本科论文--LabVIEW测频率

学士学位论文 I 摘 要 采用虚拟仪器技术对高精度的频率源进行测量，具有简单、易行、精度高的特点。这与以往利用实际仪器仪表对频率进行测量在方法上有着很大的不同。 LabVIEW就是基于虚拟仪器的开发环境，本文阐述了基于虚拟仪器技术在频率测量中的实际应用，根据电子测量的基本原理、计算方法和流程， 实验利用了 LabVIEW的特有语言 G语言 对被测对象进行程序编译、运行、修改并最终显示运行结果。 在实现频率测量的过程中， 利用声卡代替了数据采集卡，把声音数据采集上来作为信号源，通过测量声音的频率， 对外界声音信号进行仿真实验， 最后给出了被测信号频率的仿真结果。 实验结果以图形显示和数据显示 的 方式，对被测对象进行了准确地测量。通过实验，实现了虚拟仪器对 信号频率的 测量 。 虚拟仪器是电子测量中的新技术，有着广阔的发展前景，是实验、教学及检测领域的重要技术。 关键词 : 虚拟仪器；电子测量；频率测量 学士学位论文 II ABSTRACT Adopting virtual instrument technique in the frequency source that high accuracy has characteristics of simplify、 easy operation and high accuracy .This has the very big difference with the former frequency measurement method. LabVIEW was based on the virtual instrument development environment, and this article elaborates the practical application of virtual instrument technology in the frequency measurement. According to the basic theories、 the computational method and the flow of electronic measurement, the experiment used the LabVIEW unique language (G language) to compile, run, correct the measured subject and eventually display the result. During the process of realizing the frequency measurement, there are some steps including using the sound card instead of data acquisition card as the signal source, measuring the frequency of sound, carrying out simulation experiment for outside voice acquisition and finally giving out the simulation results of the frequency of the measured signals. The result of experiment has measured the subject accurately by the means of displaying graph and data. The experiment has realized the measurement of signal frequency in the virtual instrument. Virtual instrument is a new technique in electronic measurement, having vast development foreground, and is the important technique of experiment, teaching and in the field of detection. Keywords: Virtual instrument； Electronic measurement； Frequency measurement 学士学位论文 III 目 录 引 言 . 