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          基于LabView的虛擬儀器實現(xiàn)頻率穩(wěn)定度的測量(圖)

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          作者:雷海麗 宣宗強 時間:2007-02-06 來源: 收藏
          引言  時間頻率測量是電子測量的重要領(lǐng)域,要實現(xiàn)對時間頻率測量,需要有一個好的頻率源,在各種頻率源中,尤其是對于晶體振蕩器來說,穩(wěn)定度問題是最使人們關(guān)注的問題,它表示對于頻率穩(wěn)定度的保持能力。對于穩(wěn)定度不好的頻率源來說,準(zhǔn)確度調(diào)得再高也是沒有意義的。本文介紹了一個基于計算機的多路數(shù)據(jù)采集、實時顯示的頻穩(wěn)測量系統(tǒng),該系統(tǒng)以計算機、數(shù)據(jù)采集卡為基本硬件,因此它屬于虛擬儀器的范疇。虛擬儀器系統(tǒng)是基于計算機的數(shù)字化測量測試儀器,它由計算機、應(yīng)用軟件和儀器硬件三部分組成。虛擬儀器可使用相同的硬件系統(tǒng),通過不同的軟件就可以實現(xiàn)功能完全不同的各種測量測試儀器,即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心,軟件可以定義為各種儀器。虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng),且功能靈活,很容易構(gòu)建,所以應(yīng)用越來越廣泛。

          硬件框架及軟件設(shè)計方案
          ● 虛擬儀器的硬件框架
          目前虛擬儀器主要有以下幾種構(gòu)成方式:pc總線方式的插卡型虛擬儀器;gpib總線方式的虛擬儀器;vxi總線方式的虛擬儀器;pxi總線方式的虛擬儀器。
          ● 虛擬儀器的軟件設(shè)計方案
          軟件在虛擬儀器中一般起到三個層面的作用:底層驅(qū)動層、應(yīng)用層和人機界面層。底層應(yīng)用層主要用來對硬件的操作,如對數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動。應(yīng)用層則是完成數(shù)據(jù)的采集存儲、轉(zhuǎn)換和分析,儀器的各種功能就在該層編制類似于傳統(tǒng)儀器的面板,完成人機交換。
          目前較為流行的虛擬儀器軟件有美國國家儀器公司的labview、 labwindows/cvi 、measurement studio,惠普公司的hp---vee等圖形化、交互式的編程設(shè)計環(huán)境,以及通用可視化編程工具vc++、vb、delphi、c++ builder、bc等。

          利用labview實現(xiàn)頻率穩(wěn)定度的測量
          ● 頻率穩(wěn)定度測量原理
           
          頻率穩(wěn)定度測量原理如圖1所示,以f1和f2分別表示一個標(biāo)頻信號和一個被測頻率信號,設(shè)它們的標(biāo)稱值均為nns,讓其進(jìn)行比相。由于它們之間的頻率差別和所有的各種噪聲的影響,使代表各自相位關(guān)系的兩鑒相脈沖之間的時間差變化在0~nns的范圍,并且以nns為一個鑒相周期。若當(dāng)兩鑒相脈沖之間的時間間隔在0或nns附近時,就會使鑒相雙穩(wěn)態(tài)的鑒相工作不正常。為了避免出現(xiàn)這種情況,又反映相位差值的變化,則自然會聯(lián)想到按某種規(guī)律的間隔脈沖的鑒相方法。為控制方便并兼顧避開兩比相脈沖的間隔接近0ns和nns兩種情況,比相時,一路鑒相信號的重復(fù)周期為nns,另一路信號的重復(fù)周期應(yīng)大于或等于3倍的nns,并且標(biāo)稱值是nns的整數(shù)倍。通過適當(dāng)?shù)拈T電路,讓t1和t2參加鑒相的脈沖之間的時間間隔為nns~2nns或2nns~3nns。這樣,兩比相信號每隔4nns的時間分別對鑒相雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)一次,但鑒相的重復(fù)周期仍為nns。鑒相雙穩(wěn)態(tài)輸出電壓經(jīng)濾波器輸出方波vf變化的情況,反映了兩比相信號間相位差隨時間的變化。t1的每個脈沖均參加鑒相;t2由于門電路的控制作用,每連續(xù)的四個脈沖中只有一個參加鑒相。但不是固定的分頻鑒相,而是選擇了與t1鑒相脈沖有一定時間間隔的nns一段中的時間范圍內(nèi)的脈沖來實現(xiàn)。通過數(shù)據(jù)采集板卡利用labview軟件對表示被測頻率穩(wěn)定度的方波信號vf進(jìn)行采集即是該系統(tǒng)完成的功能。
          ● 硬件配置
          本虛擬儀器系統(tǒng)是插卡型虛擬儀器,包括pc機、advantech公司pci-1713數(shù)據(jù)采集卡,端子板和傳輸電纜。
          ● 軟件設(shè)計
          測試程序有三個模塊組成:硬件驅(qū)動模塊、硬件配置及測量參數(shù)選擇模塊、用戶接口模塊。
          硬件驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)和底層數(shù)據(jù)采集卡打交道,它將根據(jù)用戶輸入的命令和參數(shù)完成一次數(shù)據(jù)采集并將測試結(jié)果還給用戶??紤]到程序的模塊化和通用性,一般將這部分程序編寫成動態(tài)鏈接庫。advantech公司針對該公司生產(chǎn)的各種數(shù)據(jù)采集板,通過在最底層調(diào)用動態(tài)庫,形成一些獨立的功能模塊,即該公司板卡的labview硬件驅(qū)動庫,同時還提供了很多例程。
          在進(jìn)行頻穩(wěn)測量時,由于處理數(shù)據(jù)量大,而且要求很高的采集率,所以采取dma傳輸方式。圖2是硬件驅(qū)動模塊與數(shù)據(jù)采集模塊相結(jié)合實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集流程圖。

          硬件配置及參數(shù)選擇模塊
          labview程序由三部分構(gòu)成,即前面板、圖形代碼及程序圖標(biāo)(即函數(shù)模板)和接口板。該部分即為前面板,它實現(xiàn)程序的輸入和輸出功能,由控制鍵元素和顯示鍵元素構(gòu)成??刂奇I代表程序的輸入?yún)?shù),顯示鍵代表程序的輸出值。圖3是該系統(tǒng)的主程序界面,左上角接受用戶輸入的測量參數(shù);左下角是各種功能鍵,包括頻差測量、連續(xù)測量、頻穩(wěn)測量、測試報告、停止采樣等;右上角是實時數(shù)據(jù)顯示,可以看出數(shù)據(jù)變化的趨勢;右下角則是頻穩(wěn)、頻差等的計算結(jié)果顯示。
           用戶接口模塊相當(dāng)于管理員,如圖4所示。在labview中即為函數(shù)模板,它包括編輯程序代碼所涉及到的vi程序和函數(shù),在該系統(tǒng)中它要完成windows初始化,等待接收并處理用戶命令,根據(jù)設(shè)置模塊的參數(shù)來調(diào)用驅(qū)動模塊,完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲的功能。

          結(jié)束語
          通過虛擬儀器的應(yīng)用,使得測量頻率穩(wěn)定度的界面友好,功能齊全,不僅把測量結(jié)果實時顯示在界面上,很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、打印,而且提高了測試速度和可靠性。



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