虛擬模擬電子線路實(shí)驗(yàn)的研究與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文

1、本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 論文題目：虛擬模擬電子線路實(shí)驗(yàn)的研究與實(shí)現(xiàn)學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：所在學(xué)院：所學(xué)專業(yè)： 2016年 5 月 31 日摘 要 隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，已經(jīng)進(jìn)入了虛擬儀器的時(shí)代。虛擬儀器是電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它將逐步取代傳統(tǒng)電子儀器。虛擬儀器作為新興的儀器儀表，是電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，應(yīng)用十分廣泛。開發(fā)模擬電子線路實(shí)驗(yàn)虛擬儀器是把虛擬儀器推廣和應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的嘗試。介紹了虛擬儀器的概念及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。闡述了虛擬儀器系統(tǒng)的工作原理。討論數(shù)據(jù)采集卡性能指標(biāo)和虛擬儀器波形采集、波形輸出及其關(guān)鍵技術(shù)。利用模擬電子線路虛擬儀器，通

2、過使用Lab VIEW環(huán)境開發(fā)的低頻放大器、高頻放大器、調(diào)頻及鑒頻、調(diào)相及鑒相5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目虛擬儀器研究成果。提出了直接鑒頻、直接鑒相和間接調(diào)相的新方法，并將它們應(yīng)用于調(diào)相及鑒相虛擬儀器，實(shí)驗(yàn)表明，這些方法易于實(shí)現(xiàn)，得到了滿意的結(jié)果。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；數(shù)據(jù)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

3、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

4、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

5、 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,

6、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

7、 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 Acquisiti

8、on 目 錄摘 要IAbstractII目 錄III1 緒論11.1 虛擬儀器研究的背景及意義11.2 虛擬儀器的研究概況12 虛擬儀器結(jié)構(gòu)及工作原理22.1 虛擬儀器的概念22.2 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)22.3 虛擬儀器的工作原理33 虛擬儀器波形采集和波形輸出53.1 數(shù)據(jù)采集卡53.1.1 數(shù)據(jù)采集卡的功能53.1.2 采集卡驅(qū)動(dòng)方式53.2 波形采集53.2.1 有限數(shù)量的波形采集63.2.2 連續(xù)的波形采集63.3 連續(xù)采集數(shù)據(jù)基本程序73.3.1 波形輸出概述73.3.2 有限數(shù)量和連續(xù)波形信號(hào)輸出74 虛擬模擬電子線路實(shí)驗(yàn)84.1 低頻放大器實(shí)驗(yàn)虛擬儀器84.1.1 低頻放大器

9、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容84.1.2 低頻放大器實(shí)驗(yàn)虛擬儀器84.2 高頻放大器實(shí)驗(yàn)虛擬儀器94.2.1 高頻放大器特點(diǎn)及測(cè)量指標(biāo)94.2.2 高頻放大器實(shí)驗(yàn)虛擬儀器94.3 調(diào)相及鑒相實(shí)驗(yàn)虛擬儀器104.3.1調(diào)相與鑒相的基本原理104.3.2調(diào)相與鑒相仿真114.3.3利用現(xiàn)有的調(diào)頻與鑒頻實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行調(diào)相與鑒相實(shí)驗(yàn)115 模擬電子線路實(shí)驗(yàn)虛擬儀器實(shí)測(cè)結(jié)論135.1 模擬電子線路實(shí)驗(yàn)虛擬儀器實(shí)測(cè)結(jié)論135.2 虛擬儀器實(shí)測(cè)結(jié)論13參考文獻(xiàn)141 緒論1.1 虛擬儀器研究的背景及意義 隨著科技的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域有著新的突破，虛擬儀器將漸漸的取締以往的電子儀器。虛擬儀器在高等學(xué)校實(shí)踐教學(xué)中有著至關(guān)重要的地位

