【正文】 9 頻譜分析模塊前面板 參數(shù)測(cè)量模塊 參數(shù)測(cè)量模塊總共測(cè)量了 14 個(gè)有關(guān)參數(shù)，分別為：周期平均值，周期均方根，直流值，反峰，正峰，峰峰值，均方根值，頻率，周期，連續(xù)期，占空比，前沖，過(guò)沖，邊沿斜率。 (3)離散傅立葉變換 (DFT) 離散傅里葉變換是指用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)式 dtetxwX jwt??????? )()( （ 45） dweXtx jw t?????? )(21)( ?? （ 46） 所表示的傅立葉正反變換的數(shù)值計(jì)算 離散傅里葉變換定義式 : 當(dāng)采樣點(diǎn) i=0,1,2… n,時(shí)，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ω =k﹡ 2π /NT,于是有離散傅里葉變換的定義如下： 正變換： 21 ktNt NNttnjk WixeiTxkX ?????? ?? ?? 10102 )()()( ? （ 47） 反變換： ktNNkktnjNk WkXNekXNtx????? ?? ?10210 )(1)(1)( ? （ 48） 算是式中的 NktjN eW ?2?? （ 49） 為復(fù)數(shù)因子。實(shí)際工程中的低通濾波器不可能有理想的低通特性，故采樣頻率需要更高，通常為ω S=(4~20) ω m。 (2) 采樣定理 信號(hào)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。現(xiàn)將在頻域20 中分析其頻譜的變化。 按照傅里葉級(jí)數(shù)的定義，凡是滿足狄利克雷條件的周期函數(shù)都能寫成傅里葉級(jí)數(shù)的形式，函數(shù)的周期為 T1，各次諧波成分的幅度值按以下各式計(jì)算： 直流分量 a0= dtTtt tfT ? ? 1001 )(1 （ 41） 余弦分量的幅度 an= dtTtt tntfT ? ? 100 11 )c o s ()(2 ? （ 42） 正弦分量的幅度 bn= dtTtt tntfT ? ? 100 11 )s in ()(2 ? （ 43） 其中 n=1,2,.....。可以在不同的縱坐標(biāo)單位之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換 。 本文中可以實(shí)現(xiàn)的頻譜分析控制包括 : (1)窗口選擇 :提供多種頻譜分析窗口。這樣的功能就依靠波形存儲(chǔ)回放顯示模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。該節(jié)點(diǎn)可設(shè)置參數(shù)是采樣頻率低通截止頻率、高通截止頻率、濾波器階數(shù)以及 4 種濾波器類型 (低通、高通、帶通和帶阻 )的選擇。 16 圖 42 系統(tǒng)總體前面板 圖 43 系統(tǒng)總體程序框圖 濾波器 利用濾波技術(shù)可以在被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)中提取所需要的信號(hào)，抑制不需要的干擾信號(hào)。枚舉 2 控制著系統(tǒng)的三個(gè)不同的功能模塊，即實(shí)時(shí)顯示，頻譜分析和參數(shù)測(cè)量模塊。 本系統(tǒng)包括了 27 個(gè)控件，其中輸入控件 12 個(gè)，顯示控件 15 個(gè)。 15 系統(tǒng)總體構(gòu)成 系統(tǒng)總體流程圖 圖 41 系統(tǒng)總體流程圖 Labview 前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出值，用于模擬真實(shí)示波器的前面板。A 微分模式。根據(jù)虛擬示波器功能的需要，程序至少應(yīng)包含以下模塊 : (1) 數(shù)據(jù)采集 :主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，包括設(shè)備號(hào)、通道選擇控制、采樣速率、采樣點(diǎn)數(shù)等，另外選擇采集的波形類型。信道控制主要控制單信道或雙信道測(cè)量 。虛擬儀器也是由這三大部分組成，但是除了信號(hào)采集部分可以由硬件或者軟件實(shí)現(xiàn)之外，其它兩部分都是由軟件實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有時(shí)采樣點(diǎn)數(shù)不止八路，因此需要使用多個(gè)集成模擬開關(guān)進(jìn)行通到擴(kuò)展，以滿足要求。