-雙定子旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)學(xué)士學(xué)位論文

PAGE雙定子旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)PAGE提供全套畢業(yè)設(shè)計(jì)，各專業(yè)都有雙定子旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)【摘要】虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學(xué)家們都已將NILabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾?xiàng)目需要。LabVIEW軟件是目前實(shí)現(xiàn)虛擬儀器最流行的設(shè)計(jì)工具軟件之一。本文為一種新型旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。在對(duì)新型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，以DAQ板卡作為處理器，并通過外圍電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行輸入輸出采集與控制，來完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文首先介紹了驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，然后介紹LabVIEWDAQmx數(shù)據(jù)采集編程，硬件的選擇以及硬件電路設(shè)計(jì)，再重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)軟件編程給出設(shè)計(jì)的前面板以及程序框圖?！娟P(guān)鍵詞】：虛擬儀器;旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī);LabVIEW;數(shù)據(jù)采集DesignofTheTestIncentiveSystemForRotaryTravelingWave

UltrasonicMotorAbstract

Virtualinstrumenttechnologyistheuseof

high-performancemodularhardware,

combinedwiththe

applicationof

highlyefficientandflexiblesoftwaretocompleteavarietyoftest,

measurementandautomation.

Sinceitsinceptionin1986,

theworld

ofengineersand

scientists

havetheNI

LabVIEWgraphicaldevelopmenttoolsfor

allaspectsofproduct

design

cycle,

improve

productquality,

shortenproduct

timetomarket,

and

improveproductdevelopment

andproductionefficiency.

Virtualinstrument

isconnectedwiththe

signalenvironmentandthereal

world

integration,

analysis

ofdatainordertoobtainpracticalinformation,

sharing

information,

helpto

improveproductionefficiencyinalargerange.

Various

virtualinstrument

provides

can

satisfyanyofourprojectneeds.

TheLabVIEWsoftware

iscurrentlyoneof

themostpopularvirtual

instrument

software

design

tool.Thisarticleistodesignatestincentivesystemfor

anewtypeof

rotarytravelingwave

ultrasonicmotor.

On

thebasisofanalyzing

the

principle

of

a

new

ultrasonicmotordrive,

andwithLabVIEWasadevelopmentplatform,

the

DAQboard

as

the

processor,

acquisitesandcontrolstheinputandoutput

bydesigningtheperipheralcircuit,

thustocomplete

thedesign

oftheentiresystem.

Thispaperfirstly

describesthe

overalldesign

approachof

the

test

incentivesystem,thenintroducesthe

LabVIEW

DAQmx

,adataacquisition

programming,

hardware

selectionandhardwarecircuitdesign,andfinally

focuseson

describingsystem

softwareprogrammingandgives

outthefrontpanel

and

blockdiagramofthedesign.Keywords:virtualinstrument;Rotary

typeultrasonicmotor;

LabVIEW;

dataacquisitio目錄引言 11緒論 21.1虛擬儀器簡(jiǎn)介 21.2虛擬儀器的特點(diǎn) 21.2.1不強(qiáng)調(diào)物理上的實(shí)現(xiàn)形式 21.2.2在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟硬件資源共享 31.2.3圖形化的軟件面板 31.3虛擬儀器的構(gòu)成 31.3.1虛擬儀器的硬件組成 31.3.2虛擬儀器的軟件組成 31.4虛擬儀器的開發(fā)語言 42雙定子旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 52.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 52.2系統(tǒng)軟件的選擇 52.3系統(tǒng)硬件的選擇 62.3.1數(shù)據(jù)采集卡 63labviewDAQmx數(shù)據(jù)采集編程 93.1DAQ基礎(chǔ)知識(shí) 93.2NI采集卡的常用函數(shù) 113.2.1DAQ助手 113.2.2創(chuàng)建虛擬通道函數(shù) 113.2.3定時(shí)函數(shù) 123.2.4開始觸發(fā)函數(shù) 123.2.5終止任務(wù)函數(shù) 133.2.6啟動(dòng)任務(wù)函數(shù) 133.2.7寫入函數(shù) 143.2.8讀取函數(shù) 143.2.9清除任務(wù)函數(shù) 144系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì) 154.1一路可調(diào)電壓輸出 154.1.1接線方法 154.1.2模擬輸出的流程圖 154.1.3程序編寫 174.1.4程序的調(diào)試 195系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 205.1四階巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì) 205.1.1巴特沃斯濾波器 205.1.2電路圖選擇與計(jì)算參數(shù) 225.1.3仿真結(jié)果分析 245.2移相電路的設(shè)計(jì) 255.2.1移相電路原理 255.2.2電路圖的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 285.2.3仿真結(jié)果及分析 296系統(tǒng)總體試驗(yàn)情況 306.1單通道電壓輸出 306.2濾波器電路試驗(yàn) 307總結(jié)與展望 32致謝語 33參考文獻(xiàn) 34PAGE34引言旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)作為目前最典型的一種超聲電機(jī)，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微型機(jī)械、機(jī)器人、精密儀器儀表、日用家電等領(lǐng)域；有關(guān)專家預(yù)言,在不久的將來,超聲電機(jī)將在微小電機(jī)領(lǐng)域幾乎全部替代傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，展現(xiàn)出美好的前景。旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)在具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、低噪聲運(yùn)行等一系列優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，它輸出功率小、效率低也是旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)目前急需解決的問題之一。采用兩個(gè)完全相同壓電定子與壓電轉(zhuǎn)子直接平行接觸“嚙合”驅(qū)動(dòng)壓電轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出動(dòng)力，可以克服傳統(tǒng)單定子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)定轉(zhuǎn)子存在摩擦驅(qū)動(dòng)接觸范圍小等缺陷，有望提高電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩和效率。[1]傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)只需要兩相具有相位差的正弦電壓信號(hào)。這種新型的旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)具有兩組壓電陶瓷，需要四路正弦電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)。本選題就是為這種新型超聲電機(jī)開發(fā)試驗(yàn)激勵(lì)系統(tǒng)。目前國內(nèi)應(yīng)用廣泛的行波型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是：利用開關(guān)電源技術(shù)，由逆變來實(shí)現(xiàn)電壓升壓，能量傳遞、阻抗匹配和電源隔離。其功能完全由硬件實(shí)現(xiàn)，變壓器必須與不同型號(hào)的超聲電機(jī)匹配，功能單一而且購置、維護(hù)費(fèi)用高；有的是采用模擬元件或者是數(shù)字元件，有的是采用單片機(jī)電路，有的是采用數(shù)字信號(hào)處理電路，其不足是硬件電路太復(fù)雜應(yīng)用不靈活以及定定位精度不高等。[6]與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器是在一種以通用計(jì)算機(jī)為為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義、具有虛擬前面板、測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。其核心思想是利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大資源使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)功能、靈活性、自動(dòng)化程度、具有良好人機(jī)界面。隨著虛擬儀器越來越廣泛的應(yīng)用，LabVIEW在超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制中得到應(yīng)用。由虛擬儀器的軟件程序來產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)激勵(lì)系統(tǒng)的可調(diào)正弦信號(hào)的產(chǎn)生、輸出，對(duì)外部信號(hào)的采集、處理、輸出。系統(tǒng)軟件包括：前面板的生成、虛擬儀器主要功能包括：通道選擇、頻率調(diào)整、幅值調(diào)整、相位差調(diào)整、轉(zhuǎn)子角度，隨著虛擬儀器技術(shù)的功能和性能已不斷地提高，如今在許多應(yīng)用中已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。由虛擬儀器輸出的兩路正弦信號(hào)在分別經(jīng)過濾波裝置，就可以產(chǎn)生四路正弦信號(hào)，以滿足試驗(yàn)激勵(lì)系統(tǒng)的要求。[14]1緒論1.1虛擬儀器簡(jiǎn)介

