畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于labview的多功能虛擬信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于LabVIEW的多功能虛擬信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)</p><p>　　作者姓名：XXX 專業(yè)班級(jí)：XXXXXXXX 指導(dǎo)教師：XXXXXX</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著微型計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器在智能化程序、處理能力、性能價(jià)格比、可操作性等方面與傳統(tǒng)儀器相比都具有明顯的技術(shù)

2、優(yōu)勢(shì)，將虛擬儀器引入高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不但可以提高測(cè)試效率和教學(xué)的質(zhì)量，而且為降低實(shí)驗(yàn)儀器成本提供了有效的途徑和方法。</p><p>　　本文選用LabVIEW圖形化編程語言為開發(fā)軟件，主要開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器：虛擬信號(hào)發(fā)生器，同時(shí)提出了虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案?；趯I(yè)虛擬儀器開發(fā)工具Labview，設(shè)計(jì)一虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。該虛擬信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等波形，頻率動(dòng)態(tài)范圍較寬且可微調(diào)。</

3、p><p>　　關(guān)鍵字：虛擬儀器 labVIEW 信號(hào)發(fā)器</p><p>　　Abstrack：Along with the development of the microcomputer, compared with traditional instrument, the virtual instrument has the obvious technical advantage

4、 in knowledge ware, processing capability, the ratio between function and price, and Maneuver ability. The introduction of the virtual instrument to the university can not only increase the efficiency and quality of test

5、ing, teaching, but also provide the effective method to reduce the cost of the experiment instrument. </p><p>　　In this paper, selected LabVIEW graphical programming language for software development, mainly

6、 the development of virtual experiment equipment, virtual signal generator, virtual laboratory also made the building program. A Virtual Function Signal Generator is designed Based on Labview, The Virtual Function Signal

7、 Generator can generate Sine wave, triangle wave, square wave, teeth of a saw wave...etc。Dynamic range of frequency is wide and can regulate slightly。</p><p>　　Keyword : Virtual Instrument Labview Signa

8、l Generator</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 引 言1</p><p>　　1.1課題的提出1</p><p>　　1.2課題的主要研究工作1</p><p><b>　　1.3課題意義1</b></p>

9、;<p>　　第2章 虛擬信號(hào)發(fā)生器概況3</p><p>　　2.1 信號(hào)發(fā)生器，虛擬儀器概述3</p><p>　　2.1.1 信號(hào)發(fā)生器概述3</p><p>　　2.1.2 虛擬儀器基本概念3</p><p>　　2.1.3虛擬儀器的特點(diǎn)5</p><p>　　2.2 虛擬儀器的現(xiàn)狀和發(fā)

10、展7</p><p>　　2.2.1虛擬儀器的現(xiàn)狀7</p><p>　　2.2.2虛擬儀器的展望8</p><p>　　2.3虛擬信號(hào)發(fā)生器的介紹8</p><p>　　2.3.1信號(hào)發(fā)生器的基本原理8</p><p>　　2.3.2虛擬信號(hào)發(fā)生器的工作原理9</p><p>　　

11、第3章 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW10</p><p>　　3.1 LabVIEW簡介10</p><p>　　3.2 LabVIEW的主要窗口10</p><p>　　3.3 LabVIEW中信號(hào)處理與分析13</p><p>　　3．4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成16</p><p>　　第4章 虛擬信號(hào)

12、發(fā)生器的設(shè)計(jì)18</p><p>　　4.1虛擬信號(hào)發(fā)生器創(chuàng)建過程18</p><p>　　4.1.1軟件設(shè)計(jì)方案18</p><p>　　4．1．2 標(biāo)準(zhǔn)頻率20</p><p>　　4．2數(shù)字信號(hào)處理20</p><p>　　4.3軟面板的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.3.1

13、 儀器面板和參數(shù)設(shè)置23</p><p>　　4.3.2波形的產(chǎn)生與調(diào)節(jié)25</p><p>　　4．4實(shí)現(xiàn)效果圖27</p><p><b>　　結(jié) 論30</b></p><p><b>　　致 謝31</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)

14、32</b></p><p><b>　　第1章 引 言</b></p><p><b>　　1.1課題的提出</b></p><p>　　在大學(xué)四年學(xué)習(xí)中，電子產(chǎn)品的操作與制作，軟件工具的應(yīng)用與功能的實(shí)現(xiàn)都是我們主要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。我的畢業(yè)論文的題目是用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器的功能。</p>

15、<p>　　課題的研究是基于虛擬儀器的研究與開發(fā)學(xué)習(xí)而提出的。老師的辛苦用心就是希望我能多學(xué)一個(gè)軟件多會(huì)一門技術(shù)，在以后工作中多一個(gè)特點(diǎn)。</p><p>　　1.2課題的主要研究工作</p><p>　　LabVIEW在實(shí)際生活中的廣泛應(yīng)用，其主要研究工作是學(xué)習(xí)LabVIEW的軟件功能，了解虛擬儀器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生三角波，矩形波，正弦波，且其幅值，頻率可根據(jù)用戶進(jìn)行選

16、擇的虛擬波形發(fā)生器。</p><p><b>　　1.3課題意義</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在測(cè)量領(lǐng)域中需要不斷更新測(cè)量設(shè)備，以滿足越來越</p><p>　　高的測(cè)量要求。在我國，傳統(tǒng)儀器技術(shù)還比較落后，目前有大批陳舊的測(cè)試儀器</p><p>　　等待更新。這些儀器的測(cè)量精度和可靠性均低于國外，

17、并且自動(dòng)化程度較低。高</p><p>　　檔儀器基本上依靠國外進(jìn)口，每年都消耗國家大量外匯。然而，花大量資金購買</p><p>　　的儀器，可能我們只需要其中的一部分功能，同時(shí)有些其他應(yīng)用的功能要求，該</p><p>　　儀器卻滿足不了。這些情況無疑是大大浪費(fèi)了投資。設(shè)想要是能將儀器稍微改動(dòng)</p><p>　　以實(shí)現(xiàn)更大的使用范圍該多

18、好。但是這對(duì)于傳統(tǒng)儀器來說是非常困難的。虛擬儀</p><p>　　器的出現(xiàn)，將徹底改變這種局面。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，用戶可以隨心</p><p>　　所欲地根據(jù)自己的需求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。數(shù)字</p><p>　　信號(hào)發(fā)生器是在科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。目前高精度、具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的信號(hào)發(fā)生器，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，價(jià)

