【正文】 因此，無論哪種虛擬儀器系統(tǒng)都是將硬件設(shè)備搭載到臺(tái)式PC、工作站或筆記本電腦等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的，實(shí)現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)的全數(shù)字化的采集測試分析。因此虛擬儀器的發(fā)展完全跟計(jì)算機(jī)的發(fā)展同步，顯示出虛擬儀器的靈活性。（2）虛擬儀器的組成從功能上講，虛擬儀器通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來，完成對(duì)被測量的采集、分析、處理、顯示、存儲(chǔ)、打印等功能，因此，與傳統(tǒng)儀器一樣，虛擬儀器可劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示三大功能模塊。圖12所示為其內(nèi)部功能框圖。虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測試能力結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了儀器的功能。；數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析處理；結(jié)果表達(dá)模塊則講采集到的數(shù)據(jù)和分析后的結(jié)果表達(dá)出來。 虛擬儀器構(gòu)成方式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，其結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示。 虛擬儀器結(jié)構(gòu)框圖（1）硬件平臺(tái)獲取取測試對(duì)象的被測信號(hào)，由計(jì)算機(jī)和I/O接口設(shè)備組成[4]。計(jì)算機(jī)是虛擬儀器硬件平臺(tái)的核心，一般為PC或者工作站。I/O接口設(shè)備是為計(jì)算機(jī)配置的電子測量儀器硬件模塊，主要包括各種傳感器、信號(hào)調(diào)理器、模擬數(shù)字/轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)、數(shù)據(jù)采集器(DAQ)，GPIB總線儀器、VXI總線儀器、串口儀器等。虛擬儀器構(gòu)成方式有五種類型，如圖14所示。無論哪種VI系統(tǒng)，都是通過應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計(jì)算機(jī)相結(jié)合。 虛擬儀器構(gòu)成方式（2）軟件平臺(tái)虛擬儀器軟件控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能。包括接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用程序。接口軟件是為虛擬儀器驅(qū)動(dòng)層提供信息傳遞的底層軟件，是實(shí)現(xiàn)開放、靈活的虛擬儀器的基礎(chǔ)。接口軟件的功能是直接對(duì)儀器進(jìn)行控制，完成數(shù)據(jù)讀寫；儀器驅(qū)動(dòng)程序是連接虛擬儀器應(yīng)用軟件與接口軟件的紐帶和橋梁，其功能是為虛擬儀器應(yīng)用軟件層提供抽象的儀器操作集；虛擬儀器應(yīng)用軟件直接面對(duì)操作用戶，提供了快捷、友好的測控操作界面，以及圖形、圖表等數(shù)據(jù)顯示方式。本章主要說明了設(shè)計(jì)的技術(shù)背景，即使用虛擬儀器設(shè)計(jì)頻率特性測試儀，與傳統(tǒng)方法相比具有很大的優(yōu)勢。并簡述了虛擬儀器的特點(diǎn)、分類及組成，使自己對(duì)虛擬儀器的了解更加深刻，也為后面的設(shè)計(jì)做了鋪墊。第二章 虛擬頻率特性測量儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)頻率特性測試儀也稱掃頻儀[5]，用于測試網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性，在現(xiàn)代電子測量中占有重要的位置。運(yùn)用掃頻技術(shù)的頻率特性測試儀可以對(duì)被測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)測量，得出被測網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的實(shí)時(shí)測量結(jié)果。國外頻率特性儀研制生產(chǎn)廠家主要有美國Agilent公司和Anritsu公司以及ADV公司[6]。1983年推出了第一部有微處理器的微波頻率特性分析儀8510型，同軸測量頻率范圍：45MHz~。