1 1 电子测量 . 2 1.1 测量概述 . 2 1.1.1 测量的基本概念 . 2 1.1.2 测量的重要意义 . 2 1.2 电子测量的特点和应用 . 3 2 虚拟仪器及 LabVIEW 基础 . 6 2.1 虚拟仪器概述 . 6 2.1.1 定义 . 6 2.1.2 比较与差异 . 6 2.1.3 虚拟仪器对电子测量的影响 . 8 2.2 LabVIEW 概述 . 8 2.1.1 LabVIEW 简介 . 8 2.1.2 LabVIEW 的体系结构 . 9 3 时间与频率的测量 .11 3.1 概述 . 11 3.1.1 时间、频率的基本概念 . 11 3.2 数据采集 . 11 3.2.1 数据采集系统的构成 . 11 3.2.2 数据采集卡简介 . 12 4 设计方法 . 15 4.1 可行性研究及需求分析 . 15 4.1.1 开发背景 . 15 4.1.2 需求分析 . 15 4.1.3 设计思想 . 22 4.2 设计方法在 Labview 中的实现 . 22 4.2.1 总设计的程序图 . 22 4.2.2 程序框图分解分析 . 24 4.2.3 设计图的前面板演示及结果 . 29 4.2.4 程序中一些模块的功能 . 35 5 虚拟仪器的发展前景 . 37 结 论 . 39 致 谢 . 40 参考文献 . 41 附录 A 英文原文 . 42 附录 B 汉语翻译 . 51 学士学位论文 1 引 言 现代科学技术的发展是建立在精密测量基础上的，目前人们所涉及到的 物理量和物理常数中，频率时间是最精密、准确的计量单位，其他许多测量 可以转化为频率时间的测量。频率时间测量在测量和计量领域中起着重要的 作用，它的准确与否决定着其它许多物理量及基本物理常数的精度和定义。 测量精度的提高，不仅为人们更精确的认识和发现物质世界提供了机会，而 且也是一个国家战略竞争力的重要标志之一。在信息科技日益发达的今天，高精度频率测量的研究是关系经济发展、科技创新和国家安全的重要内容。 由于社会发展和科技发展的需要，信息传输和处理要求的提高，对频 率的测量精度也提出了更高的要求 。 频率测量所能达到的精度，主要取决于标准频率源的精度 以及所使用的测量设备和测量方法。目前，国内外使用的测频方法 有很多， 有直接测频法、内插法、游标法、时间 电压变化法、多周期同步法、频率 倍增法、频差倍增法以及相位比较法等。直接测频的方法较简单，但精度 不高。内插法和游标法都是采用模拟的方法，虽然精度提高了，但是线路设 计却很复杂。时间 电压变化法是利用电容的充放电时间进行测量，由于经 过 A/D转换，速度较慢，且抗干扰能力较弱。多周期同步法是精度较高的 一种。为了进一步提高精度，通常采用模拟内插法或游标法与多周期同步法结合使用，虽然精度有了进一步的提高，但最终未能解决 1 个 数字的误差这个根本问题，而且这些方法设备复杂，不利于推广。频率误差倍增法可以 减小计数器的 1 个字的误差，提高测量精度，但用这种方法来提高测量精 度是很有限的，因为如要得到 132 10 / s 的测量精度，就要把被测频率xf倍 频到 111 / 2 1 0 5 0 0 0xm f M H z ，这无论是对倍频技术，还是对目前的计数 器都是很难实现的。频差倍增 多周期法是一种频差倍增法和差拍法 相结合的测量方法。这种方法是将被测信号和参考信号经频差倍增使被测信号的 相位起伏扩大，再通过混频器获得差拍信号，用电子计数器在低频下进行多 周期测量，能在较少的倍增次数和同样的取样时间情况下，得到比测频法更 高的系统分辨率测量精度。但是仍存在着时标不稳定而引入的误差和一 定的触发误差。 所以频率测量技术需要进一步的改善和提高。更应该利用计算机的大量资源和技术来提高电子测量的精度。 学士学位论文 2 1 电子测量 1.1 测量概述 1.1.1 测量的基 本概念 测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。