【正文】 數(shù)據(jù)位進行加法，輸出一個結(jié)果位，不考慮低位數(shù)據(jù)的進位，產(chǎn)生進位輸出的加法器電路。輸入信號：A、B；輸出信號：本位和S，向高位的進位C。邏輯表達式為： S= A⊕B，C =AB。根據(jù)其邏輯關(guān)系用LabVIEW編寫程序框圖，如圖12所示。圖12半加器程序框圖前面板如下：其實現(xiàn)功能為：當(dāng)單獨按開關(guān)A或B時S亮，當(dāng)開關(guān)A，B同時開時C亮，S暗。 在相加的過程中，除最低位外，其余各位既要考慮本位的被加數(shù)Ai和Bi，還要考慮低位向本位的進位Ci1，就是說低位的Ci1也作為一個獨立的變量參與運算。因此，所謂全加就是求取三個變量（本位Ai、加數(shù)Bi輸入以及低位向本位進位Ci1）的和S及本位向高位的進位Ci。因為全加器是基于半加器做成的，其中部分電路是半加器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能將半加器打包成一個子程序，作為VI模塊調(diào)用。如圖13所示。圖13全加器程序框圖前面板如下：在二維二進制比較器的設(shè)計中，比較它們是否相等，當(dāng)A1A0和B1B0相等時，S燈亮，即兩數(shù)相等，反之，不相等。程序如圖14所示。圖14比較器程序框圖前面板如下：在雙向同步計數(shù)器的設(shè)計中，通過控制UP/DOWN鍵，當(dāng)UP/DOWN鍵為1時，隨著計數(shù)脈沖的不斷輸入而作遞增計數(shù)；當(dāng)UP/DOWN鍵為0時，隨著計數(shù)脈沖的不斷輸入而作遞減計數(shù)。即此計數(shù)器可作為加減用的同步雙向計數(shù)器。因為雙向同步計數(shù)器是基于JK觸發(fā)器做成的，其中部分電路是JK觸發(fā)器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能將JK觸發(fā)器打包成一個子程序，作為VI模塊調(diào)用，其程序如圖15所示。圖15雙向同步計數(shù)器的程序框圖前面板如下：在與非門的實驗中，由于其比較簡單，設(shè)計起來也比較簡單，在這不過多的敘述了。程序框圖如圖16所示。圖16與非門的程序框圖前面板如下： D觸發(fā)器的設(shè)計其功能為輸入為1時，輸出為1；輸入為0時，輸出亦為0，輸出Q與輸入D保持一致。其程序框圖如圖17所示。圖17 D觸發(fā)器的程序框圖前面板如下： JK觸發(fā)器的設(shè)計在JK觸發(fā)器的設(shè)計中，JK表示兩個信號的輸入端，CLK是脈沖輸入端，Q與 為兩個互補輸出端。 JK觸發(fā)器的狀態(tài)方程為Qn+1 ＝Jn＋Qn，JK觸發(fā)器常被用作緩沖存儲器，移位寄存器和計數(shù)器。其程序框圖如圖18所示。圖18 譯碼器程序框圖其前面板如下： 譯碼器的設(shè)計此設(shè)計的是3線－8線譯碼器74LS138，其中 A2 、A1 、A0 為地址輸入端，～為譯碼輸出端，S為使能端。其功能為：當(dāng)S1＝1，＋＝0時，器件使能，地址碼所指定的輸出端有信號（為0）輸出，其它所有輸出端均無信號（全為1）輸出。當(dāng)S1＝0，＋ ＝X時，或 S1＝X，＋＝1時，譯碼器被禁止，所有輸出同時為1。其程序框圖如圖19所示。圖19 譯碼器的程序框圖前面板如下：第二章 虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計與實現(xiàn)虛擬示波器是將模擬信號經(jīng)過抽樣量化，以二進制數(shù)字形式存儲在計算機的存儲器中，并以數(shù)字方式輸出。其頻率分辨率取決于信號樣本長度，只要存儲的容量足夠大，存儲的信號樣本足夠多，頻率分辨率就足夠高。分析精度取決于量化誤差和計算機的字長，只要保證量化誤差在一定的范圍內(nèi)和有足夠的計算機的字長，即可實現(xiàn)高精度測量，至于處理速度，完全取決于計算機的運行速度。