1986年推出了既有良好的性能又有自動(dòng)測量能力的8753型自動(dòng)化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，成為業(yè)界頻率特性測試儀的標(biāo)準(zhǔn)。1989年同軸參數(shù)測量系統(tǒng)上限頻率擴(kuò)展到40GHz。1990年，毫米波波導(dǎo)反射/傳輸測試裝置工作頻率范圍擴(kuò)展到110GHz。2000年底的PNA系列300KHz~3GHz的E8356A；300KHz~6GHz的E8357A；30KHz~9GHz的E8358A。在低頻方面，有HP3589A，其頻率特性范圍10Hz~150MHz。英國SOLARTRON公司有1250，1253，1255A，1255B，1260A。它可以作單點(diǎn)、離散正弦頻率掃描，獲得幅頻響應(yīng)或相頻響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線。1250的頻率范圍為10μHz~，可以用于測量增益、相位、交流阻抗。1253的頻率測量范圍為1mHz~20KHz，幅度和相位精度分別達(dá)到1%和1度。1255A的頻率測量范圍為10uHz~1MHz，%。1260A的頻率測量范圍為10uHz~32MHz，%，該型號(hào)的最大特點(diǎn)是精度高，是該公司的目前精度最高的網(wǎng)絡(luò)分析儀[7]。2005年初，日本NF的回路設(shè)計(jì)公司相繼推出了FRA509FRA509FRA5010A三款頻率特性分析儀[8]。這三款產(chǎn)品的主要用于測量低頻網(wǎng)絡(luò)。~；~15MHz；FRA5010A測量頻率范圍為10mHz~20KHz；它們的增益精度dB、相位精度度，這三款產(chǎn)品的屬于高端產(chǎn)品，價(jià)格相當(dāng)昂貴。2005年，韓國LG公司也推出了它的一款頻率特性分析儀SA7270A，可以測量到9KHz~。國內(nèi)41所成功研制的AV3615分體式頻率特性測試儀，測量范圍：45MHz~110GHz。其一體式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測量范圍為：30KHz~30MHz，其動(dòng)態(tài)范圍90dB，頻率分辨率1Hz。從上述對(duì)市場上現(xiàn)有頻率特性測試儀產(chǎn)品的調(diào)查和分析，我們發(fā)現(xiàn)國外的頻率特性測試儀主要集中在射頻和高頻，中低頻的產(chǎn)品比較少，而且價(jià)格相當(dāng)昂貴，國內(nèi)的中低頻段的產(chǎn)品也很少，因此，確定本設(shè)計(jì)的頻率特性測試儀頻率范圍為10Hz~1MHz，輸出電平范圍：5~+5V。從頻率范圍及性能來看，國內(nèi)尚無此類產(chǎn)品，這類產(chǎn)品具有很大的市場價(jià)值。傳統(tǒng)的頻率特性測試儀主要由函數(shù)發(fā)生器和相關(guān)器組成[9]。（1）函數(shù)發(fā)生器：主要用來產(chǎn)生正弦信號(hào)，為被測系統(tǒng)提供激勵(lì)信號(hào)，，此脈沖進(jìn)入頻率組合器，同時(shí)由面板頻率控制旋鈕控制的信號(hào)細(xì)調(diào)混頻器將選定的工作頻率信號(hào)也送入頻率組合器，形成每周1688個(gè)脈沖送給數(shù)字振蕩器。數(shù)字振蕩器產(chǎn)生數(shù)字式正弦波和數(shù)字式余弦波，數(shù)字式正弦波經(jīng)過一個(gè)不接地的、獨(dú)立的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和三階濾波器即可獲得以階梯波逼近的正弦波，作為系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)。同時(shí)數(shù)字振蕩器將數(shù)字式正弦波和數(shù)字式余弦波輸出給相關(guān)器部分的乘法器。（2）相關(guān)器：主要接收被測系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)，進(jìn)行結(jié)果的計(jì)算分析與輸出。其相關(guān)原理為，被測系統(tǒng)的輸出信號(hào)經(jīng)一個(gè)不接地和獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將電壓轉(zhuǎn)換成脈沖，基頻振蕩正負(fù)半周脈沖數(shù)之差，正比于輸入幅度的大小。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出，經(jīng)過一個(gè)由面板頻率控制旋鈕控制的信號(hào)細(xì)調(diào)混頻器，使它與函數(shù)發(fā)生器同步，這樣，相關(guān)器便自動(dòng)權(quán)衡激勵(lì)頻率的周期?；祛l器輸出至兩個(gè)并列的數(shù)字式乘法器，分別與函數(shù)發(fā)生器的正弦波及余弦波相乘。