在这个过程中常借助专门的设备，把被测对象直接或间接的与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。 它根据一定的法则，对事物属性用数字进行描述。测量的基本特征是将事物进行区分，本质上是一种比较的活动，在对事物进行区分比较的过程中，按照一定的法则，把区分的结果用数字的形式表现出来。 根据测量的定义，一般测量可包括 3个内容： 1， 测量对象即事物的属性； 2， 测量工具即某些法则； 3， 测量结果即某数字表示形式。 测量分为两种情况。第一种，测量误差远大于被测量值的 变化，这种情况被典型化为“量值本身不变而测量有误差”，称常规测量，其理论称经典测量理论；第二种，被测量值本身的变化远大于测量误差，这种情况被典型化为“测得值是被测量的实际值，求量值及其变化”，这种测量称为统计测量。 当今，测量可分为四种类型 1： 常规测量：得到多个测得值，存在期望值，贝塞尔公式成立；用测得值的平均值代表真值，用平均值的标准误差（常取其 3 倍）表示随机误差范围；存在唯一真值，讲究准确度。 常规统计测量：测得到的多个值，每个值都是被测量的实际值；存在期望值，贝塞尔公式成立；用单 个值的标准偏差；有标称值（目标值），讲究准确度。 一般发散型统计：测得到的多个值，每个值都是真值；存在发散困难，无数学期望，贝塞尔公式不成立；有标称值（目标值），讲究准确度。 特种发散型统计：得到的多个值，每个都是真值；存在发散困难，无数学期望，贝塞尔公式不成立；无标准，用不确定度。 1.1.2 测量的重要意义 测量是揭示客观世界规律，用数字语言描述周围世界，进而改造世界的重要手段。学士学位论文 3 广义的说，任何实验科学的结论，都是对实验数据统计推断的结果。而数据的取得，就要靠测量。近代自然科 学是从有了实验科学之后才真正形成的。许多重大科学成果的获得，首先因为有了新的实验手段。在科学发展史上，重要的实验数据可以假说上升为理论，成为验证理论的客观标准。同时，很多实验数据还成为发现新问题，提出新理论的线索和依据。 现代科学技术、生产和国防的重要特点之一，就是要进行大量的观测和统计。现代工业大生产，用到测量上的工时和费用约占整个生产所用的 20%30%。提高测量水平，降低测量成本，减少测量误差，提高测量效率，对国民经济各个领域都是至关重要的。因此，测量手段的现代化，已被公认为是科学技术和生产现代化的重 要条件和明显标志。 1.2 电子测量的特点和应用 从广义来说，凡是利用电子技术来进行的测量都是可以说是电子测量。随着电子科学技术的发展，由于电子测量的一系列优点，许多物理量都设法通过一定的传感器变换成电信号，然后利用一整套比较成熟的电子学方法来进行测量。在科学技术高度发展的今天，尖端技术和现代化的工农业生产都离不开精密和准确的测量。现代化科学技术和现代化大生产中那些要求精密和准确测量的内容通常都是运用了电子测量的方法来实现的。 从狭义来说，电子测量是在电子学中测量有关电的量值。即使在这个范围内，内 容也是相当广泛的。通常包括下面几个方面： （ 1） 电能量的测量，即测量电流、电压、电功率等； （ 2） 信号的特性及所受干扰的测量，例如信号的波形和失真度、频率、相位、脉冲参数、调制度、信号频谱、信 /噪比等； （ 3） 元件和电路参数的测量，例如电阻、电感、电容、电子器件（电子管、晶体管、场效应管等）、集成电路的测量。电路频率响应、通带宽度、品质因数、相位移、延时、衰减和增益的测量等等。 与其它的一些测量相比，电子测量具有以下几个明显的特点： （ 1） 测量频率范围极宽，低端除测直流外可测低至 410 510 Hz，高端可至 100GHz左右 (在有些测量方面甚至更高 )。电子测量能工作在这样宽的频率范围，这就使它应用范围很广。但是即使测量同一电量，在不同的频段中所依据的原理、采用的方法、使用的元器件等都可能相差很远。所以有时把测量或低频学士学位论文 4 信号发生器、音频信号发生器、高频信号发生器等等。当然这给使用带来很多不便。近年来研制了很多宽频设备，使一台仪器能在很宽的频率范围内工作。 （ 2） 量程很广。由于所测量电量的大小相差极大，要求测量仪器的量程也极宽。