10、，在虛擬電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓同學(xué)們應(yīng)用不同的虛擬電路進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)一步研究。這樣做，讓同學(xué)們擺脫了傳統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)的繁瑣過程，做到了簡單方便，同時(shí)也避免了實(shí)驗(yàn)室中儀器的老化帶來的誤差影響以及實(shí)驗(yàn)材料的不足或精度不高等困難。在實(shí)踐教學(xué)過程中可帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室通過測(cè)試性、討論型、創(chuàng)新型培養(yǎng)學(xué)生的濃厚學(xué)習(xí)興趣，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，超強(qiáng)的動(dòng)手能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力，完成對(duì)電子線路系統(tǒng)的性能分析，時(shí)序邏輯測(cè)試。在親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)研究的過程中，不斷嘗試使用和開發(fā)模擬電子線路實(shí)驗(yàn)虛擬儀器，相信不久的將來，虛擬儀器會(huì)在高等工科院校的教學(xué)實(shí)踐中被廣泛借鑒，成為教學(xué)和科研的強(qiáng)有力工具。1.2 虛擬儀器的研究概況美

11、國IN公司采取了獨(dú)特的編程方式開發(fā)了平臺(tái)LabVIEW。此平臺(tái)編輯過程被廣大用戶所喜愛。IN還提出了LabWindows等交互式開發(fā)平臺(tái)。美國HP公司的HP VEETektronis公司的EZ TEST 和TEK TNS 以及美國HEM DATA 公司的SNAP-MARTER平臺(tái)軟件，是國際上公然的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。XPH-2型工控機(jī)智能測(cè)量系統(tǒng)等最新開發(fā)的微電腦測(cè)量系統(tǒng)是國外的尖端虛擬技術(shù)的體現(xiàn)。在我國，西安交通大學(xué)韓九強(qiáng)等學(xué)術(shù)帶頭人研發(fā)了可組態(tài)生成不同儀器的可視化虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。重慶大學(xué)秦樹人等提出了虛擬儀器產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)方法。虛擬技術(shù)在各行各業(yè)，比如網(wǎng)絡(luò)通信、誤差檢測(cè)、和質(zhì)量

12、檢測(cè)等領(lǐng)域都有著廣泛的體現(xiàn)。在國內(nèi)虛擬設(shè)備正面向多平臺(tái)多用戶發(fā)展。2 虛擬儀器結(jié)構(gòu)及工作原理 2.1 虛擬儀器的概念 虛擬儀器以開放式結(jié)構(gòu)為主的工作器件，是用計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理器、或計(jì)算機(jī)中央處理器來處理存儲(chǔ)及顯示信號(hào)、系統(tǒng)管理的。用數(shù)據(jù)采集卡收集輸入波形，然后輸入計(jì)算機(jī)等處理設(shè)備進(jìn)行分析處理，最后輸出信號(hào)，以達(dá)到以往儀器的使用目的。同時(shí)充分利用計(jì)算機(jī)硬件和軟件方面的優(yōu)勢(shì)。虛擬儀器根據(jù)用戶需求進(jìn)行自定義,因而可以通過改變軟件適應(yīng)不同測(cè)試需要,很靈活的與互聯(lián)網(wǎng)或其他設(shè)備相關(guān)聯(lián)。充分展示虛擬儀器的優(yōu)越性。2.2 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(l)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成方法典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由四大部分組成，其框

13、圖圖象采集 DSP信號(hào)調(diào)整數(shù)據(jù)采集卡GPIB接口儀器GPIB接口卡串行口儀器/PLC VXI儀器 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備被控對(duì)象LabVIEw,LabWindowes/CVI,Componert Work,以及其它軟件 圖2.1 虛擬儀器構(gòu)成的基本框圖現(xiàn)場(chǎng)信號(hào),傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)調(diào)整(放大,隔離,激勵(lì)等)數(shù)據(jù)采集板、卡(A/D或D/A)虛擬儀器專用控制軟件部分圖2.1 典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成圖通過A/D變換將模擬、數(shù)字信號(hào)采集計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理、顯示等，并可通過D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)反饋控制。根據(jù)需要還可加入信號(hào)調(diào)理和實(shí)時(shí)DSP等硬件模塊，這是必要非常必要的。目前，由于多層電路板技術(shù)、可編程儀用放大器技術(shù)讓最新