19、格昂貴。所以虛擬數(shù)字存儲(chǔ)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值;虛擬信號(hào)發(fā)生器能充分發(fā)揮虛擬儀器結(jié)構(gòu)簡單、功能豐富、價(jià)格低廉、能重復(fù)開發(fā)、可用戶自定義的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)的虛擬數(shù)字存儲(chǔ)信號(hào)發(fā)生器，可同時(shí)顯示、記錄和存儲(chǔ)多通道輸入的波形，并且可以對(duì)波形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，具有一定的研究意義。</p><p>　　第2章 虛擬信號(hào)發(fā)生器概況</p><p>　　2.1 信號(hào)發(fā)生器，虛擬儀器概述</p&

20、gt;<p>　　2.1.1 信號(hào)發(fā)生器概述</p><p>　　信號(hào)發(fā)生器是生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中應(yīng)用十分廣泛的電子測(cè)量儀器。目前常用的模擬信號(hào)發(fā)生器，外型笨重，功能單一；數(shù)字信號(hào)發(fā)生器雖然有一定的功能擴(kuò)展，但價(jià)格昂貴，維護(hù)升級(jí)成本高，短時(shí)間內(nèi)難以普及應(yīng)用。近年來，出現(xiàn)了一種基于計(jì)算機(jī)和軟件的新型儀器——虛擬儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，功能由用戶定義和設(shè)計(jì)，具有虛擬面板，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)。

21、虛擬儀器的關(guān)鍵是用軟件來實(shí)現(xiàn)硬件的功能，實(shí)現(xiàn)“軟件即儀器”。在高等院校理工科教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是整個(gè)教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)，特別是基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在本科教學(xué)中尤為重要，他對(duì)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)起著有效的支撐作用。但是，近年來隨著學(xué)生人數(shù)的增加、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革不斷深入，原有實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和規(guī)模難以滿足發(fā)展的需要。虛擬儀器的出現(xiàn)很好地解決了這些問題。虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)為核心，功能由用戶定義和設(shè)計(jì)，具有虛擬面板，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)。虛擬儀

22、器的關(guān)鍵是用軟件來實(shí)現(xiàn)硬件的功能，實(shí)現(xiàn)“軟件即儀器”。本文應(yīng)用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW開發(fā)了一種多功能虛擬信號(hào)發(fā)生器，擴(kuò)展了信號(hào)發(fā)生器的分析和計(jì)算能力，降低了儀器的價(jià)格，增強(qiáng)了儀器的通用性，實(shí)現(xiàn)了波形顯示、存儲(chǔ)、打印和</p><p>　　2.1.2 虛擬儀器基本概念</p><p>　　所謂虛擬儀器，就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，其功能由用戶設(shè)計(jì)和定義，具有虛擬面板，其測(cè)試功能

23、由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果;利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理;利用1/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集測(cè)量與調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。使用者用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺(tái)專用測(cè)量儀器一樣。因此，虛擬儀器的出現(xiàn)，使測(cè)量儀器與計(jì)算機(jī)的界限模糊了.虛擬儀器的“虛擬”兩字主要包含以下兩方面的含義。

24、</p><p>　　虛擬儀器（virtual instrumention）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。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，這類儀器功能也越來越強(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)各種儀器

25、功能。虛擬儀器主要是指這種方式。下面的框圖1-1反映了常見的虛擬儀器方案。</p><p>　　圖1-1 虛擬儀器方案框圖</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

26、><p>　　用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。</p><p>　　虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語言是美國NI公司的LabVIEW。</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)在國防、航天等領(lǐng)域已

27、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)的權(quán)威。</p><p>　　普通的PC有一些不可避免的弱點(diǎn)。用它構(gòu)建的虛擬儀器或計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)性能不可能太高。目前作為計(jì)算機(jī)化儀器的一個(gè)重要發(fā)展方向

28、是制定了VXI標(biāo)準(zhǔn)，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個(gè)插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計(jì)算機(jī)屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標(biāo)準(zhǔn)的VXI機(jī)箱，再與計(jì)算機(jī)相連，就組成了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。VXI儀器價(jià)格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的PXI標(biāo)準(zhǔn)儀器。 </p><p>　　(1)虛擬儀器的面板是虛擬的</p><p>　　虛擬儀器面板

29、上的各種“圖標(biāo)”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的:由各種開關(guān)、按鈕、顯示器等圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)儀器電源的“通”、“斷實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的“輸入通道”、“放大倍數(shù)”等參數(shù)的設(shè)置，以及實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的“數(shù)值顯示”、“波形顯示”等。</p><p>　　傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是“實(shí)物”，而且是由“手動(dòng)”和“觸摸”進(jìn)行操</p><p>　　作的:虛擬儀器前面板是外形與實(shí)物相像的“圖標(biāo)”，每個(gè)圖標(biāo)

30、的“通’、“斷”、“放大”等動(dòng)作通過用戶操作計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)或鍵盤來完成。因此，設(shè)計(jì)虛擬儀器前面板就是在前面板設(shè)計(jì)窗口中擺放所需的圖標(biāo)，然后對(duì)圖標(biāo)的屬性進(jìn)行設(shè)置。</p><p>　　(2)虛擬儀器測(cè)量功能是通過對(duì)圖形化軟件流程圖的編程來實(shí)現(xiàn)的</p><p>　　虛擬儀器是在以PC為核心組成的硬件平臺(tái)支持下，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)儀器的功能。因?yàn)榭梢酝ㄟ^不同測(cè)試功能軟件模塊的組合來實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試功能

31、，所以，在硬件平臺(tái)確定后，就有“軟件就是儀器”的說法。這也體現(xiàn)了測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)深層次的結(jié)合。虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的分析、處理、表達(dá)、傳遞、儲(chǔ)存等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。它不

32、僅可以用于電子測(cè)量、測(cè)試、分析、計(jì)量等領(lǐng)域，而且還可以用于進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)控以及工業(yè)過程自動(dòng)化。虛擬儀器還可以廣泛應(yīng)用于電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等多個(gè)方面。</p><p>　　2.1.3虛擬儀器的特點(diǎn)</p><p>　　LabVIEW是什么？LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一種圖形

33、化的編程語言，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。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。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程都生動(dòng)有趣。</p><p>　　圖形化的程序語

34、言，又稱為“Ｇ”語言。使用這種語言編程時(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、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>　　利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的

35、可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的３２位編譯器。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>　　與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主要有以下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　(1)傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè)，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，易于導(dǎo)致許多識(shí)別與操作錯(cuò)誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個(gè)分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功

36、能。這樣，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化與面板布置的簡捷化，從而提高操作的正確性與便捷性。同時(shí)，虛擬儀器面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受“標(biāo)準(zhǔn)件”和“加工工藝”的限制，它們是由編程來實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶的認(rèn)知要求和操作要求，設(shè)計(jì)儀器面板。</p><p>　　(2)在通用硬件平臺(tái)確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功育旨。</p><p>　　(3)儀器

