基于虚拟技术的频率特性测试仪的研制

基于虚拟技术的频率特性测试仪的研制

     摘 要：分析系统的频率特性，介绍了频率特性测试仪的结构和原理，论述了基于虚拟技术频率特性测试仪的软硬件实现。
    
     关键词：测试；频率特性；虚拟仪器|仪表；LabVIEW?
    
     1系统的频率特性分析
    
     若对一传递函数为G(s)的线性系统输入一谐波信号x?i(t)=X?isinωt，根据微分方程解的理论，系统的稳态输出也为同一频率的谐波信号，只是幅值和相位发生了变化。对于给定系统，其输出的幅值和相位都是输入信号频率ω的函数，所以系统的稳态响应为xO(t)=X?O(ω)sin［ωt+φ(ω)］。将系统对输入为谐波时的稳态响应称为频率响应，当输入信号频率ω不同时，系统的响应也不同。系统的幅频特性A(ω)=和相频特性φ(ω)总称为系统的频率特性，它也可以用实频和虚频两部分表示。系统频率特性分析就是分析其幅频特性和相频特性随频率变化的规律，即在频域中研究系统的特性。?
    
     2传统频率特性测试仪?
    
     2.1函数发生器
    
     函数发生器主要用来产生正弦信号，为被测系统提供激励信号。晶体振荡器产生频率为1.62048MHz的正弦振荡，经整形分频成810.24kHz的时钟脉冲，此脉冲进入频率组合器，同时由面板频率控制旋钮控制的信号细调混频器将选定的工作频率信号也送入频率组合器，形成每周1688个脉冲送给数字振荡器。数字振荡器产生数字式正弦波和数字式余弦波，数字式正弦波经过一个不接地的、独立的数模转换器和三阶滤波器即可获得以阶梯波逼近的正弦波，作为系统的激励信号。同时数字振荡器将数字式正弦波和数字式余弦波输出给相关器部分的乘法器。?
    
     2.2相关器
    
     相关器主要接收被测系统的输入和输出信号，进行结果的计算分析与输出。其相关原理为，被测系统的输出信号经一个不接地和独立的模数转换器，将电压转换成脉冲，基频振荡正负半周脉冲数之差，正比于输入幅度的大小。模数转换器的输出，经过一个由面板频率控制旋钮控制的信号细调混频器，使它与函数发生器同步，这样，相关器便自动权衡激励频率的周期。混频器输出至两个并列的数字式乘法器，分别与函数发生器的正弦波及余弦波相乘。正弦和余弦两个通道上的积分器将乘法器的输出，在激励信号基频整数倍的周期内平均，此过程为相关，经相关分析即能得出实频特性和虚频特性，并判定象限，在数字显示器上分别显示出来。
    
     3虚拟频率特性测试仪的组成
    
     3.1虚拟频率特性测试仪的硬件组成原理
    
     虚拟频率特性测试仪的硬件主要由计算机、基于PCI总线的接口板PCI9114和接线端子板ACLD9118组成，其组成框图见图2。?
    
     在计算机中，主要完成以下一些工作，用LabVIEW语言编制仪器输入输出的虚拟面板，完成测试的输入输出工作；用LabVIEW语言实现函数发生器算法，产生测试所需的信号经PCI9114和ACLD?9118送入被测系统作为输入，再将被测系统的输出经ACLD?9118和PCI9114送入计算机中；用LabVIEW语言编制相关算法程序以完成对被测系统输入输出进行的相关分析。
    
     PCI9114为基于PCI总线的模拟/数字输入输出板卡，ACLD?9118为接线端子板，该产品提供相应的驱动程序和与LabVIEW语言连接的软件包，它们与计算机一起组成虚拟测控平台，所以基于虚拟技术的频率特性测试仪的研制工作大部分在算法的设计及编程实现上，充分体现了虚拟仪器的“软件即仪器”的宗旨。?
    
     3.2虚拟频率特性测试仪的软件系统设计
    
     虚拟频率特性测试仪用软件和虚拟测控平台取代了原传统仪器中的函数发生器和相关器；软件编程平台选择美国NI公司的LabVIEW编程语言。它的应用程序由三部分组成：前面板、框图程序和图标/连接器。虚拟频率特性测试仪的软件主要由以下几部分组成：类似于传统仪器控制面板的虚拟仪器控制和输出面板；函数发生器；相关器；测试报告。编制的虚拟仪器功能面板如图3所示。?
    
     其中频率输入和幅值输入部分的旋钮主要用来调节函数发生器产生的输出信号的频率和幅值，该旋钮值以变量的形式传送给函数发生器模块，函数发生器根据此值产生相应幅值和频率的正弦波信号，为被测系统提供不同频率和幅值的激励信号，同时函数发生器也按该变量值产生相应幅值和频率的余弦波信号，将该余弦波和正弦波信号送给相关器模块，为相关分析过程提供所需的正、余弦信号。被测系统的输入输出信号也送给相关器，并在功能面板上的输入输出坐标图中同步显示如图3左下的两个坐标图。相关器接收到系统的输入输出信号后，即对其进行相关分析，得出被测系统在该激励信号作用下频率特性的实部和虚部幅值。
    
     按功能面板上的“下一个”按钮，可调节频率输入旋钮以获得不同频率的激励信号，进行下一次测量，这样可测得多个频率特性的实部和虚部幅值，这些测点值以数组变量的形式输入给功能面板模块中的频率特性坐标，在该坐标图上将被测系统的频率特性显示出来，同时也以数据的形式在功能面板上输出，见图3右部，另外，点击面板上的“生成报告”按钮，可生成测试报告并通过打印机打印出测试报告。?