【正文】 。完整的LabVIEW程序設(shè)計包括前面板設(shè)計、框圖程序設(shè)計、程序調(diào)試以及可執(zhí)行程序生成。 基于LabVIEW的軟件設(shè)計 軟件開發(fā)平臺本設(shè)計采用的是美國NI公司的LabVIEW平臺。允許系統(tǒng)設(shè)置DMA、中斷和基本的輸入／輸出地址，避免了同系統(tǒng)中的其它板卡的地址沖突。 虛擬頻譜分析儀的架構(gòu)本設(shè)計為一雙通道虛擬頻譜分析儀，是由計算機()、數(shù)據(jù)采集硬件板卡 (前置程控放大、高速數(shù)據(jù)采集、CPLD邏輯控制等)以及數(shù)據(jù)通信接口總線（ EZUSB FX2系列芯片）組成，總體設(shè)計框圖如圖56所示。增大N，要滿足2n=N的要求。相應(yīng)的，頻率由原來的連續(xù)譜變?yōu)殡x散譜。LabVIEW提供了FFT圖標(biāo)，可供直接調(diào)用進(jìn)行快速頻譜分析。(FFT)快速傅里葉變換是對DFT的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。本設(shè)計采用了巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、橢圓(Ellipse)、貝塞爾(Besse1)等濾波器。這樣就存在頻譜泄漏。工作流程如下：連續(xù)時間信號經(jīng)過采樣．將變?yōu)殡x散時間信號．利用LabVIEW 強大的數(shù)字信號處理功能，對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、加窗、FFt運算處理，得到信號的幅度譜、相位譜以及功率譜等結(jié)果。其主要功能應(yīng)包括：數(shù)據(jù)采集與控制、信號分析和處理、數(shù)據(jù)文件存儲和讀取。圖54掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀原理框圖最常用的頻譜分析儀是掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀，其基本結(jié)構(gòu)類似超外差式接收器，工作原理是輸入信號經(jīng)衰減器直接外加到混波器，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT 同步的掃瞄產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時間作線性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號（IF）再放大、濾波與檢波傳送到CRT 的垂直方向板，因此在CRT 的縱軸顯示信號振幅與頻率的對應(yīng)關(guān)系，信號流程架構(gòu)如圖55所示。 傳統(tǒng)頻譜分析儀 傳統(tǒng)頻譜分析儀的工作原理頻譜分析儀架構(gòu)猶如時域用途的示波器，外觀如圖53 所示，面板上布建許多功能控制按鍵，作為系統(tǒng)功能之調(diào)整與控制，系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號的頻譜特性。既然時域和頻域兩種分析方法都能表示同一信號的特性，那么他們必然是可以互相轉(zhuǎn)換的。一個周期信號，由基波和各次諧波等組成。這里所說的“譜”，系只按一定規(guī)律列出的圖表或繪制的圖像。第五章 虛擬頻譜分析儀的重構(gòu)本章首先介紹了時域與頻域的關(guān)系，接著介紹了傳統(tǒng)頻譜分析儀的設(shè)計思想、儀器功能及使用情況，主要講述虛擬頻譜分析儀的重構(gòu)―虛擬儀器技術(shù)，給出了傳統(tǒng)頻譜分析儀與重構(gòu)的虛擬頻譜分析儀各自的特點并進(jìn)行了比較。面板包含計算器功能，并另設(shè)草紙記錄區(qū)，方便記錄與運算。 功率測量軟件設(shè)計圖411虛擬功率表的程序框圖功率測量程序如圖411所示，根據(jù)有功公式P=UI*cosθ編寫程序，均方根由框圖進(jìn)行測量。面板介紹：圖中1區(qū)為被測信號自功率譜顯示；2區(qū)為被測信號諧波電平數(shù)字顯示；3區(qū)為窗函數(shù)設(shè)置部分；4區(qū)為基頻測量數(shù)據(jù)顯示及總諧波失真度數(shù)字顯示；5為失真度測試儀的開關(guān)；6為虛擬電工表2的總開關(guān)。頻譜分析時間也越長。同時，頻率跟蹤技術(shù)可實現(xiàn)對被測信號的一個周期采樣2n次，于是在進(jìn)行頻譜分析時，可以用快速傅里葉變換取代離散傅里葉變換。其流程如圖49.