37、的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是事先由廠家定義好的。</p><p>　　(4)儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需要更新相關(guān)軟件設(shè)計(jì)而不需要購買新的器。</p><p>　　(5)研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。</p><p>　　(6)虛擬儀器開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。</p><p>　　Labview實(shí)

38、現(xiàn)的功能</p><p>　　虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的功能設(shè)計(jì)參考了常見信號(hào)發(fā)生器的功能，并結(jié)合虛擬儀器基于計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，在功能上有所擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：</p><p>　　(1)可以產(chǎn)生lHz～1MHz的正弦波、方波、三角波、鋸齒波和任意波形：</p><p>　　(2)信號(hào)頻率、幅度、相位、偏移量和占空比的參數(shù)可以調(diào)節(jié)和控制；</p><

39、p>　　(3)能夠顯示輸出信號(hào)波形；</p><p>　　(4)采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)可以隨信號(hào)頻率在檔位變化時(shí)調(diào)節(jié)。</p><p>　　2.2 虛擬儀器的現(xiàn)狀和發(fā)展</p><p>　　2.2.1虛擬儀器的現(xiàn)狀</p><p>　　虛擬儀器的概念，是美國國家儀器公司(National Instruments Corp，簡稱NI)于198

40、6年提出的。80年代以來，NI公司研制和推出了許多總線系統(tǒng)的虛擬式儀器，成為這類新型儀器世界第一生產(chǎn)大戶。此后，美國的惠普(HP)公司，Tektronix公司，Racal公司等也相繼推出了許多此類儀器，并在短短的10余年便占有了世界儀器市場的10%左右。虛擬儀器技術(shù)目前在國外發(fā)展很快，以NI公司為代表的一批廠商己經(jīng)在市場上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。在美國，虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語言，已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門必修

41、課程。美國的斯坦福大學(xué)的機(jī)械工程系要求三、四年級(jí)的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制。據(jù)“世界儀表及自動(dòng)化”雜志預(yù)測(cè)，21世紀(jì)初葉，世界虛擬儀器的生產(chǎn)廠家將超過千家，其品種將達(dá)到數(shù)千種，市場占有率將達(dá)到5096左右。虛擬儀器將成為本世紀(jì)儀器發(fā)展的方向，而且有逐步取代傳統(tǒng)硬件化電子儀器的趨勢(shì)。</p><p>　　近年來，世界各國的虛擬儀器公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，以便使用者利用這些儀器公司提

42、供的開發(fā)平臺(tái)軟件組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)，并編制測(cè)試軟件。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開發(fā)軟件。LabWindows / CVI是為熟悉C語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的、在Windows環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)ANSIC開發(fā)環(huán)境。</p><p>　　作為儀器領(lǐng)域中最新興的技術(shù)，虛擬儀器的開發(fā)和研究在國內(nèi)尚屬起步階段。虛擬儀器的開發(fā)廠家，為擴(kuò)大虛擬儀器的功能，在測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)模式及變換方面也做了許多工作

43、，發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級(jí)分析庫和開發(fā)工具庫(例如測(cè)量結(jié)果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數(shù)字濾波器、卷積處理和相關(guān)函數(shù)處理、微積分、峰值和闡值檢隊(duì)波形發(fā)生、噪聲發(fā)生、回歸分析、數(shù)值運(yùn)算、時(shí)域和頻域分析等)，使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復(fù)雜自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)。</p><p>　　專家預(yù)測(cè):未來的幾年內(nèi)，國內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀

44、器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)</p><p>　　的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。</p><p>　　2.2.2虛擬儀器的展望</p><p>　　虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過十幾年發(fā)展，而今正沿著總線與驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件模塊化、編程平臺(tái)圖形化和硬件模塊的即插即用方向前進(jìn)，以開放式模塊化儀器標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)正日趨完善，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，建立在虛擬儀器技術(shù)

45、上的各種功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的先進(jìn)儀器將層出不窮，價(jià)格也會(huì)越來越低，使用虛擬儀器進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試將成為一種趨勢(shì)，同樣，虛擬儀器及技術(shù)也將成為學(xué)校未來教學(xué)科研的重要方法和手段，特別是在理工科學(xué)校其應(yīng)用前景非常廣闊。虛擬儀器可以取代測(cè)量技術(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器，“沒有測(cè)量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)”。虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)將產(chǎn)生不可估量的影響。</p><p>　

46、　2.3虛擬信號(hào)發(fā)生器的介紹</p><p>　　2.3.1信號(hào)發(fā)生器的基本原理</p><p>　　本函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的前面板主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：儀器控制按鈕，輸出頻率控制窗口(包括頻率顯示單位)，頻率倍成控制，波形選擇，頻率微調(diào)按鈕，直流偏置，方波占空比調(diào)節(jié)，輸出波形幅度控制按鈕。頻率微調(diào)范圍：O．1—1 Hz；直流偏置：一10—10V；方波占空比：0—100％；輸出波形幅度：0—1

47、0V。此外還增加了許多修飾性的元件如面板上的壓控輸入、記數(shù)輸入、同步輸出、電壓輸出等。使用這些修飾性的元件的目的是為了增加儀器的美觀性，并盡量與真實(shí)儀器的使用界面相一致。</p><p>　　2.3.2虛擬信號(hào)發(fā)生器的工作原理</p><p>　　通過軟件虛擬信號(hào)發(fā)生器的功能，信號(hào)由特定的虛擬儀器發(fā)出，再通過波形顯示器表現(xiàn)在大家面前。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，功能由用戶定義和設(shè)計(jì)，具有虛擬面

48、板，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器的關(guān)鍵是用軟件來實(shí)現(xiàn)硬件的功能，實(shí)現(xiàn)“軟件即儀器”。本文應(yīng)用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW開發(fā)了一種多功能虛擬信號(hào)發(fā)生器，擴(kuò)展了信號(hào)發(fā)生器的分析和計(jì)算能力，降低了儀器的價(jià)格，增強(qiáng)了儀器的通用性，實(shí)現(xiàn)了波形顯示、存儲(chǔ)、以及多個(gè)測(cè)量參數(shù)自動(dòng)顯示、相位差自動(dòng)計(jì)算等功能。</p><p>　　第3章 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW</p><p>　　3

49、.1 LabVIEW簡介</p><p>　　虛擬信號(hào)發(fā)生器軟件設(shè)計(jì)采用的NI公司的虛擬儀器開發(fā)工具LabVIEW。LabVIEW是根據(jù)G編程語言,為數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與顯示而設(shè)計(jì)的一種圖形編程開發(fā)環(huán)境。它用圖標(biāo)代碼代替編程語言創(chuàng)建應(yīng)用程序，用數(shù)據(jù)流編程方法描述程序的執(zhí)行，用圖標(biāo)和連線代替文本的形式編寫程序，為虛擬儀器設(shè)計(jì)者提供了便捷輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，設(shè)計(jì)者利用它可以像搭積木一樣，輕松組建一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)以及構(gòu)造

