1、NI 技术 LabVIEW 和 PXI 技术的高精度超低频发射系统的开发一、系统硬件构建1. 1 系统硬件组成如图 1 所示：本系统主要由控制器、高稳定时钟源、任意函数发生器、7 位半数字万用表、显示器、键盘、鼠标、低频功率放大器和发射天线组成。图 1 硬件组成示意图文中附录图片请点击文章右上角（图片）链接查看1. 2 高稳定信号源的建立由于本系统对发射信号的频率准确度和稳定度要求较高，需要满足频率准确度110-8，频率秒稳定度1 10-11。虽然 PXI-5421 板载时钟精度满足不了要求，但是 NI 公司的 PXI-6653 方便地解决了时钟源精度的问题。它可以方便的将高精度的时钟源信号取
2、代 PXI-5421 的时钟源，从而使 PXI-5421 输出的信号频率稳定度和准确度与 PXI-6653 的基准时钟源一致。为了验证 PXI-6653 的时钟精度，我们对其 10MHz 的时钟源信号进行了测试，测试地点在中国电波传播研究所计量站（国家二级计量站，具有时间频率计量资格），测试框图如图2 所示。测试的仪器型号为：XH3596B 频稳测试仪 CH1-76 氢钟频标以上测试在开机预热半小时后进行测量。测试数据如表 1 所示，由于篇幅有限本表格仅列出了前 10 组数据（每 50 秒一个测试数据）。从上面的数据可以看出，开机预热半小时后 PXI-6653 的时钟精度远远满足当前系统的要求
3、。1. 3 任意波形生成和大动态范围信号源的构建在本系统中要实现任意定制波形的发射，通过 LabVIEW 和 PXI-5421 可以方便的将波形文件还原成模拟信号。发射系统要实现 66dB 的动态范围以便于控制和调节，要求信号源的输出动态范围也要大于66dB。PXI-5421 输出动态范围为 5.64mVpp12Vpp，达 66.5dB，完全满足该系统的要求。1. 4 控制器的构建本系统选择了 PXI-8196 控制器作为系统的控制终端，配置 Pentium M 2.0GHz 高性能 CPU，板载内存为 512M，可以扩展到 1G，完全可以运行 Windows XP 操作系统和虚拟仪器软件 L
4、abVIEW 8.20 中文版并方便的在该控制器上进行软件开发。1. 5 高精度数字万用表的构建美国国家仪器（NI）的 7 位半数字万用表 PXI-4071 具有很高的测量精度，在本系统中要求测量的交流电流的范围为 100mA2A，测量的电流准确度达到 1%，交流电流的带宽为 30Hz300Hz 。PXI-4071的测量范围为 100uA3A ，分辨率10uA，测量精度为 0.1%，远远满足系统的要求。因此在本系统电流测量中选用了 PXI-4071 作为电流测量仪器。1. 6 功率放大器和天线的构建由于本频段在音频范围内，因此采用通用的音频功率放大器即可满足要求。本系统采用国家半导体公司的 L
5、M3886 芯片，自行研制的发射机。发射天线采用环行天线设计，设计要求输入阻抗 4，发射面积 2。整个系统连接后如图3 所示。二、软件编程系统软件采用 LabVIEW 8.20 中文版编写。2. 1 发射信号控制的实现3. 1.1 波形文件输出与时钟配置在对 PXI-5421 编程时，需将 PXI-6653 的恒温晶振的时钟信号取代背板时钟信号 Clock10，同时控制可以读取任意波形数据并将其通过 PXI-5421 输出。程序的后面板程序框图如图 4 所示。2. 1.2 PXI-5421 输出幅度和频率调节的控制在系统工作时要求输出信号的幅度和频率（波形数据文件除外）可以调节，其实现的程序图
6、如图 5所示。2. 2 PXI-4071 控制的实现本系统中 PXI-4071 的作用主要是测量精确的电流值，为了保证在工作时测量的速度和精度，单独用一个循环实现。其程序后面板图如图 6 所示。2. 3 软件界面的实现LabVIEW 为用户提供了大量虚拟仪器编程控件，使界面设计变得丰富多彩。下面的界面就是应用了LabVIEW 提供的容器型、数值型、布尔型和颜色盒等控件编写的界面。三、环境适应性实验由于本系统在野外实验，对环境适应性有一定的要求，本系统中由于采用了 PXI-1000B 机箱，使控制器等一些模块的温度范围变窄了（根据 NI 官方的说明书）。为了验证本系统的环境适应性，以及考核NI
7、仪器设备的环境潜力，对本系统中所使用的 NI 产品进行了环境适应性实验。其实验方法及步骤如下：1. 高低温实验。要求存储温度-40+60，工作温度-10+45，存储时间 24 小时，恢复到工作温度后保持 2 个小时，且在工作温度中对 PXI-4071 的测量准确度进行了检验。结果都满足要求，没有出现任何故障。（注：在实验中对 PXI-8196 的硬盘更换为固态电子盘）2. 湿热实验。首先从相对湿度 95%，温度 30环境中，经过 2 小时变成相对湿度 95%，温度 60，保持 6 小时后，经过 8 小时变为相对湿度 95%，温度 30，再保持 8 小时，共 24 小时为一个周期，循环二个周期后
8、，进行指标测试。3. 冲击。半正弦脉冲，峰值加速度：20g ，脉冲宽度：11ms；冲击次数：3 次（z 轴方向）。4. 震动。扫频范围：5Hz5.5Hz、位移 25.4mm；5.5Hz200Hz、峰值加速度 1.5g；循环次数：5次；扫描时间：12min（正旋扫频）；振动方向：z 轴。在实验中测试的指标主要为 PXI-4071 测量电流的准确度，检验方法为，在天线和 PXI-4071 之间串联一更高精度的数字电流表（在本实验中采用的是 8508A 型 8 位半数字多用表 1 台），将该电流表放置在常态状况下。检验的原理图如右图所示：频率（Hz）8 位半数字万用表测量值（mA）PXI-4071实
9、测电流值（mA）频率（Hz）8 位半数字万用表测量值（mA）PXI-4071实测电流值（mA）165 100.59 100.61 165 2004.3 2003.8165 100.59 100.68 165 2004.3 2003.8165 100.60 100.63 165 2004.1 2003.6165 100.62 100.66 165 2004.0 2003.5165 100.71 100.68 165 2003.8 2003.3165 100.72 100.68 165 2003.4 2002.9165 100.73 100.69 165 2003.3 2002.8165 100.
10、74 100.70 165 2003.3 2002.8165 100.74 100.70 165 2003.2 2002.7165 100.74 100.70 165 2003.1 2002.7在上述实验中，均没有进行任何防护和加固，实验中没有出现故障，顺利完成。在湿热实验完成后，除部分螺钉出现锈蚀以及部分板卡的固定铜柱出现白沫状氧化物外，其余功能完好。上述现象均为正常，如果在实验前喷三防漆，可以避免上述现象的发生。四、结论总之，通过 NI 的 PXI 技术和 LabVIEW 以及虚拟仪器思想构建的本系统，节省了大量的成本和时间，提高了系统的各项性能指标和可靠性。目前本系统已经通过了多方的检验和考核，并且投入到实际应用中，在应用中系统运行稳定可靠，得到了多方的认可和赞誉。
