主要供应商有安捷 伦和泰克：另一类为基于p c 的卡式虚拟逻辑分析仪，主要供应商为美国国家仪器公司【7 j 。 独赢式逻辑分析仪采样率已达8 g s 挑，通道数可扩充到3 0 0 通道以上 引。基于p c 的卡式 逻辑分析仪采样率也达到几百兆以上。 国内发表的有关逻辑分析仪的论文有西安电子科技大学电子工程学院任爱锋，孙肖 2 桂林工学院硕士学位论文 子，郭万有的基于p c 的个人逻辑分析仪设计、西南石油学院电子信息工程学院李爱 华，王庆的基于p c 机的虚拟逻辑分析仪的设计等。这些逻辑分析仪大多也需要较多 硬件支持。基于采集卡的逻辑分析仪在国内仅见温州师范学院物理与电子信息科学系吴 桂初、李晓淼研制发表的基于l a b v i e w 的虚拟逻辑分析仪。 1 3 示波器( 0 s c i ii o g r a p h ) 示波器是使用最广泛的电子测量仪器，它能直观地显示电信号随时间变化的图形，以 便用户观察信号的波形、幅度、周期、频率等基本参数，以及脉冲信号的前后沿、脉宽、 上冲、下冲等参数。 1 8 7 8 年，英国人w 克鲁克发明阴极射线管( c r t ) ，为示波器的出现奠定基础。1 9 3 4 年，b 杜蒙发明1 3 7 型示波器，被认为是现代示波器的雏形。从此以后示波器的发展可 大致分为三个阶段1 9 j ： 2 0 世纪3 0 5 0 年代。该阶段为示波器的诞生和实用化阶段。美国泰克公司于4 0 年代成功开发带宽1 0 m h z 的同步示波器，被认为是现代示波器的基础。1 9 5 8 年，模拟 示波器的带宽达到1 0 0 m h z 。 2 0 世纪6 0 年代。示波器技术水平不断提高阶段。这一时期，美国、日本、英国、 法国在电子示波器开发方面各自取得不同成果，研制出6 g h z 取样示波器、带宽4 g 行波示波器、1 g h z 存储示波管：也出现便携式、插件式系列产品。 2 0 世纪7 0 年代以后。模拟示波器指标进一步提高和数字示波器诞生和发展阶段。 这一阶段，得益于器件技术的发展和工艺水平的提高，模拟示波器的发展达到高峰。从 1 9 7 1 年到1 9 7 9 年，模拟示波器的带宽从5 0 0 m h z 提高到l g h z 。模拟示波器从此没有更 大发展，开始让位于数字示波器。 数字示波器自7 0 年代诞生以来，应用越来越广泛，已成为测试工程师必备工具之一。 8 0 年代是示波器的转型阶段，美国泰克公司和惠普公司对示波器的发展作出了重要贡献。 9 0 年代及本世纪以来，数字示波器的性能全面超越模拟示波器。如带宽上升到1 0 g h z ， 取样率从带宽的2 倍上升到5 倍甚至1 0 倍。美国t e k n o n i x 公司的t d s 6 0 0 0 b 系列数字 存储示波器，通道数为4 ，采样率2 0 g s 彬s l l 0 1 。 目前市面上出售的示波器主要有模拟示波器、数字示波器、虚拟示波器。其中虚拟示 波器多为卡式示波器，自身不带控制、显示等部分功能，必须与p c 机连接才能使用。由 于需要较多硬件支持，这几类示波器价格均较高。 p c d a q 结构的数字示波器从发表论文情况来看已取得丰硕成果，如内蒙古大学理工 学院电子工程系自凤山，铁勇研制发表的多功能虚拟示波器的研究与实现、郑州大学 信息工程学院谢凯，姬建伟，禹延光研制发表的基于l a b v i e w6 i 的虚拟示波器设计 3 桂林工学院硕士学位论文 等。 1 4 虚拟仪器( v ir t u a il n s t r 姗e n t ，v i ) 虚拟仪器是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的全新概念仪器，是对传统仪器的 重大突破，是仪器领域的一次革命1 1 1 1 。它把许多传统仪器中由硬件完成的信号处理功能， 交由计算机软件处理，大大降低了仪器的成本。 虚拟仪器在计算机的显示屏上虚拟了传统仪器面板，操作人员在虚拟面板上用鼠标、 键盘对各控件进行操作，对被测量进行采集、显示、分析、处理、存储等。