基于LabVIEW的基本放大电路的设计与分析

. 本科生毕业设计 毕业设计题目 基于LabVIEW的基本放大电路的设计与分析 学 生 姓 名涛 所 在 学 院物理学院 专业与班级 电 科 0 8 指 导 教 师 海燕 完 成 日 期2012年 5 月 9 日基于LabVIEW的基本放大电路的设计与分析：涛 指导老师：海燕摘 要 虚拟仪器是20世纪80年代兴起的一项新技术，是现代仪器仪表发展的重要方向，在建模仿真、设计规划和教育训练等方面都有应用。本文利用数据采集卡采集信号发生器发生的信号，通过滤波电路送给基本放大电路，然后对处理过的信号分析其静态和动态指标。然后构建基于LabVIEW的信号采集分析系统，此系统具有信号采集、分析以与波形显示等功能。并对提出的设计方法进行大量的仿真实验，通过实验结果证明了实验设计的合理性和可行性。应用虚拟仪器技术构建的采集、分析系统，降低了测试成本，提高了工作效率，增强了系统的灵活性。关键词：LabVIEW,数据采集,基本放大电路,静态分析,动态分析。The Design And Analysis Of Basic Amplifier Based On The LabVIEWAbstractThe virtual instrument is the rise of a new technology in the 1980s,and also is an important direction for the development of modern instrumentation,which has applications in modeling and simulation, design, planning and education and training. In this paper, the signal of the data acquisition card signal generator, and give the basic amplifier circuit, and then the processed signal through the filter circuit to analyze the static and dynamic indicators. And then build LabVIEW based signal acquisition and analysis system, this system has the function of the signal acquisition, analysis, and waveform display. And the proposed design method is a lot of simulation, experimental results demonstrate the rationality and feasibility of the experimental design. The virtual instrument technology to build the collection, analysis systems, to reduce testing costs, improve work efficiency, and enhance the flexibility of the system.Keywords: LabVIEW,Dataacquisition,Basicamplifyingcircuit,Static analysis,Dynamic Analysis目 录1. 引 言61.1 课题的研究背景6.1.2 课题的研究意义7.1.3 本文的结构7.2.LabVIEW介绍8.2.1 LabVIEW的介绍8.2.2 LabVIEW的应用领域83. USB2006数据采集卡10 3.1 对USB2006 数据采集卡的介绍103.1.1 USB2006 数据采集卡的使用方法103.1.2 USB2006数据采集卡的须知103.1.3 USB2006 数据卡的校准103.1.4 USB2006 数据采集卡的原理图11 3.2 模入信号37芯D型插座XS1的管脚定义124. 编程前的准备工作144.1 Case选择结构144.2 基本放大电路154.2.1 基本放大电路的工作原理15.4.2.2 失真波形分析175. 在LabVIEW 环境下的基本放大分析电路的程序设计18 5.1 程序设计185.1.1 电路板的设计18.5.1.2 前面板的设计195.1.3 Case选择结构20 5.2 运行结果20总 结28.致 29参考文献301. 引 言 本文旨在用虚拟仪器实现基于LabVIEW的基本放大电路的设计与分析，通过设计基本放大电路实现对采集到的信号进行静态以与动态分析，并通过LabVIEW设计的程序实现分析和显示结果。1.1课题的研究背景由于信息科学的快速发展，需要处理的问题也越来越复杂，对于信号分析的要求也越来越高。