虚拟模拟电子线路实验的研究与实现毕业论文.doc

虚拟模拟电子线路的研究与实现本科毕业论文（设计） 论文题目：虚拟模拟电子线路实验的研究与实现学 号：学生姓名：指导教师：所在学院：所学专业： 2016年 5 月 31 日虚拟模拟电子线路实验的研究与实现摘 要 随着时代的发展，科技的进步，已经进入了虚拟仪器的时代。虚拟仪器是电子技术与计算机技术发展的产物，它将逐步取代传统电子仪器。虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，是电子技术与计算机技术发展的产物，应用十分广泛。开发模拟电子线路实验虚拟仪器是把虚拟仪器推广和应用到实验教学过程中的尝试。介绍了虚拟仪器的概念及其系统结构，给出了国内外研究现状。阐述了虚拟仪器系统的工作原理。讨论数据采集卡性能指标和虚拟仪器波形采集、波形输出及其关键技术。利用模拟电子线路虚拟仪器，通过使用Lab VIEW环境开发的低频放大器、高频放大器、调频及鉴频、调相及鉴相5个实验项目虚拟仪器研究成果。提出了直接鉴频、直接鉴相和间接调相的新方法，并将它们应用于调相及鉴相虚拟仪器，实验表明，这些方法易于实现，得到了满意的结果。关键词：虚拟仪器；数据采集卡；波形采集Abstract With the development of the times, the progress of science and technology, has entered the era of virtual instruments. Virtual instrument is the product of the development of electronic technology and computer technology; it will gradually replace the traditional electronic instruments. As a new instrument, virtual instrument is the product of the development of electronic technology and computer technology, and it is widely used in the application of virtual instrument. The development of analog electronic circuit virtual instrument is an attempt to promote and apply the virtual instrument to the experiment teaching process. This paper introduces the concept of virtual instrument and its system structure, and presents the research status at home and abroad. This paper expounds the working principle of virtual instrument system, and discusses the performance index of data acquisition card and virtual instrument waveform acquisition, waveform output and its key technology. By using LabVIEW development environment of low frequency amplifier, high frequency amplifier, a frequency modulation and demodulation, modulation and demodulation phase five experimental project of virtual instrument research results, using the analog electronic circuit virtual