它与传统仪 器相比有许多优点： 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较f 1 2 】 虚拟仪器传统仪器 关键是软件 关键是硬件 用户定义仪器功能厂商定义功能 软件的应用使开发和维护费用降低开发和维护费用高 开放、灵活，与计算机技术同步发展封闭、固定 与网络及其它周边设备互联方便功能单一、互联功能有限 价格低，可重复利用价格昂贵 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 l o 年) 开发维护费用低开发维护费用高 随着p c 机硬件性能的飞速发展，性能随之不断提高的虚拟仪器将在很多场合代替传 统仪器。 1 5l a b vie w 虚拟仪器是基于计算机的测试仪器，传统仪器的关键在硬件，而虚拟仪器的关键是软 件。在该个人仪器系统中，软件设计占了绝大部分工作量。 该方案的软件部分采用l a b v i e w8 2 作为开发工具。l a b v i e w 是n i 公司推出的一 种图形化的编程语言和开发环境，它被工业界、学术界、和研究所广泛接受，并公认为 标准的数据采集和仪器控制软件。象c 、v c + + 、d e l p h i 一样，l a b v i e w 也是一种编程 语言，但它与传统计算机语言相比，又有很大不同。传统的编程语言要么是纯文本的( c 语言) ，要么虽然界面设计是图形化的，但代码部分仍是文本形式的( d e l p i l i ) 。而l a b v i e w 的界面设计和代码设计都是图形化的( 因而被称为g 语言) ，这就大大降低了程序设计的 难度，使得测试工程师可以专注于实现仪器功能，而不是跟程序文本代码做艰苦斗争。 4 桂林工学院硕士学位论文 第二章总体设计 2 1 硬件结构 该个人仪器系统硬件上采用p c d a q 结构，总体结构图如图2 1 所示，包括p c 机、 d a q 以及信号线。软件原则上可以使用任何一种高级语言或汇编语言实现，这里选用 n i 公司的l a b v i e w8 2 。在软件实现后，p c 机的配置、d a q 的型号均可根据需要进行 选择，但作为一个具体例子，这里的d a q 选用n i 公司的u s b 6 0 0 9 。 图2 1 系统总体结构 仪器的总体结构可大致分为三大部分：数据采集、信号处理、结果表达与仪器控制。 在传统仪器中，这三部分均由硬件实现。在虚拟仪器中，除数据采集部分用硬件实现外， 其余部分均在p c 机中用软件实现。各部分与传统仪器在功能上的对应关系是：d a q 一 数据采集，p c 机( 包含必要软件) 一信号处理及结果表达与仪器控制，如图2 2 【1 3 1 所示。 该个人仪器系统中，p c 机和数据采集卡为三个仪器共享，不同的功能由软件体现。 健统 戈嚣馁韩电予线路)硬件( 电予线路) 硬件黛冢器玛斑钒， | 蝴张 e 到 廉拟仅器缝件嗽予缝璐)i 汁舅机软件算法) 计籍帆硬件 | ( 拖承嚣吩廛般旋镪) l 。 一j l 。 。，。，。，。j i! ， 计算机系统资源 图2 2 虚拟仪器各部分与传统仪器的对应关系 5 桂林工学院硕士学位论文 2 2 软件结构 系统软件部分总体模块结构图如图2 3 所示。p e r s o n a l i n s t m m e n t s y s t e m v i 为系统顶层 主控模块，其界面为顶层主界面( 图2 4 ) 。第二层的三个模块分别对应三个仪器各自的 二级主控模块：l o c k i n a m p l m e r v i ( 锁相放大器) 、l o g i c a n a l y z e r v i ( 逻辑分析仪) 、 d 珥t a l o s c i l l o g r a p h v i ( 数字示波器) 。第三层的三个模块功能是控制d a q 进行数据采集： p r e d a q v i ( d a q 准备模块) 、d a q m xr e a d v i ( d a q 读数模块) 、s t o p d a q v i ( d a q 停 止模块) 。由于i 个仪器所用的d a q 编程模型相同，因此数据采集的这三个模块由三个 仪器共享。此外，第二级的3 个二级主控模块还调用各自的子模块，因数目较多，图2 3 未画出，但将在后面各章陆续介绍。 