用NI的数据采集卡实现简单电子测试之5——压控振荡器的测试

本文从本人的163博客搬迁至此。

为了展示连续信号采集的方法，以其外部触发采集功能。我用运算放大器实现了一个最简单的低频压控振荡器(VCO)，作为USB-6009采集的信号源。在LabVIEW下编写的应用软件的控制下，USB-6009同时采集VCO产生的两路模拟信号。在波形图控件中可以比较、观测两路信号的幅度和相位关系。另外，本例还将涉及USB-6009的外部触发采集功能的编程方法。

一、压控振荡器电路

压控振荡器是指输出频率是输入电压函数的振荡器。我用运算放大器实现的低频压控振荡器如下图所示：

图1 用运放实现的压控振荡器（VCO）

第一眼初看图1所示的电路，初学者一般觉得比较复杂，难以下手分析。分析这样的复杂电路，一种可行的方法是从其中简单的部分入手：

1、运算放大器OPS1A是一个电压跟随器，其作用是降低左侧可变电压生成电路（由RS10、RS11、R_CTL和CS1构成）的输出阻抗，从而提供控制频率的电压VCO。

2、运算放大器OPS2B用于构成只会比较器。当其输出高电平时，同相端的比较电压在HALF_VCC（大小为VCC/2）到输出高电平的1/3处；当其输出低电平时，同相端的比较电压在HALF_VCC到输出低电平的1/3处。假设运放的输出高低电平分别为VL和VH，其滞回区间在VL到VH的1/3到2/3之间。

3、OPS2B的输出还控制了NPN晶体管VN的开关状态。当VN被打开时，由于运放OPS2A的同相端和反相端的虚短，两端的电压都必须为VCO/2（RS1和RS2均分了VCO的电压）。所以必然有恒定的电流（VCO/RS4 - VCO/RS3）经过反馈电容CS2流入电阻RS4，才能保证反相端的电压恒定为VCO/2。在恒定电流的作用下，CS2右侧的电压将均匀上升到OPS2B构成的滞回比较器区间的上限——2/3高电平，此后滞回比较器将立即翻转输出低电平，并关闭晶体管VN。此时同样为使OPS2A的同相端和反相端“虚短”，必然有恒定的电流（VCO/2RS3）流入反馈电容CS2。在此恒定电流的作用下，CS2右侧的电压将均匀下降到OPS2B构成的滞回比较器区间的下限——1/3高电平，此后滞回比较器将再次翻转输出高电平，并打开晶体管VN回到初始状态。

上述过程周而复始重复的结果是：

1、从AI6得到幅度为1/3~2/3*(VH-VL)的三角波，上升时间为：

t1 =C*U/I=CS2*(VH-VL)/3*(VCO/RS4 - VCO/RS3)

下降时间为：

t2 =C*U/I=CS2*(VH-VL)/3*( VCO/2RS3)

由以上两式可知，三角波频率与VCO电压大小呈负线性关系。

2、从AI2得到的是幅度为VL至VH的方波，其频率和相位与AI6输出的三角波完全对应。

二、外部触发电路

为演示USB-6009的外部触发功能，使用滞回比较器输出的AI2信号作为外部触发信号源。但为防止USB-6009的触发输入引脚PFI0对压控振荡电路的影响（造成VN无法关闭），我在AI6后增加了一级由三极管构成的缓冲，如图2所示。

图2 数据采集的外部触发缓冲电路

编程时应注意这级缓冲具有反相的作用。

三、测试程序

测试程序的编写思路是：

1、以同样的采样率连续采集一段数据；

2、读取这段数据，并将它们显示在波形图控件上；

3、延时一段固定时间，以便用户看清波形，返回第一步并重复。

程序框图如图3所示：

图3 采集并显示压控振荡器的程序框图

对于外部触发的采集，程序框图如图4所示：

图4 使用外部触发的采集程序框图

图4中增加了DAQmax开始触发（数字边沿）函数来实现外部触发输入功能。

四、程序运行结果

打开图3所示的测试程序，得到图5所示的测试波形图。

图5 测试压控振荡器的结果

可以看到测试得到的三角波和方波的幅度、相位等参数，与上面理论分析得到的结果完全一致。 还可以改变电位器R_CTL的阻值，观测电压控制频率的现象。

未完待续……