虛擬儀器（VirtualInstrument，VI）是指，在以通過計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶自己設(shè)計(jì)定義，具有虛擬的控制面板，測(cè)試功能由測(cè)試軟件來實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更全面的儀器。用戶可以根據(jù)自己的需要來定義和制造各種儀器。虛擬儀器突出“軟件即儀器”的概念，傳統(tǒng)儀器的某些硬件在虛擬儀器中被軟件代替，由于減少了許多隨時(shí)間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，再加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用，這些變化是儀器的測(cè)量精度、測(cè)量速度和可重復(fù)性都大大提高。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以及人們對(duì)儀器功能、靈活性的要求會(huì)越來越高，虛擬儀器技術(shù)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用和普及。圖1-1反映了常見的虛擬儀器方案。圖1-1常見的虛擬儀器方案1.2虛擬儀器的特點(diǎn)1.2.1不強(qiáng)調(diào)物理上的實(shí)現(xiàn)形式

虛擬儀器通過軟件功能來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)處理與分析及數(shù)據(jù)的顯示這三部分的物理功能。其充分利用計(jì)算強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，在基本硬件的支持下，利用軟件完成數(shù)據(jù)的采集、控制、數(shù)據(jù)分析和處理以及測(cè)試結(jié)果顯示等，通過軟件、硬件的配合來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能。1.2.2在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟硬件資源共享虛擬儀器的最大的特點(diǎn)是將計(jì)算機(jī)資源與儀器硬件、DSP技術(shù)相結(jié)合，在系統(tǒng)內(nèi)共享軟硬件資源。它打破了以往由廠家定義儀器功能的模式，而變成了由用戶本身定義儀器功能。使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件編程，便可以實(shí)現(xiàn)功能完全不同的測(cè)控儀器。1.2.3圖形化的軟件面板虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板，而是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境采用可視化的圖形編程語言和平臺(tái)，以在計(jì)算機(jī)屏幕建立圖形化的軟件面板來代替常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。軟件面板上具有與實(shí)際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其他大部分控制部件。在操作時(shí)，用戶可以使用鼠標(biāo)或鍵盤操作軟件面板，來檢驗(yàn)儀器的通信和操作。1.3虛擬儀器的構(gòu)成1.3.1虛擬儀器的硬件組成虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量設(shè)備，硬件由通用計(jì)算機(jī)和模塊化硬件設(shè)備組成。通用計(jì)算機(jī)可以是便攜式PC機(jī)、臺(tái)式PC機(jī)或工作站等。最常用的模塊化硬件設(shè)備是數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡，再配以相應(yīng)的調(diào)理電路，構(gòu)成硬件平臺(tái)。1.3.2虛擬儀器的軟件組成系統(tǒng)軟件通常是使用專用的虛擬儀器開發(fā)語言編寫而成。它應(yīng)完成數(shù)據(jù)的采集及信號(hào)生成控制、數(shù)據(jù)的分析與數(shù)據(jù)的表達(dá)等功能。在設(shè)計(jì)中可以采用圖1-2所示的結(jié)構(gòu)化進(jìn)程編寫系統(tǒng)軟件。在結(jié)構(gòu)化進(jìn)程中應(yīng)用程序分為三個(gè)層次：圖1-2軟件結(jié)構(gòu)化進(jìn)程示意圖儀器設(shè)備層。對(duì)于數(shù)據(jù)的采集與控制，由于涉及硬件操作，需要相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序。在NI公司出售的數(shù)據(jù)采集卡便可直接支持LabVIEW。這種軟件能提供許多設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。測(cè)試程序?qū)印Ｆ涔δ苁窃O(shè)置個(gè)儀器的參數(shù)并采集數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理，最后計(jì)算出結(jié)果。用戶應(yīng)用層。此層面軟件與用戶需求密切相關(guān)，其主要功能為：1為用戶提供各類測(cè)試儀器的虛擬界面；2為完成特定的測(cè)試任務(wù)，調(diào)用各個(gè)儀器；3管理測(cè)試程序等等。1.4虛擬儀器的開發(fā)語言虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標(biāo)準(zhǔn)C,VisualC++,VisualBasic等通用程序開發(fā)語言。但直接通過這些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有難度的。除了要花大量時(shí)間進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)面板設(shè)計(jì)外，還有編制大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和底層控制程序。這些工作對(duì)于不熟悉這方面知識(shí)的工程設(shè)計(jì)人員來說，要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，這樣會(huì)直接影響了系統(tǒng)開發(fā)和周期和性能。除了通用程序開發(fā)語言以外，還有一些專用的虛擬儀器開發(fā)語言和軟件，其中有影響的開發(fā)軟件有：NI公司的LabVIEW,LabWindows/CVI。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用開發(fā)軟件。LabWindows/CVI是為了熟悉C語言開發(fā)人員準(zhǔn)備的，是在Windows環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)ANSIC開發(fā)環(huán)境。除此以外還有HP公司的HP-VEE,HP-TIG開發(fā)平臺(tái)，美國Tektronix公司的Ez-Test,Tek-TNS平臺(tái)軟件，這些都是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)軟件平臺(tái)。