圖 4 一 4 為 LF13508 單端 8 通道多路模擬開關(guān)原理框 圖，它有三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端口。從圖中可以看到，采樣 /保持器由輸入緩沖放大器、輸出緩沖放大器、保持 電容和控制開關(guān)組成。 圖 31 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)圖 采樣 /保持器的工作原理 在實(shí)際系統(tǒng)中用到 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，如果模擬信號(hào)變換較快，那么，為了保證轉(zhuǎn)換精度，就要在 A/D 轉(zhuǎn)換之前加上采樣 /保持電路，使得在 A/D 轉(zhuǎn)換期間輸入的模擬信號(hào)保持不變。有的系統(tǒng)不采用公用放大器，而根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)單獨(dú)配置。如果被測(cè)信號(hào)變化緩慢，也可以不用采樣 /保持器。它所處理的是數(shù)字信號(hào)，因此輸入的模擬信號(hào)必須進(jìn)行模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)量化 :，變成數(shù)字信號(hào)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)稱 DAS(DataAequisitionSyst。驅(qū)動(dòng)軟件在保持高性能、提高給用戶易于理解的基礎(chǔ)的同時(shí)，隱藏了復(fù)雜、詳細(xì)的硬件及程序設(shè)計(jì)。高分辨率意味著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)，時(shí)鐘頻率決定了產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號(hào)輸入的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)增長(zhǎng)得越快，因而輸入端的信號(hào)頻率高，就可以產(chǎn)生高頻的脈沖波和方波。門限信號(hào)實(shí)際上是觸發(fā)信號(hào)一使它工作或不工作 。 DAQ 輸出信號(hào)由停滯、轉(zhuǎn)換率、分辨率等構(gòu)成。一般情況下，由于 DAQ 卡的電壓范圍可以 調(diào)節(jié)，所以將信號(hào)電壓范圍調(diào)到與微機(jī)相匹配以便利用其可靠的分辨率范圍。 (3) 分辨率 ADC 的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。采用連續(xù)掃描方法，要比給每個(gè)通道一個(gè)放大器和 ADC 要經(jīng)濟(jì)得多，但這僅僅實(shí)用于在采樣點(diǎn)之間對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。為了再現(xiàn)原始信號(hào)，必須有足夠高的采樣頻率。交流 信號(hào)通常需要抗失真的低通濾波器，因?yàn)檫@樣的濾波器有一陡峭的截止頻率，因而幾乎能夠完全消除高頻干擾信號(hào)。在設(shè)定調(diào)理電路的放大或衰減倍 數(shù)時(shí)，一般應(yīng)滿足這樣一個(gè)條件 :經(jīng)調(diào)理后的信號(hào)其最大值應(yīng)盡可能地達(dá)到數(shù)據(jù)采集卡可以接受的電壓范圍，最大限度地提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。對(duì)于每一種傳感器，電信號(hào)的大小都與被監(jiān)測(cè)信號(hào)的物理參數(shù)成正比。 基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分的作用 要從一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到合理的結(jié)果，依賴于系統(tǒng)的每一個(gè)組成部分，即計(jì)算機(jī)、傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集硬件和軟件。一個(gè)數(shù)字信號(hào)只有兩個(gè)分離的狀態(tài) :低電平和高電平。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)的性能決定了整個(gè)過(guò)程的速度。信號(hào)調(diào)理附件能夠?qū)ξ⑷跣盘?hào)進(jìn)行放大、光電隔離、濾波等處理，以便更精確和安全地測(cè)量。 