激励信号源软件控制发生方法研究*

邹钦文，王 英(浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

波形信号可由硬件或软件产生，可广泛应用于电子电路、自动控制和科学实验等领域[1]。传统的波形产生利用各种分立元件及电路，通过对正弦波信号的处理，得到不同种类的波形信号。但受到元器件以及材料的影响，产生的波形信号稳定性及准确性差、波形可调频率范围窄、工作场合十分单一[2]，并且信号输出通道少、参数调节不便、仪器升级换代困难。2010年，袁三男等[3]利用单片机和LMX2485实现了微波信号源发生器的设计；2012年，梁孟享等[4]基于FPGA实现了高分辨率、低失真任意波形信号发生装置的设计；2013年，曹怡然[5]以单片机为基础，通过软硬件设计，实现了三相相差120°的正弦波波形输出；2013年，刘艳昌等[6]以AVR单片机ATmega16和波形发生器芯片MAX038为核心设计了能够输出方波、正弦波、三角波形的信号发生器。不同的波形有不同的应用背景。正弦波是较普遍的波形，也比较容易产生。三角波主要应用在CRT作显示器件的扫描电路中，如示波器、显像管、显示器等。而方波一般用于电子和讯号处理。正弦波与方波常常在超声波产生中作为激励信号。

无论是在工程实践，还是学术理论研究领域，都需要用到多种类型的信号源。利用LabVIEW软件编写程序并结合数据采集卡设计的波形信号发生器具有界面直观、功能多样、参数调节方便、产生波形信号种类丰富等特点。

本研究将利用PXI总线及LabVIEW技术设计多种波形信号发生装置，利用算法实现多种信号的产生，通过参数的设置方便获取精度高、稳定性良好的信号源。

1 软件编程

LabVIEW是由NI公司开发的软件，是功能强劲的图形化软件开发集成环境[7]。本研究主要利用LabVIEW作为编程软件，利用算法实现不同类型波形的产生，利用NI-DAQ驱动实现物理通道的构建。整个程序分为3部分，即：NI-DAQmx任务产生、模拟波形产生、波形信息显示。其中，根据功能选择，波形产生部分又由波形类型选择及波形输出方式两部分组成，其实现的功能有：(1)产生连续方波、正弦波、锯齿波、三角波及公式波形电压；(2)可以控制波形占空比不变波形的产生频率；(3)半波整流，实现波形正电压输出；(4)控制每秒脉冲波形发射频率及脉冲的个数；(5)显示输出波形电压的准确信息。

系统流程图如图1所示。

图1 程序流程图

整个系统主要分为波形产生和波形写入输出两部分。首先本研究通过采样率及采样数的设置确定输出波形的频率范围。若选择的是公式波形输出，则只需要输入公式及波形频率即可产生波形；若选择基本波形输出，则需要设置波形参数，并选择波形的类型以及波形输出方式。波形类型主要包括方波、正弦波、锯齿波和三角波。在选择波形输出方式时，既可选择原始的连续波形输出，也可以通过参数设置输出相应的脉冲波形。

1.1 NI-DAQmx任务产生

NI-DAQmx是NI公司的跨平台DAQ设备驱动程序。利用DAQmx硬件驱动，可以简化数据采集及控制系统程序设计。由于其能够被多种编程语言调用，应用行业范围十分广阔[8]。在LabVIEW中使用NI-DAQmx任务，具体步骤如下：(1)创建任务；(2)启动任务；(3)读或写入数据；(4)停止任务；(5)清除任务。

创建任务是利用DAQmx创建通道vi，主要功能是创建物理通道，决定数据采集还是数据输出。通过设置最大值与最小值决定数据大小范围。DAQmx任务的产生需要用到DAQmx定时vi，其主要功能是设置采样模式及采样率。DAQmx任务开始vi使任务处于运行状态，开始测量或生成。DAQmx写入vi通过通道采样的选择，在包含单个模拟输出通道的任务中，写入单个或多个浮点采样。由DAQmx搭建的程序任务框架如图2所示。