50、自己的儀器面板，而無需進(jìn)行任何煩瑣的程序代碼編寫。使用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)編制的虛擬儀器程序VI包括三個(gè)部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，生成模仿傳統(tǒng)儀器的控制面板。每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，類似傳統(tǒng)程序的源代碼。圖標(biāo)/連接器是子程序SubVI被其它VI調(diào)用的接口。LabVIEW采用的是自上向下的模塊化編程方法，所生成的各個(gè)子程序有利

51、于主程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)方法可大大減小虛擬儀器開發(fā)的難度，利于儀器開發(fā)人員之間的分工協(xié)作。</p><p>　　虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。硬件平臺(tái)完成被測(cè)信號(hào)調(diào)理與信號(hào)采集，即獲取被測(cè)信號(hào)。硬件部分主要包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路及數(shù)據(jù)采集卡。而傳感器和信號(hào)調(diào)理電路針對(duì)不同的測(cè)試對(duì)象有不同的選擇和設(shè)計(jì)。目前較常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（PC-DAQ系統(tǒng)）、GPIB儀器測(cè)試系統(tǒng)、VX

52、I儀器測(cè)試系統(tǒng)。</p><p>　　3.2 LabVIEW的主要窗口</p><p><b>　　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3－2所示是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)發(fā)生和

53、顯示的簡單VI是它的前面板，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)，可以啟動(dòng)和停止工作。顯然，并非簡單地畫兩個(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>　　流程圖</b></p><p>　　流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對(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。

54、流程圖中包括前面板上的控件的連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。圖3－3是與圖2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>　　如果將VI與標(biāo)準(zhǔn)

55、儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的東西。在許多情況下，使用VI可以仿真標(biāo)準(zhǔn)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無幾。</p><p><b>　　圖標(biāo)/連接器</b></p><p>　　VI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V

56、I調(diào)用。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)，詳細(xì)情況稍后介紹。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬信號(hào)發(fā)生器的軟件的核心，主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，包括觸發(fā)控制、通道控制、時(shí)基控制等。其中，觸發(fā)控制包括觸發(fā)模式、觸發(fā)斜坡和觸發(fā)電平控制，通道控制主要控制哪一通道進(jìn)行測(cè)量和頻譜分析，時(shí)基控制主要控制采集卡掃描率、每一通道掃描次數(shù)(取樣數(shù))，多功能虛擬信號(hào)發(fā)生器采用的數(shù)據(jù)采集卡PCI－6024E，它支持DMA方式和

57、雙緩沖區(qū)模式，保證了實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷采集與存儲(chǔ)。這種數(shù)據(jù)采集卡支持單極性和雙極性模擬信號(hào)輸入，采樣速率可達(dá)200kb/s，信號(hào)輸入范圍分別為－5～＋5V和-10V～10V。提供16路單端／8路差動(dòng)模擬輸入通道、2路獨(dú)立的DA輸出通道、8位24線的TTL型數(shù)字I／O、2個(gè)24位20MHz的定時(shí)計(jì)數(shù)器，4個(gè)模擬輸入范圍等多種功能。該數(shù)據(jù)采集卡支持的操作系統(tǒng)有Windows2000/NT/XP/Me/9x、Linux等。使用的軟件有LabVIE

58、W、LabWindows/CVI等。這些功能使得用戶不僅可以用該卡設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器，還可以使用該卡設(shè)計(jì)數(shù)字萬用表、波形發(fā)生器、邏輯分析儀等，做到一卡多用，為系統(tǒng)的后續(xù)擴(kuò)充保留余地。</p><p>　　3.3 LabVIEW中信號(hào)處理與分析</p><p>　　數(shù)字信號(hào)在我們周圍無所不在。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)具有高保真、低噪聲和便于信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛的應(yīng)用，例如電話公司使用數(shù)字信號(hào)傳輸語

59、音，廣播、電視和高保真音響系統(tǒng)也都在逐漸數(shù)字化。太空中的衛(wèi)星將測(cè)得數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的形式發(fā)送到地面接收站。對(duì)遙遠(yuǎn)星球和外部空間拍攝的照片也是采用數(shù)字方法處理，去除干擾，獲得有用的信息。經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、人口普查結(jié)果、股票市場價(jià)格都可以采用數(shù)字信號(hào)的形式獲得。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理具有這么多優(yōu)點(diǎn)，在用計(jì)算機(jī)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理之前也常把它們先轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。本章將介紹數(shù)字信號(hào)處理的基本知識(shí)，并介紹由上百個(gè)數(shù)字信號(hào)處理和分析的VI構(gòu)成的LabVIEW分析軟件

60、庫。 </p><p>　　目前，對(duì)于實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，高速浮點(diǎn)運(yùn)算和數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)變得越來越重要。這些系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)處理、語音識(shí)別、數(shù)字音頻和圖像處理等各種領(lǐng)域。數(shù)據(jù)分析的重要性在于，無法從剛剛采集的數(shù)據(jù)立刻得到有用的信息，如下圖所示。必須消除噪音干擾、糾正設(shè)備故障而破壞的數(shù)據(jù)，或者補(bǔ)償環(huán)境影響，如溫度和濕度等。</p><p><b>　　表3－1</b&

61、gt;</p><p>　　通過分析和處理數(shù)字信號(hào)，可以從噪聲中分離出有用的信息，并用比原始數(shù)據(jù)更全面的表格顯示這些信息。下圖顯示的是經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)曲線。</p><p><b>　　表3－2</b></p><p>　　用于測(cè)量的虛擬儀器(VI)</p><p>　　用于測(cè)量的虛擬儀器(VI)執(zhí)行的典型的測(cè)量任務(wù)有：&

62、lt;/p><p>　　計(jì)算信號(hào)中存在的總的諧波失真。</p><p>　　決定系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)或傳遞函數(shù)。</p><p>　　估計(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，例如上升時(shí)間、超調(diào)量等等。</p><p>　　計(jì)算信號(hào)的幅頻特性和相頻特性。</p><p>　　估計(jì)信號(hào)中含有的交流成分和直流成分。</p><p&

63、gt;　　在過去，這些計(jì)算工作需要通過特定的實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)來進(jìn)行，而用于測(cè)量的虛擬儀器可以使這些測(cè)量工作通過LabVIEW程序語言在臺(tái)式機(jī)上進(jìn)行。這些用于測(cè)量的虛擬儀器是建立在數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)之上，有如下的特性：</p><p>　　輸入的時(shí)域信號(hào)被假定為實(shí)數(shù)值。</p><p>　　輸出數(shù)據(jù)中包含大小、相位，并且用合適的單位進(jìn)行了刻度，可用來直接進(jìn)行圖形的繪制。</p>