同一台电子仪器，经常能作 到量程宽达很多数量级。 （ 3） 测量准确度高。电子仪器的正确度通常可比其他测量仪器高很多。特别是对频率和时间的测量，由于采用了原子频标和原子秒作为基准，使误差减小到1310 1410 量级 ,这是目前人类在测量准确度方面达到的最高标准。人们也往往把其它参数转换成频率再进行测量 ,以提高测量的准确度 .电子测量准确度高 ,正是它在现代科技领域得到广泛应用的重要原因。 （ 4） 测量速度快。电子测量由于是通过电子运动和电磁波的传播来进行工作的 ,因此 具有其它测量方法通常无法类比的高速度。这也是它在现代科学技术领域内得到广泛应用的一个重要原因。随着科学技术的发展 ,对测量过程和测量数据处理的速度都提出了越来越高的要求。因此 ,不断提高测量速度也是电子测量发展的一个重要方向。 （ 5） 易于实现遥测和长期不间断的测量 ,显示方式又可以做到清晰直观。由于可以把电子仪器或与它连接的传感器防到人类不便长期停留或无法到达的区域去进行遥测 ,而且可以在被测对象正常工作的情况下进行测量 .这就扩大了人类用测量的方法定量的认识世界的范围。 对于测量结果 ,电子测量的显示方法也比较清晰直观 ,易 于实现遥测和长期不间断测量和它在显示测量结果方面的优点 ,也促进了它在各个领域的广泛应用。 （ 6） 易于利用计算机 ,形成电子测量与计算技术的紧密结合。电子测量的测量结果和它所需的控制信号都是电信号，这非常有利于它直接或通过 A/D,D/A 变换与计算机连接。 由于以上电子测量技术的一系列特点，使它广泛应用于自然科学的一切领域。 在现代，几乎找不到哪一个科技领域没有运用电子测量技术。大到天文观测、宇宙航天，小到物质结构、基本粒子；从复杂深奥的生命、细胞、遗传问题到日常的工农业生产、医学、商业各部门，都越来越的采用了电子测量技 术和设备。 电子测量技术的发展是与自然科学特别是电子技术的发展互相促进、互相推动的。学士学位论文 5 一方面电子测量技术的发展为自然科学特别是电子学的研究、实验、分析和检验提供了条件，另一方面自然科学的发展特别是电子科学技术的发展向电子测量技术不断提出新问题。同时，近代电子学、计算科学、物理学和材料学等的发展又反过来为电子测量提供了新理论、新技术、新工艺、新材料、新器件，形成了相辅相成不可分割的关系。 由于电子测量的广泛应用和它与自然科学的密切关系，电子测量科学的发展永远和自然科学的最新发展紧密联系着。电子测量技术的最新水平 往往是科学技术最新成果的反映，这就使这门科学充满生命力。目前电子测量设备在性能、测试功能、工艺结构等各方面都取得了很大的进展。其研制和生产正向着自动化、系统化、数字化、高性能、多功能、快速、小型等方面发展。 学士学位论文 6 2 虚拟仪器及 LabVIEW 基础 2.1 虚拟仪器概述 2.1.1 定义 虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件和 /或必要的仪器硬件模块，使用户操作这台通用计算机就象操作一台自己专门设计的传统电子仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了 软件就是仪器 的概念，这个概念克服了传统仪器的功能在制造时就被限定而不能变动的缺陷，摆脱了由传统硬件构成一件件仪器再连成系统的模式，而变为由用户根据自己的需要通过编制不同的测试软件来组合构成各种虚拟仪器，其中许多功能直接就由软件来实现，打破了仪器功能只能由厂家定义，用户无法改变的模式，虚拟仪器还可以很快地跟上计算机的发展，升级重建自己的功能。这尤其适合科研与生产制造部门。 2.1.2 比较与差异 考察任何一台传统的智能仪器，都可以将其分解成以下三个部分 : (1)数据的采集 :将输入的模拟 信号波形进行调理，并经 A /D 转换成数字信号以待处理。 (2)数据的分析与处理 :由微处理器按照功能要求对采集的数据作必要的分析和处理。 (3)存储、显示或输出 :将处理后的数据存储、显示或经 D/A 转换成模拟信号输出。 传统智能仪器是由厂家将上述二种功能的部件根据仪器功能按固定的方式组建，一般一种仪器只有一种功能或数种功能。而虚拟仪器是将具有上述一种或多种功能的通用模块组合起来，通过编制不同的测试软件来构成任何一种仪器，而不是某几种仪器。