基于虚拟仪器技术的相位记录仪自动化测试(1)

第２５卷第９期国外电子测量技术ｖ０１．２５，Ｎｏ．９２００６年９月ＦｏｒｅｉｇｎＥ１ｅｃｔｒｏｎｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｅｐ．，２００６基于虚拟仪器技术的相位记录仪自动化测试王莉（北京跟踪与通信技术研究所北京１０００９４）摘要：针对时间频率实验室将逐步实现自动化测试的目标，应用了虚拟仪器的相关概念和技术。

本文基于ＰＣＩ一６０１３数据采集卡和ＬａｂＶＩＥＷ软件平台，利用实验室现有测试仪器和办公设备，设计了一个简单的虚拟仪器系统——相位记录仪自动化测试系统，并阐述了该系统的硬件结构和软件实现方法。

重点介绍软件实现过程中的测试原理、计算方法和误差分析。

经实验证明，该测试系统能够满足时间频率测试长期性和不间断的需要，可应用于多项时间频率实验研究中，例如标准频率和标准时间测量方法的研究等。

关键词：虚拟仪器Ｉ。

ａｂＶＩＥＷ相位记录仪时间频率Ａｕｔｏｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ０ｆｐｈａｓｅｒｅｃｏｒｔｌｅｒｂａｓｅｄ０ｎＶｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＷａｎｇｌｉ（ＢＰ巧ｉ卵ｇ，卵５ｆｉ￡“据ｏ，丁、ｒ口ｆ忌ｉ卵ｇ口竹ｄＴ＿Ｚｅｆｏｍ７ｎ“竹ｉｃ口≠ｉｏ行ｓ了＿ｃ＾咒ｏＺｏｇｙ，ＢＰ巧ｉ竹ｇ１０００９４）Ａｂｓｔｒ皴ｔ：Ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｔｉｍｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｌａｂｏｒａｔｏｒｙｗｉｌｌｂｅｇｒａｄｕａｌｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙａｕｔｏ－ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｗｅｇｉｖｅｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｃｏｎｃｅｐｔａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｓａｓｉｍｐｌｅｓｙｓｔｅｍｏｆｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ——ｓｙｓｔｅｍｏｆａｕｔｏ—ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｐｈａｓｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＰＣＩ－６０１３ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃａｒｄａｎｄｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｏｆＬａｂＶＩＥＷａｎｄｔｈｅｎｇｉｖｅｓｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｍｅｔｈｏｄｏｆｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｅｍｐｈａｓｉｚｅｓｏｎｔｈｅｔｅｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｅｒｒｏｒａｎａｌｙｓｉｓｉｎｔｈｅｔｅｓｔｐｒｏｃｅｓｓ．Ｐｒｏｖｅｄｂｙｅｘｐｅ“ｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅ—ｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｎｏｔｏｎｌｙｃａｎｂｅｓａｔｉｓｆｉｅｄｔｏｔｈｅ１０ｎｇ＿ｔｅｒｍｄｅｍａｎｄｗｉｔｈｏｕｔａｂｒｅａｋｉｎｔｉｍｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｔｅｓｔｗｏｒｋ，ｂｕｔａｌｓｏｃａｎｂｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅｍａｎｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｆｔｉｍｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｏｆｓｔａｎｄａｒｄｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｓｔａｎｄａｒｄｓｔｉｍｅ．Ｋ唧ｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ＬａｂＶＩＥＷ，ｐｈａｓｅｒｅｃｏｒｄｅｒ，ｔｉｍｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙＯ引言现今的实验室测试技术早已不再停留于人工测试水平，利用计算机进行长期、实时地自动测试和记录是发展的必然趋势。

本文提出只需新添一个数据采集卡，利用本单位时间频率实验室现有的相位记录仪、原子频率标准和办公微机等仪器设备，组成一个相位记录仪测试系统。

这个测试系统区别于传统的相位记录仪测试方式，它是基于虚拟仪器技术实现的，即通过软件和硬件的处理，使测试结果显示和存储在计算机上，无需像以前那样用相位记录仪的记录纸带记录测试过程后再通过人工进行计算。