1.2 基于LabVIEW的信号波形产生

利用LabVIEW，可以采用多种方法产生波形。既可以使用DAQ助手也可以使用LabVIEW自带函数发生器。DAQ助手能够产生不同波形，其精度及稳定性较高，但对于不同波形，参数设置不方便，并且受采集卡时钟信号发生器个数及输出的路数限制，产生信号输出路数较少。基本函数发生器可以产生多种波形，其默认的采样率与采样数为1 000，根据奈奎斯特定理，频率<=采样率/2，故波形频率设置原则上应该小于500 Hz，通过创建采样信息输入控件，通过设置采样率及采样数的大小，可以提高生成波形信号的频率范围。

一般推荐采样数是采样率的1/10。通过设置DAQmx采样时钟采样率及函数发生器采样数的设置，可以大幅提升波形产生的频率。

图2 NI-DAQmx任务产生程序

频率为100 kHz，占空比为50%的方波如图3所示。

图3 方波波形

在实际的应用中，针对不同的工程应用环境，对信号激励源有不同的要求。如超声波探头在激励脉冲的激励下可以产生超声波，激励方式有尖峰脉冲激励、方波脉冲激励、正弦波脉冲激励和阶跃信号激励[9]。激励脉冲宽度与换能器谐振频率需要满足如下关系时，超声波理论发射功率可达最大值：

(1)

式中：f0—换能器的谐振频率；2a—激励脉冲宽度。

1.2.1 可控发射频率脉冲波形输出

若选取的超声波换能器谐振频率为2 MHz，则激励脉冲宽度为0.75 μs。如果采用方波作为激励信号，占空比为50%，则方波频率为达到兆赫兹级别，高频率信号不仅对硬件系统有更高的要求，还会增加后续信号处理分析的难度。

通过增加超声波之间发生的时间，可以给数据处理带来很大的方便。因此需要控制信号波形的发射频率。设产生的激励信号频率为f1。若设置发射频率为f2，发射频率为f1的波形个数n，首先利用方波波形vi产生幅值为1 V，频率为f2的方波，其占空比的计算公式如下：

(2)

在实际应用中，为保证方波信号占空比τ小于100%，在设置发射频率f2和波形个数n时，它们的乘积一定要小于激励信号的频率f1，即：

n·f2≤f1

(3)

将两个波形进行乘法运算，即可产生指定的输出波形。

频率为20 kHz，幅值为5 V，占空比为50%的激励信号仿真波形图如图4所示。

图4 仿真波形图

实际波形电压输出如图5所示。

图5 实际波形电压输出

1.2.2 可控波形频率输出

在保证输出激励脉冲宽度不变的情况下，通过控制每秒输出脉冲的个数，能够减少占空比的计算。当输出方波频率为f1，占空比为τ，则在单位周期内方波高电平持续时间为：

(4)

当输出高电平持续时间不变而希望输出波形频率为fz的方波时，输出波形的占空比为：

(5)

由基本函数发生器可以产生新的波形。通过设置方波频率为2 kHz，幅值为5 V，占空比为50%，控制波形输出个数前后，输出波形电压对比图如图6所示。

图6 控制前后对比图

由图6可知，在保证方波高电平持续时间不变的前提下，方波频率由2 kHz变为了150 Hz。在工程应用中，经常会用到经过半波整流的直流信号。半波整流是利用二极管的单向导通特性去除半周、剩下半周信号的变交流电为直流电的方法。电路虽然简单，但是却涉及许多重要理论及概念。利用LabVIEW软件编程可实现半波整流波形的产生，利用NI数据采集卡可实现波形电压输出[10]。半波整流仿真图如图7所示。

