毕业设计论文-双定子旋转超声电机驱动试验系统.doc

双定子旋转超声电机驱动试验系统双定子旋转超声电机驱动试验系统【摘要】 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。LabVIEW软件是目前实现虚拟仪器最流行的设计工具软件之一。本文为一种新型旋转型行波超声电机驱动试验系统。在对新型超声电机驱动原理进行分析的基础上，以LabVIEW作为开发平台，以DAQ板卡作为处理器，并通过外围电路的设计进行输入输出采集与控制，来完成对整个系统的设计。本文首先介绍了驱动试验系统的总体设计方案，然后介绍LabVIEW DAQmx数据采集编程，硬件的选择以及硬件电路设计，再重点介绍了系统软件编程给出设计的前面板以及程序框图。【关键词】：虚拟仪器;旋转型超声电机;LabVIEW;数据采集Design of The Test Incentive System For Rotary Traveling Wave Ultrasonic MotorAbstract Virtual instrument technology is the use ofhigh-performance modular hardware,combined with theapplication ofhighly efficient and flexible softwareto complete a variety of test,measurement and automation.Since its inception in 1986,the worldof engineers andscientistshave the NILabVIEW graphicaldevelopment tools forall aspects of productdesigncycle,improveproduct quality,shorten producttime to market,andimprove product developmentand production efficiency.Virtual instrumentis connected with thesignalenvironment and the realworldintegration,analysisof data in order to obtainpractical information,sharinginformation,help toimprove production efficiencyin a large range.Variousvirtual instrumentprovidescansatisfy any of ourproject needs.The LabVIEW softwareis currently one ofthe most popularvirtualinstrumentsoftwaredesigntool.This article is to design a test incentive system fora new type ofrotary traveling waveultrasonic motor.Onthe basis of analyzingtheprincipleofanewultrasonic motor drive,andwithLabVIEWasadevelopmentplatform,theDAQboardastheprocessor,acquisites and controls the input and outputby designing the peripheral circuit, thus to completethe designof the entire system. This paper firstlydescribes theoverall designapproach ofthetestincentive system,then introduces theLabVIEWDAQmx, a data acquisitionprogramming,hardwareselection and hardware circuit design, and finally focuses ondescribing systemsoftware programming and givesout the front panelandblock diagram of the design.Key words: virtual instrument;Rotarytype ultrasonic motor;LabVIEW;data acquisitio目录引言11 绪论21.1 虚拟仪器简介21.2 虚拟仪器的特点21.2.1 