畢業(yè)論文----虛擬儀器及l(fā)abview介紹

1、<p>　　1 虛擬儀器及LabVIEW介紹</p><p>　　1.1 虛擬儀器概述</p><p>　　測(cè)量?jī)x器發(fā)展至今，大體經(jīng)歷了四代歷程，即模擬儀器、分立元件式儀器、數(shù)字化儀器和智能儀器。</p><p>　　由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚?、新的測(cè)試方法、新的測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀

2、器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化，其中計(jì)算機(jī)處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成一個(gè)有機(jī)整體，導(dǎo)致儀器的結(jié)構(gòu)、概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等也發(fā)生了突破性的變化。在這種背景下，美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments）在20世紀(jì)80年代最早提出虛擬儀器（Virtual Instrument）的概念，同時(shí)推出了用于虛擬儀器開發(fā)的工程軟件包LabVIEW。NI

3、公司宣稱“The Software is the Instrument”，即“軟件就是儀器”。在這里，計(jì)算機(jī)是虛擬儀器的核心設(shè)備，該儀器的功能是通過(guò)軟件仿真實(shí)現(xiàn)的。它將傳統(tǒng)儀器由硬件電路實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析處理與顯示功能，改由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行，所以計(jì)算機(jī)是其核心；當(dāng)計(jì)算機(jī)與適當(dāng)?shù)腎/O接口設(shè)備配置完畢，虛擬儀器的硬件平臺(tái)就被確定，此后軟件就成為儀器的關(guān)鍵部分，這也是“軟件就是儀器”之說(shuō)的來(lái)由。這意味著只要按照測(cè)量原理</p>

4、<p>　　虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步將產(chǎn)生不可估量的影響，同時(shí)對(duì)改善高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備，提高教學(xué)質(zhì)量也是一個(gè)福音。</p><p>　　1.2labview簡(jiǎn)介</p><p>　　LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一種圖形化的

5、編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。</p><p>　　圖形化的程序語(yǔ)言，又稱為“Ｇ”語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或流程圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增

6、強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。</p><p>　　像許多重要的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多種版本。</p><p>　　1.3 虛擬儀器技術(shù)</p><p>　　1.3.1 虛擬儀器的

7、定義</p><p>　　虛擬儀器（Virtual Instrument）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。在計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說(shuō)這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀

8、器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。虛擬儀器是基于通用計(jì)算機(jī)的測(cè)試、測(cè)量和控制系統(tǒng)，由于能充分利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，因此虛擬儀器具有功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)靈活和性價(jià)比高等特點(diǎn)，可在很大范圍內(nèi)替代傳統(tǒng)儀器。虛擬儀器通常具有一個(gè)或多個(gè)友好的虛擬面板（人機(jī)界面），用戶可通過(guò)虛擬面板很方便地進(jìn)行操作。用戶可對(duì)虛擬儀器的功能和用途進(jìn)行定義、組合和擴(kuò)展，從而更快、更省和更方便的解決測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用問(wèn)題。 </p><p>　

9、　下面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。</p><p>　　虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)（簡(jiǎn)稱硬件平臺(tái)）和應(yīng)用軟件兩大部分組成。</p><p>　　1.3.2 虛擬儀器硬件平臺(tái)</p><p><b>　　(1) 計(jì)算機(jī)</b></p><p>　　它一般為一臺(tái)PC機(jī)或者工作站，它是硬件平臺(tái)的核心。虛擬儀器使用的個(gè)人計(jì)算

10、機(jī)中，微處理器和總線成為最重要的因素。</p><p>　　其中，微處理器的發(fā)展是最迅速的，它使虛擬儀器的能力得到極大地提高。80年代末制造的虛擬儀器頻率分析儀完成一個(gè)1024點(diǎn)的快速傅立葉變換需要1秒鐘的時(shí)間；今天的系統(tǒng)可以在1毫秒內(nèi)完成同樣的運(yùn)算，速度提高了一千倍。這意味著，如果以前人們是用虛擬儀器來(lái)做快速傅立葉變換觀察信號(hào)，那么今天可以利用它進(jìn)行高速的實(shí)時(shí)運(yùn)算，并將之應(yīng)用于過(guò)程控制和其它控制系統(tǒng)中。<

11、/p><p>　　總線技術(shù)的發(fā)展也為提高虛擬儀器的處理能力提供了必要的支持。PCI總線性能比ISA總線提高了近十倍，使得微處理器能夠更快地訪問(wèn)數(shù)據(jù)。使用ISA總線時(shí)，插在電腦中的數(shù)據(jù)采集板的采集速度最高為2MBps；使用PCI總線時(shí)，最高采集速度可提高到132MBps。由于總線速度的大大提高，現(xiàn)在可以同時(shí)使用數(shù)塊數(shù)據(jù)采集板，甚至圖象數(shù)據(jù)采集也可以和數(shù)據(jù)采集結(jié)合在一起。</p><p>　　(2

12、) I/O接口設(shè)備</p><p>　　I/O接口設(shè)備主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、摸/數(shù)轉(zhuǎn)換。不同的總線有其相應(yīng)的I/O接口硬件設(shè)備，如利用PC機(jī)總線的數(shù)據(jù)采集卡/板（簡(jiǎn)稱為數(shù)采卡/板，DAQ）、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、串口總線儀器等。虛擬儀器的構(gòu)成方式主要有5種類型，如圖1-2所示。</p><p><b>　　I/O接口設(shè)備</b></p

13、><p>　　圖1-2虛擬儀器的構(gòu)成方式</p><p><b>　　·PC—DAQ系統(tǒng)</b></p><p>　　PC—DAQ系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)調(diào)理電路及計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)本身的ISA總線，將數(shù)采卡/板（DAQ）插入計(jì)算機(jī)的空槽中即可。</p><p><

14、;b>　　·GPIB系統(tǒng)</b></p><p>　　GPIB系統(tǒng)是以GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。</p><p><b>　　·VXI系統(tǒng)</b></p><p>　　VXI系統(tǒng)是以VXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。</p>

15、;<p><b>　　·PXI系統(tǒng)</b></p><p>　　PXI系統(tǒng)是以PXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。</p><p><b>　　·串口系統(tǒng)</b></p><p>　　串口系統(tǒng)是以Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀

16、器測(cè)試系統(tǒng)。</p><p>　　無(wú)論上述哪種VI系統(tǒng)，都通過(guò)應(yīng)用軟件將儀器硬件與計(jì)算機(jī)相結(jié)合。</p><p>　　考慮到PC—DAQ插卡式虛擬儀器在五種虛擬儀器系統(tǒng)中，是虛擬儀器最基本最廉價(jià)的構(gòu)成形式。在經(jīng)費(fèi)不足或時(shí)間不充裕的情況下經(jīng)常被采用，下面就對(duì)這種虛擬儀器系統(tǒng)做簡(jiǎn)單的介紹。</p><p>　　它的硬件平臺(tái)主要有PC計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡（DAQ卡）組成。&

17、lt;/p><p>　　數(shù)據(jù)采集卡（DAQ卡）由以下幾個(gè)部分組成：</p><p>　　1. 多路開關(guān)。將各路信號(hào)輪流切換的放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多路信號(hào)的分時(shí)采集。</p><p>　　2. 放大器。將前一級(jí)多路開關(guān)切換進(jìn)入待采集信號(hào)放大（或衰減）至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。通常實(shí)際系統(tǒng)中放大器作成增益可調(diào)的放大器，設(shè)計(jì)者可根據(jù)輸入信號(hào)不同的幅值選擇不同的增益倍數(shù)。&