圖49 高精度失真度測試儀的工作流程圖頻率跟蹤技術(shù)即首先精確地測量出被測信號的周期(頻率)，然后根據(jù)測得的信號周期對采樣頻率進(jìn)行實時調(diào)整，使得單位信號周期內(nèi)的采樣點數(shù)始終為2n 。 虛擬失真度測試儀程序設(shè)計LabVIEW中提供了諧波失真分析模塊，使得失真度分析大大簡化，應(yīng)用該模塊進(jìn)行程序設(shè)計如圖48所示。因為非正弦波可以視為若干個不同頻率的正弦波的疊加，當(dāng)兩個頻率不同的正弦波疊加后通過一個非線性網(wǎng)絡(luò)，不僅會產(chǎn)生他們各自的諧波分量，而且還會產(chǎn)生交叉調(diào)制成分，所以用這種方法測量非線性失真更接近實際情況，多用于要求較高的接收設(shè)備；再一種方法是白噪聲法，它是一種比較新的測試方法。 3 2 1圖46 被測周期信號含噪聲時三種方法測量結(jié)果圖中1區(qū)為三點法測量數(shù)據(jù)及誤差顯示；2區(qū)為計數(shù)法測量數(shù)據(jù)及誤差顯示；3區(qū)為頻率估計法測量數(shù)據(jù)及誤差顯示。圖43 多周期平均計數(shù)法測頻程序 虛擬頻率計的測試結(jié)果 2 1 4 53圖44 采樣頻率與信號頻率不成整數(shù)倍關(guān)系三種方法測量結(jié)果圖中1區(qū)為被測信號波形顯示（測試信號由軟件產(chǎn)生）；2區(qū)為輸入信號和采樣信號設(shè)置；3區(qū)為三點法測量數(shù)據(jù)及誤差顯示；4區(qū)為計數(shù)法測量數(shù)據(jù)及誤差顯示；5區(qū)為頻率估計法測量數(shù)據(jù)及誤差顯示。該程序還用到了For循環(huán)，通過索引數(shù)組大小來確定循環(huán)次數(shù)，具體程序如圖41所示。 頻率測量方法傳統(tǒng)的頻率測量方法有：周期測量法、頻率測量法以及等精度測試法。本章所設(shè)計的儀器重在實現(xiàn)儀器功能，主要進(jìn)行了軟件及面板設(shè)計，部分儀器是對仿真信號進(jìn)行測量。表31為虛擬電工表1與模擬萬用表和數(shù)字萬用表的一些功能的比較。儀器面板介紹：如圖38所示，圖中①標(biāo)記處為儀表的數(shù)字顯示區(qū)；②標(biāo)記處為儀表的模擬表盤顯示部分；③標(biāo)記處為儀表的開關(guān)；④標(biāo)記處為儀表的功能欄，即儀表功能選擇，針對不同的被測量來選擇儀表功能；⑤標(biāo)記處為儀表的測量范圍選擇，即量程檔位選擇；⑥標(biāo)記處為儀表的模擬輸入值設(shè)定；⑦標(biāo)記處為儀表的數(shù)據(jù)存儲和回放顯示開關(guān)，當(dāng)點擊數(shù)據(jù)回放顯示按鈕時即立刻彈出之前所保存的數(shù)據(jù)，如圖39所示。本設(shè)計可以對最近測量的十次數(shù)據(jù)進(jìn)行回放顯示，也可以對點擊保存的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行回放顯示，回放包括數(shù)據(jù)顯示以及波形顯示。其程序如圖36電工表1的數(shù)據(jù)存儲。這樣我們可以設(shè)置延時程序為，即延時400毫秒。圖35電工表1的測量主程序模擬被測信號的產(chǎn)生：在LabVIEW軟件中，有圖標(biāo)，它是用來產(chǎn)生0到1之間的雙精度浮點數(shù)，產(chǎn)生的數(shù)大于0小于1，呈均勻分布。上位機系統(tǒng)就是PC系統(tǒng)，硬件就是PC機，軟件就是在操作系統(tǒng)上開發(fā)的上位機控制顯示界面（基于LabVIEW的開發(fā)）。運算后的數(shù)據(jù)通過USB接口上傳給PC。 圖31智能型DMM框圖 四、智能型DMM舉例以數(shù)字萬用表VC9808+為例，如圖32。A/D轉(zhuǎn)換包括對模擬量采樣，再將采樣值進(jìn)行量化處理，然后通過編碼實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的過程。一、電壓測量的數(shù)字化方法數(shù)字化測量是將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)的數(shù)字量，然后進(jìn)行編碼、存儲、顯示及打印等。各種電路工作狀態(tài)，如飽和、截止及動態(tài)范圍等都以電壓的形式反映出來。在電子測量領(lǐng)域中，電壓量是基本參數(shù)之一。6)上位機軟件還可以完成數(shù)據(jù)的分析顯示等功能。3)下位機可以完成部分的數(shù)據(jù)存儲，上傳功能。也就是說他是一個可編程的智能儀器。