实现半波整流分为4步：(1)设置波形参数，产生基本波形；(2)将产生的波形取绝对值；(3)将产生的基本波形与取绝对值以后的波形相加；(4)将第3步获得的波形取均值。经过这3步即可获得整流后的波形。对于方波、三角波、锯齿波采用同样的方法都可以得到半波整流后的波形。

1.3 波形信息显示

在实际工程应用中，对于产生的激励信号，需要考虑其多种参数可能对后续电路带来的影响。由软件产生的波形，受到程序算法的影响，输出波形部分实际参数与设置参数有所差异，波形显示vi可显示输出波形的详细信息，针对实际需求对波形参数进行调整，使最终产生的波形与预期波形之间的差异达到最小。

图7 半波整流仿真图

幅值和电平vi用来测量波形或波形数组的幅值、高状态电平和低状态电平。当设置的波形幅值为5 V时，LabVIEW产生波形的实际幅值小于5 V。利用幅值和电平vi可通过参数调节，使输出波形的实际电压幅值到达预期值。瞬态特性测量vi接收单个波形或一个数组的输入信号测量每个波形中选定正跃迁或负跃迁的瞬态持续期、边沿斜率以及下冲和过冲。

整个系统的界面如图8所示(该界面包含参数设置、输出波形显示以及波形特性参数显示)。

图8 系统界面图

2 实验及结果分析

本研究选取了PXIe-6341数据采集卡，通过LabVIEW程序结合NI数据采集卡，利用示波器，验证了波形电压输出效果。实验中，通过软件产生了频率为1 kHz，幅值为5 V，占空比为50%的方波信号以及频率为1 000 Hz,幅值为5 V的正弦波信号，如图9所示。

图9 实际激励信号波形图

笔者通过实验验证了利用本研究方法能够产生多种激励信号，实际输出信号比较稳定，准确度较高。

3 结束语

本研究对激励信号源产生方法进行了研究，利用LabVIEW编程实现了多种激励信号波形的模拟发生，包括基本波形、公式波形及特殊脉冲波形；笔者设计了激励信号发生界面，通过设置采样数及采样率的大小选择激励信号源的频率范围大小，通过信号源参数设置及激励信号源类型的选择实现了多种信号源的产生，并且可直观显示波形信息；利用DAQmx设计了信号源输出程序，确定了信号源输出的物理通道，利用PXIe-6341数据采集卡及PXI技术，结合示波器测试了实际输出的激励源信号。

测试表明：利用该方法可产生多种激励信号源，产生的信号稳定可靠、准确度高、应用范围广。

[1] 杨朝中.一种高精度频率综合器的研究与实现[D].北京：中国科学院大学电子电气与通信工程学院,2011.

[2] 宋 蕊.基于DDS的任意波形信号发生器[D].邯郸：河北工程大学信息与电气工程学院,2012.

[3] 袁三男,王绍徐.基于单片机和LMX2485的微波信号源发生器的设计[J].微型机与应用,2010(19):92-94.

[4] 梁孟享,胡 聪,盘书宝.基于FPGA的高性能信号源模块设计[J].国外电子测量技术,2012,31(4):64-67.

[5] 曹怡然.基于单片机的三相正弦波发生器设计[J].软件导刊,2013(11):45-47.

[6] 刘艳昌,左现刚.基于ATmega16的信号发生器设计[J].自动化技术与应用,2013,32(8):65-68.

[7] ELLIOTT C, VIJAYAKUMAR V, ZINK W, et al. National instruments LabVIEW: a programming environment for laboratory automation and measurement[J].JournaloftheAssociationforLaboratoryAutomation,2007,12(1):17-24.

[8] 张 伟,刘红丽.基于LabVIEW的温度测控系统设计[J].电子设计工程,2008,16(12):19-21.

[9] 张宁波.基于超声衰减的污水悬浊液浓度检测装置研究[D].杭州：浙江大学机械工程学院,2016.

[10] 杨育霞,李志辉.半波整流滤波电路的仿真实验及研究[J].实验科学与技术,2011,9(3):17-18.