18、lt;/p><p>　　3. 采樣保持器。取出待測(cè)信號(hào)在某一瞬時(shí)的值（即實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)間離散化），并在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持信號(hào)不變，如果被測(cè)信號(hào)變化很緩慢，也可以不用采樣/保持器。</p><p>　　4. A/D轉(zhuǎn)換器。將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，并完成信號(hào)幅值的量化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前通常將采樣/保持器同A/D轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。</p><p>　　以

19、上四個(gè)部分都處在計(jì)算機(jī)的前向通道，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要環(huán)節(jié)，與其它有關(guān)電路如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、總線接口電路等集成在一塊印刷電路板上，即構(gòu)成數(shù)據(jù)采集卡（DAQ卡），完成對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、放大及模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。</p><p>　　PC--DAQ插卡式虛擬儀器系統(tǒng)充分利用了PC計(jì)算機(jī)的機(jī)箱、總線、電源及軟件資源，但是因而也受到PC計(jì)算機(jī)機(jī)箱環(huán)境和計(jì)算機(jī)總線的限制，存在諸多的不足，如電源功率不足、散熱條件差等。</

20、p><p>　　1.3.3 虛擬儀器的軟件</p><p>　　開發(fā)虛擬儀器必須有合適的軟件工具，目前的虛擬儀器軟件開發(fā)工具有如下兩類。</p><p>　　文本式編程語(yǔ)言：如C ,Visual C + + , Visual Basic等</p><p>　　圖形化編程語(yǔ)言：如 LabVIEW,HPVEE等</p><p>

21、;　　這些軟件開發(fā)工具為用戶設(shè)計(jì)虛擬儀器應(yīng)用軟件提供了最大限度的方便條件與良好的開發(fā)環(huán)境。本文中，虛擬儀器設(shè)計(jì)所涉及的是LabVIEW虛擬儀器編程語(yǔ)言。</p><p>　　虛擬儀器軟件由兩部分構(gòu)成，即應(yīng)用軟件和I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。</p><p>　　虛擬儀器的應(yīng)用程序包含兩方面功能的程序：</p><p>　　實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序。</p&

22、gt;<p>　　定義測(cè)試功能的流程圖軟件程序。</p><p>　　I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。這類程序用來(lái)完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)</p><p><b>　　和通信。</b></p><p>　　大部分虛擬儀器開發(fā)環(huán)境均提供一定程度的I/O設(shè)備支持。許多I/O驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)集成在開發(fā)環(huán)境中。以LabVIEW為例，他能夠支持

23、串行接口、GPIB及VXI等標(biāo)準(zhǔn)總線和多種數(shù)據(jù)采集板，LabVIEW還可以驅(qū)動(dòng)許多儀器公司的儀器，如Hewlett-Packard，Philips，Tektronix，B&K,Fluke等。同時(shí)，LabVIEW還可調(diào)用Windows動(dòng)態(tài)連接庫(kù)和用戶自定義的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)中的函數(shù)，以解決對(duì)某些非NI公司支持的標(biāo)準(zhǔn)硬件在使用過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。</p><p>　　1.4虛擬儀器的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)</p>

24、<p>　　1.4.1 虛擬儀器的特點(diǎn)</p><p>　　虛擬儀器的起源可以追朔到20世紀(jì)70年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在國(guó)防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。PC機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級(jí)的計(jì)算機(jī)化成為可能，甚至在Microsoft公司的Windows誕生之前，NI公司已經(jīng)在Macintosh計(jì)算機(jī)上推出了LabVIEW2.0以前的版本。對(duì)虛擬儀器和LabVIEW長(zhǎng)期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)

25、的權(quán)威。</p><p>　　虛擬儀器的主要特點(diǎn)有：</p><p>　　盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。</p><p>　　可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。</p><p>　　用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。</p><p>　　多種技術(shù)的集成,

26、 包括硬件技術(shù)和軟件技術(shù); 微電子技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。</p><p>　　利用上述多個(gè)領(lǐng)域最新技術(shù)不斷地進(jìn)步。</p><p>　　多種用途儀器設(shè)備的集合。</p><p>　　開發(fā)周期短、成本低、應(yīng)用領(lǐng)域廣和性能價(jià)格比高。</p><p>　　1.4.2 虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)</p><p>　　虛擬

27、儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。虛擬儀器技術(shù)十分符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作“軟件儀器”。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測(cè)特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)；它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡(jiǎn)約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)

28、培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程。</p><p>　　1.5 LabVIEW開發(fā)平臺(tái)介紹</p><p>　　1.5.1 LabVIEW應(yīng)用程序的構(gòu)成</p><p>　　所有的LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器（NI），它包括前面板（front panel）、流程圖（block diagram）以及圖標(biāo)/連接器（icon/connector）三部分。</p>

29、<p><b>　　1. 前面板</b></p><p>　　前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制（control）和顯示對(duì)象（indicator）。圖1-3所示是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)發(fā)生和顯示的簡(jiǎn)單VI的前面板，上面有一個(gè)顯示對(duì)象，以曲線的方式顯示了所產(chǎn)生的一系列隨機(jī)數(shù)。還有一個(gè)控制對(duì)象——開關(guān)

30、，可以啟動(dòng)和停止工作。顯然，并非簡(jiǎn)單地畫兩個(gè)控件就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個(gè)與之配套的流程圖。</p><p><b>　　2. 流程圖</b></p><p>　　流程圖也稱為后面板，提供VI的圖形化源程序。在流程圖對(duì)VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件和連線端子，還有一些前面板上沒(méi)有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)

31、和連線等。圖１－4是與圖１－3對(duì)應(yīng)的流程圖。我們可以看到流程圖中包括了前面板上的開關(guān)和隨機(jī)數(shù)顯示器的連線端子，還有一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的函數(shù)及程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通過(guò)連線將產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)送到顯示控件，為了使它持續(xù)工作下去，設(shè)置了一個(gè)While Loop循環(huán)，由開關(guān)控制這一循環(huán)的結(jié)束。</p><p><b>　　3. 圖標(biāo)/連接器</b></p><p>　　VI

32、具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個(gè)VI可以作為子程序，這里稱為子VI（SubVI），被其他VI調(diào)用。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)。</p><p>　　1.5.2 LabVIEW的操作模板</p><p>　　在LabVIEW的用戶界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函數(shù)（Functions）模板。這些模板集中反映了該軟件的功能

33、與特征。</p><p>　　1. 工具模板（Tools Palette）</p><p>　　該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具，如圖1-3所示。如果該模板沒(méi)有出現(xiàn)，則可以在Windows菜單下選擇Show Tools Palette命令以顯示</p><p>　　圖1-5 LabVIEW的工具模板</p><p>　　當(dāng)從

34、模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀。當(dāng)從Windows菜單下選擇了Show Help Window功能后，把工具模板內(nèi)選定的任一種工具光標(biāo)放在流程圖程序的子程序（Sub VI）或圖標(biāo)上，就會(huì)顯示相應(yīng)的幫助信息。</p><p>　　2. 控制模板（Controls Palette）</p><p>　　該模板用來(lái)給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對(duì)象和輸入控制對(duì)象。每個(gè)