instrument. Direct frequency discriminator is proposed. New method of direct demodulating phase and indirect phase modulation, and their application in phase modulation and demodulation phase virtual instrument. The experimental results show that, the method is easy to implement, the satisfactory results are obtained. Keywords：Virtual Instruments；Data acquisition card；Waveform Acquisition 目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 虚拟仪器研究的背景及意义11.2 虚拟仪器的研究概况12 虚拟仪器结构及工作原理22.1 虚拟仪器的概念22.2 虚拟仪器的硬件系统结构22.3 虚拟仪器的工作原理33 虚拟仪器波形采集和波形输出53.1 数据采集卡53.1.1 数据采集卡的功能53.1.2 采集卡驱动方式53.2 波形采集53.2.1 有限数量的波形采集63.2.2 连续的波形采集63.3 连续采集数据基本程序73.3.1 波形输出概述73.3.2 有限数量和连续波形信号输出74 虚拟模拟电子线路实验84.1 低频放大器实验虚拟仪器84.1.1 低频放大器实验内容84.1.2 低频放大器实验虚拟仪器84.2 高频放大器实验虚拟仪器94.2.1 高频放大器特点及测量指标94.2.2 高频放大器实验虚拟仪器94.3 调相及鉴相实验虚拟仪器104.3.1调相与鉴相的基本原理104.3.2调相与鉴相仿真114.3.3利用现有的调频与鉴频实验电路进行调相与鉴相实验115 模拟电子线路实验虚拟仪器实测结论135.1 模拟电子线路实验虚拟仪器实测结论135.2 虚拟仪器实测结论13参考文献14II1 绪论1.1 虚拟仪器研究的背景及意义 随着科技的飞速发展，计算机领域有着新的突破，虚拟仪器将渐渐的取缔以往的电子仪器。虚拟仪器在高等学校实践教学中有着至关重要的地位，在虚拟电子实验教学中，让同学们应用不同的虚拟电路进行各种实验，并对实验结论进一步研究。这样做，让同学们摆脱了传统做实验的繁琐过程，做到了简单方便，同时也避免了实验室中仪器的老化带来的误差影响以及实验材料的不足或精度不高等困难。在实践教学过程中可带领学生进入实验室通过测试性、讨论型、创新型培养学生的浓厚学习兴趣，严谨的科学思维，超强的动手能力以及团队合作能力，完成对电子线路系统的性能分析，时序逻辑测试。在亲自动手做实验研究的过程中，不断尝试使用和开发模拟电子线路实验虚拟仪器，相信不久的将来，虚拟仪器会在高等工科院校的教学实践中被广泛借鉴，成为教学和科研的强有力工具。1.2 虚拟仪器的研究概况美国IN公司采取了独特的编程方式开发了平台LabVIEW。此平台编辑过程被广大用户所喜爱。IN还提出了LabWindows等交互式开发平台。美国HP公司的HP VEETektronis公司的EZ TEST 和TEK TNS 以及美国HEM DATA 公司的SNAP-MARTER平台软件，是国际上公然的优秀虚拟仪器开发平台。XPH-2型工控机智能测量系统等最新开发的微电脑测量系统是国外的尖端虚拟技术的体现。在我国，西安交通大学韩九强等学术带头人研发了可组态生成不同仪器的可视化虚拟仪器软件开发平台。重庆大学秦树人等提出了虚拟仪器产品的网络化开发方法。虚拟技术在各行各业，比如网络通信、误差检测、和质量检测等领域都有着广泛的体现。在国内虚拟设备正面向多平台多用户发展。2 虚拟仪器结构及工作原理 2.1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器以开放式结构为主的工作器件，是用计算机、信号处理器、或计算机中央处理器来处理存储及显示信号、系统管理的。用数据采集卡收集输入波形，然后输入计算机等处理设备进行分析处理，最后输出信号，以达到以往仪器的使用目的。