例如激励信号可先由微机产生数字信号，再经 D/A 变换 产生所需的各种模拟信号，这相当于一台任意波形发生器。大量的测试功能都可通过对被测信号的采样， A/D 变换成数字信号，再经过处理即可，或者直接用数字显示而形成数字电压表类仪器，或用图形显示而形成示波器类仪器，或者再对数据进一步分析即可形成频谱分析仪类仪器。其中，数据分析与处理以及显示等功能可以直接由软件完成 2。这样就摆脱由传统硬件构成一件件仪器然后再连成系统的模式，而变成由计算机、 A/D 及 D/A 等带共性硬件资源和学士学位论文 7 应用软件共同组成的虚拟仪器系统新的概念。许多厂家目前已研制出了多种用于构建虚拟仪器的数据采集 (DAQ)卡。一块 (DAQ)卡可以完成 A/D 转换、 D/A 转换、数字输入输出、记数器 /定时器等多种功能，再配以相应的信号调理电路组件，即可构成能生成各种虚拟仪器的硬件平台。 总之，虚拟仪器与传统仪器最大的不同之处，就在于应用的灵活性上。虚拟仪器是用户自己定义的，用户可以将各种计算机平台、硬件、软件和附备件结合起来，组装成所需要的应用设备。而一般由生产厂商所定义的、具有固定功能的单个设备，例如电压表、示波器和数据记录仪等，则不具有这样的灵活性。因此利用虚拟仪器来取代传统仪器之后，用户将大大受益。 表 2.1 中更加简洁 明了地对虚拟仪器与传统仪器进行了比较。 表 2.1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器 传统仪器 软件使得开发与维护费用低 开发与维护费用高 关键是软件 关键是硬件 价格低，可重复用，可重配置性强 价格昂贵 用户定义仪器功能 厂商定义仪器功能 技术更新周期短（ 12 年） 技术更新周期长（ 510 年） 开放，灵活，与计算机同步发展 封闭、固定 与网络及外设互联方便 功能固定、互联有限 图 2.1 和图 2.2 分别 反映了常见的虚拟仪器 系统的构成和虚拟仪器内部的划分： 数 据 采 集 卡数 据 采 集 卡数 据 采 集 卡数 据 采 集 卡数 据 采 集 卡数 据 采 集 卡数 据 采 集 卡测控对象装有V I软件的计算机图 2.1 虚拟仪器 系统的构成 学士学位论文 8 D A Q 卡G P I B 仪 器V X I 仪 器串 口 仪 器D A Q 卡G P I B 仪 器V X I 仪 器串 口 仪 器D A Q 卡G P I B 仪 器V X I 仪 器串 口 仪 器数 据 采 集 处 理数 据 表 达数 据 分 析图 2.2 虚拟仪器内部的划分 2.1.3 虚拟仪器对电子测量的影响 由于虚拟仪器的特点，将使它在电子测量领域得到广泛的应用 : 在功能配置上，表现出了更高的灵活性。改变了过去传统仪器只能完成中一测量的弊病，集多种仪器功能几一体，使仪器向多功能集成化方向发展。例如可以在一台虚拟仪器上同时完成信号发生、波形显示、交直流电压 /电流测量等功能。 虚拟仪器的出现，扩展了电子测量 的概念。使得在测量的同时完成了对被测量的分析与处理。随着新技术的发展，许多领域对电 子 测量提出了更高的要求。例如在通讯领域，对信道的测量要求在频域进行指标分析。应用虚拟仪器可以在数据采集后，通过软件进行多种分析处理，完成时 /频转换、能谱分析、提取信号特征量等。对被测量还可以进行存储、打印、局部放大等。 虚拟仪器在电子测量领域的使用，可以大大降低测量成木，提高仪器的利用率。通过通用硬件平台，调用不同的软件模块，就可以完成多种仪器的测量功能。对于用户而言，开发软件的成木比购买新仪器的成本低廉，并且这种开发方式也便 于仪器的维护与使用，并能缩短仪器的开发周期。 2.2 LabVIEW 概述 2.1.1 LabVIEW 简介 LabVIEW 是 1986 年，由美国 国家仪器公司 VI 公司 (National Instruments Cor-poration)设计的，它是一种基于图形的开发，调试和运行程序的集成化环境，实现了虚拟仪器的概念。 NI 公司的 LabVIEW 是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件。