不强调物理上的实现形式21.2.2 在系统内实现软硬件资源共享31.2.3 图形化的软件面板31.3 虚拟仪器的构成31.3.1 虚拟仪器的硬件组成31.3.2 虚拟仪器的软件组成31.4 虚拟仪器的开发语言42 双定子旋转超声电机驱动试验系统的总体方案设计52.1 系统总体方案设计52.2 系统软件的选择52.3 系统硬件的选择62.3.1 数据采集卡63 labview DAQmx数据采集编程93.1 DAQ基础知识93.2 NI采集卡的常用函数113.2.1 DAQ助手113.2.2 创建虚拟通道函数113.2.3 定时函数123.2.4 开始触发函数123.2.5 终止任务函数133.2.6 启动任务函数133.2.7 写入函数143.2.8 读取函数143.2.9 清除任务函数144 系统软件程序设计154.1 一路可调电压输出154.1.1 接线方法154.1.2 模拟输出的流程图154.1.3 程序编写174.1.4 程序的调试195 系统硬件电路设计205.1 四阶巴特沃斯滤波器设计205.1.1巴特沃斯滤波器205.1.2电路图选择与计算参数225.1.3 仿真结果分析245.2 移相电路的设计255.2.1 移相电路原理255.2.2 电路图的设计与参数计算285.2.3 仿真结果及分析296 系统总体试验情况306.1 单通道电压输出306.2 滤波器电路试验307 总结与展望32致谢语33参考文献34引言旋转型行波超声电机作为目前最典型的一种超声电机，它已经广泛应用于微型机械、机器人、精密仪器仪表、日用家电等领域；有关专家预言,在不久的将来,超声电机将在微小电机领域几乎全部替代传统的电磁电机，展现出美好的前景。旋转型行波超声电机在具有结构简单、动态响应好、低噪声运行等一系列优点的同时，它输出功率小、效率低也是旋转型行波超声电机目前急需解决的问题之一。采用两个完全相同压电定子与压电转子直接平行接触“啮合”驱动压电转子转动，输出动力，可以克服传统单定子结构的旋转型行波超声电机定转子存在摩擦驱动接触范围小等缺陷，有望提高电机的最大输出转矩和效率。1传统的旋转型行波超声电机的驱动信号只需要两相具有相位差的正弦电压信号。这种新型的旋转型行波超声电机具有两组压电陶瓷，需要四路正弦电压信号驱动。本选题就是为这种新型超声电机开发试验激励系统。目前国内应用广泛的行波型超声电机驱动系统是：利用开关电源技术，由逆变来实现电压升压，能量传递、阻抗匹配和电源隔离。其功能完全由硬件实现，变压器必须与不同型号的超声电机匹配，功能单一而且购置、维护费用高；有的是采用模拟元件或者是数字元件，有的是采用单片机电路，有的是采用数字信号处理电路，其不足是硬件电路太复杂应用不灵活以及定定位精度不高等。6与传统仪器相比，虚拟仪器是在一种以通用计算机为为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其核心思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能、灵活性、自动化程度、具有良好人机界面。随着虚拟仪器越来越广泛的应用，LabVIEW在超声电机的驱动控制中得到应用。由虚拟仪器的软件程序来产生实验激励系统的可调正弦信号的产生、输出，对外部信号的采集、处理、输出。系统软件包括：前面板的生成、虚拟仪器主要功能包括：通道选择、频率调整、幅值调整、相位差调整、转子角度，随着虚拟仪器技术的功能和性能已不断地提高，如今在许多应用中已成为传统仪器的主要替代方式。由虚拟仪器输出的两路正弦信号在分别经过滤波装置，就可以产生四路正弦信号，以满足试验激励系统的要求。141 绪论1.1 虚拟仪器简介虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是指，在以通过计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的控制面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器主要有以下几个特点：（1） 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。（2） 可充分发挥计算机的能力，具有强大的数据处理功能，可以创造出功能更全面的仪器。（3） 用户可以根据自己的需要来定义和制造各种仪器。虚拟仪器突出“软件即仪器”的概念，传统仪器的某些硬件在虚拟仪器中被软件代替，由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，再加上标准化总线的使用，这些变化是仪器的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。伴随着计算机技术的快速发展，以及人们对仪器功能、灵活性的要求会越来越高，虚拟仪器技术将会在更多的领域得到应用和普及。