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基于NI ELVIS平臺(tái)鎖相環(huán)調(diào)頻和鑒頻電路的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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資料類(lèi)別
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電子電工畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） |
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課程(專(zhuān)業(yè))
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應(yīng)用電子 |
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關(guān)鍵詞
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仿真設(shè)計(jì)|NI ELVIS平臺(tái) |
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適用年級(jí)
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大學(xué) |
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身份要求
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普通會(huì)員 |
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金 幣
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50 （金幣如何獲得？） |
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文件格式
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word+pdf |
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15882K |
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發(fā)布時(shí)間
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2018-03-06 17:20:00 |
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| 發(fā)布人 |
kj008 |
內(nèi)容簡(jiǎn)介：
基于NI ELVIS平臺(tái)鎖相環(huán)調(diào)頻和鑒頻電路的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，畢業(yè)設(shè)計(jì)，說(shuō)明書(shū)共128頁(yè)，41137字，附參考資料。
1. 緒論
1.1 課題背景和意義
目前，實(shí)踐教學(xué)在高端工程人才培養(yǎng)中所占的比重日益提高，而電子技術(shù)課程是電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修課，各大高校均為這些課程配置了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生們運(yùn)用一系列傳統(tǒng)的儀器，如雙蹤示波器，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，數(shù)字萬(wàn)用表，多路可調(diào)電源，頻譜分析儀等進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)以及調(diào)試，對(duì)課堂上的理論知識(shí)進(jìn)行進(jìn)一步鞏固。但使用這些傳統(tǒng)儀器的局限也是顯而易見(jiàn)的，首先，當(dāng)前很多高校的常規(guī)儀器已經(jīng)老化并且學(xué)校也沒(méi)有足夠資金進(jìn)行儀器的更新?lián)Q代。其次，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，許多學(xué)生會(huì)由于儀器眾多和時(shí)間不足，將注意力過(guò)分集中于實(shí)驗(yàn)儀器的操作而非專(zhuān)注于實(shí)驗(yàn)原理的理解和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，這并不利于學(xué)生對(duì)于知識(shí)的掌握。
八十年代中期，美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments，簡(jiǎn)稱(chēng)NI)首先提出了基于計(jì)算機(jī)的虛擬技術(shù)的概念，隨后開(kāi)發(fā)并推出了基于多種總線系統(tǒng)的虛擬儀器，把測(cè)試技術(shù)帶入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。然后該公司開(kāi)發(fā)并且推出了基于多種總線系統(tǒng)的虛擬儀器。所謂虛擬儀器,就是通過(guò)增加通用計(jì)算機(jī)的軟件和硬件，使得開(kāi)發(fā)人員在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，如同是在操作一臺(tái)自行設(shè)計(jì)的電子儀器。虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件提供信號(hào)的輸入和輸出的解決方案，而軟件是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，任何一名開(kāi)發(fā)人員都可以通過(guò)修改軟件的方法，很方便地改變、增加或者減少系統(tǒng)的功能與規(guī)模[1]。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器只能由廠家定義而用戶不能夠改變的模式，給了用戶充分發(fā)揮自己想象空間的機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)多種多樣的開(kāi)發(fā)需求。
虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)在于能夠與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，通過(guò)將計(jì)算機(jī)軟件資源與儀器硬件、信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，組成豐富的儀器功能。開(kāi)發(fā)人員能夠根據(jù)開(kāi)發(fā)需要，利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備及計(jì)算機(jī)外設(shè)進(jìn)行信號(hào)的采集與檢測(cè)，然后編譯計(jì)算機(jī)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算分析以及結(jié)果顯示[2]。虛擬儀器將傳統(tǒng)的由實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析與顯示功能，改變?yōu)橛晒δ軓?qiáng)大的計(jì)算機(jī)設(shè)備來(lái)完成，工程師用筆記本電腦到現(xiàn)場(chǎng)就可很容易地完成信號(hào)的檢測(cè)、采集、處理、頻譜分析和波形分析。這一模式大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸、處理等其它方面的限制，使用開(kāi)發(fā)人員可以方便地對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展、升級(jí)等。 因此，虛擬儀器技術(shù)已成為測(cè)試、工業(yè)I/O控制和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主流技術(shù)[3]。
隨著虛擬儀器技術(shù)的功能的不斷提高，在一些實(shí)踐性較強(qiáng)的電子專(zhuān)業(yè)課程中，虛擬儀器發(fā)揮了重要的作用，其強(qiáng)大的分析功能和友好的用戶界面，不但節(jié)省大量設(shè)備資金，還可以幫助學(xué)生加深對(duì)概念的理解，提高實(shí)踐能力[4]。ELVIS平臺(tái)可以幫助學(xué)生在課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)從基本原理到實(shí)際動(dòng)手設(shè)計(jì)電路、測(cè)試電路性能的跨越，如模擬電路、信號(hào)與線性系統(tǒng)、自動(dòng)控制、機(jī)械測(cè)量與機(jī)械電子等，使“軟件就是儀器”的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。ELVIS平臺(tái)不僅可以完成大部分弱電方面的實(shí)驗(yàn)，而且在強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)方面也能起到一定的作用。其在提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的質(zhì)量同時(shí)，降低了購(gòu)置實(shí)驗(yàn)設(shè)施的成本，改善實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)條件。
1.2 課題研究現(xiàn)狀
虛擬儀器的概念最初由美國(guó)國(guó)家儀器公司提出后，美國(guó)HP公司、Tektronix公司、Racal公司也有很多這方面的進(jìn)展。根據(jù)“世界儀表及自動(dòng)化”雜志預(yù)測(cè)，虛擬儀器在21世紀(jì)中期約占到儀器市場(chǎng)50%左右的份額，有取代傳統(tǒng)儀器的趨勢(shì)。目前虛擬儀器技術(shù)的擴(kuò)展功能得到很大提升，包括PC上測(cè)試程序的開(kāi)發(fā)，在嵌入式處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列上的硬件設(shè)計(jì)等。因此，虛擬儀器以其諸多優(yōu)點(diǎn)逐漸取代傳統(tǒng)儀器發(fā)揮了重要作用，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)愈加廣泛。
虛擬儀器技術(shù)利用了迅速發(fā)展的PC架構(gòu)基礎(chǔ)，高性能的半導(dǎo)體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，以及引入了系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，在提升了技術(shù)能力的同時(shí)也降低了成本。特別是隨著PC性能的不斷提高，虛擬儀器技術(shù)也發(fā)展迅速，并實(shí)現(xiàn)了更多新的應(yīng)用。高性能、低成本的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)生和發(fā)展，也推動(dòng)了虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。虛擬儀器技術(shù)硬件可以利用批量生成的芯片作為測(cè)量前端組件[5]。另外，基于虛擬儀器技術(shù)在遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室方面的應(yīng)用，以其成本低、效率高、突破時(shí)空限制等特點(diǎn)正逐漸得到了廣泛認(rèn)可和研究，分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量體系有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和儀器的遠(yuǎn)程共享，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)帶來(lái)便利。