14、的數(shù)據(jù)采集卡能保證儀器的功能性質(zhì)及顯示輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了良好的解決方案。(2)GPIB儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成方法GPIB(General Purpose、Interface Bus)通用接口總線技術(shù)可說是虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的初級(jí)階段。此通用接口總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)密切相連，用計(jì)算機(jī)提高以往儀器的功能，并能快速準(zhǔn)確高效簡單的完成各種實(shí)驗(yàn)任務(wù)。計(jì)算機(jī)可通過接口總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操控，更加精準(zhǔn)的完成作業(yè)任務(wù)，同時(shí)也高效靈活方便的達(dá)到了目的。排除了人為和以往儀器上產(chǎn)生的誤差因素。并且在實(shí)驗(yàn)前，輸入實(shí)驗(yàn)信號(hào)，設(shè)置好儀器參數(shù)，可自動(dòng)完成測(cè)試任務(wù)。很大程度上縮短了實(shí)驗(yàn)用時(shí)。(3)VXI儀器控制

15、系統(tǒng)構(gòu)成方法VME總線在儀器領(lǐng)域擴(kuò)展出了VXI總線即高速計(jì)算機(jī)總線，給虛擬系統(tǒng)帶來了更大的優(yōu)越性，當(dāng)在組建非小規(guī)模自動(dòng)測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)確度、速率要求較高時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇VXI總線。VXI儀器與以往儀器相比，VXI儀器不需要操作面板，由計(jì)算機(jī)軟件控制儀器的操作，“VXI Plug & Play，產(chǎn)品也投放市場(chǎng)，這些產(chǎn)品包括控制器、儀器軟件和主機(jī)等。2.3 虛擬儀器的工作原理 從計(jì)算機(jī)技術(shù)的角度，可以說以往儀器的測(cè)試功能是通過硬件來實(shí)現(xiàn)的。下圖是簡單的闡述了交流電壓有效值測(cè)量表的基本原理。 平方器平均電路開方器 圖2.2 電壓表電路原理框圖根據(jù)交流信號(hào)有效值的定義= (2.1)被測(cè)信號(hào)經(jīng)過以

16、上流程圖先開平方、然后再積分最后求平均值、開方運(yùn)算。虛擬儀器工作原理如圖2.3所示。 信號(hào)采集分析與處理結(jié)果顯示 圖2.3虛擬儀器工作原理 1.信號(hào)采集 在計(jì)算中，信息均以二進(jìn)制數(shù)“0”和“1”表示，為了對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行分析，必須對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，虛擬儀器中的I/O接口的主要功能就是實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)采樣定理，虛擬儀器內(nèi)的任何輸入輸出信號(hào)都是由二進(jìn)制編碼來表示。因?yàn)橛?jì)算機(jī)的中信號(hào)大多數(shù)都是有其表示的。在大多數(shù)情況下用一維數(shù)組來表示單路模擬信號(hào)，數(shù)組的元素為存放的采樣值，元素的位置為采樣次序。 2.分析與處理 計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析功能非常完備且精確，能對(duì)輸入輸出接口設(shè)備采

17、集到的數(shù)據(jù)有精確的回應(yīng)和處理。在測(cè)量有效值算法過程中用到的Ux(t)為每次的采樣值，其中為采樣的時(shí)間間隔或者采樣頻率的倒數(shù)，T為采樣總時(shí)間長度。采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)可以事先設(shè)定。3.結(jié)果顯示 分析結(jié)果可以以數(shù)值、指針等多種形式在計(jì)算機(jī)屏幕上的虛擬顯示器中表示出來3，據(jù)此我們可以得到輸出波形。3 虛擬儀器波形采集和波形輸出3.1 數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡在虛擬儀器測(cè)試中有著舉足輕重的作用，是硬件設(shè)備的最核心內(nèi)容，它能將輸入進(jìn)來的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)經(jīng)過一連串的信號(hào)調(diào)理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸入到虛擬儀器的采集系統(tǒng)中。3.1.1 數(shù)據(jù)采集卡的功能數(shù)據(jù)采集卡的重要功能之一為模擬信號(hào)的采集，通常的數(shù)據(jù)采集卡具備功能如下所示。1