图1-1反映了常见的虚拟仪器方案。图1-1 常见的虚拟仪器方案1.2 虚拟仪器的特点1.2.1 不强调物理上的实现形式虚拟仪器通过软件功能来实现数据采集与控制、数据处理与分析及数据的显示这三部分的物理功能。其充分利用计算强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果显示等，通过软件、硬件的配合来实现传统仪器的各种功能。1.2.2 在系统内实现软硬件资源共享虚拟仪器的最大的特点是将计算机资源与仪器硬件、DSP技术相结合，在系统内共享软硬件资源。它打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，而变成了由用户本身定义仪器功能。使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，便可以实现功能完全不同的测控仪器。1.2.3 图形化的软件面板虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境采用可视化的图形编程语言和平台，以在计算机屏幕建立图形化的软件面板来代替常规的传统仪器面板。软件面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他大部分控制部件。在操作时，用户可以使用鼠标或键盘操作软件面板，来检验仪器的通信和操作。1.3 虚拟仪器的构成1.3.1 虚拟仪器的硬件组成虚拟仪器是基于计算机的测量设备，硬件由通用计算机和模块化硬件设备组成。通用计算机可以是便携式PC机、台式PC机或工作站等。最常用的模块化硬件设备是数据采集（DAQ）卡，再配以相应的调理电路，构成硬件平台。1.3.2 虚拟仪器的软件组成系统软件通常是使用专用的虚拟仪器开发语言编写而成。它应完成数据的采集及信号生成控制、数据的分析与数据的表达等功能。在设计中可以采用图1-2所示的结构化进程编写系统软件。在结构化进程中应用程序分为三个层次：图1-2软件结构化进程示意图仪器设备层。对于数据的采集与控制，由于涉及硬件操作，需要相应的硬件驱动程序。在NI公司出售的数据采集卡便可直接支持LabVIEW。这种软件能提供许多设备驱动程序。测试程序层。其功能是设置个仪器的参数并采集数据，然后进行数据的分析与处理，最后计算出结果。用户应用层。此层面软件与用户需求密切相关，其主要功能为：1为用户提供各类测试仪器的虚拟界面；2为完成特定的测试任务，调用各个仪器；3管理测试程序等等。1.4 虚拟仪器的开发语言虚拟仪器系统的开发语言有：标准C,Visual C+,Visual Basic等通用程序开发语言。但直接通过这些语言开发虚拟仪器系统，是有难度的。除了要花大量时间进行测试系统面板设计外，还有编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。这些工作对于不熟悉这方面知识的工程设计人员来说，要花费大量时间和精力，这样会直接影响了系统开发和周期和性能。除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有：NI公司的LabVIEW,LabWindows/CVI。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用开发软件。LabWindows/CVI是为了熟悉C语言开发人员准备的，是在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。除此以外还有HP公司的HP-VEE,HP-TIG开发平台，美国Tektronix公司的Ez-Test,Tek-TNS平台软件，这些都是国际上公认的优秀虚拟仪器开发软件平台。2 双定子旋转超声电机驱动试验系统的总体方案设计2.1 系统总体方案设计通过对任务书的认真阅读、了解以及相关方面资料查阅分析，对本设计的总体设计方案如图2-1：图2-1 双定子旋转超声电机驱动试验系统的总体方案该系统的流程就是，通过软件编程使计算机板卡的模拟输出通道能输出一路可调频、调相位差、调幅值的正弦电压，一路信号经过了滤波器、移相器后分成四路正弦电压，经过功率放大器后驱动超声电机转动。根据图2-1所示总体方案，我们需要完成以下几个任务：第一、 选择合适的编程软件；第二、 选择合适的计算机板卡；第三、 设计符合系统要求的滤波器电路；第四、 设计符合系统要求的移相器电路；第五、 完成系统要求的所有软件编程。2.2 系统软件的选择在给定计算机必要的仪器硬件之后，构成和使用虚拟仪器的关键在于软件，软件给为用户提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。美国国家仪器公司提出的“软件即仪器”形象地概括了软件在虚拟仪器技术中的重要作用。