它增强了用户在标准的计算机上配以高效经济的学士学位论文 9 硬件设备来构建自己的仪器系统的能力。将 LabVIEW 与一般的数据采集以及仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域。 LabVIEW（ laboratory vietual instrument engineering workbench）是一种图形化的编程语言和开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。 LabVIEW 不仅提供了与遵从 GPIB， VXI， RS-232 和 RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还内置了支持 TCP/IP， ActiveX 等软件标准的库函数，而且其图形化 的编程界面使编程过程变得生动有趣。 LabVIEW 是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器。 LabVIEW 是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建仪器测试 系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。 LabVIEW 与 VisualC+、VisualBasic、 LabWindows/CVI 等编程语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序代码（ Code），而 LabVIEW 则是使用图形化程序设计语言 G（ Graphic），用框图代替了传统的程序代码。 Lab VIEW 所运用的设备 图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程 和思维过程非常的相似 。 使用这种语言编程时，基本上不需要编写程序代码，而是 绘制 程序流程图。LabVIEW 尽可能利用工程技术人员所熟悉的术语、图标和概念 ， 因而它是一种面向最终用户的开发工具，可以增强工程人员构建自己的科学和工程系统的能力，可谓实现仪器编程和数据采集系统提供便捷途径。利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件。LabVIEW 是真正的 32 位编译器。像其他软件一样， LabVIEW 提供了 Windows, UNIX, Linux 和 Macintosh 等多种版本。目前， LabVIEW 的最新版本是 LabVIEW7.11。 2.1.2 LabVIEW 的体系结构 图 2.2 是 LabVIEW 的软件系统体系结构 .其中仪器驱动程 )子主要是完成仪器硬件接口功能的控制程序。 NT公司提供了各制造厂家数百种 GP- IB, DAQ, VXT 和 RS- 232 等仪器的驱动程序 .有了仪器驱动程序 .用户就不必精通这些仪器的硬件接口。而只要把仪器的用户接口代码及数据处理与分析软件组合在一起。就可以迅速而方便地构建一台新的虚拟仪器。 LabVIEW 具有三种用来创建和 运行程序的图形化可移动模板 :工具 (Tools)模板，控制 (Controls)模板和功能 (Functions)模板。工具模板包括了程序的创建，修改和调试时使用的工具。控制模板主要用于前面板中输人和输出指示器的添加。而功能模板则用学士学位论文 10 于框图程序的创建。熟悉了开发环境之后，就可以进行编程了。下面就简单概括一下LabVIEW 的程序设计的一般过程。 图 2.3 LabVIEW 软件体系结构 学士学位论文 11 3 时间与频率的测量 3.1 概述 3.1.1 时间、频率的基本概念 1. 时间和频 率的定义 “时间”的含义有两个：一个是指“时刻” ,即某个事件何时发生；另一个是指“时间间隔”，即某个事件相对于一开始时刻持续了多久。 所谓频率就是指周期信号在单位时间（ 1 秒）内变化的次数。如果在一定时间间隔T 内周期信号重复变化了 N 次，则其频率可表达为： f=N/T （ 3.1） 由于周期和频率呈现上式所示的关系，所以对周期（时间间隔）的测量可转化为对频率的测量，然后再取倒数即可。 