35、標(biāo)代表一類子模板。</p><p>　　圖1-6 LabVIEW的控制模板</p><p>　　如果控制模板不顯示，可以用Windows菜單的Show Controls Palette功能打</p><p>　　開它，也可以在前面板的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板。</p><p>　　3. 功能模板（Functions Palette

36、）</p><p>　　該模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具，模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用Windows菜單下的Show Functions Palette功能打開它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板，功能模板如圖1-7所示。</p><p>　　圖1-7 LabVIEW的功能模板</p><p>　　1.5.3

37、 LabVIEW的特點(diǎn)</p><p>　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engneering Workbench）是由美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）在1986年推出的一種基于圖形編程語(yǔ)言（G語(yǔ)言）的開發(fā)環(huán)境，它具有十分強(qiáng)大的功能，包括數(shù)值函數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、輸入/輸出控制、信號(hào)生成、圖象的獲取、處理和傳輸?shù)鹊取abVIEW與C，Pascal，Basic等傳統(tǒng)編

38、程語(yǔ)言有著諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及模塊化的編程特點(diǎn)等。</p><p>　　但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語(yǔ)言用文本語(yǔ)言編程；而LabVIEW使用圖形語(yǔ)言（即各種圖標(biāo)、圖形符號(hào)、連線等）編程，界面非常直觀形象，而且使用的都是測(cè)試工程師們熟悉的旋鈕、開關(guān)、波形圖等，因此是一種直覺式圖形程序語(yǔ)言。用LabVIEW編程無(wú)須太多編程經(jīng)驗(yàn)，只要以很直覺的方法建立前面板人機(jī)界面和方框

39、圖程序，便可以完成編程過(guò)程，使用戶免于傳統(tǒng)程序語(yǔ)言線性結(jié)構(gòu)的困擾，這對(duì)于沒(méi)有豐富編程經(jīng)驗(yàn)的工程師們來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)極好的選擇。同時(shí)，LabVIEW的執(zhí)行順序是依方框圖間數(shù)據(jù)的傳遞來(lái)決定的，并不像傳統(tǒng)文字式編程語(yǔ)言必須逐行地執(zhí)行，因此用戶能設(shè)計(jì)出可同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序的流程圖。</p><p>　　采用LabVIEW編程，其主要特點(diǎn)就是將虛擬儀器分解為若干基本的功能模塊（相當(dāng)于硬件設(shè)計(jì)的集成電路），模塊的引腳代表輸入/輸出

40、接口。編程者可以通過(guò)交互式手段，采用圖形化框圖設(shè)計(jì)的方法，完成虛擬儀器的邏輯和測(cè)量分析功能設(shè)計(jì)。LabVIEW程序設(shè)計(jì)過(guò)程與人們?cè)O(shè)計(jì)儀器的思維過(guò)程十分相似，程序框圖就實(shí)現(xiàn)了程序代碼功能，避免了一般程序設(shè)計(jì)從框圖構(gòu)思到程序表示的繁瑣。LabVIEW編程的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將軟件的界面設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)獨(dú)立開來(lái)，修改人機(jī)交互界面無(wú)須對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)試，這對(duì)設(shè)計(jì)像儀器操作面板這樣復(fù)雜的人機(jī)界面而言是十分方便的。LabVIEW還為用戶提供了函數(shù)擴(kuò)展功能，

41、從而可以調(diào)用C等傳統(tǒng)編程語(yǔ)言寫的程序代碼、調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等。</p><p>　　1.5.4labview的優(yōu)勢(shì)</p><p>　　1. 圖形化編程環(huán)境。</p><p><b>　　2．可重用性高。</b></p><p>　　3．開發(fā)功能高效、通用。</p><p>　　4．支持多種儀器

42、和數(shù)采硬件的驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　5．查錯(cuò)、調(diào)試能力強(qiáng)大。</p><p>　　6. 支持多種操作系統(tǒng)。</p><p>　　7. 網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大。</p><p><b>　　8．開放性強(qiáng)。</b></p><p>　　1.6虛擬儀器設(shè)計(jì)步驟</p><p>　　通常

43、，一個(gè)虛擬儀器的設(shè)計(jì)步驟如下。</p><p>　?。?）在前面板設(shè)計(jì)窗口放置控件</p><p>　　首先，在前面板開發(fā)窗口使用工具模板中的相應(yīng)工具，從控制模板中取用和放置好所需控件，進(jìn)行控件屬性參數(shù)設(shè)置，標(biāo)貼文字說(shuō)明標(biāo)簽。</p><p>　?。?）在流程圖編輯窗口，放置節(jié)點(diǎn)、圖框</p><p>　　在流程圖編輯窗口，使用工具摸板中

44、相應(yīng)工具，從功能模板中取用并放置好所需圖標(biāo)，它們是流程圖中的“節(jié)點(diǎn)、圖框”。</p><p><b>　?。?）數(shù)據(jù)流編程</b></p><p>　　使用連線工具按數(shù)據(jù)流的方向?qū)⒍丝凇⒐?jié)點(diǎn)、圖框依次相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從源頭按規(guī)定的運(yùn)行方式送到目的終點(diǎn)。</p><p><b>　　（4）運(yùn)行檢驗(yàn)</b></p>

45、;<p>　　當(dāng)完成步驟（1）、（2）、（3）后，前面板程序與流程圖圖形化程序的設(shè)計(jì)完畢，一個(gè)虛擬儀器已基本建立，是否達(dá)到預(yù)期功能，還需運(yùn)行檢驗(yàn)。有如下兩種檢驗(yàn)方式 。</p><p>　　a.防真檢驗(yàn)：不使用I/O接口硬件設(shè)備。對(duì)VI檢驗(yàn)運(yùn)行所需的信號(hào)數(shù)據(jù)采用由“數(shù)組”或“信號(hào)生成函數(shù)”產(chǎn)生的“防真信號(hào)”。</p><p>　　b.實(shí)測(cè)檢驗(yàn)：它通過(guò)I/O接口硬件設(shè)備，采集輸

46、入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，來(lái)檢驗(yàn)虛擬儀器的功能。</p><p>　　防真檢驗(yàn)在實(shí)測(cè)檢驗(yàn)之前進(jìn)行，是虛擬儀器所特有的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼘?duì)反復(fù)檢驗(yàn)，調(diào)試，不斷完善改進(jìn)虛擬儀器極為方便，是傳統(tǒng)儀器無(wú)法采用的檢驗(yàn)手段。</p><p>　?。?）程序調(diào)試技術(shù)</p><p>　　利用快捷工具欄中的“運(yùn)行”、“高亮執(zhí)行”、“單步執(zhí)行”、“斷點(diǎn)設(shè)置”進(jìn)行以下程序調(diào)試步驟。</p>

47、<p><b>　　1．找出語(yǔ)法錯(cuò)誤</b></p><p>　　如果一個(gè)VI程序存在語(yǔ)法錯(cuò)誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕會(huì)變成一個(gè)折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時(shí)該按鈕被稱作錯(cuò)誤列表。點(diǎn)擊它，則LabVIEW彈出錯(cuò)誤清單窗口，點(diǎn)擊其中任何一個(gè)所列出的錯(cuò)誤，選用Find功能，則出錯(cuò)的對(duì)象或端口就會(huì)變成高亮。</p><p>　　2．設(shè)置執(zhí)行程序高亮&l