同时充分利用计算机硬件和软件方面的优势。虚拟仪器根据用户需求进行自定义,因而可以通过改变软件适应不同测试需要,很灵活的与互联网或其他设备相关联。充分展示虚拟仪器的优越性。2.2 虚拟仪器的硬件系统结构(l)数据采集系统的构成方法典型的数据采集系统由四大部分组成，其框图图象采集 DSP信号调整数据采集卡GPIB接口仪器GPIB接口卡串行口仪器/PLC VXI仪器 现场总线设备被控对象LabVIEw,LabWindowes/CVI,Componert Work,以及其它软件 图2.1 虚拟仪器构成的基本框图现场信号,传感器执行机构信号调整(放大,隔离,激励等)数据采集板、卡(A/D或D/A)虚拟仪器专用控制软件部分图2.1 典型数据采集系统组成图通过A/D变换将模拟、数字信号采集计算机进行分析、处理、显示等，并可通过D/A转换实现反馈控制。根据需要还可加入信号调理和实时DSP等硬件模块，这是必要非常必要的。目前，由于多层电路板技术、可编程仪用放大器技术让最新的数据采集卡能保证仪器的功能性质及显示输出信号的准确性。为数据采集系统提供了良好的解决方案。(2)GPIB仪器控制系统构成方法GPIB(General Purpose、Interface Bus)通用接口总线技术可说是虚拟仪器技术发展的初级阶段。此通用接口总线技术与计算机系统密切相连，用计算机提高以往仪器的功能，并能快速准确高效简单的完成各种实验任务。计算机可通过接口总线技术实现对仪器的操控，更加精准的完成作业任务，同时也高效灵活方便的达到了目的。排除了人为和以往仪器上产生的误差因素。并且在实验前，输入实验信号，设置好仪器参数，可自动完成测试任务。很大程度上缩短了实验用时。(3)VXI仪器控制系统构成方法VME总线在仪器领域扩展出了VXI总线即高速计算机总线，给虚拟系统带来了更大的优越性，当在组建非小规模自动测试测量系统对准确度、速率要求较高时，应优先选择VXI总线。VXI仪器与以往仪器相比，VXI仪器不需要操作面板，由计算机软件控制仪器的操作，“VXI Plug & Play，产品也投放市场，这些产品包括控制器、仪器软件和主机等。2.3 虚拟仪器的工作原理 从计算机技术的角度，可以说以往仪器的测试功能是通过硬件来实现的。下图是简单的阐述了交流电压有效值测量表的基本原理。 平方器平均电路开方器 图2.2 电压表电路原理框图根据交流信号有效值的定义= (2.1)被测信号经过以上流程图先开平方、然后再积分最后求平均值、开方运算。虚拟仪器工作原理如图2.3所示。 信号采集分析与处理结果显示 图2.3虚拟仪器工作原理 1.信号采集 在计算中，信息均以二进制数“0”和“1”表示，为了对输入的模拟信号进行分析，必须对模拟信号进行A/D转换，虚拟仪器中的I/O接口的主要功能就是实现A/D转换。根据采样定理，虚拟仪器内的任何输入输出信号都是由二进制编码来表示。因为计算机的中信号大多数都是有其表示的。在大多数情况下用一维数组来表示单路模拟信号，数组的元素为存放的采样值，元素的位置为采样次序。 2.分析与处理 计算机强大的对数据的处理和分析功能非常完备且精确，能对输入输出接口设备采集到的数据有精确的回应和处理。在测量有效值算法过程中用到的Ux(t)为每次的采样值，其中为采样的时间间隔或者采样频率的倒数，T为采样总时间长度。采样频率和采样点数可以事先设定。3.结果显示 分析结果可以以数值、指针等多种形式在计算机屏幕上的虚拟显示器中表示出来3，据此我们可以得到输出波形。3 虚拟仪器波形采集和波形输出3.1 数据采集卡数据采集卡在虚拟仪器测试中有着举足轻重的作用，是硬件设备的最核心内容，它能将输入进来的标准模拟信号经过一连串的信号调理，数据转换输入到虚拟仪器的采集系统中。3.1.1 数据采集卡的功能数据采集卡的重要功能之一为模拟信号的采集，通常的数据采集卡具备功能如下所示。1.A/D转换A/D转换器(ADC)是实现模拟信号转换为数字信号的器件，也是DAQ卡的硬件核心。ADC有三个最主要的性能指标:分辨率，精度和转换时间。2.数字I/O在有些作业中，数据采集卡的数字输入输出功能在被测对象与计算机之间只能传输数字信号时应用，这是使用过程中应注意的点。