64、;<p>　　計(jì)算出來的頻譜是單邊的（single_sided），范圍從直流分量到Nyquist頻率(二分之一取樣頻率)。（即沒有負(fù)頻率出現(xiàn)）</p><p>　　需要時(shí)可以使用窗函數(shù)，窗是經(jīng)過刻度地，因此每個(gè)窗提供相同的頻譜幅度峰值，可以精確地限制信號(hào)的幅值。</p><p>　　一般情況下，可以將數(shù)據(jù)采集VI的輸出直接連接到測(cè)量VI的輸入端。測(cè)量VI的輸出又可以連接到繪圖

65、VI以得到可視的顯示。</p><p>　　有些測(cè)量VI用來進(jìn)行時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換，例如計(jì)算幅頻特性和相頻特性、功率譜、網(wǎng)路的傳遞函數(shù)等等。另一些測(cè)量VI可以刻度時(shí)域窗和對(duì)功率和頻率進(jìn)行估算。</p><p>　　本章將介紹測(cè)量VI中常用的一些數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)。</p><p>　　LabVIEW的流程圖編程方法和分析VI庫的擴(kuò)展工具箱使得分析軟件的開發(fā)變得更加簡單。

66、LabVIEW 分析VI通過一些可以互相連接的VI，提供了最先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。你不必像在普通編程語言中那樣關(guān)心分析步驟的具體細(xì)節(jié)，而可以集中注意力解決信號(hào)處理與分析方面的問題。LabVIEW 6i版本中，有兩個(gè)子模板涉及信號(hào)處理和數(shù)學(xué)，分別是Analyze子模板和Methematics子模板。這里主要涉及前者。</p><p>　　進(jìn)入Functions模板Analyze Signal Processing子模

67、板。</p><p><b>　　圖3－4</b></p><p>　　其中共有6個(gè)分析VI庫。其中包括：</p><p>　?、伲甋ignal Generation（信號(hào)發(fā)生）：用于產(chǎn)生數(shù)字特性曲線和波形。</p><p>　　②．Time Domain（時(shí)域分析）：用于進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換、頻域分析等。</p>

68、<p>　?、郏瓼requency Domain（頻域分析）：</p><p>　?、埽甅easurement（測(cè)量函數(shù)）：用于執(zhí)行各種測(cè)量功能，例如單邊FFT、頻譜、比例加窗以及泄漏頻譜、能量的估算。</p><p>　?、荩瓺igital Filters（數(shù)字濾波器）：用于執(zhí)行IIR、FIR 和非線性濾波功能。</p><p>　　⑥．Window

69、ing（窗函數(shù)）：用于對(duì)數(shù)據(jù)加窗。</p><p>　　在后面幾節(jié)中，你將學(xué)習(xí)如何使用分析庫中的VI創(chuàng)建函數(shù)發(fā)生器和簡單實(shí)用的頻譜分析儀，如何使用數(shù)字濾波器，窗函數(shù)的作用以及不同類型窗函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，怎樣執(zhí)行簡單的曲線擬合功能，以及其他一些內(nèi)容?？梢栽趌abview\examples\analysis 目錄中找到一些演示程序。</p><p>　　3．4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成</p>

70、<p>　　圖3－5　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　上圖表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?duì)采集板卡初始化，板卡上和內(nèi)存中的Buffer是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的中間環(huán)節(jié)。需要注意的兩個(gè)問題是：是否使用Buffer？是否使用外觸發(fā)啟動(dòng)、停止或同步一個(gè)操作。</p><p>　　緩沖（Buffers）</p><p>　　這里的緩沖指的是PC內(nèi)存的

71、一個(gè)區(qū)域（不是數(shù)據(jù)采集卡上的FIFO緩沖），它用來臨時(shí)存放數(shù)據(jù)。例如，你需要采集每秒采集幾千個(gè)數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到Buffer，你就可以先將它們快速存儲(chǔ)起來，稍后再重新找回它們顯示或分析。需要注意的是Buffer與采集操作的速度及容量有關(guān)。如果你的卡有DMA性能，模擬輸入操作就有一個(gè)通向計(jì)算機(jī)內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。</p><

72、;p>　　不使用Buffer意味著對(duì)所采集的每一個(gè)數(shù)據(jù)你都必須及時(shí)處理（圖形化、分析等），因?yàn)檫@里沒有一個(gè)場合可以保持你著手處理的數(shù)據(jù)之前的若干數(shù)據(jù)點(diǎn)。</p><p>　　下列情況需要使用Buffer I/O：</p><p>　　需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過了實(shí)際顯示、存儲(chǔ)到硬件，或?qū)崟r(shí)分析的速度。</p><p>　　需要連續(xù)采集或產(chǎn)生AC數(shù)據(jù)（&

73、gt;10樣本／秒），并且要同時(shí)分析或顯示某些數(shù)據(jù)。</p><p>　　采樣周期必須準(zhǔn)確、均勻地通過數(shù)據(jù)樣本。下列情況可以不使用Buffer I/O：</p><p>　　數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個(gè)通道之一采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。需要縮減存儲(chǔ)器的開支。</p><p>　　第4章 虛擬信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1虛擬信號(hào)發(fā)生器創(chuàng)建

74、過程</p><p>　　4.1.1軟件設(shè)計(jì)方案</p><p>　　信號(hào)產(chǎn)生的應(yīng)用主要有：</p><p>　　當(dāng)無法獲得實(shí)際信號(hào)時(shí)，（例如沒有DAQ板卡來獲得實(shí)際信號(hào)或者受限制無法訪問實(shí)際信號(hào)），信號(hào)發(fā)生功能可以產(chǎn)生模擬信號(hào)測(cè)試程序。</p><p>　　產(chǎn)生用于D/A轉(zhuǎn)換的信號(hào)</p><p>　　在LabVIE

75、W 6中提供了波形函數(shù)，為制作函數(shù)發(fā)生器提供了方便。以Waveform>>Waveform Generation中的基本函數(shù)發(fā)生器（Basic Function Generator.vi）為例，其圖標(biāo)如下：</p><p><b>　　圖4－6</b></p><p>　　其功能是建立一個(gè)輸出波形，該波形類型有：正弦波、三角波、鋸齒波和方波。這個(gè)VI會(huì)記住

76、產(chǎn)生的前一波形的時(shí)間標(biāo)志并且由此點(diǎn)開始使時(shí)間標(biāo)志連續(xù)增長。它的輸入?yún)?shù)有波形類型、樣本數(shù)、起始相位、波形頻率（單位：Hz）</p><p><b>　　參數(shù)說明：</b></p><p>　　offset：波形的直流偏移量，缺省值為0.0。數(shù)據(jù)類型DBL</p><p>　　reset signal：將波形相位重置為相位控制值且將時(shí)間標(biāo)志置為0

77、。缺省值為FALSE.</p><p>　　signal type：產(chǎn)生的波形的類型，缺省值為正弦波。</p><p>　　frequency ：波形頻率（單位 Hz），缺省值為10。</p><p>　　amplitude ：波形幅值，也稱為峰值電壓，缺省值為1.0。</p><p>　　phase ：波形的初始相位（單位 度）缺省值為0.