正弦和余弦兩個(gè)通道上的積分器將乘法器的輸出，在激勵(lì)信號(hào)基頻整數(shù)倍的周期內(nèi)平均，此過程為相關(guān)，經(jīng)相關(guān)分析即能得出實(shí)頻特性和虛頻特性，并判定象限，在數(shù)字顯示器上分別顯示出來。頻率特性是一個(gè)系統(tǒng)（或元件）對(duì)不同頻率正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性。與傳遞函數(shù)一樣，頻率特性也是一種數(shù)學(xué)模型。它描述了系統(tǒng)的內(nèi)在特性，與外界因素?zé)o關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)給定了，則系統(tǒng)的頻率特性也完全確定。對(duì)于低頻電路網(wǎng)絡(luò)，若只關(guān)心電路系統(tǒng)的傳輸特性，可以用傳輸函數(shù)來描述。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以通過零輸入和零狀態(tài)響應(yīng)來求得，而無需知道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)等信息。實(shí)際上，只需考察平面上沿軸變化時(shí)的即可，就是系統(tǒng)的頻率特性，它是的一種以頻率為變量的圖形描述方法，其物理意義非常明顯，是實(shí)際應(yīng)用最多的系統(tǒng)特性的表示形式。頻率特性的定義為系統(tǒng)的輸出響應(yīng)與輸入響應(yīng)的比值。其中稱為系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)，通常取與的關(guān)系曲線稱為對(duì)數(shù)幅頻特性；為系統(tǒng)的相頻響應(yīng)；幅頻特性和相頻特性總稱為系統(tǒng)的頻率特性。 （）由于采用這種描述時(shí)，無須知道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和參數(shù)等信息，只需知道系統(tǒng)的輸入與輸出，而系統(tǒng)的輸入輸出又是可以通過測量來得到的，因而頻率特性動(dòng)有著重要的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值，在工程實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中都有著廣泛的應(yīng)用。基本的測量方法有兩種：動(dòng)態(tài)測量法和穩(wěn)態(tài)測量法[10]。（1）動(dòng)態(tài)測量法主要是指沖激響應(yīng)測量法，它利用被測網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng)來推算出網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。系統(tǒng)如圖21所示 系統(tǒng)輸入激勵(lì)與輸出響應(yīng)輸入激勵(lì)信號(hào)為，響應(yīng)信號(hào)為，系統(tǒng)的頻率特性可按式計(jì)算： （）當(dāng)輸入激勵(lì)為單位沖激函數(shù)，則輸出為系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)，式（）中的恒等于1，于是有 （）計(jì)算得到的為復(fù)數(shù)，包含了幅頻特性和相頻特性的完整信息。采用這種方法時(shí)，要制作沖激脈沖，并對(duì)輸出響應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換。在實(shí)際應(yīng)用中，不可能獲得理想的脈沖，但只要脈沖信號(hào)足夠窄，能保證有足夠的頻帶寬度即可。由于窄脈沖的激勵(lì)能量小，輸出響應(yīng)的信噪比小，因而影響測量精度。可采用重復(fù)激勵(lì)的辦法，將每一個(gè)激勵(lì)輸出相加，來提高網(wǎng)絡(luò)輸出的響應(yīng)信號(hào)的信噪比，因?yàn)樵肼暈殡S機(jī)信號(hào)，在多次相加中將互相抵消。通常重復(fù)激勵(lì)的次數(shù)可多達(dá)幾十次。對(duì)于窄帶網(wǎng)絡(luò)，其建立時(shí)間長，多次激勵(lì)的方法將降低測試速度，另一個(gè)問題是寬帶網(wǎng)絡(luò)的輸出響應(yīng)信號(hào)頻帶寬，要求采用高速的A/D。這就限制了這種方法在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用。所以沖激響應(yīng)測試法只被用于低頻系統(tǒng)的測量中。（2）穩(wěn)態(tài)測量法穩(wěn)態(tài)測量法的被測系統(tǒng)為線性非時(shí)變網(wǎng)絡(luò)，其測量過程是：將信號(hào)源加到被測網(wǎng)絡(luò)的輸入端，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為這種測量方法對(duì)于每一個(gè)特定的，通過被測網(wǎng)絡(luò)后得到一個(gè)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，是一種穩(wěn)態(tài)測量法。