48、t;/p><p>　　在LabVIEW的工具條上有一個(gè)畫著燈泡的按鈕，這個(gè)按鈕叫做“高亮執(zhí)行”按鈕。點(diǎn)擊這個(gè)按鈕使它變成高亮形式，再點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，VI程序就以較慢的速度運(yùn)行，沒(méi)有被執(zhí)行的代碼灰色顯示，執(zhí)行后的代碼高亮顯示，并顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值。這樣，你就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的流動(dòng)狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行。</p><p><b>　　3．?dāng)帱c(diǎn)與單步執(zhí)行</b></p>

49、<p>　　為了查找程序中的邏輯錯(cuò)誤，有時(shí)希望流程圖程序一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)地執(zhí)行。使用斷點(diǎn)工具可以在程序的某一地點(diǎn)中止程序執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數(shù)據(jù)。使用斷點(diǎn)工具時(shí)，點(diǎn)擊你希望設(shè)置或者清除斷點(diǎn)的地方。斷點(diǎn)的顯示對(duì)于節(jié)點(diǎn)或者圖框表示為紅框，對(duì)于連線表示為紅點(diǎn)。當(dāng)VI程序運(yùn)行到斷點(diǎn)被設(shè)置處，程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)，以閃爍表示。按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍的節(jié)點(diǎn)被執(zhí)行，下一個(gè)將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。你也可以點(diǎn)擊暫

50、停按鈕，這樣程序?qū)⑦B續(xù)執(zhí)行直到下一個(gè)斷點(diǎn)。</p><p><b>　　4．探針</b></p><p>　　可用探針工具來(lái)查看當(dāng)流程圖程序流經(jīng)某一根連接線時(shí)的數(shù)據(jù)值。從Tools工具模板選擇探針工具，再用鼠標(biāo)左建點(diǎn)擊你希望放置探針的連接線。這時(shí)顯示器上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)探針顯示窗口。該窗口總是被顯示在前面板窗口或流程圖窗口的上面。在流程圖中使用選擇工具或連線工具，在連線上點(diǎn)

51、擊鼠標(biāo)右鍵，在連線的彈出式菜單中選擇“探針”命令，同樣可以為該連線加上一個(gè)探針。</p><p><b>　?。?）數(shù)據(jù)觀察</b></p><p>　　當(dāng)檢驗(yàn)觀察中發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤時(shí)，鼠標(biāo)單擊“Highlight Execution”按鈕，觀察數(shù)據(jù)流中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)值。</p><p><b>　?。?）命名存盤</b>&l

52、t;/p><p><b>　　保存設(shè)計(jì)好的VI。</b></p><p><b>　　2數(shù)據(jù)采集方法</b></p><p>　　2.1 采集卡的安裝和配置</p><p>　　利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集有許多種方式，其中最簡(jiǎn)單的方式莫過(guò)于直接利用NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集

53、VI實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　在選購(gòu)了NI公司的數(shù)據(jù)采集卡后，首先是將數(shù)據(jù)采集卡安裝到計(jì)算機(jī)或相關(guān)的機(jī)箱中，插在相應(yīng)的總線插槽上，安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，這一步驟和其他許多計(jì)算機(jī)硬件一樣。并且NI公司還提供了一個(gè)專用的管理軟件Measurement&Automation Explorer，來(lái)對(duì)所有NI公司產(chǎn)品相關(guān)的硬件進(jìn)行管理，針對(duì)數(shù)據(jù)采集卡，這個(gè)軟件可以完成NI公司數(shù)據(jù)采集卡的檢測(cè)、性能測(cè)試、屬性配置和刪

54、除。一般在硬件驅(qū)動(dòng)程序安裝的同時(shí)，Measurement&Automation Explorer軟件會(huì)自動(dòng)安裝在計(jì)算機(jī)上。在正式開始數(shù)據(jù)采集之前，必須要用Measurement&Automation Explorer軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行檢測(cè)、性能測(cè)試和屬性配置，這一步對(duì)后面正確使用LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集VI完成數(shù)據(jù)采集至關(guān)重要。</p><p><b>　　2.2數(shù)據(jù)采集過(guò)程<

55、/b></p><p>　　在LabVIEW中，數(shù)據(jù)采集VI主要位于NI Measurments子模板，其到達(dá)途徑為All function→NI Measurments。在這個(gè)子模板中，又包括Data Acquisition和DAQMX-Data Acquisition兩個(gè)子模板提供不同的數(shù)據(jù)采集VI。其中，Data Acquisition子模板中是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集VI，面向單個(gè)的數(shù)據(jù)采集卡直接采進(jìn)信號(hào)的電

56、壓值，其操作對(duì)象是單個(gè)的數(shù)據(jù)采集卡；而DAQMX-Data Acquisition子模板中的是數(shù)據(jù)采集DAQMX類型的數(shù)據(jù)采集VI，可以面向多個(gè)數(shù)據(jù)采集卡，其操作對(duì)象是信號(hào)輸入或輸出通道，并且采進(jìn)來(lái)的電壓值可以根據(jù)預(yù)先給定的規(guī)則變換成實(shí)際的物理量值。</p><p>　　LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集實(shí)際上包含了模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入/輸出和計(jì)數(shù)器四種信號(hào)輸入輸出方式。其中，用的最多的方式是模擬輸入方式，這種方

57、式的數(shù)據(jù)采集過(guò)程一般經(jīng)過(guò)以下步驟：</p><p>　　1. 數(shù)據(jù)采集VI通知數(shù)據(jù)采集卡相關(guān)的采樣參數(shù)：采樣頻率、采樣次數(shù)、采樣通道和數(shù)據(jù)緩存的大小。</p><p>　　2. 采樣開始，多路開關(guān)對(duì)采樣通道進(jìn)行一次依次掃描，每個(gè)通道采樣一個(gè)點(diǎn)。</p><p>　　3. 采樣的模擬信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。</p><p>　　4.

58、 數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩存。</p><p>　　5. 重復(fù)2—4的操作，直到采集到了所需的采樣次數(shù)，全部數(shù)據(jù)順序存儲(chǔ)到緩存中。</p><p>　　6. 從數(shù)據(jù)采集卡的緩存中讀取數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。</p><p>　　3 基于LabVIEW的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　3.1 基于LabVIEW的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)&l

59、t;/p><p>　　3.1.1 實(shí)驗(yàn)原理和功能</p><p>　　函數(shù)信號(hào)發(fā)生器可以提供各種波形的周期信號(hào)函數(shù)。若波形的周期數(shù)為N、信號(hào)頻率為、采樣頻率為、采樣點(diǎn)數(shù)為M,則相互之間的關(guān)系為,由此式可決定需要生成的波形周期數(shù)。采樣點(diǎn)數(shù)必須滿足香農(nóng)采樣定理,即。</p><p>　　此虛擬儀器發(fā)生器完全可以代替目前實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器。</p>

60、<p>　　3.1.2 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器前面板設(shè)計(jì)</p><p>　　前面板由一個(gè)Ring控件、波形圖控件、兩個(gè)開關(guān)按鈕控件和九個(gè)數(shù)值控制器組成。分為控制區(qū)和顯示區(qū)兩部分?？刂茀^(qū)完成對(duì)信號(hào)相關(guān)屬性的輸入控制,通過(guò)改變控制區(qū)中各輸入控件的類型或數(shù)值,可以實(shí)現(xiàn)輸入頻率、幅度、初始相位、直流偏移各不相同的正弦波、方波、三角波、鋸齒波四種常用函數(shù)波形.其中占空比只對(duì)方波起作用,無(wú)法通過(guò)其實(shí)現(xiàn)正弦波、三角波和鋸