78、0.</p><p>　　error in ：在該VI運(yùn)行之前描述錯(cuò)誤環(huán)境。缺省值為 no error. 如果一個(gè)錯(cuò)誤已經(jīng)發(fā)生，該VI在error out端返回錯(cuò)誤代碼。該VI僅在無錯(cuò)誤時(shí)正常運(yùn)行。 錯(cuò)誤簇包含如下參數(shù)。</p><p>　　status ：缺省值為FALSE，發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)變?yōu)門RUE。</p><p>　　code ：錯(cuò)誤代碼，缺省值為0。</

79、p><p>　　source ：在大多數(shù)情況下是產(chǎn)生錯(cuò)誤的VI或函數(shù)的名稱，缺省值為一個(gè)空串。</p><p>　　sampling info ：一個(gè)包括采樣信息的簇。共有Fs和#s 兩個(gè)參數(shù)。</p><p>　　Fs ：采樣率，單位是樣本數(shù)/秒，缺省值為1000。</p><p>　　#s ：波形的樣本數(shù)，缺省值為1000。</p>

80、;<p>　　duty cycle (%)：占空比，對(duì)方波信號(hào)是反映一個(gè)周期內(nèi)高低電平所占的比例，缺省值為50%。</p><p>　　signal out：信號(hào)輸出端</p><p>　　phase out ：波形的相位，單位：度。</p><p>　　error out ：錯(cuò)誤信息。如果 error in 指示一個(gè)錯(cuò)誤，error out 包含同樣

81、的錯(cuò)誤信息。否則，它描述該VI 引起的錯(cuò)誤狀態(tài)。</p><p>　　使用該VI制作的函數(shù)發(fā)生器如下，由框圖可以看出，其中沒有附加任何其他部件。</p><p><b>　　圖4－7</b></p><p><b>　　圖4－8</b></p><p>　　4．1．2 標(biāo)準(zhǔn)頻率</p>

82、<p>　　在模擬狀態(tài)下，信號(hào)頻率用Hz或者每秒周期數(shù)為單位。但是在數(shù)字系統(tǒng)中，通常使用數(shù)字頻率，它是模擬頻率和采樣頻率的比值，表達(dá)式如下：</p><p>　　數(shù)字頻率＝模擬頻率/采樣頻率</p><p>　　這種數(shù)字頻率被稱為標(biāo)準(zhǔn)頻率，單位是周期數(shù)/采樣點(diǎn)。</p><p>　　有些信號(hào)發(fā)生VI使用輸入頻率控制量f，它的單位和標(biāo)準(zhǔn)頻率的單位相同：周期

83、數(shù)/每個(gè)采樣點(diǎn)，范圍從0到1，對(duì)應(yīng)實(shí)際頻率中的0到采樣頻率fs的全部頻率。它還以1.0為周期，從而令標(biāo)準(zhǔn)頻率中的1.1與0.1相等。例如某個(gè)信號(hào)的采樣頻率是奈奎斯特頻率（fs/2），就表示每半個(gè)周期采樣一次（也就是每個(gè)周期采樣兩次）。與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率是1/2 周期數(shù)/采樣點(diǎn)，也就是0.5 周期數(shù)/采樣點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)頻率的倒數(shù)1/f表示一個(gè)周期內(nèi)采樣的次數(shù)。</p><p>　　如果你所使用的VI需要以標(biāo)準(zhǔn)頻率作為輸入

84、，就必須把頻率單位轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)單位：周期數(shù)/采樣點(diǎn)。</p><p><b>　　4．2數(shù)字信號(hào)處理</b></p><p>　　信號(hào)的時(shí)域顯示（采樣點(diǎn)的幅值）可以通過離散傅立葉變換（DFT）的方法轉(zhuǎn)換為頻域顯示。為了快速計(jì)算DFT，通常采用一種快速傅立葉變換(FFT)的方法。當(dāng)信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)是2的冪時(shí)，就可以采用這種方法。</p><p>　　

85、FFT的輸出都是雙邊的，它同時(shí)顯示了正負(fù)頻率的信息。通過只使用一半FFT輸出采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換成單邊FFT。FFT的采樣點(diǎn)之間的頻率間隔是fs/N，這里fs是采樣頻率。</p><p>　　Analyze庫中有兩個(gè)可以進(jìn)行FFT的VI，分別是 Real FFT VI 和 Complex FFT VI。</p><p>　　這兩個(gè)VI之間的區(qū)別在于，前者用于計(jì)算實(shí)數(shù)信號(hào)的FFT，而后者用于計(jì)算復(fù)數(shù)信

86、號(hào)的FFT。它們的輸出都是復(fù)數(shù)。</p><p>　　大多數(shù)實(shí)際采集的信號(hào)都是實(shí)數(shù)，因此對(duì)于多數(shù)應(yīng)用都使用Real FFT VI 。當(dāng)然也可以通過設(shè)置信號(hào)的虛部為0，使用Complex FFT VI 。使用Complex FFT VI 的一個(gè)實(shí)例是信號(hào)含有實(shí)部和虛部。這種信號(hào)通常出現(xiàn)在數(shù)據(jù)通信中，因?yàn)檫@時(shí)需要用復(fù)指數(shù)調(diào)制波形。</p><p>　　計(jì)算每個(gè)FFT顯示的頻率分量的能量的方法是

87、對(duì)頻率分量的幅值平方。高級(jí)分析庫中Power Spectrum VI可以自動(dòng)計(jì)算能量頻譜。Power Spectrum VI的輸出單位是Vrms2 。但是能量頻譜不能提供任何相位信息。</p><p>　　FFT和能量頻譜可以用于測(cè)量靜止或者動(dòng)態(tài)信號(hào)的頻率信息。FFT提供了信號(hào)在整個(gè)采樣期間的平均頻率信息。因此，F(xiàn)FT主要用于固定信號(hào)的分析（即信號(hào)在采樣期間的頻率變化不大）或者只需要求取每個(gè)頻率分量的平均能量。

88、</p><p><b>　　圖4－9</b></p><p>　　2．流程圖中的Array Size 函數(shù)用來根據(jù)樣本數(shù)轉(zhuǎn)換FFT的輸出，得到頻率分量的正確幅值。</p><p>　　3．把該VI保存為LabVIEW\Activity目錄中的FFT_2sided.vi。</p><p>　　4．選擇頻率（Hz）=10，