p e r s o n a l j n s t l l j m e n t s y s t e m v i 厂 l 。c k i n a m l ：；i i f i e r v il o g i c a n a l y z er v id i g i t a l o s c i l l o 擘，a p h v i l l p r e d a o v id a o m xr e a d v i s t o p d a q v i 熬獭藤螽 图2 3 软件总体模块结构图 图2 4 顶层主控模块界面图图2 5 主控模块框图 顶层主控模块的程序框图如图2 5 所示。框图的基本结构是一个循环，循环内部包含 3 个选择结构，三个选择结构的条件端口分别连接于前面板上的三个按钮，选择结构的 t m e 分支分别放置三个仪器各自的主程序模块。这个循环不断检测前面板上的按钮，当 用户点击主界面某一按钮时，按钮值为t r u e ，对应的仪器模块被调用，同时弹出对应的 6 桂林工学院硕士学位论文 仪器界面，供用户测试用，同时主控模块挂起( 循环暂停执行) 。当用户测试完毕后，按 下测试仪器面板上的“退出”键，则对应仪器面板隐藏，返回主界面，主控模块的循环结 构继续执行。若用户按下主控面板上的“退出”键，则主程序退出。图2 6 为主控模块流程 图，图中有一个步骤是延时o 1 秒，作用是减少空闲时期，即主控模块运行时期的c p u 占用率。 2 3 数据采集模块 图2 6 主控模块程序流程图 l 在l 曲v i e w8 2 中，d a q 支持三种工作模式：单点采集、多点采集、连续采集【14 ，”】。 单点采集是指p c 机每提出一个请求，d a q 采集一个样本，并送p c 机。这种方式的特 点是每读一个样本，都必须经过“创建虚拟通道”、“读取一个样本”、“清除任务”3 个步骤， 因而速度慢，且各个样本之间难以精确定时；多点采集是指p c 机每提出一个请求，d a q 采集n 个样本，并送p c 机。这种方式虽然实现了一帧数据内各个样本之间的精确定时， 速度也较快，但帧与帧之间仍无法精确定时，且每采集一帧数据也都必须经过“创建虚拟 通道”、“设置定时方式”、“启动采集任务”、“读取n 个样本”、“停止采集任务”、“清除任 务”6 个步骤，这也在一定程度上影响效率。该方案采用连续采集方式，该方式的特点是， p c 机连续地从采集卡读入数据，每次读一帧，帧内样本之间、帧与帧之间均可精确定时。 且仅在采集第一帧数据之前执行“创建虚拟通道”、“设置定时方式”、“启动采集任务”3 个 步骤，采集完最后一帧数据之后执行“停止采集任务”、“清除任务”两个步骤。这种方式 对该系统的3 个仪器来说效率较高。连续采集程序模型如图2 7 所示【1 4 ，”】。 7 桂林工学院硕士学位论文 图2 7 连续采集程序模型 为了减小程序框图的大小，使程序结构更清晰，“创建虚拟通道”、“设置定时方式”、 “启动采集任务”3 个步骤被封装为“d a q 准备模块”，分别使用l a b v i e w8 2 提供的模块 d a q h l xc r e a t e m 试c h a n n e l s v i 、d a q m xt i m i n g v i 、d a q m xs t a n1 b k v i ；“停止采集 任务”、“清除任务”两个步骤也被封装为“d a q 停止模块”，分别使用l a b v i e w8 2 提供 的d a q m xs t o p 协k v i 、d a q r n xc l e a r 协k v i 。读取样本使用的也是系统提供的模块 d a q m xr e a d v i 。简化后的连续采集程序模型如图2 8 所示，本系统三个仪器采用的都 是这模型。 图2 8 简化后的连续采集程序模型 连续采样模式下，l a b v i e w 使用循环缓冲技术“4 ，i 别。在该方式下，l a b v i e w 根据预 设值在内存中给程序分配一循环缓冲区，在d a q 往其中写入数据的同时，应用程序可从 其中读取数据。第一次采集数据时，d a q 从缓冲区的起始端开始存放数据，当缓冲区填 满时，d a q 又从起始端重新存放新的数据，同时，旧的数据将被覆盖。