61、齒波的波形偏移。</p><p>　　圖3-1函數(shù)信號(hào)發(fā)生器前面板</p><p>　　3.1.3 虛擬信號(hào)發(fā)生器后面板設(shè)計(jì)</p><p>　　LabVIEW的All function→Analyze→Signal Processing→Waveform Generation子模板下有豐富的仿真信號(hào)子VI，如基本函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、正弦波序列發(fā)生器、方波序列發(fā)生器等。

62、我們只要把需要的子VI放入一個(gè)While結(jié)構(gòu)即可構(gòu)成典型信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)。</p><p>　　圖3-2 基本函數(shù)信號(hào)發(fā)生器子VI 圖3-3While結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3-4 虛擬信號(hào)發(fā)生器后面板流程圖</p><p>　　3.1.4 調(diào)試和運(yùn)行</p><p>　　在運(yùn)行之前，應(yīng)先在前面板中對(duì)信號(hào)控件參數(shù)進(jìn)

63、行設(shè)置。這時(shí)請(qǐng)注意設(shè)置的參數(shù)要滿足香農(nóng)采樣定理,即。只要合理的設(shè)置才會(huì)生成另人滿意的信號(hào)波形。</p><p>　　3.2信號(hào)相位幅度差顯示計(jì)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 實(shí)驗(yàn)原理和功能</p><p>　　可以從視覺上在同一個(gè)波形圖上觀察兩個(gè)同頻正弦波的差別。兩個(gè)正弦波信號(hào)的幅值、相位都可由用戶選擇設(shè)定；信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)、采樣周期數(shù)可由用戶選擇。利用Labv

64、iew中強(qiáng)大的運(yùn)算功能和豐富的仿真信號(hào)子VI，我們很容易做到這一點(diǎn)。</p><p>　　3.2.2 信號(hào)相位幅度差顯示計(jì)前面板設(shè)計(jì)</p><p>　　前面板由一個(gè)波形圖控件、兩個(gè)數(shù)值顯示控件和六個(gè)數(shù)值輸入控件組成。數(shù)值輸入控件用來(lái)對(duì)波形的幅值、相位、采樣點(diǎn)數(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。顯示控件用來(lái)輸出數(shù)值的相位差和幅度。波形圖控件用來(lái)顯示生成的波形。</p><p>　　圖3

65、-5信號(hào)相位幅度差顯示計(jì)前面板</p><p>　　3.2.3 信號(hào)相位幅度差顯示計(jì)后面板設(shè)計(jì)</p><p>　　執(zhí)行Controls→Analyze→Signal Processing→Waveform Generation操作，它的子模板下有豐富的仿真信號(hào)子VI，如基本函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、正弦波序列發(fā)生器、方波序列發(fā)生器等。我們可以利用它們產(chǎn)生我們需要的信號(hào)。</p>&l

66、t;p>　　執(zhí)行Controls→Array→Build Array 操作，放置一個(gè)圖標(biāo)，并增加一個(gè)輸入，目的是將兩個(gè)輸入合稱為一個(gè)二維數(shù)組。</p><p>　　圖3-6信號(hào)相位幅度差顯示計(jì)后面板流程圖</p><p>　　3.2.4 調(diào)試和運(yùn)行</p><p>　　在運(yùn)行之前，應(yīng)先在前面板中對(duì)信號(hào)控件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。大家可以嘗試不同的設(shè)置來(lái)生成不同的信號(hào)波形

67、和顯示結(jié)果。</p><p>　　3.3 虛擬巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 實(shí)驗(yàn)原理和功能</p><p>　　3.3.1.1 實(shí)驗(yàn)原理</p><p>　　在測(cè)試信號(hào)處理中,通常需要對(duì)噪音干擾進(jìn)行抑制或衰減,但同時(shí)又希望測(cè)試信號(hào)能正常通過(guò),這時(shí)可選用一種對(duì)特定頻率具有選擇性的電路來(lái)達(dá)到上述目的,這就是濾波的概念.<

68、;/p><p>　　濾波器是一種具有頻率選擇功能的裝置,它使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)而極大地衰減其他頻率成分.在測(cè)試系統(tǒng)中,利用濾波器的這種篩選作用,可以濾除噪聲干擾或進(jìn)行譜儀分析.</p><p>　　巴特沃斯濾波器擁有最平滑的頻率響應(yīng)，在截止頻率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降。在通帶中是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零。巴特沃斯濾波器的優(yōu)點(diǎn)是具有平滑的單調(diào)遞減的頻率響應(yīng)。過(guò)渡帶的陡峭程度正比于濾波

69、器的階數(shù)。巴特沃斯低通濾波器是一種所謂最平通帶特性逼近理想低通特性的濾波器。其幅頻特性為：</p><p><b>　　|H()|=</b></p><p>　　式中是低通截止頻率，n=1、2、3……為濾波器的階次。</p><p>　　巴特沃斯濾波器的幅頻特性有以下幾個(gè)特點(diǎn)：</p><p>　　1.當(dāng)=0時(shí)，|H()

70、|取最大值，|H(0)|=1；</p><p>　　2.當(dāng)=時(shí)，|H()|=， 稱為低通濾波器的截止頻率；</p><p>　　3.n值越大，幅頻特性曲線越接近理想特性曲線。在(/)<1(通帶范圍)時(shí)，n增加則減小，曲線越平坦；在(/)>1(阻帶范圍)時(shí)，n增大，則增大，|H()|越趨于零值，衰減越快。</p><p>　　3.3.1.2 功能</

71、p><p>　　該儀器可實(shí)現(xiàn)生成正弦波、方波、三角波等典型信號(hào)，并通過(guò)Butterworth filter進(jìn)行濾波。典型信號(hào)頻率、幅值、初始相位均可由用戶自己設(shè)定。濾波器類型可選擇高通、低通、帶通和帶阻，濾波階次、低截止頻率、高截止頻率都可任意選擇。并且信號(hào)可以隨時(shí)復(fù)位和停止輸出。典型信號(hào)及濾波后信號(hào)最后送顯示器顯示波形。該儀器可作為濾波器綜合實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　3.3.2 虛擬巴特沃

72、斯濾波器前面板設(shè)計(jì)</p><p>　　前面板由兩個(gè)波形圖控件、兩個(gè)Ring控件、兩個(gè)開關(guān)按鈕控件和十個(gè)數(shù)值控制器組成。兩個(gè)波形圖控件分別用來(lái)顯示生成的虛擬仿真信號(hào)波形和該信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后的波形；兩個(gè)Ring控件分別用來(lái)進(jìn)行波形選擇和濾波器類型選擇，波形可選擇正弦波、方波、三角波和鋸齒波，濾波器類型可選擇高通、低通、帶通和帶阻；十個(gè)Numeric Controls分別用來(lái)對(duì)源信號(hào)波形參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和濾波器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置