其技术关键在于数据采集和软件处理两个环节。

经过比较，软件开发平台选用ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ软件。

ＬａｂＶＩＥＷ软件为用户提供了简单、直观、易学的图形编程方式，把烦琐、费时的文本编程简化成“画图流程”的方法。

与文本编程语言相比，可以极大地节省程序开发时间［１］。

１相位记录仪自动化测试的实现１．１相位记录仪１．１．１相位记录仪的基本概念‘２］确定相差不多的两个频率源频差的一个简单而又精密的方法，是在一定的时间段测量它们的相位差作者简介：王莉（１９７７一），女，工程师，主要从事时问频率技术的工程应用。

　万方数据国外电子测量技术第２５卷的变化。

相位记录仪就是用于记录相位差的变化的，它是时间频率实验室里应用于标准频率和标准时间系统监测的一种测量仪器，特别适用于原子频率标准的频率准确度、频率漂移率和长期稳定度的测量。

它是通过测量两输入信号相位差的变化量来确定其相对频差的仪器。

其输出电压正比于两比对信号之间的相位差。

输出电压的变化用记录仪来记录。

１．１．２相位记录仪的工作原理［３］被比较频率ｆｌ和ｆ２经过宽频带变压器被加到各自的斯密特触发器，分别变换成具有很短上升时间的方波电压。

这样得到的两组脉冲串的每一组去驱动具有高截止频率的双稳态触发器的一个输入端。

在双稳态触发器的输出端输出一个幅度恒定的方波电压，它的占空比取决于两个信号间的相位差。

对于两个不同频率信号，其相位差及由此引起的占空比是连续变化的。

相位变化３６０。

之后，占空比由最大跳到最小，或相反。

积分电路送出正比于占空比（因而也正比于相位差）的电压。

１．２方案设计和技术途径１．２．１硬件系统测试系统硬件由时频标准、相位记录仪、计算机控制设备３部分组成，如图１所示。

一ｊ曩：ｌ…………一一。

计算机控制设备图ｌ相位记录仪自动化测试硬件系统组成图时频标准产生自动化测试系统所需的标准频率信号，根据不同的测量精度需要，可以选用铯频标、铷频标或晶体振荡器。

计算机控制设备由计算机、Ａ／Ｄ采集卡（安装在计算机的ＰＣＩ插槽上）和打印机等设备组成。

计算机完成对系统的控制、数据采集和处理。

打印机用于测试的文档输出。

Ａ／Ｄ采集卡对相位记录仪输出的模拟信号进行放大和采集，并转换为数字信号送入计算机。

Ａ／Ｄ采集卡选用ＮＩ公司的ＰＣＩ一６０１３型数据采集卡，附件包括一条６８芯的数据线，一个型号为ＣＢ６８ＬＰ的转接板，转接板直接与外部信号连接。

采集卡和转接板上分别有ＰＣＩ—ＧＰＩＢ接口，通过数据线进行连接。

此卡具有１６位精度，１６路单端或８路差分模拟输入，最高采样速率是２００ｋＳ／ｓ，提供８路数字Ｉ／Ｏ线和２个２４位计数器／定时器。

１．２．２软件系统本测试系统软件能够实现从数据采集、处理到曲线图显示，最终完成相应的数值计算功能，如图２所示。

图２相位记录仪自动化测试软件功能结构图软件系统设计包括３部分：Ｉ／Ｏ接口仪器驱动程序、虚拟仪器面板程序和分析与处理程序。

Ｉ／Ｏ接口仪器驱动程序是联系用户应用程序与底层硬件设备的基础。

对于ＮＩ公司的ＰＣＩ一６０１３型内置式数据采集卡，厂家已配备了相应的设备驱动程序，即ＮＩ＿ＤＡＱ驱动软件。

安装这个软件便可使用，安装完成后桌面上出现一个名为Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ的图标。

该软件可以检测到与系统相连的设备，并可调用设备的设置软件对设备进行相关参数的设置［４］。

具体是在数据采集卡屙陛设置窗口里，设置项目主要有６项：Ｓｙｓｔｅｍ、ＡＩ、ＡＯ、Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ、ｏＰＣ和ＲｅｍｏｔＡｃｃｅｓｓ。