虚拟仪器与外部设备的通信建立于外部输出线，同时它控制了外部的作业执行。3.定时/计数在DAQ应用中经常要用到定时/计数功能，如测量脉冲信号周期、精确控制时间和产生脉冲信号等。衡量定时/计数器的两个主要性能指标是分辨率和时钟频率，分辨率越高，计数器位数越大，计数值也越大。3.1.2 采集卡驱动方式 对于NI公司推出的数据采集卡可直接对端口进行操作，但使用经费高昂，给科被测信号信号调理数据采集卡数据处理计算机 图3.1虚拟仪器硬件结构图研带来诸多不便。而如果采用一些国产数据采集卡，要使其能应用在Lab VIEW环境下，必须编写适用于Lab VIEW的接口驱动程序，这给数据采集卡的使用带来了不便【4】。3.2 波形采集所谓波形，在这里指信号的时域表达。对于快速变化的信号，为了精确测量它的波形，一般需要用信号最高频率成分5到10倍的采样频率进行信号采样。当对高频率信号进行采集时，系统的能量会被大量耗损，信号被处理的时间也会越来越慢。如果采集信息过大，可让采集与分析动作同时进行，也可同时接受输入信号，然后一部分一部分分析。3.2.1 有限数量的波形采集进行多点采集时，Lab VIEW内存中会有一块固定的缓冲区。程序会设定固定的采样率，据此数据采样设备来进行采样信号，因而数据会被传递到缓冲区。以此类推，采样信号数据会填充缓冲区。当样本被采集完全，固定缓冲区无剩余空间。然后虚拟仪器将数据传递到程序中进行处理与输出。3.2.2 连续的波形采集 如果需要一个长时间的并且周期性的数据采集，计算机的内存容量不够时，可将缓冲区进行往复利用来数据采集。采集一定量的数据时，让数据填满整个缓冲区，然后一起输出。而连续采集数据时，每次只在缓冲区的一部分之中输入数据，当到达缓冲区底端时，转回到缓冲区的顶端再次布满同一缓冲区，与此同时缓冲区中的数据一部分一部分被读出。这就形成连续数据的采集过程。在这个过程中，要保证程序从缓冲区的一个位置读取数据，同时数据被写入缓冲区的另一个位置，这样才有可供读取的数据，尚未被读取的数据也不会被更新的数据覆盖掉。为此必须解决两个问题：1.程序从缓冲区读取数据的速度不能比数据放进缓冲区的速度快。2.程序从缓冲区读取数据的速度不能太慢，否则缓冲区中还没来得及被读取的数据会被覆盖掉，同时返回一个出错信息，告知用户从缓冲区读取的数据是被覆盖过的数据。 （a） (b) (c) (d) 图3.2 循环缓冲区工作方式将从缓冲区的宽度、扫描频率和一次读取的Lab VIEW扫描数这几个方面来合理的处理以上问题。从缓冲区读取数据的速度太慢，没读的数据被遮盖掉时Lab VIEW返回一个错误代码10846，这个问题一旦被解决，缓冲区会变得更大，这样填满的数据就会变多，因此填充时间会加长，同时也给程序充分的时间读取数据，降低了缓冲区被填满的速度，同样也给了程序更多的时间去读取数据；还可以增加每次读取数据的数量，为了使缓冲区有剩余空间，做到了减少访问次数。3.3 连续采集数据基本程序3.3.1 波形输出概述 1.输出直流信号当输出信号电平不稳定时，我们通常采用模拟单点的办法产生一个稳定的直流信号来稳定，这是最常用的方法。在单点模拟输出过程中，调用一次单点刷新的模拟输出函数来改变模拟输出通道的值。因此Lab VIEW调用模拟输出函数的速度控制整个系统的速度，这种方法称为软件定时。 2.输出随时间快速变化的信号要产生连续变化的波形，信号的电平高低和信号的刷新率变化对于模拟输出同样重要。需要注意的是，必须在信号输出的同时，连续将新的数据写入缓冲区，这种情况叫循环缓冲波形输出，是简单缓冲波形的一种方式。3.3.2 有限数量和连续波形信号输出 1.有限数量的波形信号输出Lab VIEW提供了四种模拟输出函数:易用函数、中级函数、实用函数和高级函数，这四种函数能输出有限数量的波形信号，能一次将数据缓冲区填满。然后逐点将数据输出。2.连续波形信号输出当波形数据太大以至于缓冲区放不下，或者它在不断变化的话，就需要使用循环缓冲区技术输出数据。开始执行循环体外部分，设置硬件，写满全部缓冲区。执行循环体时不再进行硬件设置，一定要注意这一点个。采用循环缓冲技术，每次只在缓冲区填满一半容量的数据，不断重复以上操作，输出连续的波形。4 虚拟模拟电子线路实验4.1 低频放大器实验虚拟仪器4.1.1 低频放大器实验内容在低频模拟电子线路实验课程中学习以下内容： 1.