激勵信號源軟件控制發生方法研究*

鄒欽文，王 英(浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

波形信號可由硬件或軟件產生，可廣泛應用于電子電路、自動控制和科學實驗等領域[1]。傳統的波形產生利用各種分立元件及電路，通過對正弦波信號的處理，得到不同種類的波形信號。但受到元器件以及材料的影響，產生的波形信號穩定性及準確性差、波形可調頻率范圍窄、工作場合十分單一[2]，并且信號輸出通道少、參數調節不便、儀器升級換代困難。2010年，袁三男等[3]利用單片機和LMX2485實現了微波信號源發生器的設計；2012年，梁孟享等[4]基于FPGA實現了高分辨率、低失真任意波形信號發生裝置的設計；2013年，曹怡然[5]以單片機為基礎，通過軟硬件設計，實現了三相相差120°的正弦波波形輸出；2013年，劉艷昌等[6]以AVR單片機ATmega16和波形發生器芯片MAX038為核心設計了能夠輸出方波、正弦波、三角波形的信號發生器。不同的波形有不同的應用背景。正弦波是較普遍的波形，也比較容易產生。三角波主要應用在CRT作顯示器件的掃描電路中，如示波器、顯像管、顯示器等。而方波一般用于電子和訊號處理。正弦波與方波常常在超聲波產生中作為激勵信號。

無論是在工程實踐，還是學術理論研究領域，都需要用到多種類型的信號源。利用LabVIEW軟件編寫程序并結合數據采集卡設計的波形信號發生器具有界面直觀、功能多樣、參數調節方便、產生波形信號種類豐富等特點。

本研究將利用PXI總線及LabVIEW技術設計多種波形信號發生裝置，利用算法實現多種信號的產生，通過參數的設置方便獲取精度高、穩定性良好的信號源。

1 軟件編程

LabVIEW是由NI公司開發的軟件，是功能強勁的圖形化軟件開發集成環境[7]。本研究主要利用LabVIEW作為編程軟件，利用算法實現不同類型波形的產生，利用NI-DAQ驅動實現物理通道的構建。整個程序分為3部分，即：NI-DAQmx任務產生、模擬波形產生、波形信息顯示。其中，根據功能選擇，波形產生部分又由波形類型選擇及波形輸出方式兩部分組成，其實現的功能有：(1)產生連續方波、正弦波、鋸齒波、三角波及公式波形電壓；(2)可以控制波形占空比不變波形的產生頻率；(3)半波整流，實現波形正電壓輸出；(4)控制每秒脈沖波形發射頻率及脈沖的個數；(5)顯示輸出波形電壓的準確信息。

系統流程圖如圖1所示。

圖1 程序流程圖

整個系統主要分為波形產生和波形寫入輸出兩部分。首先本研究通過采樣率及采樣數的設置確定輸出波形的頻率范圍。若選擇的是公式波形輸出，則只需要輸入公式及波形頻率即可產生波形；若選擇基本波形輸出，則需要設置波形參數，并選擇波形的類型以及波形輸出方式。波形類型主要包括方波、正弦波、鋸齒波和三角波。在選擇波形輸出方式時，既可選擇原始的連續波形輸出，也可以通過參數設置輸出相應的脈沖波形。

1.1 NI-DAQmx任務產生

NI-DAQmx是NI公司的跨平臺DAQ設備驅動程序。利用DAQmx硬件驅動，可以簡化數據采集及控制系統程序設計。由于其能夠被多種編程語言調用，應用行業范圍十分廣闊[8]。在LabVIEW中使用NI-DAQmx任務，具體步驟如下：(1)創建任務；(2)啟動任務；(3)讀或寫入數據；(4)停止任務；(5)清除任務。

創建任務是利用DAQmx創建通道vi，主要功能是創建物理通道，決定數據采集還是數據輸出。通過設置最大值與最小值決定數據大小范圍。DAQmx任務的產生需要用到DAQmx定時vi，其主要功能是設置采樣模式及采樣率。DAQmx任務開始vi使任務處于運行狀態，開始測量或生成。DAQmx寫入vi通過通道采樣的選擇，在包含單個模擬輸出通道的任務中，寫入單個或多個浮點采樣。由DAQmx搭建的程序任務框架如圖2所示。

1.2 基于LabVIEW的信號波形產生

利用LabVIEW，可以采用多種方法產生波形。既可以使用DAQ助手也可以使用LabVIEW自帶函數發生器。DAQ助手能夠產生不同波形，其精度及穩定性較高，但對于不同波形，參數設置不方便，并且受采集卡時鐘信號發生器個數及輸出的路數限制，產生信號輸出路數較少?；竞瘮蛋l生器可以產生多種波形，其默認的采樣率與采樣數為1 000，根據奈奎斯特定理，頻率<=采樣率/2，故波形頻率設置原則上應該小于500 Hz，通過創建采樣信息輸入控件，通過設置采樣率及采樣數的大小，可以提高生成波形信號的頻率范圍。

一般推薦采樣數是采樣率的1/10。通過設置DAQmx采樣時鐘采樣率及函數發生器采樣數的設置，可以大幅提升波形產生的頻率。

圖2 NI-DAQmx任務產生程序

頻率為100 kHz，占空比為50%的方波如圖3所示。

圖3 方波波形

在實際的應用中，針對不同的工程應用環境，對信號激勵源有不同的要求。如超聲波探頭在激勵脈沖的激勵下可以產生超聲波，激勵方式有尖峰脈沖激勵、方波脈沖激勵、正弦波脈沖激勵和階躍信號激勵[9]。激勵脈沖寬度與換能器諧振頻率需要滿足如下關系時，超聲波理論發射功率可達最大值：

