基于LabView的虛擬儀器實(shí)現頻率穩定度的測量(圖)

硬件框架及軟件設計方案
● 虛擬儀器的硬件框架
目前虛擬儀器主要有以下幾種構成方式：pc總線(xiàn)方式的插卡型虛擬儀器；gpib總線(xiàn)方式的虛擬儀器；vxi總線(xiàn)方式的虛擬儀器；pxi總線(xiàn)方式的虛擬儀器。
● 虛擬儀器的軟件設計方案
軟件在虛擬儀器中一般起到三個(gè)層面的作用：底層驅動(dòng)層、應用層和人機界面層。底層應用層主要用來(lái)對硬件的操作，如對數據采集卡的驅動(dòng)。應用層則是完成數據的采集存儲、轉換和分析，儀器的各種功能就在該層編制類(lèi)似于傳統儀器的面板，完成人機交換。
目前較為流行的虛擬儀器軟件有美國國家儀器公司的labview、 labwindows/cvi 、measurement studio,惠普公司的hp---vee等圖形化、交互式的編程設計環(huán)境，以及通用可視化編程工具vc++、vb、delphi、c++ builder、bc等。

利用labview實(shí)現頻率穩定度的測量
● 頻率穩定度測量原理
 
頻率穩定度測量原理如圖1所示，以f1和f2分別表示一個(gè)標頻信號和一個(gè)被測頻率信號，設它們的標稱(chēng)值均為nns，讓其進(jìn)行比相。由于它們之間的頻率差別和所有的各種噪聲的影響，使代表各自相位關(guān)系的兩鑒相脈沖之間的時(shí)間差變化在0～nns的范圍，并且以nns為一個(gè)鑒相周期。若當兩鑒相脈沖之間的時(shí)間間隔在0或nns附近時(shí)，就會(huì )使鑒相雙穩態(tài)的鑒相工作不正常。為了避免出現這種情況，又反映相位差值的變化，則自然會(huì )聯(lián)想到按某種規律的間隔脈沖的鑒相方法。為控制方便并兼顧避開(kāi)兩比相脈沖的間隔接近0ns和nns兩種情況，比相時(shí)，一路鑒相信號的重復周期為nns，另一路信號的重復周期應大于或等于3倍的nns，并且標稱(chēng)值是nns的整數倍。通過(guò)適當的門(mén)電路，讓t1和t2參加鑒相的脈沖之間的時(shí)間間隔為nns～2nns或2nns～3nns。這樣，兩比相信號每隔4nns的時(shí)間分別對鑒相雙穩態(tài)觸發(fā)一次，但鑒相的重復周期仍為nns。鑒相雙穩態(tài)輸出電壓經(jīng)濾波器輸出方波vf變化的情況，反映了兩比相信號間相位差隨時(shí)間的變化。t1的每個(gè)脈沖均參加鑒相；t2由于門(mén)電路的控制作用，每連續的四個(gè)脈沖中只有一個(gè)參加鑒相。但不是固定的分頻鑒相，而是選擇了與t1鑒相脈沖有一定時(shí)間間隔的nns一段中的時(shí)間范圍內的脈沖來(lái)實(shí)現。通過(guò)數據采集板卡利用labview軟件對表示被測頻率穩定度的方波信號vf進(jìn)行采集即是該系統完成的功能。
● 硬件配置
本虛擬儀器系統是插卡型虛擬儀器，包括pc機、advantech公司pci-1713數據采集卡，端子板和傳輸電纜。
● 軟件設計
測試程序有三個(gè)模塊組成：硬件驅動(dòng)模塊、硬件配置及測量參數選擇模塊、用戶(hù)接口模塊。
硬件驅動(dòng)模塊負責和底層數據采集卡打交道,它將根據用戶(hù)輸入的命令和參數完成一次數據采集并將測試結果還給用戶(hù)?？紤]到程序的模塊化和通用性，一般將這部分程序編寫(xiě)成動(dòng)態(tài)鏈接庫。advantech公司針對該公司生產(chǎn)的各種數據采集板，通過(guò)在最底層調用動(dòng)態(tài)庫，形成一些獨立的功能模塊，即該公司板卡的labview硬件驅動(dòng)庫，同時(shí)還提供了很多例程。
在進(jìn)行頻穩測量時(shí)，由于處理數據量大，而且要求很高的采集率，所以采取dma傳輸方式。圖2是硬件驅動(dòng)模塊與數據采集模塊相結合實(shí)現數據采集流程圖。

硬件配置及參數選擇模塊
labview程序由三部分構成，即前面板、圖形代碼及程序圖標(即函數模板)和接口板。該部分即為前面板，它實(shí)現程序的輸入和輸出功能，由控制鍵元素和顯示鍵元素構成?？刂奇I代表程序的輸入參數，顯示鍵代表程序的輸出值。圖3是該系統的主程序界面，左上角接受用戶(hù)輸入的測量參數；左下角是各種功能鍵，包括頻差測量、連續測量、頻穩測量、測試報告、停止采樣等；右上角是實(shí)時(shí)數據顯示，可以看出數據變化的趨勢；右下角則是頻穩、頻差等的計算結果顯示。
 用戶(hù)接口模塊相當于管理員，如圖4所示。在labview中即為函數模板，它包括編輯程序代碼所涉及到的vi程序和函數，在該系統中它要完成windows初始化，等待接收并處理用戶(hù)命令，根據設置模塊的參數來(lái)調用驅動(dòng)模塊，完成數據采集及數據處理、數據存儲的功能。

結束語(yǔ)
通過(guò)虛擬儀器的應用，使得測量頻率穩定度的界面友好，功能齊全，不僅把測量結果實(shí)時(shí)顯示在界面上，很方便地進(jìn)行數據的存儲、打印，而且提高了測試速度和可靠性。