由于計算機技術(shù)的高速發(fā)展，以個人計算機為核心的虛擬示波器實現(xiàn)實時處理是非常容易的。其主要特點是:(l)處理速度快處理速度對于一個具有信號分析功能的設(shè)備來說是非常重要的，它不僅直接影響工作效率，而且還影響到分析的質(zhì)量。用本示波器的FFT功能處理1024點數(shù)據(jù)僅以毫秒為計時單位，這就能更正確地反映被分析信號的特征。(2)多功能傳統(tǒng)儀器大多是單功能的儀器，一臺儀器只能完成一種固定功能，如濾波器、頻譜分析儀、信號發(fā)生器等。但是本儀器卻是一種多功能的綜合設(shè)備，例如，可以對信號進行頻譜分析、相位分析等。集許多功能于一身。是一種理想的示波和分析系統(tǒng)。(3)頻率分辨率高模擬信號處理的一個很大的缺點是頻率的分辨率不高，這主要原因是模擬濾波器的通帶不可能做的很窄，它受到技術(shù)的限制。但虛擬示波器采用數(shù)字運算，頻率分辨率取決于被分析信號的長度，即信號的持續(xù)時間，使信號的持續(xù)時間是T，則頻率分辨率為△f=1/T。只要T足夠長，分辨率就足夠高。例如，若抽樣頻率為IkHz，樣本數(shù)取1024點(相當(dāng)于T=ls)，則頻率分辨率為IHz。(4)分析精度高，穩(wěn)定可靠在虛擬示波器中，影響系統(tǒng)精度的因素主要有兩個:A/D轉(zhuǎn)換器精度和數(shù)字運算所取的字長。本文中A/D轉(zhuǎn)換器選用12位，轉(zhuǎn)換誤差小于ILSB，運算中字長的選擇和減小計算誤差的措施可以保證所要求的計算精度。本儀器是一個數(shù)字處理系統(tǒng)，具有數(shù)字計算機的基本結(jié)構(gòu)，從而具備了重復(fù)性好、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。(5)虛擬示波器不僅具有一般儀器所具有的操作面板，還具有計算機常用的輸入輸出設(shè)備，還可隨時在計算機磁盤中對采集到的數(shù)據(jù)進行讀寫操作，給用戶提供了極大的方便。創(chuàng)建虛擬儀器的過程共分三步：(1)設(shè)計虛擬儀器的前面板。虛擬儀器的交 互式用戶接口被稱為前而板，它是模仿實際儀器的面板。前面板包含旋鈕、按鈕， 圖形和其他控制與顯示對象，通過鼠標(biāo)和鍵盤為控制對象輸入數(shù)據(jù)，在計算機屏 幕上觀看結(jié)果。(2)編寫虛擬儀器流程圖。流程圖是一個編程問題的圖形化解決 方案(也是虛擬儀器的源代碼)。虛擬儀器從流程圖中接受命令。(3)確定虛 擬儀器的圖標(biāo)和連接(表示某一虛擬子儀器)的參數(shù)列表，圖標(biāo)和連接允許將此儀 器作為最高級的程序，也可以作為其他程序或子程序中的程序(子儀器)。 采用模塊化的軟件設(shè)計思想編寫，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成，系統(tǒng)軟件總體包括數(shù)據(jù)采集、參數(shù)測量、頻譜分析、濾波及數(shù)據(jù)存儲和回放等模塊，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、記錄、顯示等功能口l。系統(tǒng)組成如圖21：數(shù)據(jù)分析與處理軟面板計算機數(shù)據(jù)采集卡被測信號波形顯示圖21系統(tǒng)組成框圖 前面板設(shè)計LabVIEW前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實示波器的前面板。由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬示波器控制軟件的核心。設(shè)計前面板時，主要考慮界面美觀，操作簡潔，用戶可以通過前面板中的開關(guān)和旋鈕模擬傳統(tǒng)儀器的操作，通過鍵盤和鼠標(biāo)實現(xiàn)對虛擬示波器的控制。