2雙定子旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)通過對(duì)任務(wù)書的認(rèn)真閱讀、了解以及相關(guān)方面資料查閱分析，對(duì)本設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案如圖2-1：圖2-1雙定子旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的總體方案該系統(tǒng)的流程就是，通過軟件編程使計(jì)算機(jī)板卡的模擬輸出通道能輸出一路可調(diào)頻、調(diào)相位差、調(diào)幅值的正弦電壓，一路信號(hào)經(jīng)過了濾波器、移相器后分成四路正弦電壓，經(jīng)過功率放大器后驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)圖2-1所示總體方案，我們需要完成以下幾個(gè)任務(wù)：選擇合適的編程軟件；選擇合適的計(jì)算機(jī)板卡；設(shè)計(jì)符合系統(tǒng)要求的濾波器電路；設(shè)計(jì)符合系統(tǒng)要求的移相器電路；完成系統(tǒng)要求的所有軟件編程。2.2系統(tǒng)軟件的選擇在給定計(jì)算機(jī)必要的儀器硬件之后，構(gòu)成和使用虛擬儀器的關(guān)鍵在于軟件，軟件給為用戶提供了集成開發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。美國國家儀器公司提出的“軟件即儀器”形象地概括了軟件在虛擬儀器技術(shù)中的重要作用。對(duì)于虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫大致可以分為兩種方式：（1）通過編程軟件進(jìn)行編寫。主要有Microsoft公司的VistualBasic。與VisualC++，Borland公司的Delphi，Sybase公司的PowerBuilder；（2）用專業(yè)化圖形編程軟件進(jìn)行開發(fā)。如HP公司的VEE，NI公司的LabVIEW等。LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）的簡(jiǎn)稱，是美國國家儀器公司（NATIONALINSTRUMENTS，簡(jiǎn)稱NI）的創(chuàng)新性產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件集成環(huán)境，又稱G語言。LabVIEW雖然是為計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域開發(fā)的，但它的函數(shù)包含了一搬高級(jí)計(jì)算機(jī)語言中的絕大多數(shù)控制功能，LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境具有有點(diǎn)和總結(jié)如下所述：圖形化編程，降低了對(duì)使用者編程經(jīng)驗(yàn)的要求，易于工程師使用。采用面向?qū)ο蟮姆椒ê透拍?，有利于軟件開發(fā)和再利用。LabVIEW的功能沒有因圖形化編程而受到限制，依然具有通用編程系統(tǒng)的特點(diǎn)、LabVIEW有一個(gè)可完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。該函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。LabVIEW還具有模塊化的特點(diǎn)，體現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先、LabVIEW中使用的基本節(jié)點(diǎn)和函數(shù)等就是一個(gè)小的模塊，可以直接使用：另外，由LabVIEW編寫的程序——即虛擬儀器模塊，除了作為獨(dú)立程序運(yùn)行外，還可作為另一個(gè)虛擬儀器模塊的子模塊供其他模塊使用。根據(jù)上面所述，以及實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際條件，LabVIEW是作為超聲電機(jī)試驗(yàn)激勵(lì)系統(tǒng)的編程開發(fā)軟件的最佳選擇。2.3系統(tǒng)硬件的選擇2.3.1數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集（DAQ）功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，可以通過USB、PXI、PCI、PCIEXPRESS、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)等總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。一般情況下，DAQ硬件設(shè)備的基本功能有模擬量輸入（A\D）、模擬量輸出（D\A）、數(shù)字和定時(shí)/計(jì)數(shù)四大功能。因此LabVIEW環(huán)境下數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)也圍繞這四大功能來組織的，圖2-2為LabVIEW環(huán)境下數(shù)據(jù)采集應(yīng)用結(jié)構(gòu)。圖2-2LabVIEW環(huán)境下數(shù)據(jù)采集應(yīng)用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集卡的性能與眾多因素相關(guān)，要根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析。所以在選擇數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)，首先必須對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)有所了解。數(shù)據(jù)采集卡有以下幾個(gè)指標(biāo)供我們參考：采樣頻率采樣頻率的高低，決定了在一定時(shí)間內(nèi)獲取原始信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號(hào)，不產(chǎn)生波形失真，采樣頻率必須足夠高才行，根據(jù)尼奎斯特理論采樣頻率必須是原始信號(hào)的兩倍，但是實(shí)際中一般都需要5~10倍。采樣方法采集卡通常有幾個(gè)數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流的使用同一個(gè)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，要比每個(gè)通道單獨(dú)使用各自經(jīng)濟(jì)得多，但這僅使用與對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。分辨率數(shù)據(jù)采集卡可分辨輸入信號(hào)最小變化量。ADC的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。