2. 时频测量的特点 . 测量精度高 在电子技术各参数中，频率测 量的精确度是最高的（ 10 14），因而可以利用某种确定的函数关系把其他电参数的精确测量转换诚频率的测量。 应用范围广 现代科技所涉及的频率范围是极其宽广的，从百分之一赫兹甚至更低频率开始，一直到 1012 赫兹以上。因此电子学和其他领域的研究工作都离不开频率测量。 自动化程度高 时频测量极易实现数字化。电子计数器利用数字电路的各种逻辑功能很容易实现自动重复测量、自动选择量程、测量结果自动显示等。 测量速度快 由于数字式仪器实现了测量自动化，因此不但操作简便，而且大大加快了测量速度 。 3.2 数据采集 3.2.1 数据采集系统的构成 数据采集是 LabVIEW 的核心技术之一。 LabVIEW 提供了与 NI 公司的数据次采集学士学位论文 12 硬件相配合的丰富的软件资源，使得它能够方便地将实现世界中各种物理量数据采集到计算机中，从而为计算机在测量领域发挥其强大的功能奠定了基础。 要将数据采集到计算机里，并对其进行合理的组织，需要构建一个完整的数据采集（ Data AcQuisition， DAQ）系统。它包括：传感器和变换器、信号调理设备、数据采集卡（或装置）、驱动程序、硬件配置管理软件、应用软件和计算机等。 使用不同的传感器和变换器可以测量各种不同的物理量，并将它们转化成电信号；信号调理设备可对采集到 的电 信号进行加工，使它们适合数据采集卡等设备的需求；计算机通过数据采集卡等获得测量数据；软件则控制着整个测量系统，它告诉采集设备什么时候从哪个通道获取数据，同时还对原始数据作分析处理，并将最后结果表示成容易理解的方式，例如图表和文件等 1。 3.2.2 数据采集卡简介 一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入（简称 模入 ）、模拟输出（简称 模出 ）、数字 I/O、计数器 /计时器等。 模拟输入是采集卡最基本的功能 。它一般由多路开关（ MUX）、放大器（ Amplifier）、采样保持电路（ S/H）以及模数转换器（ ADC）来实现。一个模拟信号通过上述各部分后可以转化为数字信号。 ADC 的性能和参数直接影响着采集数据的质量，应根据实际测量所需要的精度来选择合适的 ADC。 模拟输出通常是为采集系统提供激励信号。输出信号受数模转换器（ DAC）的建立时间、分辨率等因素影响。建立时间反映了输出信号幅值改变的快慢，例如建立时间短的 DAC 可以提供频率较高的信号。应该根据实际需要考虑 DAC 的参数指标 。 通用采集卡一般都有多个模入通道，但是 多数采集卡并非每个通道配置一个 ADC，而是各通道共用一个 ADC；在 ADC 之前一般有多路开关、仪用放大器和采样保持器。通过采样保持和多路开关的切换，可以实现多通道的采样。 多通道的采样方式有 3 种：循环采样、同步采样和间隔采样。下面主要以框图的方式对这三种采样进行说明： 1 循环采样 图 3.1 是两通道循环采样示意图。其中，所有的通道共用一个 S/H 和 ADC 设备。 学士学位论文 13 图 3.1 两通道循环采样示意图 2 同步采样 图 3.2 为两通道同步采样的示意图。当通道间的关系很重要时，就需要用到同步采样方式。 图 3.2 两通道同 步采样示意图 3 间隔采样 图 3.3 为通道 10 间隔采样示意图，设置相邻通道间的扫描间隔为 5s ，则通道 1和通道 10 扫描间隔是 45s 。间隔采样时性价比较高的一种采样方式。 学士学位论文 14 图 3.3 通道 10 间隔采样示意图 学士学位论文 15 4 设计方法 4.1 可行性研究及需求分析 4.1.1 开发背景 所谓“频率”，就是周 期性信号在单位时间（一秒）内变化的次数。若在一定时间间隔 T 内计得这个周期性信号的重复变化次数 N，则其频率可为 : F=N/T 在电子技术领域内，频率是一个最基本的参数，频率与其它许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系。因此，频率的测量就显得更为重要，而且，目前在电子测量中，频率测量精度是最高的。 4.1.2 需求分析 频率是周期性信号参数的基本参量之一。