前面板上設(shè)有各個功能模塊按鈕，當(dāng)按下相應(yīng)按鈕時，即可調(diào)用該子程序。根據(jù)傳統(tǒng)示波器的面板控鍵的功能，利用LabVIEW中的控制模板，分別在設(shè)計面板上放入模擬實際控鍵的顯示器、通道選擇控鍵、垂直增益控鍵、觸發(fā)源、觸發(fā)電平、時基控制等。例如：打開LabVIEW前面板編輯窗口，點擊鼠標(biāo)右鍵，顯示控制模板，選擇Graph》Waveform Graph，作為示波器的顯示器，它可以顯示一個或多個波形。在顯示器模板上點擊鼠標(biāo)右鍵，對其進行屬性設(shè)置，如根據(jù)示波器的頻率與幅度值的變化，利用工具模板中的文字工具，對顯示器橫(時間)、縱(幅度)坐標(biāo)的刻度重新設(shè)置。用Graph控鍵設(shè)計的示波器是完全同步的，波形穩(wěn)定。點擊Show Control Palette》Classic Controls》Boolean》Horizontal Slide Switch選擇開關(guān)，設(shè)置觸發(fā)斜坡控鍵(極性)，開關(guān)可對正、負(fù)斜坡進行選擇。點擊Show Control Palette》Numeric》Dial作為選擇開關(guān)，設(shè)置掃描速率和垂直靈敏度等各種控鍵，它們使用的是同一種旋鈕式控鍵。根據(jù)控鍵所起作用和使用需要，對各控件進行性質(zhì)設(shè)置。如垂直靈敏度控鍵，設(shè)置三個刻度點(0．5Wdiv，1 V／div，2W div)，當(dāng)置于不同檔時，可改變波形的垂直方向的靈敏度?！皰呙杷俾省笨劓I的設(shè)置與“垂直靈敏度”相似，單位是“ms／div”，當(dāng)選擇不同檔位時，顯示器的橫坐標(biāo)刻度間隔分別以2ms／div，4ms／div和8ms／div變化，以達到改變波形的水平方向的掃描速度。按Boolean》Vertical Switch路徑，設(shè)置“通道選擇”控鍵。設(shè)置三個選擇檔，分別是“A”、“B”和“Aamp。B”，用來實現(xiàn)單通道和雙通道顯示的功能。軟面板程序用來提供用戶與虛擬示波器的接口。當(dāng)按下“采集”按鈕，然后運行程序就可以開始采集信號。用戶可以進行單通道和雙通道的任意切換：各種功能模塊的實現(xiàn)在面板上都對應(yīng)著相應(yīng)的按鈕，按下該按鈕就可以調(diào)出該模塊子程序。在子程序中按下返回鍵就回到主程序面板。設(shè)計的前面板如圖2—2所示。圖22虛擬示波器前面板 信號采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬示波器軟件的核心，主要完成數(shù)據(jù)的采集。包括觸發(fā)控制、通道控制和時基控制等。觸發(fā)控制主要包括觸發(fā)方式控制，觸發(fā)斜坡控制和觸發(fā)電平控制。通道控制主要控制單通道或者是雙通道測量。時基控制主要控制采集卡的掃描率及采樣數(shù)。采集中主要用到的函數(shù)有CreatDevice、InitDeviceProAD、ReadDeviceProAD_NotEmpty、ReleaseDeviceProAD和 ReleaseDevice。CreatDevice負(fù)責(zé)創(chuàng)建PCI設(shè)備對象，并返回其設(shè)備對象句柄。InitDeviceProAD負(fù)責(zé)初始化設(shè)備對象中的AD部件，為設(shè)備操作就緒有關(guān)工作，如預(yù)置AD采集通道，采樣頻率等。ReadDeviceProAD_NotEmpty讀取設(shè)備上的AD數(shù)據(jù)，ReleaseDeviceProAD釋放設(shè)備上的AD部件，ReleaseDevice釋放設(shè)備對象所占用的系統(tǒng)資源及設(shè)備對象自身。這個模塊主要由三個基本的功能模塊組成:電壓測量模塊、頻率和相位測量模塊、頻譜分析模塊組成。