為降低成本，可重構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置成適用于系列化的功能產(chǎn)品，而不是面向各種各樣的廣泛功能產(chǎn)品。若有必要，各部件可以更換而不必改動整個系統(tǒng)。 可重構(gòu)儀器系統(tǒng)的特點如果某一儀器系統(tǒng)能夠利用可重用的硬件資源和軟件資源，根據(jù)不同應(yīng)用的需求，靈活的改變自身的體系結(jié)構(gòu)，以便為每個特定的應(yīng)用需求提供與之相匹配的體系結(jié)構(gòu)，那么該計算系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)稱為可重構(gòu)的儀器體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用“一個控制器+多個功能模塊”的方式，通過控制器模塊控制各功能模塊的工作。用戶在使用過程中可以根據(jù)需要添加或刪除儀器功能，以滿足各種需求和各種環(huán)境，并且能充分利用計算機豐富的軟硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳送、存儲方面的限制。具體的說就是要求上位機的測控軟件能夠根據(jù)測控任務(wù)的變化可重構(gòu)，隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)上位機測控軟件可重構(gòu)可供選擇的方法有很多，目前軟件可重構(gòu)技術(shù)的典范是虛擬儀器技術(shù)和組態(tài)軟件技術(shù)。借鑒這種思想設(shè)計的電子測量儀器將保持基本硬件結(jié)構(gòu)不變，僅僅通過對軟件進(jìn)行部分的重新配置來實現(xiàn)對不同任務(wù)的測量和分析。而傳統(tǒng)的測試儀器一旦產(chǎn)出，其功能就已經(jīng)確定，用戶無法對其進(jìn)行改變。4．進(jìn)行部分虛擬電子測量儀器的軟件開發(fā)和硬件電路設(shè)計，包括邏輯分析儀、電工儀表1（可以測量AC、DC、AV、DV以及電阻R等參數(shù)）和電工儀表2（包括頻率計、功率表、Q表和失真度測試儀等）。將現(xiàn)有各儀器綜合，實現(xiàn)一較未完整的電子測量儀器系統(tǒng)（面板的綜合設(shè)計）?？芍貥?gòu)虛擬電子測量系統(tǒng)的研制可以實現(xiàn)“一套系統(tǒng)替代多個實驗室”的目的，不僅可以降低實驗教學(xué)的資金投入，而且可以使實驗擺脫仿真階段，跨入教學(xué)實驗和工程實際相結(jié)合的階段。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下一些特點,如表11所示。無論哪種VI系統(tǒng)，都是將硬件儀器搭載到各種計算機平臺上，再加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。最近幾年，基于PCI、PXI總線的儀器模塊或測試系統(tǒng)也相繼問世。虛擬儀器是在以PC為核心組成的硬件平臺支持下，通過軟件編程來實現(xiàn)儀器的功能的。虛擬儀器的“虛擬”兩字主要包含以下兩方面的含義。這類儀器將模擬信號的測量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號測量，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果，適應(yīng)快速響應(yīng)和較高準(zhǔn)確度的測量。第一代是模擬儀器，這類儀器是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器，如指針式萬用表、指針式電壓表、指針式電流表等。它是進(jìn)行電子產(chǎn)品試制和開發(fā)、軍事裝備研究以及生產(chǎn)與維護(hù)運轉(zhuǎn)中不可缺少的測試手段和工具。一套系統(tǒng)替代多個實驗室畢業(yè)設(shè)計目錄第一章 緒論 6 6 測試技術(shù)的重要性 6 電子測量儀器的發(fā)展 6 7 虛擬儀器的基本概念 7 虛擬儀器的發(fā)展歷程 8 虛擬儀器的體系架構(gòu) 8 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 9 課題的研究意義及內(nèi)容 9 課題的研究意義 9 課題的研究內(nèi)容 10第二章 可重構(gòu)虛擬儀器技術(shù) 11 可重構(gòu)儀器思想的提出 11 軟件可重構(gòu)技術(shù)虛擬儀器技術(shù) 11 