（5）I/O通道數(shù)該參數(shù)表明了數(shù)據(jù)采集卡所能夠采集的最多信號(hào)路數(shù)。包括模擬I/O、數(shù)字I/O圖2-3NIPCI-6221數(shù)據(jù)采集卡NIPCI-6221是NI公司的M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡，可以直接插在電路主機(jī)的卡槽里。該板卡的主要性能如下：2路模擬量輸出通道，分辨率為16位,最大更新率為833kS/s，輸出電壓范圍是-10~+10V；16路模擬信號(hào)輸入通道，分辨率為16位；24路數(shù)字I/O，數(shù)字觸發(fā)；2個(gè)32位定時(shí)計(jì)數(shù)器；NI-DAQmx測(cè)試軟件和一個(gè)硬件配置支持；本設(shè)計(jì)需要一個(gè)模擬輸出通道輸出輸出頻率為20~50KHZ、0~+10V的正弦電壓，833kS/s的最大更新率能夠滿足輸出較高頻電壓。NIPCI-6221數(shù)據(jù)采集卡具有兩個(gè)計(jì)數(shù)器也滿足本設(shè)計(jì)需求?；谝陨显蚝蛯?shí)驗(yàn)室設(shè)備條件，本設(shè)計(jì)選擇了NIPCI-6221數(shù)據(jù)采集卡。3labviewDAQmx數(shù)據(jù)采集編程3.1DAQ基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的作用是將模擬的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，或?qū)⒂?jì)算機(jī)編輯好的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。在計(jì)算機(jī)上安裝了驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用軟件，方便我們與硬件交互，完成采集任務(wù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的分析和處理。對(duì)于數(shù)據(jù)采集應(yīng)用來說，我們使用的軟件主要分成三類：1.驅(qū)動(dòng)軟件。NI的數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件是DAQmx，它提供了一系列API函數(shù)供我們編寫數(shù)據(jù)采集程序時(shí)調(diào)用。2.應(yīng)用軟件LabVIEW，DAQmx可以支持應(yīng)用軟件，在使用應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集編程時(shí)可以調(diào)用DAQmx包含的函數(shù)。3.配套管理軟件MeasurementandAutomationExplorer（MAX），使用這個(gè)軟件進(jìn)行軟硬件交互，并無需編程就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能；還能將配置的數(shù)據(jù)采集任務(wù)導(dǎo)入LabVIEW，并自動(dòng)生成LabVIEW代碼。在安裝DAQmx軟件時(shí)都會(huì)自動(dòng)附帶安裝MAX。[3]圖3-1數(shù)據(jù)采集軟件架構(gòu)安裝完這三種軟件并在主機(jī)插槽里插上PCI-6221之后，就可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集編程。但是為了保證板卡能夠正常使用，并且了解板卡的引腳定義圖便于連線，在編程之前可以在MAX軟件里對(duì)板卡進(jìn)行檢查并查詢板卡信息。進(jìn)入MAX軟件界面后，在位于左邊的配置樹形目錄中，展開“我的系統(tǒng)>>設(shè)備和接口”，找到“NI-DAQ設(shè)備”一項(xiàng)。連接在本臺(tái)電腦上的NI數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備都會(huì)羅列在這里并以“Dev*”命名。鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊如圖3-2所示的設(shè)備可以進(jìn)行一系列操作。首先可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行自檢，通過自檢來說明板卡工作在正常狀態(tài)，如果板卡發(fā)生了硬件順壞，MAX將報(bào)出自檢失敗的信息。同時(shí)，可以更改設(shè)備名，當(dāng)系統(tǒng)中使用多個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊時(shí)，給每個(gè)模塊一個(gè)有意義的命名，可以幫我們區(qū)分模塊，并且在編程選擇設(shè)備時(shí)候提高程序的可讀性。另外選擇“設(shè)備引腳”，將顯示硬件引腳定義圖，便于連線。圖3-2MAX軟件下的DAQmx設(shè)備在沒有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備，但想要運(yùn)行LabVIEW程序驗(yàn)證一下硬件功能，還可以在MAX里仿真一塊硬件。方法是用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊“NI-DAQmx設(shè)備”，選擇創(chuàng)建NI-DAQmx仿真設(shè)備，選擇指定型號(hào)，如圖3-3所示。圖3-3創(chuàng)建仿真DAQmx設(shè)備完成這些工作之后就可以開始進(jìn)入應(yīng)用軟件進(jìn)行編程。3.2NI采集卡的常用函數(shù)與傳統(tǒng)的編程語言所使用的采集函數(shù)不同，LabVIEW獨(dú)有的：“多態(tài)”特性可讓我們?cè)僖粋€(gè)多功能設(shè)備中使用同樣的函數(shù)進(jìn)行編程（模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O和計(jì)數(shù)器）。基于這些常用的函數(shù)就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集編程了。[2]3.2.1DAQ助手DAQ助手是一個(gè)對(duì)話框式的向?qū)Ы缑?。通過界面可以交互式地創(chuàng)建、編輯和運(yùn)行NI-DAQmx虛擬通道和任務(wù)。一個(gè)NI-DAQmx虛擬通道包括一個(gè)DAQ設(shè)備上物理通道和對(duì)這個(gè)物理通道的配置信息，如輸入輸出范圍、自定義縮放比例等等。一個(gè)NI-DAQmx任務(wù)是虛擬通道、定時(shí)和觸發(fā)信息，以及其他與采集或生成相關(guān)屬性的組合。如圖3-4所示，這就是DAQ助手和配置界面。圖3-4DAQ助手和配置界面3.2.2創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)“DAQmx創(chuàng)建通道”函數(shù)如圖3-5所示。該函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)虛擬通道并且將它添加成一個(gè)任務(wù)。它也可以用來創(chuàng)建多個(gè)虛擬通道，并將它們都添加成一個(gè)任務(wù)。