電壓測量模塊主要完成對電壓幅值、電壓有效值、電壓的頻率及周期等參數(shù)的測量，并將結(jié)果顯示出來。頻率和相位測量模塊主要是利用李沙育圖形來測量被測信號的頻率以及相位角。頻譜分析模塊主要是采用FFT變換，實現(xiàn)頻域信號的分析，包括幅值頻譜、相位頻譜以及功率譜分析。這三個功能模塊分別由三個子VI來實現(xiàn)的。本文開發(fā)的虛擬示波器是采用模塊化設(shè)計，借助于LabV工EW提供的可視化集成開發(fā)環(huán)境，我們可以很方便的設(shè)計出用戶所需要的虛擬儀器。本虛擬儀器的程序框圖如圖23所示。圖23虛擬示波器程序框圖該示波器是由一個主程序和幾個子程序組成的。每一個子程序?qū)嶋H上都是能實現(xiàn)一定功能、完成一定任務(wù)的虛擬儀器(通常稱為“子VI”)，主程序通過對子程序的調(diào)用，來實現(xiàn)信號的采集、分析、處理等功能，使虛擬示波器具有層次化和模塊化的結(jié)構(gòu)。下面對各主要子虛擬儀器(子Vl)做個簡介。(1)“通道選擇”子程序該子程序主要是實現(xiàn)對通道的選擇，有三種選擇方式:A通道、B通道、Aamp。B，選擇不同的通道可以實現(xiàn)對輸入信號的選取。(2) 數(shù)據(jù)存盤子程序該子程序可以實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進行存取，以備以后對數(shù)據(jù)進行分析和處理。(3)數(shù)據(jù)讀取子程序該子程序主要是實現(xiàn)對被保存數(shù)據(jù)的讀取和波形的回放，能直觀地觀察到被采集到的數(shù)據(jù)波形。 (4)頻譜分析子程序該子程序主要是通過短時傅立葉變換(FFT)實現(xiàn)信號的譜分析，這里主要包括幅值譜、相位譜和功率譜分析。當(dāng)然可以在這個基礎(chǔ)上根據(jù)你的實際需要進行改進，實現(xiàn)頻率響應(yīng)函數(shù)分析和相干函數(shù)分析。 (5)測量子程序該子程序主要是實現(xiàn)對電信號的相關(guān)參數(shù)進行測量，被測的參數(shù)包括交流有效值、支流分量、峰一峰值、最大值、最小值、振動幅值等等。從而得到被測信號的相關(guān)待測參數(shù)。（6)頻率和相位測量子程序該子程序的兩個主要功能是:通過李沙育圖形來確定被測信號的頻率和相位角。本小節(jié)討論了虛擬示波器的實現(xiàn)技術(shù)，并對信號的采樣技術(shù)和波形的顯示技術(shù)做了仔細(xì)的研究。虛擬示波器的軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，實現(xiàn)了數(shù)字存儲示波器的各種功能，并且在原有功能的基礎(chǔ)上增加了對信號的分析處理功能。基于LabvIEW強大的功能，軟件實現(xiàn)較為方便，有效地節(jié)省了開發(fā)的時間。第三章 基于虛擬儀器的實驗室設(shè)計方案任何一臺儀器從功能上來說無非由以下三大功能模塊組成：信號的采集與控制、信號的分析與處理、結(jié)果的表達與輸出。虛擬儀器就是將這三大模塊的功能盡可能用計算機來實現(xiàn)。大多數(shù)虛擬儀器是由計算機來完成信號的分析和處理、結(jié)果的表達與輸出這兩個功能塊的部分或全部功能。也就是說，虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面(GUI)的控制軟件組成，在軟件控制下，由模塊化儀器硬件進行測量信號的數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集完畢后，傳給計算機，軟件再進行數(shù)據(jù)的分析處理，通過圖形用戶界面等方式將結(jié)果顯示給用戶。虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成，參見圖31。