18、.A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的器件，也是DAQ卡的硬件核心。ADC有三個(gè)最主要的性能指標(biāo):分辨率，精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間。2.數(shù)字I/O在有些作業(yè)中，數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字輸入輸出功能在被測(cè)對(duì)象與計(jì)算機(jī)之間只能傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)應(yīng)用，這是使用過程中應(yīng)注意的點(diǎn)。虛擬儀器與外部設(shè)備的通信建立于外部輸出線，同時(shí)它控制了外部的作業(yè)執(zhí)行。3.定時(shí)/計(jì)數(shù)在DAQ應(yīng)用中經(jīng)常要用到定時(shí)/計(jì)數(shù)功能，如測(cè)量脈沖信號(hào)周期、精確控制時(shí)間和產(chǎn)生脈沖信號(hào)等。衡量定時(shí)/計(jì)數(shù)器的兩個(gè)主要性能指標(biāo)是分辨率和時(shí)鐘頻率，分辨率越高，計(jì)數(shù)器位數(shù)越大，計(jì)數(shù)值也越大。3.1.2 采集卡驅(qū)動(dòng)方式 對(duì)于NI公司推出的數(shù)據(jù)采集

19、卡可直接對(duì)端口進(jìn)行操作，但使用經(jīng)費(fèi)高昂，給科被測(cè)信號(hào)信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī) 圖3.1虛擬儀器硬件結(jié)構(gòu)圖研帶來諸多不便。而如果采用一些國產(chǎn)數(shù)據(jù)采集卡，要使其能應(yīng)用在Lab VIEW環(huán)境下，必須編寫適用于Lab VIEW的接口驅(qū)動(dòng)程序，這給數(shù)據(jù)采集卡的使用帶來了不便【4】。3.2 波形采集所謂波形，在這里指信號(hào)的時(shí)域表達(dá)。對(duì)于快速變化的信號(hào)，為了精確測(cè)量它的波形，一般需要用信號(hào)最高頻率成分5到10倍的采樣頻率進(jìn)行信號(hào)采樣。當(dāng)對(duì)高頻率信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，系統(tǒng)的能量會(huì)被大量耗損，信號(hào)被處理的時(shí)間也會(huì)越來越慢。如果采集信息過大，可讓采集與分析動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，也可同時(shí)接受輸入信號(hào)，然后一部分一部分分析

20、。3.2.1 有限數(shù)量的波形采集進(jìn)行多點(diǎn)采集時(shí)，Lab VIEW內(nèi)存中會(huì)有一塊固定的緩沖區(qū)。程序會(huì)設(shè)定固定的采樣率，據(jù)此數(shù)據(jù)采樣設(shè)備來進(jìn)行采樣信號(hào)，因而數(shù)據(jù)會(huì)被傳遞到緩沖區(qū)。以此類推，采樣信號(hào)數(shù)據(jù)會(huì)填充緩沖區(qū)。當(dāng)樣本被采集完全，固定緩沖區(qū)無剩余空間。然后虛擬儀器將數(shù)據(jù)傳遞到程序中進(jìn)行處理與輸出。3.2.2 連續(xù)的波形采集 如果需要一個(gè)長時(shí)間的并且周期性的數(shù)據(jù)采集，計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量不夠時(shí)，可將緩沖區(qū)進(jìn)行往復(fù)利用來數(shù)據(jù)采集。采集一定量的數(shù)據(jù)時(shí)，讓數(shù)據(jù)填滿整個(gè)緩沖區(qū)，然后一起輸出。而連續(xù)采集數(shù)據(jù)時(shí)，每次只在緩沖區(qū)的一部分之中輸入數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)緩沖區(qū)底端時(shí)，轉(zhuǎn)回到緩沖區(qū)的頂端再次布滿同一緩沖區(qū)，與此同時(shí)