(1)

式中：f0—換能器的諧振頻率；2a—激勵脈沖寬度。

1.2.1 可控發射頻率脈沖波形輸出

若選取的超聲波換能器諧振頻率為2 MHz，則激勵脈沖寬度為0.75 μs。如果采用方波作為激勵信號，占空比為50%，則方波頻率為達到兆赫茲級別，高頻率信號不僅對硬件系統有更高的要求，還會增加后續信號處理分析的難度。

通過增加超聲波之間發生的時間，可以給數據處理帶來很大的方便。因此需要控制信號波形的發射頻率。設產生的激勵信號頻率為f1。若設置發射頻率為f2，發射頻率為f1的波形個數n，首先利用方波波形vi產生幅值為1 V，頻率為f2的方波，其占空比的計算公式如下：

(2)

在實際應用中，為保證方波信號占空比τ小于100%，在設置發射頻率f2和波形個數n時，它們的乘積一定要小于激勵信號的頻率f1，即：

n·f2≤f1

(3)

將兩個波形進行乘法運算，即可產生指定的輸出波形。

頻率為20 kHz，幅值為5 V，占空比為50%的激勵信號仿真波形圖如圖4所示。

圖4 仿真波形圖

實際波形電壓輸出如圖5所示。

圖5 實際波形電壓輸出

1.2.2 可控波形頻率輸出

在保證輸出激勵脈沖寬度不變的情況下，通過控制每秒輸出脈沖的個數，能夠減少占空比的計算。當輸出方波頻率為f1，占空比為τ，則在單位周期內方波高電平持續時間為：

(4)

當輸出高電平持續時間不變而希望輸出波形頻率為fz的方波時，輸出波形的占空比為：

(5)

由基本函數發生器可以產生新的波形。通過設置方波頻率為2 kHz，幅值為5 V，占空比為50%，控制波形輸出個數前后，輸出波形電壓對比圖如圖6所示。

圖6 控制前后對比圖

由圖6可知，在保證方波高電平持續時間不變的前提下，方波頻率由2 kHz變為了150 Hz。在工程應用中，經常會用到經過半波整流的直流信號。半波整流是利用二極管的單向導通特性去除半周、剩下半周信號的變交流電為直流電的方法。電路雖然簡單，但是卻涉及許多重要理論及概念。利用LabVIEW軟件編程可實現半波整流波形的產生，利用NI數據采集卡可實現波形電壓輸出[10]。半波整流仿真圖如圖7所示。

實現半波整流分為4步：(1)設置波形參數，產生基本波形；(2)將產生的波形取絕對值；(3)將產生的基本波形與取絕對值以后的波形相加；(4)將第3步獲得的波形取均值。經過這3步即可獲得整流后的波形。對于方波、三角波、鋸齒波采用同樣的方法都可以得到半波整流后的波形。

1.3 波形信息顯示

在實際工程應用中，對于產生的激勵信號，需要考慮其多種參數可能對后續電路帶來的影響。由軟件產生的波形，受到程序算法的影響，輸出波形部分實際參數與設置參數有所差異，波形顯示vi可顯示輸出波形的詳細信息，針對實際需求對波形參數進行調整，使最終產生的波形與預期波形之間的差異達到最小。

圖7 半波整流仿真圖

幅值和電平vi用來測量波形或波形數組的幅值、高狀態電平和低狀態電平。當設置的波形幅值為5 V時，LabVIEW產生波形的實際幅值小于5 V。利用幅值和電平vi可通過參數調節，使輸出波形的實際電壓幅值到達預期值。瞬態特性測量vi接收單個波形或一個數組的輸入信號測量每個波形中選定正躍遷或負躍遷的瞬態持續期、邊沿斜率以及下沖和過沖。

整個系統的界面如圖8所示(該界面包含參數設置、輸出波形顯示以及波形特性參數顯示)。

圖8 系統界面圖

2 實驗及結果分析

本研究選取了PXIe-6341數據采集卡，通過LabVIEW程序結合NI數據采集卡，利用示波器，驗證了波形電壓輸出效果。實驗中，通過軟件產生了頻率為1 kHz，幅值為5 V，占空比為50%的方波信號以及頻率為1 000 Hz,幅值為5 V的正弦波信號，如圖9所示。

圖9 實際激勵信號波形圖

筆者通過實驗驗證了利用本研究方法能夠產生多種激勵信號，實際輸出信號比較穩定，準確度較高。

3 結束語

本研究對激勵信號源產生方法進行了研究，利用LabVIEW編程實現了多種激勵信號波形的模擬發生，包括基本波形、公式波形及特殊脈沖波形；筆者設計了激勵信號發生界面，通過設置采樣數及采樣率的大小選擇激勵信號源的頻率范圍大小，通過信號源參數設置及激勵信號源類型的選擇實現了多種信號源的產生，并且可直觀顯示波形信息；利用DAQmx設計了信號源輸出程序，確定了信號源輸出的物理通道，利用PXIe-6341數據采集卡及PXI技術，結合示波器測試了實際輸出的激勵源信號。

測試表明：利用該方法可產生多種激勵信號源，產生的信號穩定可靠、準確度高、應用范圍廣。

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[6] 劉艷昌,左現剛.基于ATmega16的信號發生器設計[J].自動化技術與應用,2013,32(8):65-68.

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