对于虚拟仪器应用软件的编写大致可以分为两种方式：（1）通过编程软件进行编写。主要有Microsoft公司的Vistual Basic。与VisualC+，Borland公司的Delphi，Sybase公司的Power Builder； （2）用专业化图形编程软件进行开发。如HP公司的VEE，NI公司的LabVIEW等。LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的简称，是美国国家仪器公司（NATIONAL INSTRUMENTS，简称NI）的创新性产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成环境，又称G语言。LabVIEW虽然是为计算机测控领域开发的，但它的函数包含了一搬高级计算机语言中的绝大多数控制功能，LabVIEW作为开发环境具有有点和总结如下所述：（1） 图形化编程，降低了对使用者编程经验的要求，易于工程师使用。（2） 采用面向对象的方法和概念，有利于软件开发和再利用。（3） LabVIEW的功能没有因图形化编程而受到限制，依然具有通用编程系统的特点、LabVIEW有一个可完成任何编程任务的庞大函数库。该函数库包括数据采集、GPIB串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。（4） LabVIEW还具有模块化的特点，体现在两个方面。首先、LabVIEW中使用的基本节点和函数等就是一个小的模块，可以直接使用：另外，由LabVIEW编写的程序即虚拟仪器模块，除了作为独立程序运行外，还可作为另一个虚拟仪器模块的子模块供其他模块使用。根据上面所述，以及实验室的实际条件，LabVIEW是作为超声电机试验激励系统的编程开发软件的最佳选择。2.3 系统硬件的选择2.3.1 数据采集卡数据采集卡，即实现数据采集（DAQ）功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCIEXPRESS、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。一般情况下，DAQ硬件设备的基本功能有模拟量输入（AD）、模拟量输出（DA）、数字和定时/计数四大功能。因此LabVIEW环境下数据采集模块的设计也围绕这四大功能来组织的，图2-2为LabVIEW环境下数据采集应用结构。图2-2 LabVIEW环境下数据采集应用结构数据采集卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况进行具体分析。所以在选择数据采集卡构成系统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。数据采集卡有以下几个指标供我们参考：（1） 采样频率采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样频率必须足够高才行，根据尼奎斯特理论采样频率必须是原始信号的两倍，但是实际中一般都需要510倍。（2） 采样方法采集卡通常有几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流的使用同一个放大器和A/D转换器，要比每个通道单独使用各自经济得多，但这仅使用与对时间不是很重要的场合。（3） 分辨率数据采集卡可分辨输入信号最小变化量。ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。（5）I/O通道数 该参数表明了数据采集卡所能够采集的最多信号路数。包括模拟I/O、数字I/O图2-3 NI PCI-6221数据采集卡NI PCI-6221是NI公司的M系列多功能数据采集卡，可以直接插在电路主机的卡槽里。该板卡的主要性能如下：l 2路模拟量输出通道，分辨率为16位,最大更新率为833kS/s，输出电压范围是-10+10V；l 16路模拟信号输入通道，分辨率为16位；l 24路数字I/O，数字触发；l 2个32位定时计数器；l NI-DAQmx测试软件和一个硬件配置支持；本设计需要一个模拟输出通道输出输出频率为2050KHZ、0+10V的正弦电压，833kS/s的最大更新率能够满足输出较高频电压。NI PCI-6221数据采集卡具有两个计数器也满足本设计需求。基于以上原因和实验室设备条件，本设计选择了NI PCI-6221数据采集卡。343 labview DAQmx数据采集编程3.1 DAQ基础知识数据采集设备的作用是将模拟的电信号转换为数字信号送给计算机进行处理，或将计算机编辑好的数字信号转换为模拟信号输出。在计算机上安装了驱动和应用软件，方便我们与硬件交互，完成采集任务，并对采集到的数据进行后续的分析和处理。对于数据采集应用来说，我们使用的软件主要分成三类：1.驱动软件。