仪器测试与动态专题作业DOC.docx
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仪器测试与动态专题作业DOC
仪器科学与动态测试专题
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1.根据你的研究工作设计一个实际仪器(装置),描述仪器的总体方案,及其中你最感得意的部件的详细设计。
解:
虚拟函数信号发生器的设计
主要分为以下几个模块:
基本函数波形产生模块、任意公式波形产生模块、噪声信号产生模块、自相关函数演示模块、虚拟正弦波频谱分析仪模块、虚拟积分器与微分器模块以及虚拟函数信号发生器的总体设计。
各个模块均给出了相应的流程图和前面板波形图。
1.1基本函数波形产生模块
该模块后面板框图程序如图1.1所示。
这一模块是应用波形产生子模板中的BasicFunctionGenerator.VI(基本函数发生器)节点来产生1正弦波、三角波、方波、锯齿波等四种信号。
在波形产生子模板中的所有模块不仅输出包含指定波形图形的数字型数组,而且包含时间参数,这种数据类型在LabVIEW中称作波形数据。
波形数据以簇的形式给出,包括起始时间t0、采样时间间隔dt和一个由采样数据构成的数组。
示波器显示波形的周期数目=时间长度/信号周期。
图1.1基本函数波形产生模块框图程序
图1.2基本函数波形产生模块前面板
2.2任意公式波形产生模块
图1.3任意函数波形产生模块框图程序
这个程序作为主程序Case结构的一个分支。
该模块后面板框图程序如图1.3所示。
为了能够产生一些非周期信号或其它测试领域的特殊信号在本设计中应用波形产生子。
模版中的FormulaWaveform(公式波形)VI节点来产生任意波形。
该节点可使用指定时间函数的公式字符串生成一个函数波形。
在formula端子输入公式,用于生成输出多频波形信号的表达式,表达式中包含的参数有:
f(输入频率)、a(输入幅度)、n(采样数)、t(时间)和fs(采样频率)。
其有效函数由LabVIEW中设定。
图1.4任意函数波形产生模块前面板
模块后面板框图程序如图1.5所示。
该模块的Case结构有2个分支,一个Case结构分支产生常用的高斯白噪声波形,另外一个Case结构产生常用的均匀白噪声波形。
该模块可以根据需要在2种噪声波形信号之间进行选择(在前面板的信号类型下拉列表中选择即可),通过调节噪声的参数,可以得到不同的高斯白噪声和均匀白噪声波形。
图1.5噪声信号产生模块框图程序
图1.6高斯白噪声信号产生模块前面板
图1.7均匀白噪声信号产生模块前面板
1.3自相关函数演示模块
1.功能描述
该自相关函数演示仪可观察:
·正弦波仿真信号的自相关函数。
·正弦波仿真信号的频率范围介于0~10kHz,幅值介于0.1v~5.0v。
·输出正弦波的幅值的平方(A²)。
图1.8自相关函数演示仪流程图
图1.9自相关函数演示仪前面板
从前面板的自相关函数波形图可以看出,求得的自相关函数是呈衰减的余弦函数,其原因是在有限截取长度之外的数据被视为零,即当i<0或i>N-1时,x[i]=0。
自相关函数位于时间轴的正半周,自相关函数输出的第N-1个数据就对应t=0的自相关函数。
1.4虚拟正弦波频谱分析仪模块
1功能描述
·可观察正弦波经过FFT后的幅值谱。
程序的前面板运行结果和流程图分别如下图1.10和1.11所示。
图1.10虚拟正弦波频谱分析仪流程图
图1.11虚拟正弦波频谱分析仪前面板
1.5虚拟积分器与微分器模块
1.功能描述
其功能如下:
·可以观察正弦波、方波或三角波在积分、微分前后的波形。
程序的流程图前面板运行结果和分别如下图1.12、1.13和1.14所示。
图1.12虚拟积分器与微分器模块流程图
图1.13虚拟正弦波微分器前面板
图1.14虚拟正弦波积分器前面板
1.6虚拟函数信号发生器的设计
虚拟函数信号发生器的总体设计流程图,是在综合了前面所设计的各个模块的基础之上进行的。
在第一个Case结构当中放置了正弦波、方波、三角波、锯齿波、任意公式输入波形模块,作为该Case结构的各个分支,来实现波形的产生;第二个Case则是用来产生高斯白或均匀白噪声;第三个Case结构则是应用了积分微分器模块的结构。
将三个Case结构置于While循环中,便组成了虚拟函数信号发生器的总体设计流程图。
本虚拟函数信号发生器的设计,基于LabVIEW这个软件开发平台。
虚拟函数发生器的设计参考了常见信号发生器的功能,在功能上有所扩展。
仪器主要功能如下:
(1)可产生实验室常用的正弦波、方波、三角波、锯齿波、白噪声;
(2)任意波形的发生,任意波可实现公式输入;
(3)信号频率、幅度、相位、偏移量、方波占空比可调可控;
(4)输出频谱特性;
(5)可做自相关分析;
(6)可做微分积分分析;
图1.15虚拟函数信号发生器总流程图
图1.16虚拟函数信号发生器的前面板
虚拟函数信号发生器的前面板设计软件设计是虚拟函数信号发生器设计的核心。