如果沒有指定一個(gè)任務(wù)，那么這個(gè)函數(shù)將創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)?？梢酝ㄟ^“DAQmx創(chuàng)建通道”函數(shù)創(chuàng)建的實(shí)例有七種：模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、計(jì)數(shù)器輸入、計(jì)時(shí)器輸入和計(jì)數(shù)器輸出。每種實(shí)例下又可以分為不同的類型選項(xiàng)。對(duì)照菜單逐級(jí)選擇可以建立項(xiàng)目中所需的采集虛擬通道。圖3-5創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)3.2.3定時(shí)函數(shù)“DAQmx定時(shí)”函數(shù)如圖3-6所示，該函數(shù)用于配置硬件的定時(shí)數(shù)據(jù)采集操作，包括制定操作是否連續(xù)或有限，如果有限操作還應(yīng)選擇采集或生產(chǎn)采樣數(shù)量，以及需要時(shí)創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)。對(duì)于需要采樣定時(shí)的操作（模擬輸入、模擬輸出和計(jì)數(shù)器），“DAQmx定時(shí)”函數(shù)中的采樣時(shí)鐘實(shí)例設(shè)置了采樣時(shí)鐘的源（可以是一個(gè)內(nèi)部或外部的源）和它的采樣速率，每一個(gè)時(shí)鐘脈沖為一個(gè)包含在任務(wù)中的虛擬通道初始化一個(gè)采樣的采集或信號(hào)的生產(chǎn)。為了在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)同步，如同觸發(fā)信號(hào)必須在一個(gè)設(shè)備的不同功能區(qū)域或多個(gè)設(shè)備之間傳遞一樣，定時(shí)信號(hào)也必須同樣方式傳遞?！癉AQmx定時(shí)”函數(shù)自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)這個(gè)傳遞，所有有效的定時(shí)信號(hào)都可以作為“DAQmx定時(shí)”函數(shù)的輸入。圖3-6定時(shí)函數(shù)3.2.4開始觸發(fā)函數(shù)“DAQmx開始觸發(fā)”函數(shù)如圖3-7所示，該函數(shù)用于配置一個(gè)觸發(fā)器，并用它來完成一個(gè)特定動(dòng)作。最為常用的觸發(fā)器是一個(gè)啟動(dòng)觸發(fā)器（StartTrigger）和一個(gè)參考觸發(fā)器（ReferenceTrigger）。通過啟動(dòng)觸發(fā)器初始化一個(gè)采集或生成任務(wù)，然后利用參考觸發(fā)器確定所采集的采樣集中的位置，在那之前前觸發(fā)器數(shù)據(jù)結(jié)束，而后觸發(fā)器數(shù)據(jù)開始。這些觸發(fā)器都可以配置成在數(shù)字邊沿、模擬邊沿發(fā)生，或者當(dāng)模擬信號(hào)進(jìn)入、離開窗口時(shí)發(fā)生。許多數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備的不同功能區(qū)域間的同步（如模擬輸出和計(jì)數(shù)器），有些則需要多個(gè)設(shè)備之間同步。為了達(dá)到這種同步性，觸發(fā)信號(hào)必須在一個(gè)設(shè)備不同功能區(qū)域和多個(gè)設(shè)備之間傳遞。NI-DAQmx自動(dòng)完成這種傳遞。當(dāng)使用DAQmx觸發(fā)函數(shù)時(shí)，所有有效的觸發(fā)信號(hào)都可以作為函數(shù)的源輸入?！癗I-DAQmx開始觸發(fā)”函數(shù)單展開后可設(shè)置“開始”、“參考”、“更多”等觸發(fā)形式。圖3-7開始觸發(fā)函數(shù)3.2.5終止任務(wù)函數(shù)與DAQmx啟動(dòng)任務(wù)函數(shù)相對(duì)應(yīng)，DAQmxz終止任務(wù)函數(shù)終止由顯式DAQmx開始的任務(wù)或隱式自動(dòng)開始的任務(wù)。3.2.6啟動(dòng)任務(wù)函數(shù)DAQmx開始任務(wù)函數(shù)如圖3-8所示，該函數(shù)顯式地將一個(gè)任務(wù)轉(zhuǎn)換至運(yùn)行狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)中，這個(gè)任務(wù)將完成特定的采集或生成。如果沒有DAQmx啟動(dòng)任務(wù)函數(shù)，那么在DAQmx讀取函數(shù)執(zhí)行時(shí)，一個(gè)任務(wù)可以隱式地轉(zhuǎn)換至運(yùn)行狀態(tài)，或自動(dòng)開始。最好要是用DAQmx啟動(dòng)任務(wù)函數(shù)，否則任務(wù)將會(huì)在循環(huán)中重復(fù)地啟動(dòng)和停止，任務(wù)性能將會(huì)降低。圖3-8啟動(dòng)任務(wù)函數(shù)3.2.7寫入函數(shù)DAQmx寫入函數(shù)如圖3-9所示，該函數(shù)將特定的采樣值寫入生成任務(wù)中。這個(gè)函數(shù)可以將采樣值寫入不同的生成任務(wù)類型（模擬輸出或數(shù)字輸出），可以設(shè)置多個(gè)虛擬通道數(shù)、采樣數(shù)和數(shù)據(jù)類型。圖3-9讀取函數(shù)3.2.8讀取函數(shù)DAQmx讀取函數(shù)，如圖3-10所示，該函數(shù)從設(shè)定的采集任務(wù)中讀取采樣值。DAQmx讀取函數(shù)可以同時(shí)讀取多個(gè)采樣通道的數(shù)據(jù)。根據(jù)定時(shí)函數(shù)所設(shè)定的采樣方式，讀取函數(shù)有不同的讀取方法。當(dāng)為有限采樣時(shí)，將每通道采樣數(shù)指定為-1，這個(gè)函數(shù)會(huì)等待采集完所有請(qǐng)求的采樣數(shù)后，再讀取這些采樣。連續(xù)采集時(shí)，將每通道采樣數(shù)指定為-1，會(huì)使得這個(gè)函數(shù)在執(zhí)行的時(shí)候，讀取所有現(xiàn)在保存在緩沖中可得的采樣。圖3-10讀取函數(shù)3.2.9清除任務(wù)函數(shù)DAQmx清除任務(wù)函用于清除特定的任務(wù)。如果任務(wù)現(xiàn)在正在運(yùn)行，那么這個(gè)函數(shù)首先終止任務(wù)然后釋放掉所有資源。一旦某個(gè)任務(wù)被清除，那么它就不能被使用，除非重新創(chuàng)建它。本章介紹了數(shù)據(jù)采集前必要準(zhǔn)備工作和數(shù)據(jù)采集的一些基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)介紹了NI采集卡的常用函數(shù)。根據(jù)不同的任務(wù)類型選擇這些常用函數(shù)進(jìn)行編程，可以很快捷的編寫出適合程序。4系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)4.1一路可調(diào)電壓輸出4.1.1接線方法在進(jìn)行模擬輸出編程時(shí)，首先確定從板卡的哪一個(gè)端口輸出電壓，圖4-1為PCI-6221板卡的端口定義圖。PCI-6221板卡有兩個(gè)模擬輸出通道，AO0和AO1，分別為圖中22、21號(hào)端口。