21、緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)一部分一部分被讀出。這就形成連續(xù)數(shù)據(jù)的采集過程。在這個(gè)過程中，要保證程序從緩沖區(qū)的一個(gè)位置讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)被寫入緩沖區(qū)的另一個(gè)位置，這樣才有可供讀取的數(shù)據(jù)，尚未被讀取的數(shù)據(jù)也不會(huì)被更新的數(shù)據(jù)覆蓋掉。為此必須解決兩個(gè)問題：1.程序從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的速度不能比數(shù)據(jù)放進(jìn)緩沖區(qū)的速度快。2.程序從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的速度不能太慢，否則緩沖區(qū)中還沒來得及被讀取的數(shù)據(jù)會(huì)被覆蓋掉，同時(shí)返回一個(gè)出錯(cuò)信息，告知用戶從緩沖區(qū)讀取的數(shù)據(jù)是被覆蓋過的數(shù)據(jù)。 （a） (b) (c) (d) 圖3.2 循環(huán)緩沖區(qū)工作方式將從緩沖區(qū)的寬度、掃描頻率和一次讀取的Lab VIEW掃描數(shù)這幾個(gè)方面來合理的處理以上問題

22、。從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的速度太慢，沒讀的數(shù)據(jù)被遮蓋掉時(shí)Lab VIEW返回一個(gè)錯(cuò)誤代碼10846，這個(gè)問題一旦被解決，緩沖區(qū)會(huì)變得更大，這樣填滿的數(shù)據(jù)就會(huì)變多，因此填充時(shí)間會(huì)加長，同時(shí)也給程序充分的時(shí)間讀取數(shù)據(jù)，降低了緩沖區(qū)被填滿的速度，同樣也給了程序更多的時(shí)間去讀取數(shù)據(jù)；還可以增加每次讀取數(shù)據(jù)的數(shù)量，為了使緩沖區(qū)有剩余空間，做到了減少訪問次數(shù)。3.3 連續(xù)采集數(shù)據(jù)基本程序3.3.1 波形輸出概述 1.輸出直流信號(hào)當(dāng)輸出信號(hào)電平不穩(wěn)定時(shí)，我們通常采用模擬單點(diǎn)的辦法產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的直流信號(hào)來穩(wěn)定，這是最常用的方法。在單點(diǎn)模擬輸出過程中，調(diào)用一次單點(diǎn)刷新的模擬輸出函數(shù)來改變模擬輸出通道的值。因此Lab

23、VIEW調(diào)用模擬輸出函數(shù)的速度控制整個(gè)系統(tǒng)的速度，這種方法稱為軟件定時(shí)。 2.輸出隨時(shí)間快速變化的信號(hào)要產(chǎn)生連續(xù)變化的波形，信號(hào)的電平高低和信號(hào)的刷新率變化對(duì)于模擬輸出同樣重要。需要注意的是，必須在信號(hào)輸出的同時(shí)，連續(xù)將新的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，這種情況叫循環(huán)緩沖波形輸出，是簡單緩沖波形的一種方式。3.3.2 有限數(shù)量和連續(xù)波形信號(hào)輸出 1.有限數(shù)量的波形信號(hào)輸出Lab VIEW提供了四種模擬輸出函數(shù):易用函數(shù)、中級(jí)函數(shù)、實(shí)用函數(shù)和高級(jí)函數(shù)，這四種函數(shù)能輸出有限數(shù)量的波形信號(hào)，能一次將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)填滿。然后逐點(diǎn)將數(shù)據(jù)輸出。2.連續(xù)波形信號(hào)輸出當(dāng)波形數(shù)據(jù)太大以至于緩沖區(qū)放不下，或者它在不斷變化的話，就需