单极放大器2.多级放大器3.负反馈放大器4.差分放大器5.运算放大器针对不同实验项目研究了各自的电路板，在做每一项实验时，安置到低频放大器实验虚拟仪器上，进行上述实验。4.1.2 低频放大器实验虚拟仪器 1.功能描述 (1).测量放大器的静态工作点。 (2).测量输入、输出交流信号电压。 (3).给放大器提供信号源。 (4).具有波形显示和测量功能，用于显示输入、输出信号波形，且可由波形读出信号频率和幅度。 (5).具有仿真和实测功能。放大器主要指标尤其自身参数决定。 2.设计方法 在虚拟仪器中输出信号是由电压信号表示的。所以采用间接测电流法，其分为两种: (1).测某条支路中己有的电阻上的电压值，求出流过该电阻电流即某支路电流值。 (2).在数据采集卡一个特定的输入通道并接1电阻，如图4.1所示，在通道7的输入端并接了1欧电阻。图4.1 在通道7的输入端并接1欧电阻（差分输入）此时就像直接测电流法一样，将通道7支路上串联上一个1欧的电阻，输出信号会显示其电压值，将其与电阻值进行除法运算，即可在数值上得到其电流值。此方法为并入1欧电阻法。应用此法时通道7只能作为测量直流电流专用通道。 3.低频放大器实验虚拟仪器设计 (1).前面板设计虚拟仪器由以下几部分构成: a.输出控件六个:信号源的幅度和频率参数设置控件各一个，输出信号波形选择控件一个，放大倍数设置控件一个。 b.输出控制六个:直流电压、电流显示控件各一个，输入、输出信号大小和频率显示控件各两个。 c.开关控件三个:一个用于控制交流和直流测量，一个用于仿真与实测，一个用于关机。 (2).流程图设计在测电流的断点两侧一般存在有数千欧的其他电阻，所以10电阻串入断点对支路电流值的影响可以忽略。采用并入1欧电阻法，在数据采集上很容易实现，但此时通道7只能作为测量直流电流专用通道，一定不能再作为测量电压的输入通道被使用。(3) 保存设计好的虚拟仪器4.2 高频放大器实验虚拟仪器4.2.1 高频放大器特点及测量指标高频放大器一般包含有放大和滤波两个组成部分。较简单的高频放大器的滤波回路一般是LC并联谐振回路或双谐振回路。复杂高频放大器一般由集中滤波和集中放大两个部分组成，集中滤波电路可以由多级LC滤波电路构成，集中放大部分一般是多级宽频带放大器。不管高频放大器是由哪些组件构成，放大和选频都是其基本功能,在使用时一定要注意其这两个性能。因此，高频放大器实验主要是测量其A一f特性、谐振电压增益及通频带。4.2.2 高频放大器实验虚拟仪器 1.功能描述 (1).具有仿真和实测功能，仿真用于演示放大器的工作原理。 (2).具有产生测试调用高频信号的功能。 (3).具有显示放大器输入信号和输出信号波形的功能。 (4).具有测量和显示放大器输入、输出信号振幅和频率的功能。 (5).具有测量和显示放大器A一f曲线的功能。 2.设计原理 (1).仿真功能一般采用LC并联谐振回路作为选频回路的放大器具有下式描述的放大和选频特性。 （4.1）式(4.1)中A表示放大器电压增益，Av0表示谐振电压增益 （4.2） 称为广义失谐，为LC回路品质因数，为回路谐振频率，频率与谐振频率之差。为实现仿真功能，假设有一存在的放大器，其A一f特性由式(4.1)确定，且其参数(Av。，)是可改变的。给该放大器输入正弦信号，则放大器输出信号的振幅为: （4.3）式中A由假想放大器的参数(Av。， )及输入信号的频率f决定，在放大器参数不变的情况下，不改变Vi，只改变f，由于A改变，所以也会改变。在波形图中，可以看到不同频率的正弦信号经假想的放大器放大后，其也不同。 按式(4.1)变化。 (2).测量放大器A-f特性曲线 a-f特性曲线测试客观存在的放大器的a-f特性，通过实验测试出相应数据，据其描绘出a-f曲线。虚拟扫频仪的原理框图如图4.2所示。扫描信号发生器被测放大器包络检波器A-f 特性被测信号FM放大和选频后的信号AM-FM包络图4.2 虚拟扫频仪原理扫频信号发生器产生频率范围足够宽的FM信号，给被测放大器提供信号源。由于被测放大器的电压增益是非线性的，当输入信号的瞬时频率发生改变，经过放大器的AM-FM波的幅度发生改变5，且其包络与放大器的a-f特性曲线是一致的，经后续的包络检波器取出AM-FM波的包络，该包络就是被测放大器的a-f特性曲线 。