NI的数据采集硬件设备对应的驱动软件是DAQmx，它提供了一系列API函数供我们编写数据采集程序时调用。2.应用软件LabVIEW，DAQmx可以支持应用软件，在使用应用软件进行数据采集编程时可以调用DAQmx包含的函数。3.配套管理软件Measurement and Automation Explorer（MAX），使用这个软件进行软硬件交互，并无需编程就能实现数据采集功能；还能将配置的数据采集任务导入LabVIEW，并自动生成LabVIEW代码。在安装DAQmx软件时都会自动附带安装MAX。3 图3-1 数据采集软件架构安装完这三种软件并在主机插槽里插上PCI-6221之后，就可以开始进行数据采集编程。但是为了保证板卡能够正常使用，并且了解板卡的引脚定义图便于连线，在编程之前可以在MAX软件里对板卡进行检查并查询板卡信息。进入MAX软件界面后，在位于左边的配置树形目录中，展开“我的系统设备和接口”，找到“NI-DAQ设备”一项。连接在本台电脑上的NI数据采集硬件设备都会罗列在这里并以“Dev*”命名。鼠标右键点击如图3-2所示的设备可以进行一系列操作。首先可以对产品进行自检，通过自检来说明板卡工作在正常状态，如果板卡发生了硬件顺坏，MAX将报出自检失败的信息。同时，可以更改设备名，当系统中使用多个数据采集模块时，给每个模块一个有意义的命名，可以帮我们区分模块，并且在编程选择设备时候提高程序的可读性。另外选择“设备引脚”，将显示硬件引脚定义图，便于连线。 图3-2 MAX软件下的DAQmx设备在没有现成的数据采集硬件设备，但想要运行LabVIEW程序验证一下硬件功能，还可以在MAX里仿真一块硬件。方法是用鼠标右键点击“NI-DAQmx设备”，选择创建NI-DAQmx仿真设备，选择指定型号，如图3-3所示。 图3-3 创建仿真DAQmx设备完成这些工作之后就可以开始进入应用软件进行编程。3.2 NI采集卡的常用函数与传统的编程语言所使用的采集函数不同，LabVIEW独有的：“多态”特性可让我们再一个多功能设备中使用同样的函数进行编程（模拟输入、模拟输出、数字I/O和计数器）。基于这些常用的函数就可以进行数据采集编程了。23.2.1 DAQ助手DAQ助手是一个对话框式的向导界面。通过界面可以交互式地创建、编辑和运行NI-DAQmx虚拟通道和任务。一个NI-DAQmx虚拟通道包括一个DAQ设备上物理通道和对这个物理通道的配置信息，如输入输出范围、自定义缩放比例等等。一个NI-DAQmx任务是虚拟通道、定时和触发信息，以及其他与采集或生成相关属性的组合。如图3-4所示，这就是DAQ助手和配置界面。图3-4 DAQ助手和配置界面3.2.2 创建虚拟通道函数“DAQmx创建通道”函数如图3-5所示。该函数创建一个虚拟通道并且将它添加成一个任务。它也可以用来创建多个虚拟通道，并将它们都添加成一个任务。如果没有指定一个任务，那么这个函数将创建一个任务。可以通过“DAQmx创建通道”函数创建的实例有七种：模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出、计数器输入、计时器输入和计数器输出。每种实例下又可以分为不同的类型选项。对照菜单逐级选择可以建立项目中所需的采集虚拟通道。图3-5 创建虚拟通道函数3.2.3 定时函数“DAQmx定时”函数如图3-6所示，该函数用于配置硬件的定时数据采集操作，包括制定操作是否连续或有限，如果有限操作还应选择采集或生产采样数量，以及需要时创建一个缓冲区。对于需要采样定时的操作（模拟输入、模拟输出和计数器），“DAQmx定时”函数中的采样时钟实例设置了采样时钟的源（可以是一个内部或外部的源）和它的采样速率，每一个时钟脉冲为一个包含在任务中的虚拟通道初始化一个采样的采集或信号的生产。为了在数据采集应用程序中实现同步，如同触发信号必须在一个设备的不同功能区域或多个设备之间传递一样，定时信号也必须同样方式传递。“DAQmx定时”函数自动地实现这个传递，所有有效的定时信号都可以作为“DAQmx定时”函数的输入。图3-6 定时函数3.2.4 开始触发函数“DAQmx 开始触发”函数如图3-7所示，该函数用于配置一个触发器，并用它来完成一个特定动作。最为常用的触发器是一个启动触发器（Start Trigger）和一个参考触发器（Reference Trigger）。通过启动触发器初始化一个采集或生成任务，然后利用参考触发器确定所采集的采样集中的位置，在那之前前触发器数据结束，而后触发器数据开始。这些触发器都可以配置成在数字边沿、模拟边沿发生，或者当模拟信号进入、离开窗口时发生。许多数据采集应用程序需要实现一个设备的不同功能区域间的同步（如模拟输出和计数器），有些则需要多个设备之间同步。为了达到这种同步性，触发信号必须在一个设备不同功能区域和多个设备之间传递。NI-DAQmx自动完成这种传递。当使用DAQmx触发函数时，所有有效的触发信号都可以作为函数的源输入。