另一方面，電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)EDA（Electronic Design Automation）已經(jīng)在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。發(fā)達(dá)國(guó)家目前已經(jīng)基本上不存在電子產(chǎn)品的手工設(shè)計(jì)，廣大電子工程師借助諸如：FPGA開(kāi)發(fā)軟件Quartz II、射頻微波仿真軟件ADS、電子電路仿真軟件Multisim、PCB板設(shè)計(jì)軟件Altium Designer、Keil uVision等EDA軟件，從概念的確立，到包括電路原理、PCB版圖、外觀界面、熱穩(wěn)定分析、電磁兼容分析在內(nèi)的物理級(jí)設(shè)計(jì)，再到PCB鉆孔圖、自動(dòng)貼片、元器件清單、總裝配圖等生產(chǎn)所需資料等全部在計(jì)算機(jī)上完成。EDA技術(shù)借助計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量大、運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，可對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行人工難以完成的模擬評(píng)估、設(shè)計(jì)檢驗(yàn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理等工作。EDA已經(jīng)成為集成電路、印制電路板、電子整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)手段。
1.3 課題內(nèi)容和章節(jié)安排
本課題研究?jī)?nèi)容包括：運(yùn)用電路仿真軟件、實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器套件、虛擬儀器集成環(huán)境、印制電路板設(shè)計(jì)軟件和鎖相技術(shù)、通信原理等相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)用于教學(xué)示范的鎖相調(diào)頻和鑒頻系統(tǒng)電路。
掌握運(yùn)用微波射頻仿真軟件ADS、NI ELVIS II+、PCB設(shè)計(jì)軟件Altium Designer 10軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)鎖相調(diào)頻和鑒頻電路的仿真設(shè)計(jì)及電路參數(shù)的優(yōu)化，最后完成硬件電路系統(tǒng)的性能測(cè)試及分析。
本論文的章節(jié)安排如下。
第一章闡述了虛擬儀器及EDA軟件產(chǎn)生的背景意義、研究現(xiàn)狀、及課題研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排。
第二章詳細(xì)介紹了鎖相電路設(shè)計(jì)平臺(tái)的軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境，尤其是NI ELVIS平臺(tái)的硬件接口和虛擬儀表。首先簡(jiǎn)單介紹本次設(shè)計(jì)所用到的硬件平臺(tái)NI ELVIS II和一系列用于設(shè)計(jì)、制作及測(cè)試的EDA軟件。然后重點(diǎn)介紹了ELVIS工作臺(tái)和原型板各個(gè)接口的電氣性能和虛擬儀器的使用方法。
第三章介紹了普通模擬調(diào)制鎖的基本原理，然后進(jìn)一步介紹利用鎖相環(huán)進(jìn)行調(diào)頻與鑒頻的基本原理。
第四章詳述了鎖相調(diào)頻和鑒頻電路的設(shè)計(jì)與仿真分析。首先給出系統(tǒng)和各部分的性能指標(biāo)，然后提出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想，給出鎖相調(diào)頻和鑒頻器的系統(tǒng)原理框圖。在此基礎(chǔ)上，闡述了各部分單元電路的選擇依據(jù)及電路參數(shù)確立的方法，最后深入講解如何應(yīng)用射頻仿真軟件包ADS設(shè)計(jì)及優(yōu)化環(huán)路濾波器的參數(shù)。在每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程中都詳細(xì)闡述了電路的設(shè)計(jì)原理，電路參數(shù)的計(jì)算方法及結(jié)果 。
第五章為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試。首先介紹了PCB制作過(guò)程中測(cè)試點(diǎn)設(shè)置、通用性設(shè)計(jì)和元件線路布局等有關(guān)設(shè)計(jì)思路和方法，結(jié)合第二章ELVIS硬件接口的內(nèi)容介紹，如何制作一塊可接入ELVIS平臺(tái)的PCB開(kāi)發(fā)板。后半部分為電路調(diào)試，綜合講述如何利用ELVIS平臺(tái)調(diào)試鎖相調(diào)頻和鑒頻電路，其中涉及詳細(xì)的調(diào)試步驟、測(cè)試點(diǎn)波形分析、虛擬儀器的使用和鎖相電路的性能分析。
第六章為總結(jié)和展望�？偨Y(jié)了基于虛擬儀器的電路設(shè)計(jì)，鎖相調(diào)頻鑒頻的設(shè)計(jì)心得及鎖相環(huán)的一些其它應(yīng)用。最后指出電路設(shè)計(jì)的一些不足與今后的改進(jìn)方向。
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