随着电子技术、计算机技术和网络技术的告诉发展与其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以与新的仪器结构不断出现，传统仪器显得越来越力不从心，其信号处理电路的设计十分复杂而且难以更新，当新的计算方法出来后，传统的仪器亦无法升级，满足不了科研人员的要求，给科研工作带来额外的科研成本。而虚拟仪器的信号分析系统完全可以解决这个问题，用虚拟仪器开发平台开发各种“虚拟仪器”，不但成本低廉、简单易行，且交互性、可操作性和真实感与传统仪器基本相同。“软件即仪器”（Software is Instrument）反映了虚拟仪器的基本特征。 虚拟仪器3是一种程序开发环境，由美国国家仪器公司研制开发出来的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言编写程序，产生的程序是框图的形势。虚拟仪器有四大优势： 1、性能高，虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全继承了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，当前正在蓬勃发展的一些新兴技术（如多核、PCI Express等）也成为推动虚拟仪器技术发展的新动力，使其展现出更强大的优势。2、扩展性强，NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于固有的、封闭的技术之中。得益于NI软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个现有系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。3、开发时间少，在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户操作的同时，还提供了高灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。 4、出色的集成，虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到一个系统之中，减少了任务的复杂性。在这种背景下提出了本课题。1.2 课题的研究意义 与计算机技术相结合是现代测试仪器的发展的主流方向，由此而产生的虚拟仪器技术已经成为测试仪器技术中的重要领域。在教学特别是在大学中，如果仍旧使用传统的实验仪器，想要紧跟现代技术发展的脚步就得不断的更新教学实验设备，这之间的代价十分昂贵，而且虚拟仪器又有传统的实验仪器所不具有的各种优势，能够完全取代并且拓展传统仪器所能实现的功能，这是传统的实验仪器所不具备的效果。1.3 本文结构本文容主要分以下几部分：第一章着重介绍课题的开发背景以与研究意义，分析解释了虚拟仪器与传统仪器的差别级优势。 第二章介绍了虚拟仪器的特点以与LabVIEW软件的优点。 第三章对数据采集卡主要介绍。 第四章主要写自己编程前的准备工作 第五章主要是程序设计方法以与各种结果的记录。最后为自己对这次毕业设计的总结以与心得。2. LabVIEW的介绍2.1 LabVIEW 的介绍 LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 LabVIEW 提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。 LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境2，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所承受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 协议的硬件与数据采集卡通讯的全部功能。它还置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这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，其图形化的界面使得编程与使用过程都生动有趣。利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。2.2 LabVIEW 的应用领域 LABVIEW有很多优点，尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出。比如测试测量、控制、仿真、儿童教育、快快速开发、跨平台等等。 测试测量：LABVIEW最初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在LABVIEW最广泛的应用领域。经过多年的发展，LABVIEW在测试测量领域获得了广泛的承认。至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。同时，用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的LabVIEW工具包。