73、。</p><p>　　圖3-7巴特沃斯濾波器前面板</p><p>　　3.3.3 虛擬巴特沃斯濾波器后面板設(shè)計(jì)</p><p>　　在巴特沃斯濾波器后面板中有一個(gè)非常重要的子程序---Butterworth filter.vi。其到達(dá)路徑為：All function→Analyze→Signal Processing→Filter。它有</p>&

74、lt;p>　　圖3-8 Butterworth filter.vi</p><p>　　圖3-9巴特沃斯濾波器后面板流程圖</p><p>　　六個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，分別為源信號(hào)輸入、采樣頻率、濾波類型、階次、低截止頻率、高截止頻率和濾波后信號(hào)輸出、錯(cuò)誤輸出，它們與前面板上的控件相連。通過(guò)前面板上的參數(shù)輸入，即可對(duì)輸入的欲處理信號(hào)進(jìn)行濾波。</p><p>

75、　　為了將仿真信號(hào)的波形的橫軸起點(diǎn)、橫軸分度值和幅值合成一個(gè)整體，后面板中還使用了簇結(jié)構(gòu)，在Cluster子模板上選擇Bundle，它有三個(gè)輸入量：橫軸起點(diǎn)，設(shè)為0；橫軸分度值，由采樣頻率的倒數(shù)，即采樣間隔決定；輸入信號(hào)幅值。</p><p>　　3.3.4 調(diào)試和運(yùn)行</p><p>　　對(duì)信號(hào)頻率、采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置原則，前面已經(jīng)介紹的很詳細(xì)了，這里不再贅述。對(duì)低截止頻率和高截止

76、頻率應(yīng)該注意是：當(dāng)虛擬巴特沃斯濾波器作為低通濾波器使用時(shí)，其高截止頻率被忽略，而低截止頻率必須滿足奈奎斯特采樣定理的條件。濾波器的階次是越高，其幅頻特性曲線過(guò)渡帶衰減越快。</p><p>　　3.4 虛擬信號(hào)頻譜分析儀的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.4.1 實(shí)驗(yàn)原理和功能</p><p>　　信號(hào)的頻譜描述是以頻譜f（=2f）為橫坐標(biāo)變量來(lái)描述信號(hào)幅值、相位的變化

77、規(guī)律。</p><p>　　3.4.1.1 周期信號(hào)與離散頻譜</p><p>　　在有限的區(qū)間上的周期函數(shù)x(t)可以展開成傅立葉級(jí)數(shù)。傅立葉級(jí)數(shù)有兩種表達(dá)式</p><p>　　1. 傅立葉級(jí)數(shù)的三角函數(shù)展開式：</p><p>　　x(t)=sinnt+cosnt</p><p>　　=+(sinnt+cosnt

78、)</p><p>　　=+sin(nt+)</p><p>　　式中：=是直流分量；</p><p>　　=是余弦分量的幅值；</p><p>　　=是正弦分量的幅值；</p><p>　　=是各頻率分量的幅值；</p><p>　　=arctan是各頻率分量的相位；</p>&

79、lt;p><b>　　=是角頻率；</b></p><p>　　以角頻率n為橫軸，幅值或相角為縱軸作圖，則分別得到幅頻譜圖和相頻譜圖，它們是單邊譜，n由0→∞。</p><p>　　2. 傅立葉級(jí)數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)展開式：</p><p>　　x(t)=(m=0，1，2) (3-1)</p><p><b&

80、gt;　　式中為傅立葉系數(shù)。</b></p><p>　　=+=|| (3-2)</p><p><b>　　又=+j=||</b></p><p>　　根據(jù)歐拉公式= cosmt-j sinmt，代入式(3-2)可得</p><p><b>　　==</b></p>

81、;<p><b>　　==</b></p><p><b>　　||==</b></p><p><b>　　=arctan=-</b></p><p>　　m=0，常值分量==</p><p>　　以||-m和-m作圖分別為幅頻譜圖和相頻譜圖，它們都是雙邊譜，m

82、從-∞→+∞。</p><p>　　3. 周期信號(hào)頻譜的特點(diǎn)</p><p>　　離散性。只在n離散值上取值或只在m離散點(diǎn)上取值。</p><p>　　諧波性。每條譜線只出現(xiàn)在基波頻率的整數(shù)倍的頻率上，基波頻率是主分量頻率的公約數(shù)，相鄰譜線間隔為。</p><p>　　收斂性。常見的周期信號(hào)幅值總的趨勢(shì)是隨諧波次數(shù)的增高而減小。由于這種收斂性

83、，實(shí)際測(cè)量中可以在一定誤差允許范圍內(nèi)忽略次數(shù)過(guò)高的諧波分量。</p><p>　　3.4.1.2 非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜</p><p>　　1. 頻譜密度函數(shù)X(w)</p><p>　　對(duì)于非周期信號(hào)，可以看作周期T為無(wú)窮大的周期信號(hào)。當(dāng)周期趨近無(wú)窮大時(shí)，則基波譜線及譜線間隔=趨近無(wú)窮小，從而離散的頻譜就變成了連續(xù)的，所以非周期信號(hào)的頻譜是連續(xù)的。</p&g

84、t;<p>　　傅立葉級(jí)數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)展開式為：</p><p>　　x(t)= (3-3)</p><p><b>　　傅立葉系數(shù)</b></p><p>　　= (3-4)</p><p>　　當(dāng)周期T→∞，譜線間隔=2/T趨近無(wú)窮小，離散量m( m=

85、0，1，2,……)變?yōu)檫B續(xù)量，傅立葉系數(shù)的模||趨于無(wú)窮小，故作不出||-m的幅頻圖，但各條譜線比例保持不變。將它放大T倍，則(3-4)變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　因?yàn)橛小鷇，所以有</b></p><p><b>　　=</b></p>

86、<p>　　由于時(shí)間T是積分變量，故上式積分后，僅是的函數(shù)，并記作X()或，即</p><p><b>　　X()==dt= </b></p><p>　　X()或X(f)表示單位頻段的頻率分量，是復(fù)數(shù)，稱為x(t)的頻率密度函數(shù)。</p><p>　　2. 非周期信號(hào)的傅立葉積分表示</p><p>　　作為

87、周期T為無(wú)窮大的非周期信號(hào)，當(dāng)周期T→∞時(shí)，頻譜譜線間隔→d，T→，離散變量m→變?yōu)檫B續(xù)變量，求和運(yùn)算就變成求積分運(yùn)算。于是(3-3)就變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　x(t)== =</b></p><p>　　這就是傅立葉積分。記為x(t)=。于是就有</p><p><b>　　=dt</b></p>

88、<p><b>　　x(t)= d</b></p><p>　　將=2f帶入以上兩式，得</p><p><b>　　x(t)= df</b></p><p><b>　　X(f)= </b></p><p><b>　　X()=2X(f)</b&

89、gt;</p><p>　　作| X()-|或|X(f)-f|圖，就稱為非周期信號(hào)的幅值譜密度。</p><p>　　非周期信號(hào)用傅立葉級(jí)數(shù)來(lái)表示，其頻譜為連續(xù)的，它由無(wú)限多個(gè)頻率無(wú)限接近的頻率成分組成。各頻率上譜線幅值趨于無(wú)窮小，故用頻譜密度表示，它在數(shù)值上相當(dāng)于將分量放大T=2/d倍，同時(shí)保持各頻率分量幅值相對(duì)分布規(guī)律不變。</p><p>　　3.4.1.3