89、采樣率= 100，樣本數(shù)= 100。執(zhí)行該VI。注意這時(shí)的時(shí)域圖和頻譜圖。因?yàn)椴蓸勇?樣本數(shù)= 100 ，所以時(shí)域圖中的正弦波的周期數(shù)與選擇的頻率相等，即可以顯示10個(gè)周期。（如果把頻率改成5，那么就會(huì)顯示5個(gè)周期）</p><p><b>　　圖4－10</b></p><p>　　5．檢查頻譜圖可以看到有兩個(gè)波峰，一個(gè)位于10Hz,另一個(gè)位于90Hz，90Hz處的

90、波峰實(shí)際上是10Hz處的波峰的負(fù)值。因?yàn)閳D形同時(shí)顯示了正負(fù)頻率，所以被稱為雙邊FFT。</p><p>　　6．先后令頻率=10、20（Hz），執(zhí)行該VI。注意每種情況下頻譜圖中波峰位置的移動(dòng)。</p><p>　　觀察頻率等于10和20時(shí)的時(shí)域波形。注意哪種情況下的波形顯示更好，并解釋原因。</p><p>　　7．因?yàn)閒s = 100 Hz，所有只能采樣頻率低于

91、50Hz的信號(hào)（奈奎斯特頻率＝fs/2）。把頻率修改為48Hz，可以看到頻譜圖的波峰位于± 48 Hz。</p><p>　　8．把頻率改為52HZ，觀察這時(shí)產(chǎn)生的圖形與第5步產(chǎn)生的圖形的區(qū)別。因?yàn)?2大于奈奎斯特頻率，所以混頻偏差等于|100 – 52| = 48 Hz。</p><p>　　9．把頻率改成30和70Hz，執(zhí)行該VI。觀察這兩種情況下圖形是否相同，并解釋原因。&

92、lt;/p><p>　　10.按照下圖修改流程圖。上面已經(jīng)知道因?yàn)镕FT含有正負(fù)頻率的信息，所以可以FFT具有重復(fù)信息?，F(xiàn)在這樣修改之后只顯示一半的FFT采樣點(diǎn)（正頻率部分）。這樣的方法叫做單邊FFT。單邊FFT只顯示正頻部分。注意要把正頻分量的幅值乘以2才能得到正確的幅值。但是，直流分量保持不變。（若程序中考慮含直流分量的情況，應(yīng)當(dāng)增加一個(gè)分支或case結(jié)構(gòu)。</p><p><b&g

93、t;　　圖4－11</b></p><p>　　11．設(shè)置頻率（Hz） = 30，采樣率= 100，樣本數(shù)= 100， 運(yùn)行該VI。</p><p>　　12．保存該VI為LabVIEW\Activity目錄下的FFT_1sided.vi。</p><p>　　13．把頻率改為70Hz，執(zhí)行該VI，觀察這時(shí)產(chǎn)生的圖形與第9步產(chǎn)生的圖形的區(qū)別。</p

94、><p>　　4.3軟面板的設(shè)計(jì)　</p><p>　　4.3.1 儀器面板和參數(shù)設(shè)置</p><p>　　前面板是用戶接口，即交互式界面，用于用戶輸入各種控制參數(shù)、觀察輸出量和顯示輸出信號(hào)波形。在前面板中，使用了各種仿真圖標(biāo)，旋鈕、開關(guān)等，并以數(shù)字顯示或?qū)崟r(shí)波形圖等控件模擬真實(shí)儀器的面板，在使用中直接通過鼠標(biāo)和鍵</p><p>　　盤設(shè)定信號(hào)

95、的相關(guān)參數(shù)。虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的前面板，主要由以下幾個(gè)部分組成：</p><p>　　(1)電源部分：包含電源開關(guān)和電源指示兩個(gè)布爾控件；</p><p>　　(2)信號(hào)類型選擇部分：包含一個(gè)公式波形輸入控件和一個(gè)菜單下拉列表控件；</p><p>　　(3)頻率調(diào)節(jié)部分：包含一個(gè)頻率調(diào)節(jié)數(shù)值旋鈕控件，一個(gè)頻率顯示的數(shù)值顯示控件，一個(gè)頻率檔位選擇的枚舉控件和兩個(gè)頻率

96、單位指示的布爾控件；</p><p>　　(4)幅度、初相位、偏移量和占空比調(diào)節(jié)部分：分別包含一個(gè)幅度、初相位、偏移量和占空比的調(diào)節(jié)數(shù)值旋鈕控件和數(shù)值顯示控件；</p><p>　　(5)采樣信息調(diào)節(jié)部分：包含了采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的數(shù)值輸入控件以及兩個(gè)數(shù)值顯示控件：</p><p>　　(6)波形顯示部分：包含一個(gè)輸出波形的波形圖控件和一個(gè)輸出修飾控件。</p

97、><p>　　數(shù)據(jù)采集模塊式虛擬信號(hào)發(fā)生器軟件的核心，主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，數(shù)據(jù)的讀取及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集卡通過多路開關(guān)、A/D 轉(zhuǎn)換新片和數(shù)據(jù)緩存的幾個(gè)部件將多通道的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并貯存在其緩存中，而計(jì)算機(jī)通過LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集VI對(duì)數(shù)據(jù)采集卡中的幾個(gè)部件的運(yùn)作進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)之間通過計(jì)算機(jī)總線含通信，交換數(shù)據(jù)和控制信息?！?lt;/p><p>　　（1） Sel

98、cetDevicePop.Vi用戶選擇數(shù)據(jù)采集卡，DeviceOpen.Vi加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序到內(nèi)存，并確定設(shè)備的類型，完成對(duì)設(shè)備的類型，完成對(duì)設(shè)備的初始化，使設(shè)備做好I/O準(zhǔn)備工作。若設(shè)備驅(qū)動(dòng)成功返回一個(gè)非0的設(shè)備句柄，若失敗則返回0。利用MAIConfig.Vi配置多通過模擬輸入所需的參數(shù)。 （2） 利用一個(gè)While循環(huán)以及MAIVohageIn.Vi將采集到的數(shù)據(jù)不停地從設(shè)備的緩存中讀出。 （3） 完成數(shù)據(jù)