显然，循环缓冲 c ； = 瓦一后( 1 一七工) 3 乃。一k 1 + ( 1 一七l ) + ( 1 一七l ) 2 】( 瓦一正) 乃。= 乃3 + ( 五一z ) = ( 1 一吒) 3 乃。+ 【1 + ( 1 一七) + ( 1 一吒) 2 】( 瓦一乃) + 瓦一后l ( 1 一尼l ) 3 乃。一后l 1 + ( 1 一七l ) + ( 1 一七l ) 2 】( 瓦一互) 一z = ( 1 一七l ) 4 乃。+ ( 1 一七) 【1 + ( 1 一尼l ) + ( 1 一七) 2 】( 瓦一互) + ( 瓦一互) = ( 1 一后。) 4 乃。+ l + ( 1 一丸) 【l + ( 1 一吒) + ( 1 一七l ) 2 】) ( 毛一1 ) = ( 1 一吒) 4 乃o + 【l + ( 1 一吒) + ( 1 一吒) 2 + ( 1 一吒) 3 】( 瓦一互) 显然有 乙= 磊一吒( 1 一吒) ”1 乃。一吒【l + ( 1 一吒) + + ( 1 一吒 肛2 】( 蜀一z ) ( 栉1 ) = 瓦一膏l ( 1 一吒) 加1 乃。一吒觜( 瓦一互) = 瓦一后。( 1 一忌) ”川乃。一【1 一( 1 一七l ) ”- 1 】( 瓦一乃) ( 其中一1 1 一丸 l 0 吒 2 ) 7 砌= ( 1 一吒) ”乃o + 【l + ( 1 一吒) + + ( 1 一吒) 舻1 】( 瓦一霉) = ( 1 一尼) ”乃。+ 觜( 瓦一乃) ：( 1 一七) n 乃。+ 里掣( 瓦一互) ( 一l 1 一吒 1jo 吒 2 ) 所以，输出信号周期的通项公式为： 个i 瓦一谚l 乃。 刀= 1 i n 。1 瓦一七l ( 1 一七l ) 肛1 乃。一【1 一( 1 一七l ) ”一1 】( 瓦一互) 玎2 因为当铲1 且刀= 1 时，通项公式中( 1 晚) 加1 无意义，所以把萨1 单独考虑。 桂林工学院硕士学位论文 若令护l 则死收敛最快 瓦= 瓦一磊焉：z 三 若o 缸 2 但缸1 ，则当刀_ 时死_ 死( 一功= 乃。 时差的通项为 瓦= ( 1 一吒) 一乃。+ 旦型攀( 瓦一正)( 以1 咒工 若令妒1 则玩收敛最快 乙= ( 瓦一互) ( ，l 1 ) 若o 吒 2 但k l ，则当甩寸时一( 瓦一霉) 。 斥工 将兢= l 带入以上人工执行锁相环算法的结果可得周期的值： 互= 瓦一吒乃。 = 瓦一 正= 瓦一k ( 1 一屯) 乃。一吒( 瓦一z ) 瓦一( 瓦一互) = z 正= 瓦一吒( 1 一t ) 2 乃。一k 【l + ( 1 一吒) 】( 瓦一乃) = 瓦一( 瓦一乃) = z 锁相环通过检测输入、输出信号的一对上升过零点计算时差，并于后一个过零点时刻 计算新的周期值。可见，若取觑= 1 ，则当疗= 2 ，即出现第2 对上升过o 点时，计算得到 周期的值辟乃，即输出信号在紧接着这一对上升沿的下一周期被输入信号锁定。以上推 导过程假定乃恒定不变，但可以推测，若锁相环运行的第胛对上升沿之前的周期当中， 乃突然变为乃，则输出信号将在紧接着第纷+ 2 对上升沿之后周期重新进入锁定状态。 由以上分析可知，普通锁相环当灵敏度取值范围为o 兢q 时可以锁定，其中妒1 时 周期收敛最快，过渡时间最短( 3 m a ) 【( 乃，珊) 。该值与工作频率等其它因素无关。 ( 2 ) 带附加相移的锁相环 设锁相环带附加相移删，输入信号周期为乃，数控振荡器固有振荡周期为死。同 样设时差初值为，此时锁相环的周期变化用伪码表示为图3 1 2 0 为简化分析，假定舻乃，则由附加相移引起的附加时移为 = 等= 器= 等警= 常量 1 6 桂林工学院硕士学位论文 l = 乃o w h i l e ( 1 ) 乙= 缈耐丁( 2 7 r ) r = 瓦一吒( 乃一乙) 乃= 乃+ ( 丁一乃) ) 图3 1 2 带附加相移的锁相环周期变化伪码 于是以上伪码可简化为图3 1 3 。 乃= 乃o w h i l e ( 1 ) 丁= 瓦一七( 乃一) 乃= 乃+ ( 丁一互) ) 图3 1 3 带附加相移的锁相环周期变化伪码( 简化后) 同样人工执行前4 次循环： 初始化：乃= 乃。 