AO0的地端為54，AO1的地端為55。54和55端都稱為AOGND。板卡輸出電壓作為濾波器的輸入電壓，在接線時(shí)，將AO0接到運(yùn)算放大器的輸入端，AOGND接到運(yùn)算放大器的公共端。在編程時(shí)，將AO0接到示波器的兩個(gè)輸入通道，在示波器里觀察此路電壓的幅值、頻率、相位差等。圖4-1PCI-6221板卡的端口定義圖4.1.2模擬輸出的流程圖模擬輸出（AO）電壓的幅值取決于板卡輸出電壓范圍，PCI-6221板卡的輸出電壓范圍是-10V~+10V。AO電壓頻率，取決于兩個(gè)因素，更新率以及緩沖波形周期數(shù)?？梢杂靡韵碌仁絹碛?jì)算等式計(jì)算AO電壓的頻率：例如，一個(gè)1000點(diǎn)的緩沖放置了一個(gè)周期的波形，如果以1KHz的更新率來產(chǎn)生信號(hào)，那么，1周期乘以一千個(gè)點(diǎn)更新率除以總共一千個(gè)點(diǎn)的緩沖點(diǎn)數(shù)等于1HZ。如果使用2倍的更新率。那么，一個(gè)周期乘以，每秒二千個(gè)點(diǎn)更新率除以總共一千個(gè)點(diǎn)的緩沖點(diǎn)數(shù)得到2HZ的輸出。同理的，如果在緩沖中放入兩個(gè)周期的波形，那么，兩個(gè)周期乘以一千個(gè)點(diǎn)每秒的更新率除以總共一千個(gè)點(diǎn)的緩沖點(diǎn)數(shù)，得到輸出頻率為2HZ。也就是可以通過增加更新率或者緩沖中的周期數(shù)來提高輸出信號(hào)的頻率。圖4-2為DAQmx中產(chǎn)生連續(xù)模擬波形的流程圖。圖4-2模擬信號(hào)連續(xù)產(chǎn)生流程圖上圖中，定時(shí)函數(shù)將一個(gè)周期正弦波定時(shí)采樣成一個(gè)離散數(shù)據(jù)數(shù)組，由寫入函數(shù)將數(shù)組寫入模擬輸出通道的緩沖區(qū)，再由模擬輸出通道按照采樣時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。因此采樣頻率和板卡數(shù)據(jù)輸出更新率是相等。為了使板卡能夠正常的輸出電壓，必須同時(shí)滿足一下兩個(gè)條件：板卡數(shù)據(jù)輸出更新率必須小于板卡最大更新率；輸出波形頻率和采樣頻率必須滿足香濃采樣定理，即采樣頻率至少是采樣波形最高頻率的兩倍。編程時(shí)可以在采樣頻率和波形頻率之間設(shè)定一個(gè)倍數(shù)，使之同時(shí)滿足上面兩個(gè)條件。4.1.3程序編寫如圖4-3和4-4所示，分別為單通道電壓輸出的程序框圖和前面板。圖4-3單通道電壓輸出程序圖4-4單通道電壓輸出前面板程序中，創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)來創(chuàng)建一個(gè)AO任務(wù)，并且設(shè)置AO輸出通道、電壓輸出范圍。如圖4-5所示可以再前面板上設(shè)置這些值。Dev1/ao0:1表示在設(shè)備號(hào)為1（PCI-6221板卡）的兩個(gè)輸出通道，這兩個(gè)通道分別為ao0和ao1。設(shè)置電壓輸出的范圍是-10~+10V。圖4-5通道參數(shù)設(shè)置圖4-6采樣時(shí)鐘參數(shù)設(shè)置定時(shí)函數(shù)用來設(shè)定一個(gè)采樣時(shí)鐘，該采樣頻率的設(shè)置應(yīng)該至少為輸出電壓頻率的兩倍。定時(shí)函數(shù)的采樣時(shí)鐘，使得虛擬函數(shù)發(fā)生器的數(shù)據(jù)定時(shí)由寫入函數(shù)寫進(jìn)緩沖區(qū)。如圖4-6所示，采樣時(shí)鐘設(shè)置為連續(xù)采樣方式。通過啟動(dòng)任務(wù)函數(shù)開始向板卡模擬輸出通道寫出采樣值。While循環(huán)函數(shù)用于連續(xù)的輸出一個(gè)完整的波形，直至人為的停止任務(wù)。程序中有兩個(gè)虛擬函數(shù)發(fā)生器，它們的數(shù)據(jù)分別給兩個(gè)模擬輸出通道提供采樣值。如圖4-7所示，虛擬函數(shù)發(fā)生器可以設(shè)置頻率、幅值、相位、信號(hào)類型等。在前面板上可以設(shè)置這些信息。圖4-7虛擬函數(shù)發(fā)生器圖4-8前面板波形信息設(shè)置如圖4-9所示通過程序設(shè)置使得虛擬函數(shù)發(fā)生器的波形類型、幅值和頻率一樣，其中一個(gè)波形的相位固定為0，另外一個(gè)波形的相位就是它們的相位差，數(shù)據(jù)通過一個(gè)數(shù)組函數(shù)合并，再由寫入函數(shù)寫入緩沖區(qū)。圖4-9虛擬函數(shù)發(fā)生器設(shè)置4.1.4程序的調(diào)試程序編寫完成就可以進(jìn)行調(diào)試和完善了。接好連線，在前面板設(shè)置好通道參數(shù)和波形信息之后，運(yùn)行程序，在示波器中觀察輸出電壓。在低頻情況下，是可以正常輸出，但是在高頻情況下，就會(huì)出現(xiàn)如圖4-10所示的錯(cuò)誤提示。圖4-10錯(cuò)誤提示經(jīng)過導(dǎo)師的指導(dǎo)，理清了采樣率、更新率、波形頻率之間的關(guān)系。在高頻時(shí)會(huì)出錯(cuò)的原因就是采樣率已經(jīng)超過板卡的最大更新率。出現(xiàn)這種情況，可以在輸出波形頻率不變的情況下，降低采樣率與波形頻率的比值。5系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)5.1四階巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)濾波器是對(duì)信號(hào)的頻率具有選擇性的電路，它的功能是使特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過。濾波器按處理信號(hào)可以分為：數(shù)字濾波器、模擬濾波器；按處理頻段可以分為：低/高通濾波器、帶通/阻濾波器；按采用元件可以分為：有源濾波器、無源濾波器。[7][11]RC有源濾波器是模擬濾波器中最實(shí)用、應(yīng)用最廣泛的濾波器。濾波器標(biāo)準(zhǔn)化電路的種類很少，僅適用運(yùn)放及R、C元件，因此非常便于集成，這給推廣應(yīng)用帶來廣泛影響。因?yàn)椴贿m用電感、特別是大型電感，也因?yàn)檫\(yùn)放性能的飛速提高的同時(shí)價(jià)格卻一降再降，所以在成本方面有源濾波器已經(jīng)變得比無源濾波器還有優(yōu)勢(shì)。本章就是基于以上原因設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為50KHZ的有源低通濾波器并利用multisim電路仿真軟件進(jìn)行仿真。5.1.1巴特沃斯濾波器巴特沃斯濾波器是幅頻特性在通頻段內(nèi)具有最平坦特性的原形模擬濾波器。它的具有通帶內(nèi)最大平坦的振幅特性，且隨著頻率增加單調(diào)下降。其幅度平方函數(shù)具有如下形式：（5-1）式中：模擬角頻率截止角頻率N為整數(shù)，稱為濾波器的階數(shù)，N越大，通帶和阻帶的近似性越好，過渡帶也越陡。由圖5-1可知，濾波器的幅頻特性隨著階次N的增大而變得越好，即更接近于理想低通濾波器。歸一化的，N=1~8階的巴特沃森低通濾波器傳遞函數(shù)分母多項(xiàng)式如表5-1所示：圖5-1巴特沃斯濾波器振幅平方函數(shù)N歸一化的巴特沃斯低通濾波器傳遞函數(shù)的分母多項(xiàng)式1