4.3 调相及鉴相实验虚拟仪器4.3.1调相与鉴相的基本原理 调相分为直接调相和间接调相两种方式。直接调相是由调相的定义来产生调相波，间接调相首先对输入信号进行微分运算，再用微分的信号产生调频波，最终结果仍然是由调制信号产生的调相波。设载波为，调制信号，由调相的定义以及调相与调频间的关系有 （1） （2）(2) 式中 (1)式为调相波的一般表示式，(2)式是间接调相的调相波表示式。相位解调也有2种方式:间接鉴相和直接鉴相，基本要求是鉴相信号与瞬时相偏间保持线性关系。直接鉴相原理如图4.3所示。为简化分析，设调制信号为 t，调相波为，其中为调相指数，同步载波为，乘法器的输出LPF 图4.3直接鉴相原理 （3）经仿真研究，正弦函数包含基波和奇次谐波，余弦函数只有偶次谐波，不能从中恢复调制信号，所以这里一定要用正弦函数。4.3.2调相与鉴相仿真Lab VIEW是计算机中功能强大的仿真系统，用它仿真直接和间接调相、直接和间接鉴相。调相仿真分别以低频正弦波和三角波为调制信号，高频正弦波为载波，由虚拟仪器产生调相波。鉴相仿真由虚拟仪器对自己产生的调相波进行鉴相，恢复调制信号。该系统学习的意义是让学生理解调相与鉴相的基本概念，调相与调频、鉴相与鉴频间的差异。4.3.3利用现有的调频与鉴频实验电路进行调相与鉴相实验现有的角度调制和调配套的有2块电路板: G4和G5，可分别进行变容二极管调频、相位鉴频和压控振荡器调频、锁相环鉴频4个实验。虚拟仪器除了进行微分和积分运算外，还取代了函数发生器、高频信号源，高频毫伏表、示波器等以往仪器，给实验电路提供调制信号和载波，测量调相和鉴相参数，观测各种波形。电路板G4进行模拟调频和模拟鉴频，要求载波频率为6.5MHz。电路板G5进行数字调频和数字鉴频，以自身产生的50 kHz方波或三角波作为载波。经考究G5使用性能更好更方便。实验原理如图4.4所示。微分调频电路(1)调相实验原理图鉴频电路积分 (2) 鉴相实验原理图图4.4利用虚拟仪器和G5的调频与鉴频电路进行调相与鉴相实验原理图5 模拟电子线路实验虚拟仪器实测结论5.1 模拟电子线路实验虚拟仪器实测结论用设计的低频放大器实验虚拟仪器和以往的仪器分别做实验，分别给两个系统输入相同的信号波形，同时也记录输出信号的电压有效值。为了避免实验的偶然性，不断的改变两个测试仪器的输入信号的频率，并将结果相对应记录好。记录结果如图所示。表-5.1传统仪器（左）和虚拟仪器（右）测量的低频放大器输出电压（Vi=0.1V）f(kHz)1020304050Vo(V)0.860.8150.860.8130.840.8140.850.8120.840.811f(kHz)60708090100Vo(V)0.840.8080.830.8050.830.8070.830.8030.820.803 从表可以看出，对同一放大器，在保持输入电压幅度恒定(分别用各自的电压表监测并调节)的条件下，在输入变量相同时，两个系统输出结果非常近似，可描绘出两段非常相近的放大器增益频率特性曲线。由此，我们得出实验结论:1.放大器的工作系统是稳定的。2.只要正确操作虚拟仪器系统，输出结果和以往仪器的结果都是相近的。5.2 虚拟仪器实测结论由实验结果表示，模拟电子线路实验虚拟仪器测得的电压数据与以往电压表测得的很接近，数据在误差允许范围内是准确的。这一结果表明:模拟电子线路实验虚拟仪器测量结果精确、可行，并且性能稳定比以往仪器更加灵活方便，完全可以代替以往的实验仪器，用于低频和高频模拟电子线路课程的实践中。参考文献1伍星华,王旭.国内虚拟仪器技术的应用研究现状与展望J.科技信息，2011, (04):3-6.2苗中华,陆名超,胡晓东.基于虚拟仪器技术的采棉机智能监控系统开发与应用J.农业装备工程与机械化,2014,(23):12-19.3路亚峰,陈义军,温新歧,等.虚拟仪器技术研究现状与展望J.仪器仪表学报,2010,(11):35-37.4方春华,张宇娇,普子恒.虚拟仪器技术在电气工程综合技术中的应用J.课程建设,2016,(11):112-116.5李海芳,张民,陈俊杰. 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