【正文】 69 70 71 72 73 。相信在不久的將來(lái)，一臺(tái)裝有虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)可能成為一個(gè)多功能儀器測(cè)量系統(tǒng)，從根本上改變傳統(tǒng)儀器的研制和生產(chǎn)模式。 (2) 進(jìn)行更加廣泛的實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生 的誤差進(jìn)行定量和定性分析，找出原因，給出改進(jìn)方案。 利用 LABVIEW 語(yǔ)言研究和開(kāi)發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)儀器虛擬 示波器和虛擬信號(hào)發(fā)生器，除了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能外，在某些功能上進(jìn)行了創(chuàng)新提高，并就如何準(zhǔn) 確地恢復(fù)輸入信號(hào)對(duì)信號(hào)處理技術(shù)、存儲(chǔ)寬帶改善技術(shù)和顯示技術(shù)進(jìn)行了研究。由此可以看出，由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡及相應(yīng)軟件構(gòu)成的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器是切實(shí)可行的，而且可以最大限度的利用計(jì)算機(jī)資源，降低了成本，提高了效率。 圖 51 波形 顯示結(jié)果 圖 52 頻譜分析結(jié)果 23 圖 53 均方根分析結(jié)果 圖 54 相位分析結(jié)果 圖 55 總體結(jié)果分析 24 第 6 章 結(jié)論和展望 本文主要以 labVIEW 軟件平臺(tái)作為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了探索性的開(kāi)發(fā)和研究。用到的節(jié)點(diǎn)有：幅值和電平測(cè)量，信號(hào)的時(shí)間與瞬態(tài)特性測(cè)量參數(shù)測(cè)量模塊 程序前面板 圖 410 參數(shù)測(cè)量模塊程序前面板 21 圖 411 參數(shù)測(cè)量模塊程序框圖 22 第 5 章 虛擬示波器的調(diào)試 本虛擬示波器的設(shè)計(jì)一是參閱通用的雙通道臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能，并月在儀器分析上有所擴(kuò)展。 (4)Labview 中的頻域分析 LabVIEw 高級(jí)分析庫(kù)中的頻域分析模板提供了 豐富的信號(hào)頻域分析函數(shù)，包括傅里葉變換、 Hilbert 變換、小波變換、 Hartley 變換、功率譜分析、聯(lián)合時(shí)頻分析、諧波分析、系統(tǒng)辨識(shí)等。但是當(dāng)采樣頻率。這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于在連續(xù)時(shí)間信號(hào)上“抽取”許多離散時(shí)刻 iT(i=0， 1， 2，? )上的信號(hào)瞬時(shí)值。 (l) 信號(hào) XS(i)及其頻譜 XS(? ) 若連續(xù)時(shí)間信號(hào) x(t)被數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)中的采樣器以等時(shí)間間隔 T采樣，則采樣時(shí)刻 0， T， ZT? .，所得信號(hào) x(t)的瞬時(shí)值，就構(gòu)成了連續(xù)信號(hào)的 x(t)的離散時(shí)間序列 xs(i)， (i==0， 1， 2，? )。 以上為三角函數(shù)的形式，或者轉(zhuǎn)換成復(fù)指數(shù)形式： x(t)= ????tjmmeC ? （ 44） 使用計(jì)算機(jī)完成信號(hào)處理工作的需求導(dǎo)致了離散傅里葉變換的產(chǎn)生。還能夠根據(jù)用戶選用的分析功能的不同自動(dòng)顯示適當(dāng)?shù)臋M坐標(biāo)。 (2)單位選擇 :有多種單位如 vrms、 vpk、 vrlnS‘ 2 等供選擇。我們之所以將它稱作為“模塊”，主要是因?yàn)樗谡麄€(gè)程序中舉足輕重，如果沒(méi)有它，開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序不能稱為“虛擬儀器”，只是一個(gè)“信號(hào)處理內(nèi)存”。其中低通截止頻率的設(shè)置必須滿足采樣定理規(guī)則，截止頻率不能高于采樣頻率的一半。數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)離散化信號(hào)的處理，以減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)中所占的比例，從而改變信號(hào)的質(zhì)量，達(dá)到濾波或加工信號(hào)的目的。通過(guò)在這個(gè)枚舉的三個(gè)選擇項(xiàng)之間切 換，可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。通過(guò)信號(hào)類型選擇器可以從信號(hào)發(fā)生器中選擇不同類型的波形，如正弦波形，方波波形，三角波波形，鋸齒波形等。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。 (3) 參數(shù)測(cè)量 :完 成電壓參數(shù)、頻率和周期等參數(shù)的測(cè)量功能。 (2) 波形顯示 :對(duì)采集到的波形進(jìn)行觸發(fā)控制和時(shí)基控制后再顯示波形，可 13 以實(shí)現(xiàn)單信道顯示和雙信道顯示，以及對(duì)波形運(yùn)算后的輸出顯示，有 :A、 B、 A+B、A一 B、 Aamp。其中，參數(shù)測(cè)量模塊包括電壓參數(shù)和頻率、周期等時(shí)間參數(shù)的測(cè)量并顯示測(cè)量結(jié)果。