24、要使用循環(huán)緩沖區(qū)技術(shù)輸出數(shù)據(jù)。開始執(zhí)行循環(huán)體外部分，設(shè)置硬件，寫滿全部緩沖區(qū)。執(zhí)行循環(huán)體時(shí)不再進(jìn)行硬件設(shè)置，一定要注意這一點(diǎn)個(gè)。采用循環(huán)緩沖技術(shù)，每次只在緩沖區(qū)填滿一半容量的數(shù)據(jù)，不斷重復(fù)以上操作，輸出連續(xù)的波形。4 虛擬模擬電子線路實(shí)驗(yàn)4.1 低頻放大器實(shí)驗(yàn)虛擬儀器4.1.1 低頻放大器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在低頻模擬電子線路實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)習(xí)以下內(nèi)容： 1.單極放大器2.多級(jí)放大器3.負(fù)反饋放大器4.差分放大器5.運(yùn)算放大器針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目研究了各自的電路板，在做每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，安置到低頻放大器實(shí)驗(yàn)虛擬儀器上，進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)。4.1.2 低頻放大器實(shí)驗(yàn)虛擬儀器 1.功能描述 (1).測(cè)量放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。 (

25、2).測(cè)量輸入、輸出交流信號(hào)電壓。 (3).給放大器提供信號(hào)源。 (4).具有波形顯示和測(cè)量功能，用于顯示輸入、輸出信號(hào)波形，且可由波形讀出信號(hào)頻率和幅度。 (5).具有仿真和實(shí)測(cè)功能。放大器主要指標(biāo)尤其自身參數(shù)決定。 2.設(shè)計(jì)方法 在虛擬儀器中輸出信號(hào)是由電壓信號(hào)表示的。所以采用間接測(cè)電流法，其分為兩種: (1).測(cè)某條支路中己有的電阻上的電壓值，求出流過該電阻電流即某支路電流值。 (2).在數(shù)據(jù)采集卡一個(gè)特定的輸入通道并接1電阻，如圖4.1所示，在通道7的輸入端并接了1歐電阻。圖4.1 在通道7的輸入端并接1歐電阻（差分輸入）此時(shí)就像直接測(cè)電流法一樣，將通道7支路上串聯(lián)上一個(gè)1歐的電阻，輸

26、出信號(hào)會(huì)顯示其電壓值，將其與電阻值進(jìn)行除法運(yùn)算，即可在數(shù)值上得到其電流值。此方法為并入1歐電阻法。應(yīng)用此法時(shí)通道7只能作為測(cè)量直流電流專用通道。 3.低頻放大器實(shí)驗(yàn)虛擬儀器設(shè)計(jì) (1).前面板設(shè)計(jì)虛擬儀器由以下幾部分構(gòu)成: a.輸出控件六個(gè):信號(hào)源的幅度和頻率參數(shù)設(shè)置控件各一個(gè)，輸出信號(hào)波形選擇控件一個(gè)，放大倍數(shù)設(shè)置控件一個(gè)。 b.輸出控制六個(gè):直流電壓、電流顯示控件各一個(gè)，輸入、輸出信號(hào)大小和頻率顯示控件各兩個(gè)。 c.開關(guān)控件三個(gè):一個(gè)用于控制交流和直流測(cè)量，一個(gè)用于仿真與實(shí)測(cè)，一個(gè)用于關(guān)機(jī)。 (2).流程圖設(shè)計(jì)在測(cè)電流的斷點(diǎn)兩側(cè)一般存在有數(shù)千歐的其他電阻，所以10電阻串入斷點(diǎn)對(duì)支路電流值的

