基于虛擬儀器技術的模擬信號發生器簡化設計

曾 榮 白 巍 于 杰 王 成

(中國華陰兵器試驗中心，陜西 華陰 714200）

1.引言

測試準備和設備調試時一般要使用信號發生器進行模擬測試，同時以此檢測設備狀態，因此采用與實測信號一致的信號進行系統驗證無疑是最理想的。傳統的信號發生器大多依靠硬件實現信號發生，價格在數千到數萬元不等。而在動態測試領域，由于測試對象、測試參數的千差萬別，僅僅依靠傳統的信號發生器對所有設備進行檢測實現起來難度較大，并且一般的信號發生器只有正弦、余弦等函數信號，不能產生我們期望的各種特殊要求的信號，無法完全滿足我們的使用要求。因此，可以考慮采用虛擬儀器技術并利用已有的硬件設計滿足實際需求的信號發生器。

2.技術實現

虛擬儀器技術的特色即在于使用基本的硬件設備，通過靈活的軟件編程，來實現多種需求，尤其是特殊需求的儀器功能。在虛擬儀器的數據采集設備上，除了標準的信號輸入端口外，一般都具有模擬信號輸出的端口。因此，利用這些輸出端口，在不增加硬件成本的前提下，利用程序將以往的測試數據通過計算機的控制，“虛擬”出實測的模擬信號并由模出端口輸出，再由相應的測試設備采集，可以檢驗整套系統。

這種方法既充分利用了硬件設備，節約了經費，又最大限度地發揮了軟件是核心的特點。

2.1 原理框圖

圖1 原理框圖

信號發生器軟件通過控制計算機的PCI總線，向NI6070數據采集卡發出指令，控制板上的DAC電路將計算機輸出的數字信號轉換為模擬信號，并由兩路模擬輸出口輸出，可以產生兩路獨立的輸出信號，經BNC-2090輸出信號，可以連接任何BNC接口的模擬輸入端。既可產生標準函數波形(如正弦波、三角波、方波、鋸齒波等），又可產生用戶定義的波形。

圖2 軟件界面

2.2 硬件組成

A：NI6070數據采集卡

輸入參數：16-ch SE/8-ch DI模入，12-bit精度，最高1.25MS/s采樣率，各路增益和輸入范圍可單獨設定；輸出參數：2-ch、12-bit、1MS/s更新率模出。

B：BNC-2090多功能連接器用于將各種由BNC端口的輸入轉換到NI6070數據采集卡的輸入端，或將NI6070數據采集卡的模擬輸出轉換到BNC端口。

C：SH-6868電纜：連接NI6070數據采集卡(輸入輸出端口為雙排68針插座)與BNC-2090(BNC接口與雙排68針插座相互轉換)。

2.3 軟件設計

軟件在圖形化編程軟件LabView的平臺上完成，由主程序和功能子程序組成，分為以下幾個模塊：

A：硬件設置：設置儀器地址、輸出信號的刷新率、緩沖長度等，一般使用軟件的默認設置；

B：信號選擇：選擇標準函數信號或是測試數據信號作為輸出信號；函數信號：包括正弦波。余弦波、三角波、方波、鋸齒波，并可以設置信號幅度、信號頻率、信號點數、直流偏置和相位等；數據信號：選擇需要的數據作為源數據；

C：輸出方式：選擇單次或是連續輸出；

D：輸出控制：控制輸出通道的開關、信號的輸出、信號的清除等。

主要功能有：可產生最高更新率1MS/s；可產生多種標準函數的波形；可根據實測數據產生相應的波形；可同時產生雙通道波形；可單次或連續產生波形；

需要說明的是，由于數據采集卡輸入輸出信號的標準范圍為±10V，而DAC轉換數據信號是按照實際的數據進行的(如數據中的最大值是1000，則其轉換后的數據波形仍然是1000)，如果完全按照這樣進行，在軟件的顯示是正常的，但是在輸出端卻因為信號過載而得不到正確的數據。因此，需要將數據在進入DAC之前進行相應的衰減，使其符合輸入輸出的要求，并且能夠正確反映源數據。同時在數據采集端，也要對放大器等進行相應的參數設置，使采集的數據正確地轉換為相應的數據。

3.應用實例

我們分別采用模擬信號發生器的函數信號和某火炮膛壓曲線的實測數據作為數據源，使用模擬信號發生器軟件控制并由模擬輸出端將其輸出，并使用不同的測試系統進行數據采集進行驗證。測試系統分別是專用火炮膛壓測試系統和我們使用LabVIEW語言編制的一個數據采集系統，數據采集部分使用的是NI6070采集卡。采集的數據分別有不使用電荷放大器(采集電壓信號)和使用電荷放大器(采集電荷信號，相當于實測模擬)的數據，將所得數據與實測數據的波形進行比較，得出了非常滿意的結果。

圖3 某火炮的實測膛壓曲線

圖4 由實測數據模擬輸出的膛壓曲線

圖5 專用火炮膛壓測試系統測試的模擬數據

圖6 新編制的測試系統測試的模擬數據

由以上數據可以看出，計算機“虛擬”出的模擬信號與實際的測試信號是一致的，既驗證了信號發生器設計的正確性，同時也驗證了新設計的采集系統的可靠性。

4.結束語

采用虛擬儀器技術設計的信號發生器不僅具有一般的信號發生器的功能，更具有其所不具備的能力，在不增加成本的情況下，不失為一種有效的方法。況且，即便是有了類似的基于虛擬儀器設備，仍然只具有一般的函數信號功能，如果需要進行實測信號的模擬測試，也可以使用本文的方法。

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