这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能，用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了。有时甚至于只需简单地调用几个工具包中的函数，就可以组成一个完整的测试测量应用程序。 控制：控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制领域。LabVIEW拥有专门用于控制领域的模块-LabVIEWDSC。除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的LabVIEW驱动程序。使用LabVIEW可以非常方便的编制各种控制程序。仿真：LabVIEW包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。在设计机电设备之前，可以现在计算机上用LabVIEW搭建仿真原型，验证设计的合理性，找到潜在的问题。在高等教育领域，有时如果使用LabVIEW进行软件模拟，就可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会。 儿童教育：由于图形外观漂亮且容易吸引儿童的注意力，同时图形比文本更容易被儿童承受和理解，所以LabVIEW非常受少年儿童的欢迎。对于没有任何计算机知识的儿童而言，可以把LabVIEW理解成是一种特殊的“积木”：把不同的原件搭在一起，就可以实现自己所需的功能。著名的可编程玩具“乐高积木”使用的就是LabVIEW编程语言。儿童经过短暂的指导就可以利用乐高积木提供的积木搭建成各种车辆模型、机器人等，再使用LabVIEW编写控制其运动和行为的程序。除了应用于玩具，LabVIEW还有专门用于中小学生教学使用的版本。 快速开发：根据笔者参与的一些项目统计，完成一个功能类似的大型应用软件，熟练的LabVIEW程序员所需的开发时间，大概只是熟练的C程序员所需时间的1/5左右。所以，如果项目开发时间紧，应该优先考虑使用LabVIEW，以缩短开发时间。 跨平台：如果同一个程序需要运行于多个硬件设备之上，也可以优先考虑使用LabVIEW。LabVIEW具有良好的平台一致性。LabVIEW的代码不需任何修改就可以运行在常见的三大台式机操作系统上：Windows、Mac OS 与 Linux。除此之外，LabVIEW还支持各种实时操作系统和嵌入式设备，比如常见的PDA、FPGA以与运行VxWorks和PharLap系统的RT设备6。3.数据采集卡3.1 USB2006 数据采集卡的介绍 USB2006模板是USB总线兼容的数据采集板，可经USB电缆接入计算机，构成实验室、产品质量检验中心、特别是野外测控、医疗设备等领域的数据采集、波形分析和处理系统，也可构成工业生产过程控制监控系统。而且它具有体积小，即插即用等特点，因此是便携式系统用户的最正确选择。 USB20064板上装有12Bit分辨率的A/D转换器。为用户提供了16路单端或8路双端的模拟输入通道,8路开关量输入，8路开关量输出。A/D转换器输入信号围5V或0+10V。3.1.1 USB2006数据采集卡的使用方法与须知使用方法：1、 用USB电缆将USB2006板与主机连接起来，若发光二极管亮，则表示USB2006板电源已接通。 2、时主机屏幕上会显示检测到artUSB2006设备，接着让您安装驱动程序，您须插入本公司提供的安装盘。详细的安装过程请见本公司软件说明书的USB部分。 3、安装完毕后，打开USB2006操作系统，即可检测设备是否正常工作。3.1.2 须知：1、 USB2006板正面的IC芯片不要用手去摸，防止芯片受到静电的危害。 2、用户务必注意电源的开关顺序，使用时要求先开主机电源，后开信号源的电源；先关主机电源，后关信号源的电源。如果加装了USB2006JD信号调理端子板，并在信号调理端子板上安装了限流电阻，则可以不必考虑开关顺序。3.1.3 USB2006数据采集卡的校准准备一块5位半精度以上数字电压表，安装好USB2006，打开主机电源，预热15分种。 1、模拟输入的任两个通道，比如CH0、CH1通道，将CH0通道输入接0伏电压,CH1接正满度电压4997.56毫伏或9997.56毫伏(依AD量程而定)。 2、如果AD输入是双极性，调整电位器RP2，使读回的A/D转换结果在7FFH和800H之间变化。如果AD是单极性,调整电位器RP4，使读回的AD数据在000H001H之间变化。 3、如果AD量程为-5+5V,将模拟输入通道CH1的输入接+4997.56mV，如果AD量程为010V则将CH0的输入接+9997.56V,调整电位器RP3，使读回的A/D转换结果在FFEHFFFH之间变化。 4、重复2）、3）步骤，直到满足要求为止。3.1.4 USB2006 数据采集卡的原理图图3.1为USB2006板的主要跳线位置图， 此位置图上的开关和跳线设置为出厂标准设置。设置为：单端输入方式，模拟输入围5V。