2

3

4

5

6

7

8

表5-2：歸一化的巴特沃斯低通濾波器傳遞函數(shù)的分母多項(xiàng)式將表5-2的式子作為分母，分子為增益的常數(shù)，就可以方便求得歸一化N階巴特沃斯濾波器的傳遞函數(shù)。例如，根據(jù)表5-2可得到歸一化的四階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為：（5-2）再將上式中用替換就可以求得四階巴特沃斯濾波器的傳遞函數(shù)。5.1.2電路圖選擇與計(jì)算參數(shù)圖5-3：四階巴特沃斯濾波器原理圖選擇圖5-3所示電路圖作為四階巴特沃思濾波器的電路形式。計(jì)算其傳遞函數(shù)，圖5-3，相當(dāng)于兩個(gè)二階電路相連而成，計(jì)算其中一個(gè)二階電路的傳遞函數(shù)就可以求得整個(gè)四階電路的傳遞函數(shù)。由運(yùn)算放大器的虛斷特性可以得到：從而得到（5-3）由運(yùn)算放大器的虛短特性可以得到：(5-4)根據(jù)電路分析法還可以得到(5-5)(5-6)聯(lián)立式（2）—式（5）可以求得：(5-7)其中：（5-8）根據(jù)式（6）和（7）可以求得整個(gè)四階電路的傳遞函數(shù)為：（5-9）其中令式（8）可以化為：（5-10）將式將代入式（8），可得到歸一化的四階巴特沃思濾波器傳遞函數(shù)：（5-11）對(duì)比式（1）和式（10）可以得到：(5-12)由式（9）又可得：選取可算得。根據(jù)運(yùn)算放大器兩端電阻對(duì)稱條件有：（5-13）聯(lián)立式（11）和式（12）可得解得取標(biāo)稱值得。至此，濾波器電路的所有參數(shù)均已算出。5.1.3仿真結(jié)果分析圖5-4頻率為1KHZ幅值為1V時(shí)示波器觀察結(jié)果圖5-5頻率為100KHZ幅值為1V時(shí)示波器觀察結(jié)果輸入電壓頻率為1KHZ，幅值為1V時(shí)，輸入輸出的波形如圖5-4所示，幅值放大了2.6倍；當(dāng)信號(hào)頻率為100KHZ時(shí)，輸入輸出的波形如圖5-5所示，輸出電壓已經(jīng)明顯衰減，可以看出該濾波電路具有明顯的濾掉高于截至頻率信號(hào)的作用。圖5-6波特圖幅頻特性分析由圖5-6可知，在截止頻率之后，幅值迅速下降，當(dāng)輸入信號(hào)中具有高頻雜波時(shí)，能把這些雜波信號(hào)的幅值衰減掉，頻率越高衰減得越厲害。計(jì)算機(jī)板卡輸出的正弦電壓包含了一些高頻諧波導(dǎo)致電壓波形不光滑，通過此濾波器就可以使高頻諧波衰減掉，正弦電壓變得光滑。5.2移相電路的設(shè)計(jì)5.2.1移相電路原理因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中需要四路正弦電壓來控制超聲電機(jī)的兩對(duì)壓電電轉(zhuǎn)子，而PCI-6221板卡只有兩路輸出通道，故對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行移相處理，在此需要設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行90°以內(nèi)的超前或滯后處理。因?yàn)殡娙荩–）、電感（L）這些感性負(fù)載都具有移相作用，它們與電阻配合能夠分別形成RC移相電路、RL移相電路和RLC移相電路。在較高頻率下，電感的體積會(huì)顯得很大，基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，選擇RC移相電路。圖5-7用相量圖表示了簡(jiǎn)單串聯(lián)電路中電阻和電容兩端的電壓、和輸入電壓U的關(guān)系，值得注意的是：相量法的使用范圍是正弦信號(hào)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，并且在R、C的值都已固定的情況下，由于的值是頻率的函數(shù)，因此同一電路對(duì)于不同頻率正弦信號(hào)的相量圖表示并不相同。在這里，同樣的移相電路對(duì)不同頻率信號(hào)的移相角度是不會(huì)相同的RC移相電路的設(shè)計(jì)要針對(duì)特定的頻率來進(jìn)行。圖5-7簡(jiǎn)單的RC移相對(duì)圖5-7中第一個(gè)圖進(jìn)行分析：（5-14）取，這是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其對(duì)數(shù)幅頻特性和對(duì)數(shù)相頻特性表達(dá)式：（5-15）（5-16）改變T的值就可以改變幅值和頻率，使得C固定，R可調(diào)就可以改變T的值。這樣的濾波器在：的時(shí)候輸入頻率時(shí)，輸出振幅下降3dB，移相量為：而圖5-7第二個(gè)電路的中符號(hào)變?yōu)檎８鶕?jù)這兩個(gè)表達(dá)式，使用MATLAB畫出的慣性環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅頻特性和對(duì)數(shù)相頻特性如圖5-8所示：圖5-8慣性環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅頻特性和對(duì)數(shù)相頻特性該移相電路可在即使振幅變動(dòng)也不存在問題的場(chǎng)合和需要移相幅度不大的場(chǎng)合使用。但是，由于本設(shè)計(jì)要求移相后輸出振幅無變動(dòng)。而在上圖的RC移相電路中，即使允許3dB的振幅下降，移相量也只有45°，所以對(duì)移相電路做了以下改進(jìn)，使得可以實(shí)現(xiàn)0~180°的移相，而且輸出振幅不依賴于輸入頻率。由圖5-8可以看出，一個(gè)RC移相器的移相范圍是0~90°，為了得到更大的移相范圍可以使用兩個(gè)RC移相疊加，隨著移相的范圍變大，幅值衰減也越多，因此將RC與運(yùn)算放大器組成有源移相電路。圖5-990°超前移相圖5-1090°滯后移相圖5-9和圖5-10可以看成基本的RC移相電路，其移相電路的理論推導(dǎo)是：（5-17）由，及可以得到：（3.15）（5-18）圖5-9的移相角度在第1象限，圖5-10的移相角度在第4象限。這兩個(gè)電路能對(duì)電路移相后的幅度進(jìn)行一定的補(bǔ)償。以上每個(gè)電路調(diào)節(jié)的范圍都局限在90°以內(nèi)，若要繼續(xù)增大調(diào)相范圍，可以采用圖5-11和圖5-12的電路圖。圖5-110~180°超前移相圖5-120~180°滯后移相圖5-11和圖5-12電路的傳遞方程推導(dǎo)類似，因此僅對(duì)圖5-11電路進(jìn)行了推導(dǎo)，并將推導(dǎo)的主要結(jié)果列出如下：（5-19）（5-20）由可以得到：（5-21）以上傳遞方程的虛部為正，而實(shí)部則根據(jù)角頻率、電容和各電阻的具體值可分別取為正值或負(fù)值，因此該電路的移相角度可以在第1和第2象限之內(nèi)，也可稱之為0~180°超前移相。