90、離散時(shí)間信號(hào)的頻譜</p><p>　　在以計(jì)算機(jī)為中心的測(cè)試系統(tǒng)中，模擬信號(hào)x(t)進(jìn)入計(jì)算機(jī)前先經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)中的采樣器，將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間信號(hào)，成為采樣信號(hào)后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器在幅值上量化為離散的數(shù)字信號(hào)。這樣，就會(huì)引起頻域上的一些變化。</p><p><b>　　1. 采樣定理</b></p><p>　　連續(xù)時(shí)間信號(hào)

91、x(t)被數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)中的采樣器以等時(shí)間間隔T采樣，則采樣時(shí)刻0、T、2T、……所得信號(hào)x(t)的瞬時(shí)值，就構(gòu)成了連續(xù)信號(hào)x(t)的離散時(shí)間序列，(i=0、1、2……)。采樣信號(hào)的頻譜在幅值上比信號(hào)x(t)的頻譜X()放大了1/T倍，并呈現(xiàn)周期行，周期為。</p><p>　　采樣是把連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間序列的過(guò)程。這一過(guò)程相當(dāng)于在連續(xù)時(shí)間信號(hào)上“抽取”許多離散時(shí)刻iT(i=0、1、2……)上的信號(hào)瞬

92、時(shí)值。其中T是采樣間隔，=2/T為采樣角頻率，它們的取值是個(gè)很重要的問(wèn)題。即采樣頻率，必須滿足關(guān)系：</p><p><b>　　≥2</b></p><p>　　式中為信號(hào)的最高頻率分量。當(dāng)≤時(shí)，也就是采樣頻率=2/T≥2時(shí)，可以通過(guò)加一理想低通濾波器提取主分量，濾除全部m≥1的高頻分量，從而由X()恢復(fù)原信號(hào)x(t)在理論上無(wú)誤差。但是在實(shí)際工程中的低通濾波器不可

93、能有理想的低通特性，故采樣頻率需要更高，通常為=(4～20) 。如果采樣頻率不滿足采樣定理，譜線就會(huì)重疊，即使采用理想低通濾波器也不可能將混入的高頻主分量濾除。</p><p>　　2. 離散傅立葉變換</p><p>　　當(dāng)采樣點(diǎn)i=0、1、2……N，共有N個(gè)，即無(wú)限長(zhǎng)信號(hào)截?cái)嗪笞優(yōu)橹芷谛盘?hào)，頻譜由連續(xù)譜變?yōu)殡x散譜，即=K(K=0、1、2、……N-1)，于是有離散傅立葉變換(DFT)的定

94、義式如下：</p><p>　　X(K)=x(iT)= x(i) (3-5)</p><p>　　x(t)= X(K)=X(K) (3-6)</p><p><b>　　式中=是復(fù)數(shù)因子。</b></p><p>　　欲對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)x(t)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行離散傅立葉變換，首先經(jīng)采樣器對(duì)它進(jìn)行采樣，滿足采樣頻

95、率為==2/T(T為采樣間隔)，從而獲得時(shí)間離散的信號(hào)(t)，它是一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的離散的時(shí)間序列 (i=0,1,2,……)。實(shí)際上，只能對(duì)有限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行分析與處理，所以必須對(duì)無(wú)限長(zhǎng)離散序列截?cái)啵蝗∮邢揲L(zhǎng)時(shí)間=NT中的N個(gè)有限數(shù)據(jù) (i=0,1,2,……)。這樣，無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)x(t)就變成有限長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)=NT的周期信號(hào)。因此，其頻譜的特點(diǎn)是具有離散性、諧波性、周期性。</p><p>　　當(dāng)對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行采樣

96、 ，共N個(gè)采樣點(diǎn)，得離散時(shí)間序列x(i) (i=0,1,2,…，N-1)，代入式(3-5)可得離散時(shí)間序列的頻譜X(K) (k=0,1,2,…，N-1)，共N條譜線，其中有效譜線N/2條；反之，將N條譜線代入式(3-6)，則可得i=0,1,2,…，N-1共N個(gè)離散時(shí)間序列x(i)。當(dāng)N=4時(shí)，總計(jì)需+N(N-1)=28次運(yùn)算；當(dāng)N=1024時(shí)，則需要進(jìn)行2096068次運(yùn)算。如此多的計(jì)算次數(shù)使DFT不可能在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，因而出現(xiàn)了

97、各種用于減少DFT計(jì)算次數(shù)的算法。如基2時(shí)間奇偶分解算法等。那些能夠減少計(jì)算次數(shù)，縮短計(jì)算時(shí)間，能在工程實(shí)際中用來(lái)實(shí)現(xiàn)DFT計(jì)算的快速算法就稱為快速傅立葉變換，簡(jiǎn)稱FFT。在許多軟件的工具箱中，已有各種實(shí)用函數(shù)或功能模板可供使用。LabVIEW就提供了這樣的功能模塊。</p><p>　　虛擬信號(hào)頻譜分析儀的功能主要是用來(lái)對(duì)生成的仿真信號(hào)進(jìn)行FFT變換，獲得該時(shí)域信號(hào)的頻譜圖。</p><p&

98、gt;　　3.4.2 虛擬信號(hào)頻譜分析儀的前面板設(shè)計(jì)</p><p>　　前面板由一個(gè)數(shù)值控制器、兩個(gè)波形圖控件、兩個(gè)Ring控件、三個(gè)旋鈕控件組成。兩個(gè)波形圖控件分別用來(lái)顯示生成的虛擬仿真信號(hào)波形和該信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT變換后的頻譜；兩個(gè)Ring控件分別用來(lái)進(jìn)行波形選擇和加窗類型選擇，波</p><p>　　圖3-10 虛擬信號(hào)頻譜分析儀前面板</p><p>　　形可

99、選擇正弦波、方波、三角波和鋸齒波，加窗類型有海寧窗、漢明窗和三角窗可供選擇，三個(gè)旋鈕控件分別用來(lái)對(duì)信號(hào)頻率、采樣頻率、幅值參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，數(shù)值控件對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行設(shè)置。</p><p>　　3.4.3 虛擬信號(hào)頻譜分析儀的后面板設(shè)計(jì)</p><p>　　該虛擬儀器應(yīng)實(shí)現(xiàn)典型實(shí)驗(yàn)信號(hào)的產(chǎn)生，并可以對(duì)典型實(shí)驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行FFT變換，并顯示計(jì)算結(jié)果。所以其后面板流程圖應(yīng)該由信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)分析和處理、模塊

100、組成，下面就對(duì)在這兩個(gè)功能模塊分別加以介紹。</p><p>　　3.4.3.1 典型實(shí)驗(yàn)信號(hào)生成模塊</p><p>　　此模塊與虛擬信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的基本類似，這里不再贅述。</p><p>　　3.4.3.2 虛擬信號(hào)分析和處理模塊</p><p>　　此模塊如圖3-11，主要做的就是對(duì)生成的虛擬信號(hào)進(jìn)行FFT變換，以獲得它的頻譜圖。主要

101、由Hamming Windonw、Hanning Windonw、Triggle Windonw和FFT子VI組成，它們的圖標(biāo)分別如3-12、3-13、3-14、3-15所示。下面對(duì)它們做簡(jiǎn)單的介紹。</p><p>　　圖3-11 虛擬信號(hào)分析和處理模塊</p><p>　　圖3-12 Hamming Windonw.vi 圖3-13 Hanning Windon