RP2：双极性输入时A/D电路零点调整电位器RP3：A/D电路满度调整电位器RP4：单极性输入时A/D电路零点调整电位器XF2：极性选择XS1: 输入信号连接插座XS2：USB总线连接插座3.2 模入信号37芯D型插座XS1的管脚定义管脚号管脚定义管脚号管脚定义1DI020DI12DI221DI33DI422DI54DI623DI75DO024DO16DO225DO37DO426DO58DO627DO79DGND28DGND10AGND29AGND11AGND30CH15(IN7-)12CH14(IN6-)31CH13(IN5-)13CH12(IN4-)32CH11(IN3-)14CH10(IN2-)33CH9(IN1-)15CH8(IN0-)34CH7(IN7+)16CH6(IN6+)35CH5(IN5+)17CH4(IN4+)36CH3(IN3+)18CH2(IN2+)37CH1(IN1+)19CH0(IN0+)图3.3 USB2006模入信号37芯D型插座XS1的管脚定义管脚说明：CH0CH15：USB2006 A/D卡输入通道号IN0+IN7+：双端模拟信号输入正端IN0-IN7-：双端模拟信号输入负端DI0 DI7: 8路开关量输入DO0 DO7: 8路开关量输出AGND：模拟地DGND数字地44.编程前的准备工作4.1 Case选择结构共集电极基本放大电路共基极基本放大 路共射级上下偏置电路共射级有旁路电容上下偏置共射级基本放大电路重新赋0值给选择器端子是否开始选择端子数据范围是否在0-4条件选择数码管显示该数值01234图4.1 否Av动态工作静态工作输入值输出值波形显示数据显示按下开关完毕图4.1 基于LabVIEW实现基本放大电路静态分析与动态分析流程图5 LabVIEW的开发环境分为前面板和程序流程图。由前面板实现放大电路分析的各种控制和显示，由程序流程图实现放大电路分析的各种函数功能。电路设计中的各种模拟量可以用各种数值型控件加以控制和显示。图4.1为利用一个case选择结构来对选用哪个放大电路的流程图。首先，在程序运行的过程中，为了显示不同的基本放大电路分析，利用一个Case结构选择。由于在改程序中，只有0-2的选择余地，所以判断选择端子的数据是否在0-2的围，如果不是的话，则重新将选择端子幅字画为0；如果是的话，那么进行下的条件选择。显示选择的基本放大电路进行数据分析，并在数值显示控件中显示分析结构。为了更形象的反映电压增益Av，输入一个信号，将其与Av相乘，然后将输入信号Ui和得到的输出信号U0在图形表中显示。最后选择开关按钮是否按下，若按下按钮，则程序完毕；若没有按下，则程序重复运行。4.2 基本放大电路4.2.1 基本放大电路的工作原理基本放大电路：由一个三极管与相应元件组成的基本组态放大电路如图4.2。放大电路用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。下面就以共射级基本放大电路来做分析：图4.2 共射级基本放大电路三极管VT：起放大作用；负载电阻RC、RL：将变化的电流转换为电压输出；偏置电路VCC、RB：提供直流偏置；耦合电容C1、C2：隔直流通交流；放大器的组成原则：1.直流偏置电路（即直流通路）要保证器件工作在放大模式；2.交流通路要保证信号能正常输出，即有输入信号vi时，应有v0输出；2. 元件参数的选择要保证信号能不失真地放大，即电路需提供适宜的Q点与足够的放大倍数。判断一个电路是否具有放大作用，关键就是看它的直流通路与交流通路是否合理。若有任何一部分不合理，则该电路就不具有放大作用。静态：当输入信号为0时的工作状态动态：当电路有信号输入时的工作状态。放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流路和交流通路。直流通路：直流量传递的途径（耦合电容开路）。图4.3 共射级基本放大电路的直流通路交流通路：交流量传递的途径（直流电源和耦合电容短路）。图4.4 共射级基本放大电路的交流通路34.2.2 失真波形分析1. 由NPN管构成共射组态电路，输出信号波形出现顶部失真。说明三极管集电极电压到达可能的最大值，即电源电压。此时集电极电阻中没有电流流过，说明三极管工作在截止状态。所以顶部失真为截止失真。由三极管输出特性曲线可知，出现截止失真说明电路工作点设置过低，即较小引起。消除截止失真可提高工作点电流，电路上可减小基极偏置电阻， 增大，也增大，可清除截止失真。2. 如输出波形说明集电极电位已降到可能的最低电位，即饱和压降，所以此时失真为饱和失真。饱和失真是由于三极管静态工作点设置偏高引起，可增大使减小，从而使变小，来消除饱和失真。5.LabVIEW环境下的基本放大分析电路的程序设计5.1 程序设计5.1.1电路板的设计这个程序是对基本放大电路进行分析设计的，因此我选择了两个简单的基本放大电路，分别是共射级基本放大电路和共集电极基本放大电路，电路分别如图5.1和5.2所示：图5.1 共射级基本放大电路图5.2 共集电极基本放大电路 本次设计是为了对这两个基本放大电路采集到的信号进行动态和静态分析，并通过虚拟仪器比较放大前后的波形，为了使实验的结果更清晰，所以在放大电路之前增加一个滤波电路1。