LabvIEW 語(yǔ)言是一種面向工程技術(shù)人員的圖形化編程語(yǔ)言，是一種面向?qū)ο蟮哪K化編程語(yǔ)言，使面向?qū)ο蠹夹g(shù)程序的復(fù)用性達(dá)到最佳，被譽(yù)為工程師和科學(xué)家的語(yǔ)言。而且它只有打開了框圖程序窗口后才能出現(xiàn)。它只有當(dāng)打開前面板窗口時(shí)才能調(diào)用 函數(shù)選板 圖 25 函數(shù)選板 7 圖 26 函數(shù)選板子選板 函數(shù)選板編程子選板功能模板就是 LabVIEW 將傳統(tǒng)儀器上的各種測(cè)試功能、信號(hào)分析文件操作以及輸入 /輸出 (1/0)接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)做成可供直接調(diào)用的庫(kù)函數(shù)。設(shè)計(jì)儀器模板時(shí)，只需根據(jù)需要選擇合適的“控件”放在面板相應(yīng)的位置上即可。 顏色工具 :用來(lái)給對(duì)象定義顏色。 漫游工具 :使用該工具就可以不需要使用滾動(dòng)條而在窗口中漫游 斷點(diǎn)工具 :使用該工具在 VI 的框圖對(duì)象上設(shè)置斷點(diǎn)。當(dāng)創(chuàng)建自由標(biāo)簽時(shí)它會(huì)變成相應(yīng)形狀。 操作工具 :使用該工具來(lái)操作前面板的控制和顯示。操縱模板共有三類 :工具 (Too1s)選板、控制 (Controls) 選板和功能 (Functions)選板或稱函數(shù)選板。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。運(yùn)行和調(diào)試程序是任何一門編程語(yǔ)言編程的最重要的一步。一個(gè)虛擬儀器的圖標(biāo) /連接端口就像一個(gè)圖形 (表示某一虛擬儀器 )的參數(shù)列表。在前面板窗口的主菜單 windows 中選擇 ShowDiagram 將前面板窗口切換到框圖程序窗口，此時(shí)會(huì)看到與前面板對(duì)象對(duì)應(yīng)的端口。前面板包含了旋鈕、按鈕、圖形和其他控制與顯示對(duì)象。 (4)提供程序調(diào)試功能程序調(diào)試工具包括在源代碼中可以設(shè)置斷點(diǎn)，可以單步執(zhí)行，也可以啟動(dòng)。 它的基本特點(diǎn)是 (1)具有良好的用戶接口其用戶接口類似于傳統(tǒng)儀器的面板，包括按鈕、旋鈕、圖形顯示組件、控制組件等。虛擬示波器主要有硬件和軟件兩部分構(gòu)成。比如測(cè)量結(jié)果的頻譜分析，快速傅里葉變換，各種數(shù)字濾波器，卷積分析，微積分等。其中，比較具有代表性的是 NI 公司 Labview平臺(tái)和 Labwindows/CVI 平臺(tái)。虛擬儀器在國(guó)外發(fā)展很快，以 NI 公司為首的很多公司已經(jīng)在市場(chǎng)上推出了大量基于虛擬儀器技術(shù)的電子儀器產(chǎn)品。 （ 3）虛擬儀器使儀器的功能可以有用戶自定義，而不是只能由廠家來(lái)定義，從而使得儀器更加好用，方便。 虛擬儀器的構(gòu)成 從構(gòu)成要素上講，虛擬儀器主要由計(jì)算機(jī)，儀器硬件（如數(shù)據(jù)采集卡）和應(yīng)用軟件構(gòu)成；從總線標(biāo)注上講，包括有 PCDAQ 系統(tǒng)， GPIB 系統(tǒng) ,VXI 系統(tǒng)等。模擬儀器，數(shù)字儀器，智能儀器，虛擬儀器。虛擬儀器主要由硬件和軟件兩個(gè)部分構(gòu)成。美國(guó) NI 公司在這種大環(huán)境下，率先發(fā)起了對(duì)虛擬儀器的研究開發(fā)，推出了 Labview 軟件開發(fā)平臺(tái)。與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)性價(jià)比的不斷提升，傳統(tǒng)儀器的價(jià)格又長(zhǎng)期居高不下，再加上傳統(tǒng)儀器的功能單一，發(fā)展虛擬儀器已經(jīng)成為一個(gè)不可阻擋的歷史潮流。介紹了與信號(hào) 處理相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，主要是傅里葉變換。 關(guān)鍵詞：虛擬儀器 虛擬示波器 頻譜分析 數(shù)據(jù)采集 II Abstract Along with the puter technology and software technology is developing rapidly, and the electronic puter in realtime data analysis and processing, storage, show， the advantages of the pared with traditiona