基于LabVIEW和PXI技术的高精度超低频发射系统的开发

Author(s):
红旗 张 - 中国电波传播研究所青岛分所
恩平 陈 - 中国电波传播研究所青岛分所

Industry:

Products:
Developer Suite, PXI Real-Time Controllers, PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
超低频频段是一个比较特殊的频段，它的频率范围为30Hz～300Hz，交流电的工作频率恰好在其范围内，发射系统中如何避开工频以及工频谐波干扰是从事超低频硬件设计的工程师必须面临的问题。由于目前我们所使用的大部分仪器设备都是交流供电，很难抑制50Hz及其谐波干扰，而目前NI公司提供了直流供电的PXI机箱，使问题迎刃而解。此外，发射系统若需要发射特殊的自定义信号并且具有66dB以上的动态范围，如果采用通用的仪器和方法，系统会变的很庞大和复杂；NI公司的虚拟仪器技术使问题大大简化，不用通过复杂的硬件设备实现，只需仿真出所需要的波形，便可以通过虚拟仪器技术方便地发射出去，大大节约了开发成本，降低了系统的复杂程度，从而使系统的可靠性进一步提升。

The Solution:
为了提高本系统的集成度，尽可能的将各种仪器设备集成在同一个机箱中，本系统建立在以PXI技术作为基础的各种产品上。该系统的主机箱采用PXI-1000B，控制器采用PXI-8196，信号源采用NI公司的PXI-5421，时钟源采用PXI-6653，测量设备采用NI的PXI-4071，功率放大器采用音频功放。这样基于PXI技术的发射和测量控制系统很容易的就建立起来了。

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

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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≤1×10-8，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。

图2 频率准确度和稳定度测试框图

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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。

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5.64mVp～p～12Vp～p，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LabVIEW 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100mA～2A，测量的电流准确度达到1%，交流电流的带宽为30Hz～300Hz。PXI-4071的测量范围为100uA～3A，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LM3886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4Ω，发射面积2㎡。整个系统连接后如图3所示。

图3 系统连接图

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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。

图4 波形文件输出与时钟配置程序图

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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，其实现的程序图如图5所示。

图5  PXI-5421输出幅度和频率的控制

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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。

图6 对PXI-4071的控制

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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。

图7  软件界面

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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，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：5Hz～5.5Hz、位移25.4mm；5.5Hz～200Hz、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：

图8 环境适应性原理图

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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。

 

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红旗 张
中国电波传播研究所青岛分所

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