響應(yīng)信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值比即為該頻率的幅頻響應(yīng)值，而兩者的相位差即為相頻響應(yīng)值，可以采用頻率逐點(diǎn)步進(jìn)或頻率連續(xù)變化的方法，完成整個(gè)頻率特性的測量。為了使每次測量輸出電壓時(shí)，被測系統(tǒng)輸出響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，無論是逐點(diǎn)改變頻率，還是連續(xù)掃頻，其頻率的變化都不能太快，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的輸出響應(yīng)與系統(tǒng)的建立時(shí)間有關(guān)。系統(tǒng)的建立時(shí)間的長短與系統(tǒng)的帶寬成反比，即帶寬越窄，過渡過程時(shí)間越長，測量時(shí)頻變化的速度應(yīng)該越慢。頻率連續(xù)的變化通常稱為“掃頻”，因而也稱采用這種方法測量頻率特性的儀器為掃頻儀。動(dòng)態(tài)測量法，需要制作一個(gè)質(zhì)量較高的沖激激勵(lì)脈沖信號(hào)源，或者頻譜和統(tǒng)計(jì)特性滿足測量要求的任意波形或序列信號(hào)，還需要一定的數(shù)據(jù)采集速度以及數(shù)字信號(hào)處理計(jì)算能力。這種方法的好處是無需制作掃頻信號(hào)源。穩(wěn)態(tài)測量法需要制作一個(gè)頻率可步進(jìn)或可掃頻的并符合相應(yīng)指標(biāo)要求的正弦信號(hào)源，適用于很寬的頻段，缺點(diǎn)是每次測量的是網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，需要等待網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，測量時(shí)間比較長。綜合考慮上面兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用穩(wěn)態(tài)測量法。虛擬儀器在自動(dòng)測量、自動(dòng)控制領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景[11]，基于虛擬儀器技術(shù)的頻率特性儀是以機(jī)為核心，以美國國家儀器公司的為軟件開發(fā)平臺(tái)，配以硬件接口電路構(gòu)成整個(gè)儀器。頻率特性測試儀結(jié)構(gòu)框圖如圖22所示。硬件接口板的主要功能是完成被測系統(tǒng)輸入信號(hào)的產(chǎn)生和被測系統(tǒng)輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，計(jì)算機(jī)將根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)包括元、器件的性能指標(biāo)，包括時(shí)域和頻域指標(biāo)，并以圖形等方式顯示出來。 虛擬頻率特性測試儀的組成框圖課題的主要設(shè)計(jì)任務(wù)是掃頻信號(hào)的發(fā)生及以計(jì)算機(jī)為核心信號(hào)采集和處理的設(shè)計(jì)。掃頻信號(hào)發(fā)生器的主要功能是產(chǎn)生幅值恒定、頻率變化的信號(hào)作為被測系統(tǒng)的輸入信號(hào)；數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是完成對(duì)被測系統(tǒng)輸入信號(hào)和被測系統(tǒng)輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)采集；計(jì)算機(jī)將根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將幅頻特性和相頻特性以圖形等方式顯示出來。系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成。掃頻信號(hào)源的產(chǎn)生，主要為系統(tǒng)提供信號(hào)源掃頻信號(hào)源簡稱頻率源是掃頻儀的重要部件，主要用于產(chǎn)生測試用正弦掃頻信號(hào)，其掃頻范圍應(yīng)是可調(diào)的，掃頻規(guī)律是線性的或?qū)?shù)的，掃頻信號(hào)的幅度應(yīng)等幅的。頻率源的性能直接影響著掃頻儀的性能好壞。直接數(shù)字合成頻率技術(shù)主要通過相位累加查表方法實(shí)現(xiàn)任意波形合成，它將波形幅值數(shù)據(jù)存在波形存儲(chǔ)器中，調(diào)節(jié)頻率控制字，并在恒定時(shí)鐘源的激勵(lì)下讓相位累加器以頻率控制字為間隔采樣波形存儲(chǔ)器中所存波形，最后經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出波形。