27、影響可以忽略。采用并入1歐電阻法，在數(shù)據(jù)采集上很容易實(shí)現(xiàn)，但此時(shí)通道7只能作為測(cè)量直流電流專用通道，一定不能再作為測(cè)量電壓的輸入通道被使用。(3) 保存設(shè)計(jì)好的虛擬儀器4.2 高頻放大器實(shí)驗(yàn)虛擬儀器4.2.1 高頻放大器特點(diǎn)及測(cè)量指標(biāo)高頻放大器一般包含有放大和濾波兩個(gè)組成部分。較簡單的高頻放大器的濾波回路一般是LC并聯(lián)諧振回路或雙諧振回路。復(fù)雜高頻放大器一般由集中濾波和集中放大兩個(gè)部分組成，集中濾波電路可以由多級(jí)LC濾波電路構(gòu)成，集中放大部分一般是多級(jí)寬頻帶放大器。不管高頻放大器是由哪些組件構(gòu)成，放大和選頻都是其基本功能,在使用時(shí)一定要注意其這兩個(gè)性能。因此，高頻放大器實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)量其A一f特

28、性、諧振電壓增益及通頻帶。4.2.2 高頻放大器實(shí)驗(yàn)虛擬儀器 1.功能描述 (1).具有仿真和實(shí)測(cè)功能，仿真用于演示放大器的工作原理。 (2).具有產(chǎn)生測(cè)試調(diào)用高頻信號(hào)的功能。 (3).具有顯示放大器輸入信號(hào)和輸出信號(hào)波形的功能。 (4).具有測(cè)量和顯示放大器輸入、輸出信號(hào)振幅和頻率的功能。 (5).具有測(cè)量和顯示放大器A一f曲線的功能。 2.設(shè)計(jì)原理 (1).仿真功能一般采用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻回路的放大器具有下式描述的放大和選頻特性。 （4.1）式(4.1)中A表示放大器電壓增益，Av0表示諧振電壓增益 （4.2） 稱為廣義失諧，為LC回路品質(zhì)因數(shù)，為回路諧振頻率，頻率與諧振頻率之差。

29、為實(shí)現(xiàn)仿真功能，假設(shè)有一存在的放大器，其A一f特性由式(4.1)確定，且其參數(shù)(Av。，)是可改變的。給該放大器輸入正弦信號(hào)，則放大器輸出信號(hào)的振幅為: （4.3）式中A由假想放大器的參數(shù)(Av。， )及輸入信號(hào)的頻率f決定，在放大器參數(shù)不變的情況下，不改變Vi，只改變f，由于A改變，所以也會(huì)改變。在波形圖中，可以看到不同頻率的正弦信號(hào)經(jīng)假想的放大器放大后，其也不同。 按式(4.1)變化。 (2).測(cè)量放大器A-f特性曲線 a-f特性曲線測(cè)試客觀存在的放大器的a-f特性，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試出相應(yīng)數(shù)據(jù)，據(jù)其描繪出a-f曲線。虛擬掃頻儀的原理框圖如圖4.2所示。掃描信號(hào)發(fā)生器被測(cè)放大器包絡(luò)檢波器A-f

30、特性被測(cè)信號(hào)FM放大和選頻后的信號(hào)AM-FM包絡(luò)圖4.2 虛擬掃頻儀原理掃頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率范圍足夠?qū)挼腇M信號(hào)，給被測(cè)放大器提供信號(hào)源。由于被測(cè)放大器的電壓增益是非線性的，當(dāng)輸入信號(hào)的瞬時(shí)頻率發(fā)生改變，經(jīng)過放大器的AM-FM波的幅度發(fā)生改變5，且其包絡(luò)與放大器的a-f特性曲線是一致的，經(jīng)后續(xù)的包絡(luò)檢波器取出AM-FM波的包絡(luò)，該包絡(luò)就是被測(cè)放大器的a-f特性曲線 。4.3 調(diào)相及鑒相實(shí)驗(yàn)虛擬儀器4.3.1調(diào)相與鑒相的基本原理 調(diào)相分為直接調(diào)相和間接調(diào)相兩種方式。直接調(diào)相是由調(diào)相的定義來產(chǎn)生調(diào)相波，間接調(diào)相首先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行微分運(yùn)算，再用微分的信號(hào)產(chǎn)生調(diào)頻波，最終結(jié)果仍然是由調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的調(diào)