“NI-DAQmx开始触发”函数单展开后可设置“开始”、“参考”、“更多”等触发形式。图3-7 开始触发函数3.2.5 终止任务函数与DAQmx启动任务函数相对应，DAQmxz终止任务函数终止由显式DAQmx开始的任务或隐式自动开始的任务。3.2.6 启动任务函数DAQmx开始任务函数如图3-8所示，该函数显式地将一个任务转换至运行状态。在运行状态中，这个任务将完成特定的采集或生成。如果没有DAQmx启动任务函数，那么在DAQmx读取函数执行时，一个任务可以隐式地转换至运行状态，或自动开始。最好要是用DAQmx启动任务函数，否则任务将会在循环中重复地启动和停止，任务性能将会降低。图3-8 启动任务函数3.2.7 写入函数DAQmx写入函数如图3-9所示，该函数将特定的采样值写入生成任务中。这个函数可以将采样值写入不同的生成任务类型（模拟输出或数字输出），可以设置多个虚拟通道数、采样数和数据类型。图3-9 读取函数3.2.8 读取函数DAQmx读取函数，如图3-10所示，该函数从设定的采集任务中读取采样值。DAQmx读取函数可以同时读取多个采样通道的数据。根据定时函数所设定的采样方式，读取函数有不同的读取方法。当为有限采样时，将每通道采样数指定为-1，这个函数会等待采集完所有请求的采样数后，再读取这些采样。连续采集时，将每通道采样数指定为-1，会使得这个函数在执行的时候，读取所有现在保存在缓冲中可得的采样。图3-10读取函数3.2.9 清除任务函数DAQmx清除任务函用于清除特定的任务。如果任务现在正在运行，那么这个函数首先终止任务然后释放掉所有资源。一旦某个任务被清除，那么它就不能被使用，除非重新创建它。 本章介绍了数据采集前必要准备工作和数据采集的一些基础知识，重点介绍了NI采集卡的常用函数。根据不同的任务类型选择这些常用函数进行编程，可以很快捷的编写出适合程序。4 系统软件程序设计4.1 一路可调电压输出4.1.1 接线方法在进行模拟输出编程时，首先确定从板卡的哪一个端口输出电压，图4-1为PCI-6221板卡的端口定义图。PCI-6221板卡有两个模拟输出通道，AO0和AO1，分别为图中22、21号端口。AO0的地端为54，AO1的地端为55。54和55端都称为AO GND。板卡输出电压作为滤波器的输入电压，在接线时，将AO0接到运算放大器的输入端，AO GND接到运算放大器的公共端。在编程时，将AO0接到示波器的两个输入通道，在示波器里观察此路电压的幅值、频率、相位差等。图4-1 PCI-6221板卡的端口定义图4.1.2 模拟输出的流程图模拟输出（AO）电压的幅值取决于板卡输出电压范围，PCI-6221板卡的输出电压范围是-10V+10V。AO电压频率，取决于两个因素，更新率以及缓冲波形周期数。可以用以下等式来计算等式计算AO电压的频率：例如，一个1000点的缓冲放置了一个周期的波形，如果以1KHz的更新率来产生信号，那么，1周期乘以一千个点更新率除以总共一千个点的缓冲点数等于1HZ。如果使用2倍的更新率。那么，一个周期乘以，每秒二千个点更新率除以总共一千个点的缓冲点数得到2HZ的输出。同理的，如果在缓冲中放入两个周期的波形，那么，两个周期乘以一千个点每秒的更新率除以总共一千个点的缓冲点数，得到输出频率为2HZ。也就是可以通过增加更新率或者缓冲中的周期数来提高输出信号的频率。图4-2为DAQmx中产生连续模拟波形的流程图。图4-2 模拟信号连续产生流程图上图中，定时函数将一个周期正弦波定时采样成一个离散数据数组，由写入函数将数组写入模拟输出通道的缓冲区，再由模拟输出通道按照采样时间间隔进行数模转换。因此采样频率和板卡数据输出更新率是相等。为了使板卡能够正常的输出电压，必须同时满足一下两个条件：第一、 板卡数据输出更新率必须小于板卡最大更新率； 第二、 输出波形频率和采样频率必须满足香浓采样定理，即采样频率至少是采样波形最高频率的两倍。编程时可以在采样频率和波形频率之间设定一个倍数，使之同时满足上面两个条件。4.1.3 程序编写如图4-3和4-4所示，分别为单通道电压输出的程序框图和前面板。图4-3 单通道电压输出程序图4-4 单通道电压输出前面板程序中，创建虚拟通道函数来创建一个AO任务，并且设置AO输出通道、电压输出范围。如图4-5所示可以再前面板上设置这些值。Dev1/ao0:1表示在设备号为1（PCI-6221板卡）的两个输出通道，这两个通道分别为ao0和ao1。设置电压输出的范围是-10+10V。 图4-5 通道参数设置 图4-6 采样时钟参数设置定时函数用来设定一个采样时钟，该采样频率的设置应该至少为输出电压频率的两倍。定时函数的采样时钟，使得虚拟函数发生器的数据定时由写入函数写进缓冲区。如图4-6所示，采样时钟设置为连续采样方式。通过启动任务函数开始向板卡模拟输出通道写出采样值。While循环函数用于连续的输出一个完整的波形，直至人为的停止任务。