99、采集后，利用DeviceClose.Vi關(guān)閉打開的設(shè)備，如果程序出錯(cuò)，提示信息顯示在Errmsg指示中。 </p><p>　?。?） 波形實(shí)時(shí)顯示設(shè)計(jì)通過LabView的Waveform Chant控件實(shí)現(xiàn)波形的實(shí)時(shí)顯示；旋轉(zhuǎn)位置旋鈕時(shí)可以調(diào)整波形的位置，旋轉(zhuǎn)VOLTS/DIV旋鈕時(shí)可以調(diào)整波形的幅值比例；調(diào)整SEC/DIV旋鈕時(shí)可調(diào)整波形的時(shí)間分度值一個(gè)多通道波形數(shù)據(jù)采集的過程一般包括以下幾個(gè)步驟：</

100、p><p>　　(1)數(shù)據(jù)采集卡有關(guān)的采樣參數(shù)（采集頻率、采集次數(shù)、采集通道、數(shù)據(jù)緩存的大?。?lt;/p><p>　　(2)采樣開始，多路開關(guān)對(duì)采樣通道進(jìn)行一次掃描，每個(gè)通道采樣一個(gè)點(diǎn)。</p><p>　　(3)A/D 轉(zhuǎn)換。</p><p>　　(4)數(shù)字信號(hào)存到數(shù)據(jù)緩存。</p><p>　　(5)重復(fù)（2）~（4），

101、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>　　4.3.2波形的產(chǎn)生與調(diào)節(jié)</p><p>　　利用Open/Creat/Replace.Vi建立存放數(shù)據(jù)文件的路徑、格式、名稱，Write File控件把采集的數(shù)據(jù)寫入事先建好的數(shù)據(jù)文件內(nèi)；Get Date/Time

102、 String控件是用來獲取每個(gè)時(shí)刻存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)間；Array To Spreadsheet String控件是把采集卡采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式整理，輸出到Concatenate Strings控件內(nèi)，在此控件內(nèi)把采集的數(shù)據(jù)再次整理，形成可回放顯示的字符串，為回放測(cè)量模塊做準(zhǔn)備。 </p><p>　　在程序運(yùn)行開始時(shí)先設(shè)定好存儲(chǔ)路徑，在需要存儲(chǔ)時(shí)，按下存儲(chǔ)按鈕，便立刻對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；當(dāng)按下停止按鈕停止存儲(chǔ)數(shù)

103、據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的及時(shí)存取。</p><p>　　本儀器功能主要包括四類函數(shù)信號(hào)---正弦波、方波、三角波、鋸齒波的輸出，頻率的倍乘與微調(diào)相結(jié)合，以及實(shí)現(xiàn)輸出波形的直流偏置、電壓幅度的控制等功能。具體指標(biāo)如如表4－3所示：</p><p>　　表4－3 虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器性能指標(biāo)</p><p>　　虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><

104、;p>　　軟件部分采用專業(yè)的LabVIEW6i圖形化虛擬儀器開發(fā)工具。虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器主要由軟件完成輸出波形信號(hào)的產(chǎn)生和輸出信號(hào)頻率的顯示。輸出波形頻率的變化的具體實(shí)現(xiàn)是將波形數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)采集卡的緩沖區(qū)當(dāng)中，通過設(shè)置緩沖區(qū)的更新頻率（改變內(nèi)部的時(shí)鐘頻率）來實(shí)現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)頻率的變化。該過程主要運(yùn)用了Labview中的數(shù)據(jù)采集子模塊中的AO START 功能模塊。從實(shí)現(xiàn)功能的角度來說，本次設(shè)計(jì)的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的功能結(jié)構(gòu)主要包括兩大

105、功能模塊：波形產(chǎn)生模塊（FG模塊）和頻率單位變化控制（DISPLAY）模塊。波形產(chǎn)生模塊又調(diào)用FGEN模塊。FGEN模塊為數(shù)字波形產(chǎn)生模塊。</p><p>　　波形產(chǎn)生模塊是虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器軟件的核心。利用該模塊可實(shí)現(xiàn)正弦波、方波、鋸齒波、三角波等波形。正弦波的產(chǎn)生原理是通過調(diào)用sin(x)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。在本次設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)每一正弦波周期由1000點(diǎn)組成，利用類似C語言中的For循環(huán)為x 賦值，這樣執(zhí)行一次For循

106、環(huán)，便可以產(chǎn)生生成一個(gè)周期正弦波所需的數(shù)據(jù)，然后利用While 循環(huán)，使程序反復(fù)執(zhí)行，就可以連續(xù)輸出正弦波形。方波、鋸齒波、三角波的產(chǎn)生原理與正弦波產(chǎn)生原理相近,都是通過數(shù)學(xué)運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)代表波形的數(shù)字序列。與模擬信號(hào)相比，利用軟件的方法產(chǎn)生的波形數(shù)字序列雖然存在著一定的誤差，但只要一個(gè)周期內(nèi)選的點(diǎn)數(shù)足夠的多，就可以使誤差降到最低，對(duì)結(jié)果的影響最小。利用軟件產(chǎn)生波形的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是使儀器的成本大大降低，而且使儀器小型化，智能化。波形產(chǎn)生模

107、塊的前面板如圖4－12所示，波形產(chǎn)生模塊的程序框圖如圖4－13所示。</p><p>　　圖4－12波形產(chǎn)生模塊的前面板</p><p>　　圖4－13波形產(chǎn)生模塊的程序</p><p><b>　　4．4實(shí)現(xiàn)效果圖</b></p><p>　　多功能虛擬信號(hào)發(fā)生器的前面板設(shè)計(jì)模仿傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器形式，利用軟件生成了顯示窗

108、、調(diào)節(jié)旋鈕、開關(guān)鍵等部件，但儀器的操作、調(diào)節(jié)均由鼠標(biāo)操作完成。最終實(shí)現(xiàn)了三角波，正弦波與鋸齒波三個(gè)波形圖。</p><p><b>　　正弦波如圖：</b></p><p><b>　　圖4－14</b></p><p><b>　　三角波如圖：</b></p><p><

109、;b>　　圖4－15</b></p><p><b>　　鋸齒波如圖：</b></p><p><b>　　圖4－16</b></p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本文設(shè)計(jì)的多功能虛擬信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量、分析、處理功能

110、，節(jié)省了測(cè)量時(shí)間，提高了參數(shù)測(cè)量的精度，實(shí)現(xiàn)了波形、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示，具有相位差的自動(dòng)計(jì)算與顯示功能。多功能虛擬信號(hào)發(fā)生器的波形打印、暫停等功能也為儀器的使用帶來了方便。實(shí)踐證明，在計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源和軟件資源下，利用LabVIEW 圖形化編程語言，設(shè)計(jì)出了功能強(qiáng)大、操作方便的多功能虛擬數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，與傳統(tǒng)儀器比較，它有許多優(yōu)點(diǎn):軟件開發(fā)效率高，儀器開發(fā)周期短;可操作性和可維護(hù)性好;不動(dòng)硬件，可通過軟件重構(gòu)，產(chǎn)生新的儀器功能;硬件具