LabVIEW程序由两部分组成:
前面板程序和框图程序。
整个程序基于多线程设计,即前面板和系统程序各占用一个线程。
虚拟函数信号发生器的前面板如图1.16所示。
前面板是用户接口,即交互式界面,用于用户向程序中输入各种控制参数和观察输出量,在前面板中,使用了各种仿真图标,如开关、旋钮等,并以数字或实时趋势图等各种形式的输出测试结果来模拟真实仪器的面板。
前面板的设计,充分发挥了LabVIEW的特长,即建立了友好的人机操作界面,是虚拟信号发生器的最上层。
在使用中直接通过鼠标和键盘设定信号的相关参数。
使用波形显示器对输出波形进行观察和测量,并且可以直接读出信号的幅值和频率。
1.7调试过程及结果
借助DAQ,示波器进行信号发生器的调试:
图1.17调试结果显示
2、说明量化、量化误差、信噪比、ADC的有效位数、以及采样频率高于Nyquist频率对有效位数的影响。
答:
A/D转换的一般步骤:
采样、保持、量化、编码。
其中,量化指将信号的连续取值(或者大量可能的离散取值)近似为有限多个(或较少的)离散值过程。
在量化过程中,所取的最小数量单位叫做量化单位,用⊿表示。
量化误差(QuantizationError)指量化结果和被量化模拟量的差值,量化级数越多,量化的相对误差越小。
量化级数指的是最大值均等的级数,每一个均值的大小称为一个量化单位。
对于实际的ADC总是希望量化电平Q越小越好。
实际上,量化电平Q的值总会有一个限度,因此,量化过程引入误差是不可避免的。
量化误差是基本误差,用简单3bitADC来说明。
输入电压被数字化,以8个离散电平来划分,分别由代码000b到111b去代表它们,每一代码跨越Vref/8的电压范围。
代码大小一般被定义为一个最低有效位(LeastSignificantBit,LSB)。
若假定Vref=8V时,每个代码之间的电压变换就代表1V。
换言之,产生指定代码的实际电压与代表该码的电压两者之间存在误差。
一般来说,0.5LSB偏移加入到输入端便导致在理想过渡点上有正负0.5LSB的量化误差。
量化误差可以用信噪比来度量。
信号强度与同时发出噪声强度之间的比值称为信噪比,通常以S/N表示,单位为分贝(dB)。
ADC的有效位数是指在噪声和失真存在时,ADC实际可以达到的位数,是衡量系统动态的有效参数,用ENOB表示,对于单频信号它的计算公式为:
(1)
其中,1.76为理想ADC的量化噪声
6.02为将log2转化为log10的系数比。
或者考虑输入信号有一定带宽,有效位数计算公式为:
(2)
对于带限信号,采样定理指出,只要采样频率高于带宽的两倍,就能还原原模拟信号。
奈奎斯特频率为采样频率的二分之一,只要离散系统的奈奎斯特频率高于采样信号的最高频率或带宽,就可以避免混叠现象。
但对有效位数来说,如式
(2)所示,带通滤波器的通带宽度为B,AD器件采样率为
,式中
认为噪声来源由滤波器进入,可以通过滤波限制噪声带宽、减小噪声强度。
增加这一项归一化AD系统因为滤波器带宽引入的信噪比的恶化或提高。
信噪比不变条件下,若B>
,处理系统有噪声混叠进入,AD有效位数将提高;否则若B<
,处理系统噪声不存在混叠现象,AD的有效位数将降低。
只有当滤波器带宽与
相等时,有效位数才统一一致起来。
总之,最终的有效位数是多个指标,如SNR、THD和SINAD等共同作用之后得出的结果。
3、设计一个8阶同相低通滤波器,滤波截止频率为你的学号尾数×1K,学号尾数为0的按10K取值;学号倒数第二位为0~3的选巴特沃斯型滤波器、倒数第二位为4~6的选切比雪夫型滤波器、倒数第二位为7~9的选贝塞尔型滤波器,增益为1,画出8阶滤波器的幅频特性,纵坐标用分贝值,横坐标为对数频率;画出相频特性;给出通带内最大误差(以分贝表示)。
所设计的滤波器电阻、电容序列化取值。
解:
学号为s2*******,所以所设计的滤波器滤波截止频率为7K,类型为切比雪夫型滤波器,增益为1。
8阶滤波器,由4个运放组成。
利用滤波器设计软件进行设计,输入相关参数,得到下图,电阻、电容序列化取值。
图3.1滤波器电路图
图3.2为使用设计软件中的滤波效果图,图3.3与图3.3滤波器的幅频与相频特性曲线图。
图3.2设计软件中的滤波效果图
图3.3滤波器的幅频特性
图3.4滤波器的相频特性
四、如何构建一个负基准电源?
说明理由。
产生一个负电压的传统方法是将能产生正电压的基准电压源芯片与运算放大器构建的反相放大电路相结合。
电压源AD780AN产生+3V的参考电压,放大器采用OPA340。
如下图所示:
AD780AN产生+3V的基准电压,输出端通过电阻R1接到放大器OPA340的反相输入端,其正向输入端接地。
根据反相放大器的输出:
(4.1)
因此,反相放大器只要输入一个正的基准电压,其输出肯定是负的。
根据R1、R2的比例关系,即可得出相应的负基准电压。
这种方法需用两个精密匹配的电阻。
如果匹配有误差,则最终输出也会产生误差。
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