程序中有两个虚拟函数发生器，它们的数据分别给两个模拟输出通道提供采样值。如图4-7所示，虚拟函数发生器可以设置频率、幅值、相位、信号类型等。在前面板上可以设置这些信息。 图4-7虚拟函数发生器 图4-8前面板波形信息设置如图4-9所示通过程序设置使得虚拟函数发生器的波形类型、幅值和频率一样，其中一个波形的相位固定为0，另外一个波形的相位就是它们的相位差，数据通过一个数组函数合并，再由写入函数写入缓冲区。图4-9 虚拟函数发生器设置4.1.4 程序的调试程序编写完成就可以进行调试和完善了。接好连线，在前面板设置好通道参数和波形信息之后，运行程序，在示波器中观察输出电压。在低频情况下，是可以正常输出，但是在高频情况下，就会出现如图4-10所示的错误提示。图4-10 错误提示经过导师的指导，理清了采样率、更新率、波形频率之间的关系。在高频时会出错的原因就是采样率已经超过板卡的最大更新率。出现这种情况，可以在输出波形频率不变的情况下，降低采样率与波形频率的比值。5 系统硬件电路设计5.1 四阶巴特沃斯滤波器设计滤波器是对信号的频率具有选择性的电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过。滤波器按处理信号可以分为：数字滤波器、模拟滤波器；按处理频段可以分为：低/高通滤波器、带通/阻滤波器；按采用元件可以分为：有源滤波器、无源滤波器。7 11RC有源滤波器是模拟滤波器中最实用、应用最广泛的滤波器。滤波器标准化电路的种类很少，仅适用运放及R、C元件，因此非常便于集成，这给推广应用带来广泛影响。因为不适用电感、特别是大型电感，也因为运放性能的飞速提高的同时价格却一降再降，所以在成本方面有源滤波器已经变得比无源滤波器还有优势。本章就是基于以上原因设计一个截止频率为50KHZ的有源低通滤波器并利用multisim电路仿真软件进行仿真。5.1.1巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器是幅频特性在通频段内具有最平坦特性的原形模拟滤波器。它的具有通带内最大平坦的振幅特性，且随着频率增加单调下降。其幅度平方函数具有如下形式： （5-1）式中： 模拟角频率 截止角频率N为整数，称为滤波器的阶数，N越大，通带和阻带的近似性越好，过渡带也越陡。由图5-1可知，滤波器的幅频特性随着阶次N的增大而变得越好，即更接近于理想低通滤波器。归一化的，N=18阶的巴特沃森低通滤波器传递函数分母多项式如表5-1所示：图5-1巴特沃斯滤波器振幅平方函数N归一化的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式 12345678表5-2：归一化的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式将表5-2的式子作为分母，分子为增益的常数，就可以方便求得归一化N阶巴特沃斯滤波器的传递函数。例如，根据表5-2可得到归一化的四阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为：（5-2）再将上式中用 替换就可以求得四阶巴特沃斯滤波器的传递函数。5.1.2电路图选择与计算参数图5-3：四阶巴特沃斯滤波器原理图选择图5-3所示电路图作为四阶巴特沃思滤波器的电路形式。计算其传递函数，图5-3，相当于两个二阶电路相连而成，计算其中一个二阶电路的传递函数就可以求得整个四阶电路的传递函数。由运算放大器的虚断特性可以得到： 从而得到 （5-3）由运算放大器的虚短特性可以得到： (5-4)根据电路分析法还可以得到 (5-5) (5-6)联立式（2）式（5）可以求得： (5-7)其中： （5-8）根据式（6）和（7）可以求得整个四阶电路的传递函数为： （5-9）其中 令 式（8）可以化为： （5-10）将式将代入式（8），可得到归一化的四阶巴特沃思滤波器传递函数： （5-11）对比式（1）和式（10）可以得到： (5-12) 由式（9）又可得： 选取可算得。根据运算放大器两端电阻对称条件有： （5-13）联立式（11）和式（12）可得解得取标称值得。至此，滤波器电路的所有参数均已算出。5.1.3 仿真结果分析图5-4 频率为1KHZ幅值为1V时示波器观察结果图5-5 频率为100KHZ幅值为1V时示波器观察结果输入电压频率为1KHZ，幅值为1V时，输入输出的波形如图5-4所示，幅值放大了2.6倍；当信号频率为100KHZ时，输入输出的波形如图5-5所示，输出电压已经明显衰减，可以看出该滤波电路具有明显的滤掉高于截至频率信号的作用。图5-6 波特图幅频特性分析由图5-6可知，在截止频率之后，幅值迅速下降，当输入信号中具有高频杂波时，能把这些杂波信号的幅值衰减掉，频率越高衰减得越厉害。计算机板卡输出的正弦电压包含了一些高频谐波导致电压波形不光滑，通过此滤波器就可以使高频谐波衰减掉，正弦电压变得光滑。