基于LabView的頻率穩(wěn)定度測(cè)量原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)

引言

時(shí)間頻率測(cè)量是電子測(cè)量的重要領(lǐng)域，要實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間頻率測(cè)量，需要有一個(gè)好的頻率源，在各種頻率源中，尤其是對(duì)于晶體振蕩器來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定度問(wèn)題是最使人們關(guān)注的問(wèn)題，它表示對(duì)于頻率穩(wěn)定度的保持能力。對(duì)于穩(wěn)定度不好的頻率源來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確度調(diào)得再高也是沒(méi)有意義的。本文介紹了一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示的頻穩(wěn)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡為基本硬件，因此它屬于虛擬儀器的范疇。虛擬儀器系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化測(cè)量測(cè)試儀器，它由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件三部分組成。虛擬儀器可使用相同的硬件系統(tǒng)，通過(guò)不同的軟件就可以實(shí)現(xiàn)功能完全不同的各種測(cè)量測(cè)試儀器，即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器。虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶(hù)定義自己的專(zhuān)用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

硬件框架及軟件設(shè)計(jì)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(gòu)成方式：PC總線方式的插卡型虛擬儀器；GPIB總線方式的虛擬儀器；VXI總線方式的虛擬儀器；PXI總線方式的虛擬儀器。

● 虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)層、應(yīng)用層和人機(jī)界面層。底層應(yīng)用層主要用來(lái)對(duì)硬件的操作，如對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)。應(yīng)用層則是完成數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和分析，儀器的各種功能就在該層編制類(lèi)似于傳統(tǒng)儀器的面板，完成人機(jī)交換。

目前較為流行的虛擬儀器軟件有美國(guó)國(guó)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(shè)計(jì)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(xiàn)頻率穩(wěn)定度的測(cè)量

● 頻率穩(wěn)定度測(cè)量原理

基于LabView的頻率穩(wěn)定度測(cè)量原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)

頻率穩(wěn)定度測(cè)量原理如圖1所示，以f1和f2分別表示一個(gè)標(biāo)頻信號(hào)和一個(gè)被測(cè)頻率信號(hào)，設(shè)它們的標(biāo)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(dāng)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(wěn)態(tài)的鑒相工作不正常。為了避免出現(xiàn)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(guī)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(hào)的重復(fù)周期為Nns，另一路信號(hào)的重復(fù)周期應(yīng)大于或等于3倍的Nns，并且標(biāo)稱(chēng)值是Nns的整數(shù)倍。通過(guò)適當(dāng)?shù)拈T(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(hào)每隔4Nns的時(shí)間分別對(duì)鑒相雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)一次，但鑒相的重復(fù)周期仍為Nns。鑒相雙穩(wěn)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(hào)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(xù)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(nèi)的脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集板卡利用LabView軟件對(duì)表示被測(cè)頻率穩(wěn)定度的方波信號(hào)Vf進(jìn)行采集即是該系統(tǒng)完成的功能。

● 硬件配置

本虛擬儀器系統(tǒng)是插卡型虛擬儀器，包括PC機(jī)、ADVANTECH公司PCI-1713數(shù)據(jù)采集卡，端子板和傳輸電纜。

● 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試程序有三個(gè)模塊組成：硬件驅(qū)動(dòng)模塊、硬件配置及測(cè)量參數(shù)選擇模塊、用戶(hù)接口模塊。

硬件驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)和底層數(shù)據(jù)采集卡打交道，它將根據(jù)用戶(hù)輸入的命令和參數(shù)完成一次數(shù)據(jù)采集并將測(cè)試結(jié)果還給用戶(hù)。考慮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(kù)。ADVANTECH公司針對(duì)該公司生產(chǎn)的各種數(shù)據(jù)采集板，通過(guò)在最底層調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)，形成一些獨(dú)立的功能模塊，即該公司板卡的LabView硬件驅(qū)動(dòng)庫(kù)，同時(shí)還提供了很多例程。

在進(jìn)行頻穩(wěn)測(cè)量時(shí)，由于處理數(shù)據(jù)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(qū)動(dòng)模塊與數(shù)據(jù)采集模塊相結(jié)合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集流程圖。

硬件配置及參數(shù)選擇模塊

LabVIEW程序由三部分構(gòu)成，即前面板、圖形代碼及程序圖標(biāo)（即函數(shù)模板）和接口板。該部分即為前面板，它實(shí)現(xiàn)程序的輸入和輸出功能，由控制鍵元素和顯示鍵元素構(gòu)成?？刂奇I代表程序的輸入?yún)?shù)，顯示鍵代表程序的輸出值。圖3是該系統(tǒng)的主程序界面，左上角接受用戶(hù)輸入的測(cè)量參數(shù)；左下角是各種功能鍵，包括頻差測(cè)量、連續(xù)測(cè)量、頻穩(wěn)測(cè)量、測(cè)試報(bào)告、停止采樣等；右上角是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，可以看出數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)；右下角則是頻穩(wěn)、頻差等的計(jì)算結(jié)果顯示。

用戶(hù)接口模塊相當(dāng)于管理員，如圖4所示。在LabView中即為函數(shù)模板，它包括編輯程序代碼所涉及到的VI程序和函數(shù)，在該系統(tǒng)中它要完成Windows初始化，等待接收并處理用戶(hù)命令，根據(jù)設(shè)置模塊的參數(shù)來(lái)調(diào)用驅(qū)動(dòng)模塊，完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。