數(shù)據(jù)采集部分，主要是數(shù)據(jù)采集卡NI USB6251采集輸入信和輸出信號(hào)。NI USB6251是一款高速M(fèi)系列多功能DAQ模塊，在高采樣率下也能保持高精度。NI USB6251提供了16路模擬輸入；（總計(jì)1MS/s）；2路模擬輸出；24路數(shù)字I/O；高達(dá)1MHz的USB總線關(guān)聯(lián)數(shù)字I/O，若使用板載波形再發(fā)生器則關(guān)聯(lián)數(shù)字I/O可高達(dá)10MHz；每條輸入通道包括7檔可編程的輸入范圍（177。100mV~177。10V）；模擬和數(shù)字觸發(fā)，以及兩個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。它與計(jì)算機(jī)一起構(gòu)成了系統(tǒng)的硬件環(huán)境，是應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)。該部分工作時(shí)將被測系統(tǒng)的激勵(lì)和響應(yīng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理部分，主要進(jìn)行軟件處理。數(shù)據(jù)處理是虛擬系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，由于虛擬儀器是建立在通用計(jì)算機(jī)之上，因此可充分利用自身軟件的優(yōu)勢，具有方便靈活、功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)儀器無法比擬的。本課題研制的虛擬儀器系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)軟件編程，實(shí)時(shí)、直接地對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和數(shù)字處理，如完成DFT、FFT運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波等，然后以各種方式輸出處理，具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。儀器面板部分，主要進(jìn)行操作控制和結(jié)果顯示該部分賦予測試系統(tǒng)特有的功能，可以直接控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序，系統(tǒng)通過底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作對(duì)象相對(duì)應(yīng)的各種控件。這些控件中集成了對(duì)應(yīng)儀器的程控信息，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形用戶界面，虛擬儀器可以采用多種方式顯示采集數(shù)據(jù)、分析結(jié)果和控制過程，真正做到“界面友好，人機(jī)交互”，用戶通過“虛擬”操作界面向虛擬儀器以出各種測試指令，虛擬儀器則通過它向用戶傳遞系統(tǒng)的狀態(tài)與測量結(jié)果。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)與方便，虛擬儀器的“虛擬”在很大程度上也體現(xiàn)在這種模仿真實(shí)儀器操作面板的虛擬面板上。本章主要概述了頻率特性測試儀的發(fā)展歷史，以及電路頻率特性的基本概念和測量方法，最后簡述了使用LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬頻率特性測試儀的總體方法，并主要化分了3個(gè)模塊。這也使整體的設(shè)計(jì)有了具體的步驟。第三章 各模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案掃頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)中的最重要的部分，它的主要任務(wù)是使數(shù)據(jù)采集卡NI USB6251產(chǎn)生一個(gè)幅值不變，頻率變化的正弦波。且頻率的帶寬范圍滿足：10H~1MHz；頻率步進(jìn)1Hz。有多種方法可用來分配測量的頻率點(diǎn)或確定頻率步長，最常見的方法是在掃頻范圍內(nèi)等分地產(chǎn)生各個(gè)頻率，即采用等步長的方法。這種方法的主要缺點(diǎn)是在高頻部分取點(diǎn)過多，掃描過慢。這里采用的策略是按對(duì)數(shù)坐標(biāo)中的頻率軸（即橫軸）取等間隔步長（例如，掃描范圍為10~1Mz，則把lg10~lg1000000等間隔分開，取對(duì)應(yīng)個(gè)點(diǎn)的頻率），這樣可以較好的兼顧不同頻段的曲線特性。頻率計(jì)算公式如下：