5.2 移相电路的设计5.2.1 移相电路原理 因为本设计中需要四路正弦电压来控制超声电机的两对压电电转子，而PCI-6221板卡只有两路输出通道，故对滤波后的信号进行移相处理，在此需要设计能够实现对信号进行90以内的超前或滞后处理。 因为电容（C）、电感（L）这些感性负载都具有移相作用，它们与电阻配合能够分别形成RC移相电路、RL移相电路和RLC移相电路。在较高频率下，电感的体积会显得很大，基于系统设计的要求，选择RC移相电路。 图5-7用相量图表示了简单串联电路中电阻和电容两端的电压、和输入电压U的关系，值得注意的是：相量法的使用范围是正弦信号的稳态响应，并且在R、C的值都已固定的情况下，由于的值是频率的函数，因此同一电路对于不同频率正弦信号的相量图表示并不相同。在这里，同样的移相电路对不同频率信号的移相角度是不会相同的RC移相电路的设计要针对特定的频率来进行。图5-7 简单的RC移相对图5-7中第一个图进行分析： （5-14）取，这是一个惯性环节，其对数幅频特性和对数相频特性表达式： （5-15） （5-16）改变T的值就可以改变幅值和频率，使得C固定，R可调就可以改变T的值。这样的滤波器在： 的时候输入频率时，输出振幅下降3dB，移相量为：而图5-7第二个电路的中符号变为正。根据这两个表达式，使用MATLAB画出的惯性环节的对数幅频特性和对数相频特性如图5-8所示：图5-8 惯性环节的对数幅频特性和对数相频特性该移相电路可在即使振幅变动也不存在问题的场合和需要移相幅度不大的场合使用。但是，由于本设计要求移相后输出振幅无变动。而在上图的RC移相电路中，即使允许3dB的振幅下降，移相量也只有45，所以对移相电路做了以下改进，使得可以实现0180的移相，而且输出振幅不依赖于输入频率。由图5-8可以看出，一个RC移相器的移相范围是090，为了得到更大的移相范围可以使用两个RC移相叠加，随着移相的范围变大，幅值衰减也越多，因此将RC与运算放大器组成有源移相电路。图5-9 90超前移相 图5-10 90滞后移相图5-9和图5-10可以看成基本的RC移相电路，其移相电路的理论推导是： （5-17）由，及可以得到： （3.15） （5-18）图5-9的移相角度在第1象限，图5-10的移相角度在第4象限。这两个电路能对电路移相后的幅度进行一定的补偿。以上每个电路调节的范围都局限在90以内，若要继续增大调相范围，可以采用图5-11和图5-12的电路图。 图5-11 0180超前移相 图5-12 0180滞后移相图5-11和图5-12电路的传递方程推导类似，因此仅对图5-11电路进行了推导，并将推导的主要结果列出如下： （5-19） （5-20）由可以得到： （5-21）以上传递方程的虚部为正，而实部则根据角频率、电容和各电阻的具体值可分别取为正值或负值，因此该电路的移相角度可以在第1和第2象限之内，也可称之为0180超前移相。如果取R1=R2，则k=0.5，设，此时的此时的传递函数和相频表达式为： （5-22） （5-23）由式（5-22)可知，对于频率已知的某一正弦信号，与具有对应关系，且与成正相关。而是可以通过调节的值来调节的。通常电容取固定值，电阻使用滑动变阻器。由于，所以与成负相关。当时，最小，由于R无法取到无限大，所以滑动变阻器的最大阻值就决定了移相的最小角度（无法取到0）。5.2.2 电路图的设计与参数计算 由式3-20可知，对于相同（即）值的情况下，频率越大所能实现的移相角度越小，本设计主要用于实现2050kHz正弦信号的移相，取时，获得90的移相量时的R、C值，留出余量，可以使信号频率为30KHZ时。取：C=1.5nF则。在实际搭接电路中选择则根据计算结果选定电阻、电容，实际仿真所搭建的移相电路如图5-13：图5-13 实际仿真所搭建的0180幅值恒定移相电路 5.2.3 仿真结果及分析12图3.24 30kHZ正弦信号移相90时瞬态分析图红色线为输入信号，绿色线为输出信号。 通过仿真结果可以看出，输入电压频率为30KHZ，幅值为10V时，输入输出的波形如图3.24所示，其输出信号与输入信号相比相位移动了90。6 系统总体试验情况6.1 单通道电压输出通过示波器观察从板卡输出两通道电压的情况。如图6-1所示为从板卡一个模拟通道输出幅值为10V、频率为30KHZ， 90相位差的正弦电压。图6-1 一个模拟通道输出频率为30KHZ，90相位差的正弦电压试验可知，通过程序编程，可以从PCI-6221板卡的一个模拟通道中输出幅值为010V、频率2050KHZ、相位差任意可调的一路正弦电压。从上图也可以看出，从板卡输出的电压不是很光滑，因此需要通过滤波器来使正弦电压变得光滑。6.2 滤波器电路试验在面包板上做滤波器的试验。把所需要的元器件都购买后，按照所设计的电路图，在面包板上布好元器件。如图6-3、6-4所示为在面包板上做完成的滤波器和