[NI技术] LabVIEW和PXI技术的高精度超低频发射系统的开发

NI技术 LabVIEW和PXI技术的高精度超低频发射系统的开发一、系统硬件构建1. 1系统硬件组成如图1所示：本系统主要由控制器、高稳定时钟源、任意函数发生器、7位半数字万用表、显示器、键盘、鼠标、低频功率放大器和发射天线组成。图1硬件组成示意图文中附录图片请点击文章右上角（图片）链接查看1. 2高稳定信号源的建立由于本系统对发射信号的频率准确度和稳定度要求较高，需要满足频率准确度110-8，频率秒稳定度110-11。虽然PXI-5421板载时钟精度满足不了要求，但是NI公司的PXI-6653方便地解决了时钟源精度的问题。它可以方便的将高精度的时钟源信号取代PXI-5421的时钟源，从而使PXI-5421输出的信号频率稳定度和准确度与PXI-6653的基准时钟源一致。为了验证PXI-6653的时钟精度，我们对其10MHz的时钟源信号进行了测试，测试地点在中国电波传播研究所计量站（国家二级计量站，具有时间频率计量资格），测试框图如图2所示。测试的仪器型号为：XH3596B频稳测试仪 CH1-76氢钟频标以上测试在开机预热半小时后进行测量。测试数据如表1所示，由于篇幅有限本表格仅列出了前10组数据（每50秒一个测试数据）。从上面的数据可以看出，开机预热半小时后PXI-6653的时钟精度远远满足当前系统的要求。1. 3任意波形生成和大动态范围信号源的构建在本系统中要实现任意定制波形的发射，通过LabVIEW和PXI-5421可以方便的将波形文件还原成模拟信号。发射系统要实现66dB的动态范围以便于控制和调节，要求信号源的输出动态范围也要大于66dB。PXI-5421输出动态范围为5.64mVpp12Vpp，达66.5dB，完全满足该系统的要求。1. 4控制器的构建本系统选择了PXI-8196控制器作为系统的控制终端，配置Pentium M 2.0GHz高性能CPU，板载内存为512M，可以扩展到1G，完全可以运行Windows XP操作系统和虚拟仪器软件LabVIEW 8.20中文版并方便的在该控制器上进行软件开发。1. 5高精度数字万用表的构建美国国家仪器（NI）的7位半数字万用表PXI-4071具有很高的测量精度，在本系统中要求测量的交流电流的范围为100mA2A，测量的电流准确度达到1%，交流电流的带宽为30Hz300Hz。PXI-4071的测量范围为100uA3A，分辨率10uA，测量精度为0.1%，远远满足系统的要求。因此在本系统电流测量中选用了PXI-4071作为电流测量仪器。1. 6功率放大器和天线的构建由于本频段在音频范围内，因此采用通用的音频功率放大器即可满足要求。本系统采用国家半导体公司的LM3886芯片，自行研制的发射机。发射天线采用环行天线设计，设计要求输入阻抗4，发射面积2。整个系统连接后如图3所示。二、软件编程系统软件采用LabVIEW 8.20中文版编写。2. 1发射信号控制的实现3. 1.1波形文件输出与时钟配置在对PXI-5421编程时，需将PXI-6653的恒温晶振的时钟信号取代背板时钟信号Clock10，同时控制可以读取任意波形数据并将其通过PXI-5421输出。程序的后面板程序框图如图4所示。2. 1.2 PXI-5421输出幅度和频率调节的控制在系统工作时要求输出信号的幅度和频率（波形数据文件除外）可以调节，其实现的程序图如图5所示。2. 2 PXI-4071控制的实现本系统中PXI-4071的作用主要是测量精确的电流值，为了保证在工作时测量的速度和精度，单独用一个循环实现。其程序后面板图如图6所示。2. 3软件界面的实现LabVIEW为用户提供了大量虚拟仪器编程控件，使界面设计变得丰富多彩。下面的界面就是应用了LabVIEW提供的容器型、数值型、布尔型和颜色盒等控件编写的界面。三、环境适应性实验由于本系统在野外实验，对环境适应性有一定的要求，本系统中由于采用了PXI-1000B机箱，使控制器等一些模块的温度范围变窄了（根据NI官方的说明书）。为了验证本系统的环境适应性，以及考核NI仪器设备的环境潜力，对本系统中所使用的NI产品进行了环境适应性实验。其实验方法及步骤如下：1. 高低温实验。要求存储温度-40+60，工作温度-10+45，存储时间24小时，恢复到工作温度后保持2个小时，且在工作温度中对PXI-4071的测量准确度进行了检验。结果都满足要求，没有出现任何故障。（注：在实验中对PXI-8196的硬盘更换为固态电子盘）2. 湿热实验。首先从相对湿度95%，温度30环境中，经过2小时变成相对湿度95%，温度60，保持6小时后，经过8小时变为相对湿度95%，温度30，再保持8小时，共24小时为一个周期，循环二个周期后，进行指标测试。3. 冲击。半正弦脉冲，峰值加速度：20g，脉冲宽度：11ms；冲击次数：3次（z轴方向）。4. 震动。扫频范围：5Hz5.5Hz、位移25.4mm；5.5Hz200Hz、峰值加速度1.5g；循环次数：5次；扫描时间：12min（正旋扫频）；振动方向：z轴。在实验中测试的指标主要为PXI-4071测量电流的准确度，检验方法为，在天线和PXI-4071之间串联一更高精度的数字电流表（在本实验中采用的是8508A型8位半数字多用表1台），将该电流表放置在常态状况下。检验的原理图如右图所示：频率（Hz）8位半数字万用表测量值（mA）PXI-4071实测电流值（mA）频率（Hz）8位半数字万用表测量值（mA）PXI-4071实测电流值（mA）165100.59100.611652004.32003.8165100.59100.681652004.32003.8165100.60100.631652004.12003.6165100.62100.661652004.02003.5165100.71100.681652003.82003.3165100.72100.681652003.42002.9165100.73100.691652003.32002.8165100.74100.701652003.32002.8165100.74100.701652003.22002.7165100.74100.701652003.12002.7在上述实验中，均没有进行任何防护和加固，实验中没有出现故障，顺利完成。在湿热实验完成后，除部分螺钉出现锈蚀以及部分板卡的固定铜柱出现白沫状氧化物外，其余功能完好。上述现象均为正常，如果在实验前