可重構(gòu)儀器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 12 可重構(gòu)儀器系統(tǒng)的特點 13第三章 虛擬電工表1 14 電工表1的功能簡介 14 傳統(tǒng)臺式萬用表 15 虛擬電工表1 17 虛擬電工表1的工作原理 17 虛擬電工表1的軟件設(shè)計 18 虛擬電工表1與萬用表的比較 24第四章 虛擬電工表2 25 虛擬電工表2的功能簡介 25 虛擬頻率計的設(shè)計 25 頻率測量方法 25 虛擬頻率計的軟件設(shè)計 25 虛擬頻率計的測試結(jié)果 27 虛擬失真度測試儀的設(shè)計 29 失真度測量原理 29 虛擬失真度測試儀程序設(shè)計 30 虛擬失真度測試儀測試結(jié)果 32 虛擬功率表的設(shè)計 32 功率測量原理 32 功率測量軟件設(shè)計 33 功率仿真測量結(jié)果 33 計算器設(shè)計 34第五章 虛擬頻譜分析儀的重構(gòu) 35 時域與頻域關(guān)系 35 傳統(tǒng)頻譜分析儀 36 傳統(tǒng)頻譜分析儀的工作原理 36 虛擬頻譜分析儀 38 虛擬頻譜分析儀的工作原理及實現(xiàn)方法 38 虛擬頻譜分析儀的架構(gòu) 40 基于LabVIEW的軟件設(shè)計 41 虛擬頻譜分析儀的模塊設(shè)計 42 虛擬頻譜分析儀的測試結(jié)果示例 46 虛擬頻譜分析儀與傳統(tǒng)頻譜分析儀的對比 49第六章 虛擬頻率測試儀的重構(gòu) 50 傳統(tǒng)頻率特性測試儀 50 測量的基本方法 50 測量原理 50 傳統(tǒng)頻率特性測試儀示例 51 虛擬頻率特性測試儀的重構(gòu) 52 虛擬頻率特性測試儀的結(jié)構(gòu) 52 虛擬頻率特性測試儀軟件設(shè)計 53 儀器面板介紹 54 測試電路 55 虛擬頻率特性測試儀的測試結(jié)果 55第七章 虛擬邏輯分析儀的設(shè)計 57 邏輯分析儀的基本組成 57 邏輯分析儀的發(fā)展 58 虛擬邏輯分析儀 58 虛擬邏輯分析儀的硬件電路設(shè)計 58 虛擬邏輯分析儀的軟件設(shè)計 62 虛擬邏輯分析儀測試結(jié)果 62 虛擬邏輯分析儀與傳統(tǒng)邏輯分析儀的比較 63第八章 綜合面板設(shè)計 64 界面設(shè)計原則 64 LabVIEW的前面板設(shè)計 64 虛擬電子測量儀器的前面板綜合設(shè)計 65 密碼登陸程序設(shè)計 65 綜合面板設(shè)計 68全文總結(jié) 70參考文獻(xiàn) 71致謝 73附錄A 74附錄B 75第一章 緒論本章首先介紹了測試技術(shù)的重要性，分析了電子測量儀器的發(fā)展和虛擬儀器技術(shù)對測試技術(shù)提供的支持，然后對本論文的研究目標(biāo)、研究意義和主要內(nèi)容做了介紹。電子測試技術(shù)及儀器是指利用電子技術(shù)對電量或非電量進(jìn)行測量的方法與設(shè)備。 電子測量儀器的發(fā)展電子技術(shù)發(fā)展至今，測試儀器大體可以分為四代：模擬儀器、分立元件儀器、數(shù)字化儀器、智能化儀器和虛擬儀器。第三代是數(shù)字化儀器，20世紀(jì)70年代隨著集成電路的出現(xiàn)便誕生了以集成電路芯片為基礎(chǔ)的第三代儀器—數(shù)字化儀器。 虛擬儀器的基本概念所謂虛擬儀器（Virtual Instrument,VI），是指以通用計算機作為核心的硬件平臺，配以相應(yīng)測試功能的硬件作為信號輸入輸出的接口，利用儀器軟件開發(fā)平臺在計算機的屏幕上虛擬出儀器的面板和相應(yīng)功能，然后通過鼠標(biāo)或鍵盤操作的儀器。（2） 虛擬儀器測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程來實現(xiàn)的。1997年，美國NI(National Instrument)公司將PCI總線引入儀器領(lǐng)域，擴展成PXI總線(PCI eXtension for Instrumentation,簡稱PXI)。 虛擬儀器的體系架構(gòu)虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成如圖11所示。圖 11 虛擬儀器的典型體系結(jié)構(gòu) 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器由高效的軟件、模塊化的I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺組成，具有性能高、擴展性強、開發(fā)時間少、無縫集成等優(yōu)勢。它們不僅價格昂貴，體積大，占用空間，而且相互連接起來也麻煩，費時費