本文只用到其中３项Ｓｙｓｔｅｍ、ＡＩ和Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ的设置。

Ｓｙｓｔｅｍ用于显示设备占用的系统资源以及设备的编号，在Ｓｙｓｔｅｍ窗口中把Ｄｅｖｉｃｅ属性值设为１，在ＤＡＱ编程应用中，再将参数Ｄｅｖｉｃｅ值设为１，就可以控制ＰＣＩ－６０１３数据采集卡。

另外，此窗口会将ＰＣＩ一６０１３卡在Ｗｉｎｄｏｗｓ中所占用的资源列出，包括中断号、内存地址范围等［５］。

ＡＩ用于设置模拟输入信号极性选择和输入方式，在ＡＩ窗口中把Ｐｏｌａｒｉｔｙ属性值设为一ｌｏＶ～＋１０Ｖ（双极性），Ｍｏｄｅ的属性值设为Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ（差分输入）。

Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ用于附加调理模块设置，这里其属性值设为ＣＢ６８ＬＰ（为ＰＣＩ一６０１３型数据采集卡配套的转接板）。

虚拟仪器面板程序，是虚拟仪器软件的最上层，它直接面向用户，可以提供与用户交互的界面，而且　万方数据２００６年第９期王莉：基于虚拟仪器技术的相位记录仪自动化测试能通过面板上的各种按钮、开关等控件来控制虚拟仪器的工作。

采用虚拟仪器软件中的ＬａｂＶＩＥｗ软件平台进行设计。

整个面板设计分３部分，中部用图形子模板创建一个坐标平面，纵坐标是Ｕ（与相位成正比的电压），横坐标是ｔ（测量时间），显示由ＰＣＩ＿６０１３卡从相位记录仪电压输出端采集的波形信号，此波形信号就是与两频率信号相位差成正比的电压信号。

波形的起点位于横坐标的左边或右边，波形的运动趋势表示相位变化的方向，如图３所示，有３种可能，（ａ）表示ｆ。

频率比ｆｚ频率高，该锯齿波自左向右运动；（ｂ）表示ｆ－频率比ｆ２频率低，该锯齿波自右向左运动；（ｃ）表示ｆ１频率与ｆ２频率相等，该波形为一条直线。

但是只有当两个频率完全恒定时，锯齿波的上升段才可能是一条直线。

在其中一个频率是起伏的情况下，锯齿波的上升便随之变化，如图４所示，但这并不影响结果。

面板左侧用数字子模板创建ｆ，和ｆ２两信号的频率、幅度和测试时间等参数显示区，采用手动输入方式。

同时用按钮、开关控件创建“开始”和“停止”按钮，以便控制整个测试过程。

在面板的下部也用同样的方法创建测试结果显示区，这是经过后台计算得出的，包括相位变化、时间变化、频率偏差３个指标。

ＵＵＵＵ图３电压信号波形图图４非理想锯齿波估算图图５曲线图估算法示意图分析与处理程序，即用ＬａｂＶＩＥＷ软件完成虚拟相位记录仪测试流程和算法的设计，是对采集到的信号与数据进行一定的数学分析和处理，从而给出人们需要的结果。

这里需用功能模板中的Ｍａｔｈ—ｅｍａｔｉｃｓ（数学运算子模板）和ＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（信号处理子模板）功能，完成波形生成、公式计算，最终得出相位变化、时间变化及频率偏差等值。

测量原理采用曲线图估算法，如图４和图５所示。

图４用于计算相位和时间变化［３］：ｆ一频率标称值，Ｔ一测试时间，ａ一用ｍｍ表示的偏移，Ａ一用ｍｍ表示的记录宽度（总记录宽度与３６０。

的相位范围相对应）；相位角中＝ａ×半；时差ｔ一赢，相位角（时差）是正还是负取决于变化的方向。

图５用于计算频差［３］：ｆ一频率标称值，Ｔ一单个锯齿波周期，△ｔ一用ｍｍ表示的偏移，△Ｔ一测试时间Ａ一用ｍｍ表示的记录宽度（总记录宽度与３６０。

的相位范围相对应）；ａ表示单个锯齿波（相位变化３６０。

）时的估算学１一孬可’ｂ表示几个锯齿波（相位变化ｎ×３６０。

）时的估管△±一１畀ｆ—ｆ×（ｎ×Ｔ）’ｃ表示一段锯齿波（上升段）时的估算譬一—筹。