如果取R1=R2，則k=0.5，設(shè)，此時(shí)的此時(shí)的傳遞函數(shù)和相頻表達(dá)式為：（5-22）（5-23）由式（5-22)可知，對(duì)于頻率已知的某一正弦信號(hào)，與具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且與成正相關(guān)。而是可以通過調(diào)節(jié)的值來調(diào)節(jié)的。通常電容取固定值，電阻使用滑動(dòng)變阻器。由于，所以與成負(fù)相關(guān)。當(dāng)時(shí)，最小，由于R無法取到無限大，所以滑動(dòng)變阻器的最大阻值就決定了移相的最小角度（無法取到0）。5.2.2電路圖的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算由式3-20可知，對(duì)于相同（即）值的情況下，頻率越大所能實(shí)現(xiàn)的移相角度越小，本設(shè)計(jì)主要用于實(shí)現(xiàn)20~50kHz正弦信號(hào)的移相，取時(shí)，獲得90°的移相量時(shí)的R、C值，留出余量，可以使信號(hào)頻率為30KHZ時(shí)。?。篊=1.5nF則。在實(shí)際搭接電路中選擇則根據(jù)計(jì)算結(jié)果選定電阻、電容，實(shí)際仿真所搭建的移相電路如圖5-13：圖5-13實(shí)際仿真所搭建的0~180°幅值恒定移相電路5.2.3仿真結(jié)果及分析1212圖3.2430kHZ正弦信號(hào)移相90°時(shí)瞬態(tài)分析圖紅色線為輸入信號(hào)，綠色線為輸出信號(hào)。通過仿真結(jié)果可以看出，輸入電壓頻率為30KHZ，幅值為±10V時(shí)，輸入輸出的波形如圖3.24所示，其輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相比相位移動(dòng)了90°。6系統(tǒng)總體試驗(yàn)情況6.1單通道電壓輸出通過示波器觀察從板卡輸出兩通道電壓的情況。如圖6-1所示為從板卡一個(gè)模擬通道輸出幅值為10V、頻率為30KHZ，90°相位差的正弦電壓。圖6-1一個(gè)模擬通道輸出頻率為30KHZ，90°相位差的正弦電壓試驗(yàn)可知，通過程序編程，可以從PCI-6221板卡的一個(gè)模擬通道中輸出幅值為0~10V、頻率20~50KHZ、相位差任意可調(diào)的一路正弦電壓。從上圖也可以看出，從板卡輸出的電壓不是很光滑，因此需要通過濾波器來使正弦電壓變得光滑。6.2濾波器電路試驗(yàn)在面包板上做濾波器的試驗(yàn)。把所需要的元器件都購買后，按照所設(shè)計(jì)的電路圖，在面包板上布好元器件。如圖6-3、6-4所示為在面包板上做完成的濾波器和移相器。圖6-3實(shí)際制作出來的濾波器圖6-4實(shí)際制作出來的的移相電路把板卡輸出的一路電壓作為濾波器的輸入，濾波器的輸出作為移相電路的輸入，在示波器分別觀察濾波器輸出和移相電路輸出情況。圖6-5、為經(jīng)過濾波器和移相器后輸出的電壓。圖6-5板卡輸出電壓經(jīng)過濾波器和移相器由圖6-5也可以看出經(jīng)過濾波器之后正弦電壓變得光滑了，濾波器的效果顯而易見。經(jīng)過以上試驗(yàn)，可以說明整個(gè)系統(tǒng)是可行的，滿足任務(wù)要求。7總結(jié)與展望超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源作為超聲電機(jī)工作的重要組成部分，一直是國內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)。隨著超聲電機(jī)理論與制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)提出了更高的要求，微型化、通用化、智能化的驅(qū)動(dòng)電源已經(jīng)成為驅(qū)動(dòng)電源未來的發(fā)展方向。本文從超聲波電機(jī)的原理出發(fā)，分析了常見超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)存在的問題，探討了可行的解決方案，提出制作一種寬帶的驅(qū)動(dòng)電源，為開展超聲電機(jī)多頻驅(qū)動(dòng)的研究打下基礎(chǔ)?，F(xiàn)將主要完成的工作總結(jié)如下：針對(duì)本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的雙壓電定子旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)設(shè)計(jì)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。以PC計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，通過DAQ板卡直接輸出20kHz~50kHz，幅值和相位差都可調(diào)的一路正弦電壓信號(hào)。設(shè)計(jì)制作巴特沃斯低通濾波器去除計(jì)算機(jī)板卡輸出的高頻諧波。設(shè)計(jì)制作可使信號(hào)移相0~180°的移相器使輸出的一路正弦信號(hào)分成兩路相位差可調(diào)的正弦信號(hào)。并可根據(jù)實(shí)際需要信號(hào)通道數(shù)調(diào)整移相器的數(shù)目。通過本課題的研究，雖已取得一定成績，但鑒于本人水平以及時(shí)間的限制，本課題的有關(guān)方面還可以進(jìn)一步研究深化，主要有：本課題所開發(fā)的驅(qū)動(dòng)控制試驗(yàn)系統(tǒng)輸出的四路正弦信號(hào)經(jīng)過功率放大器后方可成為超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。開發(fā)功率放大器以加入驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，構(gòu)成一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。致謝語本文是在紀(jì)躍波老師的悉心指導(dǎo)下完成的。從畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的選擇、到選到課題的研究和論證，再到本畢業(yè)設(shè)計(jì)的編寫、修改，每一步都有紀(jì)老師的細(xì)心指導(dǎo)和認(rèn)真的解析。在紀(jì)老師的指導(dǎo)下，我在各方面都有所提高，老師以嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，一絲不茍的治學(xué)態(tài)度和勤勉的工作態(tài)度深深感染了我，給我巨大的啟迪，鼓舞和鞭策，并成為我人生路上值得學(xué)習(xí)的榜樣。使我的知識(shí)層次又有所提高。同時(shí)感謝所有教育過我的專業(yè)老師，你們傳授的專業(yè)知識(shí)是我不斷成長的源泉也是完成本論文的基礎(chǔ)。也感謝我同一組的組員和班里的同學(xué)是你們?cè)谖矣龅诫y題是幫我找到大量資