目前普遍采用电子计数器测量各种频率。使用电子计数器测量频率具有显示直观、操作方便以及精度较高的特点。 1 测量频率 双稳态电路是各 种数字式仪器最基本、应用最广泛的二进制计数电路 4。将这种触发电路依次串连起来，就构成了电子计算机中常用的二进制计数电路。再利用反馈电路进行逻辑控制，可将十六进制转换成十进制。计数器所计数目多少，决定于串接的十进制计数单元的个数。 如在十进制计数系统中，加入两个附加机构，就可以构成数字式计数器。图 4.1 是其简化示意图。 图 4.1 数字式计数器 从图 4.1 中可以看出，图中附加了一个信号放大器（包括整形电路）和一个时间闸门电路。时间闸门是用来控制被测信号进入十进制 计数系统输入端的时间，因此 学士学位论文 16 xf十进制计数器的读数 /闸门时间 N/T=输入信号的频率 (4.1) 式中， N 为计数器读数， T 为闸门时间。 时间闸门由被定时脉冲控制的二极管或晶体管门电路组成，可以自动的或手动进行控制。当闸门闭合时，计数器开始计数，所以计数数目的多少，由闸门时间和输入信号的频率决定。闸门断开时，计数器停止计数。所以结果被寄存器记忆，并显示在仪器面板的数码指示器上，直到“复零”脉冲 作用后，电路全部恢复原来零状态，为下次计数作好准备。这样周而复始的进行下去。 通常控制闸门的开始和关闭是由内部准确的时基信号发生器（即晶体振荡器）和一组分频电路组成。长期稳定度一般可达 105 10 /天，短期稳定度达 91 10 /秒左右。通过一组 10 分频器，将标准时基信号按 10 的幂次向下分频，可以获得一组不同的闸门时间。由施密特触发电路形成宽度等于标准时间的闸门脉冲，如图 4.2 所示。 图 4.2 产生闸门时间的电路 从图中可以看出，实际上它也是一组十进制计数单元。每经过一个十进计数单元，时基频率就降为十分之一。根据串接的十进计数单元级数的不同，可以获得不同的闸门时间。图 4.2 给出了 510 、 410 、 310 、 210 、 110 及 010 秒的各种闸门时间。它们均具有与时基信号相同的准确度和稳定度。 如将图 3.1 和图 3.2 组合起来就构成了一个完整的电子计数式频率测量仪器。 时间闸门的选择开关 K，在计数式频率计上有三个不同的作用。 (1) 选择所需的闸门时间，（ 2） 选择与闸门时间相适应的十进位小数点的位置，（ 3）选择与闸门时间相适应的测量单位（如 Hz、 kHz及 MHz等）。 学士学位论文 17 2 测量周期 周期 T 是频率 f的倒数，图 3.3 是用电子计数式频率计测量信号周期 T 的方框图。 图 4.3 周期测量原理 此时被测信号作为时间闸门的控制信号，时基信号（ 1MHz）的频率则作为加到十进计数器的计数脉冲。 通常时基信号经 K 次分频后，送入时间闸门，其周期0T0kT，则 00xT N T N kT（ 4.2） 因此，显示器的读数 (N)，可直接确定被测信号的周期xT。在测量比较低的频率时，用测量周期的方法 比直观测量频率的方法有更高的准确度和分辨力。测量的频率愈低，周期测量法的准确度就越高，这点在分析两种方法测量误差时，特别明显。 但是在测量中，人们在通过实验方法来求被测量的真值时，由于对客观规律认识的局限性、测量器具不准确、测量手段不完善、测量条件发生变化及测量工作中的疏忽或错误等原因，都会使测量结果于真值不同，这个差别就是测量误差。 （一）频率测量误差 ： 根据式（ 4.1），x f为xf N/T，因此 xxf NTf N T （ 4.3） 学士学位论文 18 式中，第一项 /NN 称为量化误差，这是数字化测量仪器所特有的误差。第二项/TT 是闸门时间的相对误差，这项误差决定于晶体振荡器（即时基信号）提供的标准频率的准确度。以上两项即为频率测量的总误差，称为测频误差。 1. 量化误差或 1 个字误差 在测量频率时，时间闸门和计数频率信号之间是不同步的。这种闸门的启动和停止时刻与计数频率信号的相位关系是随机的，由此造成不可避免的“ 1 个字误差”或“量化误差”。图 3.4 是此种误差形成的原理图。 图 4.4 量化误差或 1 个字误差 设时间闸门第一次测量是从0t到1t，则 T=（1t0t）。它包含了从“ 1”到“ 10”共十个计数频率的周期。因此，计数