图5.3 滤波电路5.1.2前面板的设计：图5.4 基本放大电路静态分析与动态分析的前面板设计这个前面板一共有五个部分，第一个部分是用来输入放大电路的已知条件，第二个部分是输入信号Ui的参数设置，第一个是决定放大电路的静态和动态工作点的，而第二个是通过改变信号频率和信号幅值来改变输入的波形，下面那个按钮是用来控制程序的开始或者完毕；第三个部分是中间的数据结果的显示，用来显示静态和动态工作点；第四个部分是最下面的两个波形发生器，左边的是用来输出输入的波形，右边的是用来输出经过放大的波形。第五个部分是Case选择结构，用来选择是用哪个放大电路进行演示。5.1.3 Case选择结构图示为基本放大电路的静态分析和动态分析的前面板，可以通过改变各种数据来对相应的电路做验证。右边的Case结构是用来选择对哪一个基本放大电路进行分析，其后面板程序框图如图5.5所示：图5.5 Case选择结构的后面板程序框图5.2 运行结果 1.共基极基本放大电路运行结果和程序框图分别如图5.6和5.7所示:图5.6 共基极基本放大电路的运行结果图5.7 共基极基本放大电路的程序框图选择器端子为0时，输入信号频率1000HZ,信号幅值为1V时，对共基极基本放大电路进行分析，AV等于一，两个输出波形几乎一样。2.共发射级基本放大电路运行结果和程序框图如图5.8和图5.9所示：图5.8 共射级基本放大电路的运行结果图5.9 共射级基本放大电路的程序框图选择器端子为1时，输入信号频率1000HZ,信号幅值为1V时，此时是对共射级基本放大电路进行分析，增益AV为0.5，输入输出波形如下图。3共集电极基本放大电路运行结果和程序框图如图5.10和5.11所示：图5.10 共集电极基本放大电路的运行结果图5.11 共集电极基本放大电路的程序框图选择器端子为2时，输入信号频率1000HZ,信号幅值为1V时，此时是对共集电级基本放大电路进行分析，增益AV为0.5，输入输出波形如下图。4.共射级上下偏置电路运行结果和程序框图如图5.12和图5.13所示:图5.12 共射级上下偏置电路的运行结果图5.13 共射级上下偏置电路的程序框图选择器端子为3时，输入信号频率1000HZ,信号幅值为1V时，此时是对共射级上下偏置基本放大电路进行分析，增益AV为0.5，输入输出波形如下图。5.共射级有旁路电容上下偏置电路运行结果和程序框图如图5.14和图5.15所示：图5.14 共射级有旁路电容上下偏置电路的运行结果图5.15 共射级有旁路电容上下偏置电路的程序框图选择器端子为4时，输入信号频率1000HZ,信号幅值为1V时，此时是对共射级基本放大电路进行分析，增益AV为129，输出波形几乎只剩一条竖直的线条。总 结 这次毕业论文的题目去年年底就已经出来了，直到现在已经过了快半年了，从开始的选题、开题报告、中期检查到现在的提交论文、实物验收以与毕业答辩，这其中经历的种种都对我影响颇深。记得刚开始虽然选了基本放大电路这个课题，可是基本上什么都不会，更不知道从何下手，经过老师的指点和前期的资料查阅才有了一点眉目。 虽然我们去年学过LabVIEW，可是一来我们当初学的比较浅，而且当时对这么课程掌握的也不是太牢靠，所以在设计的过程中不断的出现各种问题，如USB2006数据采集卡的使用，刚开始实物拿到手的时候，真的不知道从何下手，看说明书也看不大明白，在老师的亲自指导之下才慢慢的能够独立使用；还有不知道怎么才能将case结构与实物的电路板相连，反之各种问题弄得我很头疼，经过一步步的排查之后，才初步能够实现电路的基本功能。虽然做毕业设计的经过很坎坷，但是我对LabVIEW又有了新的了解和认识，对之前在课堂上没有认真学习非常惭愧，相信在这之后，我会经常用LabVIEW这款软件设计一些东西，毕竟这比起其他软件来方便的多，至于优点我前面已经说得够多的了，这里就不在一一述。致 本论文是在海燕老师的悉心指导之下完成的，在整个毕业设计过程中，老师不断的给我指导、纠正我所犯的错误，在我的程序出现问题的时候，老师通常都能在第一时间找出错误的所在并指导我改正。老师渊博的知识以与严谨的教学态度给我留下了非常深刻的印象，在和老师的交流中我学到了很多平常学不到的知识，所以，在此我对老师表达我最真诚的感！不仅是老师，在我毕业设计中遇到困难时帮助我的同学和老师们，感你们无私的帮助和热情的指导，还有本文引用了几位学者的论文或者文献，这给我毕业设计很大的启发，在此也非常感！毕竟我是第一次写毕业论文，难免会有一些不足之处，恳请各位老师和同学的批评和指正！参考文献1.康华光，大钦，电子技术基础模拟部分（第四版），1999年6月第85页2.Robert H. Bishop ，LabVIEW 8 实用教程，2008年4月第272页3 马鸿雁，浅谈虚拟仪器与其特点，发展，2008年01期4.阿尔泰科贸 USB2006 数据采集卡使用说明书5.夏锴，肖东，基于LabVIEW的基本放大器分析仪设计，科技学院学报， 2011年2月第13卷第一期6.LabVIEW_百度百科31 / 31