31、相波。設(shè)載波為，調(diào)制信號(hào)，由調(diào)相的定義以及調(diào)相與調(diào)頻間的關(guān)系有 （1） （2）(2) 式中 (1)式為調(diào)相波的一般表示式，(2)式是間接調(diào)相的調(diào)相波表示式。相位解調(diào)也有2種方式:間接鑒相和直接鑒相，基本要求是鑒相信號(hào)與瞬時(shí)相偏間保持線性關(guān)系。直接鑒相原理如圖4.3所示。為簡化分析，設(shè)調(diào)制信號(hào)為 t，調(diào)相波為，其中為調(diào)相指數(shù)，同步載波為，乘法器的輸出LPF 圖4.3直接鑒相原理 （3）經(jīng)仿真研究，正弦函數(shù)包含基波和奇次諧波，余弦函數(shù)只有偶次諧波，不能從中恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，所以這里一定要用正弦函數(shù)。4.3.2調(diào)相與鑒相仿真Lab VIEW是計(jì)算機(jī)中功能強(qiáng)大的仿真系統(tǒng)，用它仿真直接和間接調(diào)相、直接和間接

32、鑒相。調(diào)相仿真分別以低頻正弦波和三角波為調(diào)制信號(hào)，高頻正弦波為載波，由虛擬儀器產(chǎn)生調(diào)相波。鑒相仿真由虛擬儀器對(duì)自己產(chǎn)生的調(diào)相波進(jìn)行鑒相，恢復(fù)調(diào)制信號(hào)。該系統(tǒng)學(xué)習(xí)的意義是讓學(xué)生理解調(diào)相與鑒相的基本概念，調(diào)相與調(diào)頻、鑒相與鑒頻間的差異。4.3.3利用現(xiàn)有的調(diào)頻與鑒頻實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行調(diào)相與鑒相實(shí)驗(yàn)現(xiàn)有的角度調(diào)制和調(diào)配套的有2塊電路板: G4和G5，可分別進(jìn)行變?nèi)荻O管調(diào)頻、相位鑒頻和壓控振蕩器調(diào)頻、鎖相環(huán)鑒頻4個(gè)實(shí)驗(yàn)。虛擬儀器除了進(jìn)行微分和積分運(yùn)算外，還取代了函數(shù)發(fā)生器、高頻信號(hào)源，高頻毫伏表、示波器等以往儀器，給實(shí)驗(yàn)電路提供調(diào)制信號(hào)和載波，測(cè)量調(diào)相和鑒相參數(shù)，觀測(cè)各種波形。電路板G4進(jìn)行模擬調(diào)頻和模擬鑒頻，要求載波頻率為6.5MHz。電路板G5進(jìn)行數(shù)字調(diào)頻和數(shù)字鑒頻，以自身產(chǎn)生的50 kHz方波或三角波作為載波。經(jīng)考究G5使用性能更好更方便。實(shí)驗(yàn)原理如圖4.4所示。微分調(diào)頻電路(1)調(diào)相實(shí)驗(yàn)原理圖鑒頻電路積分 (2) 鑒相實(shí)驗(yàn)原理圖圖4.4利用虛擬儀器和G5的調(diào)頻與鑒頻電路進(jìn)行調(diào)相與鑒相實(shí)驗(yàn)原理圖5 模擬電子線路實(shí)驗(yàn)虛擬儀器實(shí)測(cè)結(jié)論5.1 模擬電子線路實(shí)驗(yàn)虛擬儀器實(shí)測(cè)結(jié)論用設(shè)計(jì)的低頻放大器實(shí)驗(yàn)虛擬儀器和以往的儀器分別做實(shí)驗(yàn)，分別給兩個(gè)系統(tǒng)輸入相同的信號(hào)波形，同