正= 瓦一吒( 乃。一乙) = 兀一吒乃。+ 吒 瓦。= 乃o + ( 互一i ) = 兄。+ 瓦一吒乃。+ 吒乙一霉 = ( 1 一七l ) 乃o + 七+ ( 瓦一1 ) ( 劣疋= 瓦一屯( 乃。一) = 瓦一七l 乃l + 晚z 材 = 瓦一后l 【( 1 一尼) 乃o + 七l z 乙+ ( 瓦一霉) 】+ 七l 乙 = 瓦一七( 1 一七l ) 瓦。一砭乙一七( 瓦一z ) + 七l = 瓦一吒( 1 一吒) 兀。+ 吒( 1 一吒) 乙一吒( 瓦一z ) 乃：= 乃，+ ( 疋一i ) = ( 1 一吒) 乃。+ 吒乙+ ( 瓦一z ) + 瓦一吒( 1 一吒) 乃。+ 吒( 1 一吒) 一吒( 瓦一z ) 一霉 = ( 1 一后) 2 乃o + 七l 【1 + ( 1 一吒) 】z 耐+ ( 1 一七l ) ( 瓦一z ) + ( 瓦一z ) 1 7 桂林工学院硕士学位论文 = ( 1 一吒) 2 乃o + 七l 【1 + ( 1 一七l ) 】z d + 【1 + ( 1 一七) 】( 瓦一z ) ( 蓼五= 瓦一七l ( 乃z z 订) = 瓦一吒乃：+ 吒 = 瓦一吒 ( 1 一吒) 2 乃。+ 吒【l + ( 1 一吒) 】乙“l + ( 1 一吒) 】( 瓦一z ) ) + 吒乙 = 瓦一吒( 1 一后l ) 2 乃。一后：【l + ( 1 一吒) 】7 乙一吒【l + ( 1 一后) 】( 瓦一互) 十七l z 日 = 五一七l ( 1 一吒) 2 乃o + 七 l 一七l 1 + ( 1 一七) 】 7 0 一足【l + ( 1 一七) 】( 死一互) = 瓦一吒( 1 一吒) 2 乃。+ 吒【1 一吒一吒( 1 一吒) 】乙一吒【l + ( 1 一吒) 】( 瓦一霉) = 瓦一七( 1 一七工) 2 乃。+ 七l ( 1 一吒) 2 z 耐一七【1 + ( 1 一吒) 】( 瓦一霉) 乃，= 乃：+ ( 五一z ) = ( 1 一) 2 乃o + 吒【1 + ( 1 一丸) 】乙+ 1 + ( 1 一吒) 】( 瓦一乃) + 瓦一七，( 1 一七l ) 2 乃o + 后l ( 1 一尼) 2 一七l 1 + ( 1 一后) 】( 瓦一乃) 一互 = ( 1 一七l ) 3 乃。+ 七l 【1 + ( 1 一忌l ) + ( 1 一七工) 2 】z 乙+ ( 1 一七l ) 【1 + ( 1 一七l ) 】( 死一互) + ( 瓦一正) = ( 1 一后l ) 3 乃o + 后l 【l + ( 1 一吒) + ( 1 一后) 2 】乙+ l + ( 1 一吒) 【1 + ( 1 一吒) 】) ( 瓦一互) = ( 1 一吒) 3 乃o + 吒 1 + ( 1 一吒) + ( 1 一吒) 2 】乙+ 1 + ( 1 一) + ( 1 一吒) 2 】( 瓦一z ) ( 9l = 瓦一吒( 瓦，一乙) = 瓦一吒乃，+ 吒 = 瓦一忌l ( 1 一后l ) 3 乃o + 七【1 + ( i 一七l ) + ( 1 一七) 2 】z 耐+ 【l + ( 1 一七l ) + ( 1 一七l ) 2 】( 一互) + 吒乙 = 瓦一吒( 1 一轧) 3 乃。一砖【1 + ( 1 一吒) + ( 1 一吒) 2 】 一尼 【l + ( 1 一后) + ( 1 一七) 2 】( 瓦一互) + 七l = 瓦一吒( 1 一吒) 3 乃。+ 吒 1 一吒【1 + ( 1 一吒) + ( 1 一吒) 2 】) 一屯【1 + ( 1 一吒) + ( 1 一吒) 2 】( 瓦一乃) = 瓦一吒( 1 一忌l ) 3 乃。+ 尼。 1 一后一吒( 1 一后l ) 一后工( 1 一吒) 2 】) 乙 一七【1 + ( 1 一后l ) + ( 1 一七) 2 】( 瓦一z ) = 瓦一吒( 1 一吒) 3 乃。+ 七。 ( 1 一尼) 2 一七l ( 1 一七l ) 2 】 乙 一吒【1 + ( 1 一吒) + ( 1 一晚) 2 】( 瓦一z ) = 瓦一吒( 1 一后l ) 3 乃o + 七l ( 1 一后l ) 3 z 耐一七l 【1 + ( 1 一吒) + ( 1