102、w.vi</p><p>　　圖3-14 Triggle Windonw.vi 圖3-15 FFT.vi</p><p>　　1.窗函數(shù)子VI。它們的到達(dá)路徑為All function→Analyze→Signal Processing→Windonws，無(wú)論是Hamming Windonw還是Hanning Windonw和Triggle Windonw，都

103、是把無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行截取，并防止泄漏。</p><p>　　2. FFT子VI。它的到達(dá)路徑為All function→Analyze→Signal Processing→Frequency Domain，F(xiàn)FT子VI對(duì)輸入的參數(shù)進(jìn)行傅立葉變換，輸出參數(shù)為經(jīng)過(guò)變換后得到的數(shù)據(jù)序列，通常情況下為復(fù)數(shù)序列，而不是我們常用的實(shí)數(shù)幅值數(shù)據(jù)序列。所以，要避免犯這樣的錯(cuò)誤：直接將這個(gè)輸出序列當(dāng)作幅頻特性數(shù)據(jù)序列，送入Grap

104、h VI，希望得到幅頻特性曲線。所以，應(yīng)先將FFT子VI輸出參數(shù)經(jīng)過(guò)Complex To Polar，再送到Graph VI。</p><p>　　圖3-16 虛擬信號(hào)頻譜分析儀后面板流程圖</p><p>　　3.4.4 調(diào)試和運(yùn)行</p><p>　　在運(yùn)行之前，應(yīng)先在前面板中對(duì)信號(hào)控件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。采樣頻率fs的最大值應(yīng)是仿真信號(hào)頻率fx的n（一個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)

105、）倍，且總點(diǎn)數(shù)N≥n。只要合理的設(shè)置才會(huì)生成另人滿意的信號(hào)波形。</p><p>　　3.5 虛擬調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.5.1 實(shí)驗(yàn)原理和功能</p><p>　　用該調(diào)制解調(diào)器可觀察調(diào)幅波，以及經(jīng)過(guò)巴特沃斯濾波器濾波后的解調(diào)波形。</p><p>　　(1)調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)式及其特性</p><p&g

106、t;　　u(t)=EmZ(t) (3-8)</p><p>　　式中Em----比例常數(shù);----高頻載波角頻率; Z(t)----低頻緩變信號(hào),其上限角頻率為;</p><p>　　式(3-8)就是調(diào)幅波的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式,它反映了低頻緩變信號(hào)Z(t)對(duì)一高頻Z(t) ()振蕩信號(hào)()的控制.通常=(5—10).</p><p>　　一般將控制高

107、頻信號(hào)的緩變信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào),載送緩變信號(hào)的高頻()振蕩信號(hào)()稱為載波.利用信號(hào)Z(t)來(lái)控制或改變高頻振蕩的幅值稱為調(diào)制過(guò)程.</p><p><b>　　(2)調(diào)幅波的解調(diào)</b></p><p>　　調(diào)幅波u(t)的幅值反映調(diào)制信號(hào)Z(t)數(shù)值的變化,在調(diào)制器之后加解調(diào)器,可將被測(cè)的調(diào)制信號(hào)Z(t)與調(diào)幅波分離,并最后提取出來(lái).解調(diào)器由乘法器和低通濾波器組成,

108、其原理框圖如圖3-17 所示.</p><p>　　圖3-17 解調(diào)器原理圖</p><p>　　解調(diào)器中的乘法器有兩個(gè)輸入信號(hào)，一個(gè)是待解調(diào)波u(t)：</p><p>　　u(t)=EZ(t)</p><p>　　式中E為比例常數(shù)。另一個(gè)輸入信號(hào)是參考信號(hào)(t)，它應(yīng)是與載波頻率相同的高頻信號(hào)?？紤]到實(shí)際情況中與載波信號(hào)會(huì)有一個(gè)相位差θ，

109、則(t)為：</p><p>　　(t)=sin(t+θ)</p><p>　　于是乘法器的輸出y(t)為：</p><p>　　y(t)= u(t)·(t)=E Z(t)·sin(t+θ)</p><p>　　令A(yù)=E，并根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，所以</p><p>　　y(t)=AZ(t) sin(t

110、+θ)</p><p><b>　　=Z(t)</b></p><p>　　=Z(t)cosθ-Z(t)</p><p>　　當(dāng)乘法器后接的低通濾波器的截止頻率遠(yuǎn)小于頻率2，并大于信號(hào)Z(t)的最高頻率時(shí)，于是解調(diào)器的高頻分量將被低通濾波器大大衰減，而只有差額信號(hào)項(xiàng)Z(t)cosθ輸出，于是，解調(diào)器的輸出f(t)為：</p>&l

111、t;p>　　f(t)=Z(t)cosθ</p><p>　　該儀器的功能是生成兩個(gè)幅值、相位和頻率可調(diào)的正弦波，這兩個(gè)正弦波一個(gè)是高頻信號(hào)作為載波信號(hào)，另一個(gè)是低頻信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)。低頻信號(hào)經(jīng)高頻載波后形成調(diào)幅波，調(diào)幅波再經(jīng)巴特沃斯濾波器濾波后解調(diào)，并同時(shí)輸出調(diào)幅波和解調(diào)后信號(hào)的波形。</p><p>　　3.5.2 調(diào)幅波解調(diào)器前面板設(shè)計(jì)</p><p>　

112、　前面板由兩個(gè)Waveform Graph控件分別顯示調(diào)幅波和解調(diào)信號(hào)的波形，高頻和低頻信號(hào)源參數(shù)、濾波器低截止頻率由用戶選擇。</p><p>　　3.5.3 調(diào)幅波解調(diào)器后面板設(shè)計(jì)</p><p>　　該后面板流程圖采用乘法器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正弦波信號(hào)的調(diào)制，采用前一節(jié)設(shè)計(jì)的巴特沃斯低通濾波器實(shí)現(xiàn)解調(diào)器，此后面板中的各功能模塊和子VI前面都已介紹，此處不再贅述。</p><

113、p>　　3.5.4 調(diào)試和運(yùn)行</p><p>　　在運(yùn)行之前，應(yīng)先在前面板中對(duì)信號(hào)控件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。這時(shí)請(qǐng)注意設(shè)置的參數(shù)要滿足香農(nóng)采樣定理,即。只要合理的設(shè)置才會(huì)生成另人滿意的信號(hào)波形。</p><p>　　圖3-18 調(diào)幅波解調(diào)器前面板</p><p>　　圖3-19 調(diào)幅波解調(diào)器后面板流程圖</p><p><b>　　

114、結(jié) 束 語(yǔ)</b></p><p>　　數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)是本文理論知識(shí)的基礎(chǔ)，而虛擬儀器的基本思想和LabVIEW開發(fā)平臺(tái)則是程序開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中有力的工具。如果缺乏基礎(chǔ)性的理論知識(shí)，就無(wú)法很好地運(yùn)用開發(fā)工具，無(wú)法解釋在開發(fā)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題，也就無(wú)法開發(fā)出具有使用價(jià)值的虛擬儀器；如果缺乏功能強(qiáng)大的開發(fā)平臺(tái)，再扎實(shí)的理論知識(shí)也難以轉(zhuǎn)化為有效的、實(shí)用的工具。在本文的初期準(zhǔn)備階段，認(rèn)真閱讀和參考了大量有關(guān)信