根據(jù)這一思路， 本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器主要功能是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行觸發(fā)、時(shí)基控制后，完成對(duì)輸入信號(hào)的電壓、頻率和周期等參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)，利用 FFT 窗口對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析，可以實(shí)現(xiàn)單、雙信道顯示波形，并可以對(duì)波形運(yùn)算后進(jìn)行輸出顯示。 圖 34 數(shù)據(jù)采集卡 12 圖 35 數(shù)據(jù)采集卡布局圖 第 4 章 虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì) 虛擬示波器是隨著 電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生并逐步發(fā)展起來(lái)的一種具有存儲(chǔ)功能的新型儀器，主要用于觀察、分析和測(cè)量非重復(fù)信號(hào)、重復(fù)信號(hào)、單次信號(hào)、沖激信號(hào)等。 三個(gè)二進(jìn)制控制信號(hào)經(jīng)過(guò)三八譯碼器后，選擇 5158個(gè)輸入通道中的一個(gè)通道與輸出端 D接通。 圖 32 采樣 /保持器 多路轉(zhuǎn)換模擬開(kāi)關(guān) 模擬開(kāi)關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中主要部件之一，它的作用是切換各路輸入信號(hào)。采樣 /保持電路有兩種工作方式，即采樣方式和保持方式。 。多路開(kāi)關(guān)將各路信號(hào)輪流切換到輸入端，對(duì) 10 各路信號(hào)分時(shí)采樣。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如 4 一 2 所示，它由多路開(kāi)關(guān)、采樣 /保持器、放大 器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)等組成。 m)是信息科學(xué)的重要分支，它不僅應(yīng)用在現(xiàn)代智能檢測(cè)系統(tǒng)中，而且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍事及科學(xué)研究等方面都得到廣泛應(yīng)用，無(wú)論是過(guò)程控制狀態(tài)檢測(cè)、還是故障診斷、質(zhì)量檢測(cè)，都離不開(kāi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 N 工一 DAQ 就是 N1 公司高性能數(shù)據(jù)采集及驅(qū)動(dòng)程序。 4 驅(qū)動(dòng)軟件 沒(méi)有軟件，甚至沒(méi)有好的軟件，數(shù)據(jù)采集硬件系 統(tǒng)不可能發(fā)揮很大的作用。計(jì)時(shí)信號(hào)也就是信號(hào)源，它提供了繼續(xù)其操作的時(shí)間基準(zhǔn) 。停滯時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值 改變的快慢。范圍、增益、分辨率決定了可分辨的最小電壓變化，它表示 ILSB。例如，三位轉(zhuǎn)化器把模擬電壓分成 2’ (8 位 )段，每段用二進(jìn)制代碼在 000 到 In 之間表示，因而數(shù)字并不能真實(shí)反映原始信號(hào)，因?yàn)橐徊糠中畔⒈宦┑袅?。如果采樣點(diǎn)之間對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必 須同時(shí)采樣。顯然，如果信號(hào)變化比采樣板的數(shù)字化要快，或采樣太慢，就會(huì)產(chǎn)生波形失真，見(jiàn)圖 4 一 1(b)。 (4) 激勵(lì) 由于電工測(cè)量試驗(yàn)中經(jīng)常要要用到正弦波、方波等信號(hào)，且有時(shí)需要為一些傳感器提供激勵(lì)信號(hào)，故由虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生各種信號(hào)并由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行功率放大后輸出。 (2) 隔離 隔離是指使用變壓器、光或電容禍合等方法阻礙被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免發(fā)生直接連接，使用禍合主要有兩個(gè)方面原因 :一是從安全的角度把傳感器信號(hào)同計(jì)算機(jī)隔離，因?yàn)楸槐O(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，另一個(gè)原因是隔離可以使從數(shù)據(jù)采集卡出來(lái)的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響，減少誤差。 2 信 號(hào)調(diào)理 信號(hào)調(diào)理器是傳感器和數(shù)據(jù)采集卡之間的橋梁，負(fù)責(zé)將傳感器的輸出信號(hào)和數(shù)據(jù)采集模塊可以接受的信號(hào)聯(lián)系起來(lái)，從傳感器輸出的信號(hào)必須經(jīng)過(guò)調(diào)理才能夠連入數(shù)據(jù)采集板，信號(hào)調(diào)理包括放大和衰減、隔離、濾波、傳感器激勵(lì)、線性化處理。下面逐一予以討論說(shuō)明。相反，模擬信號(hào)包括了隨時(shí)間變化的連續(xù)信息。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，需要高速的處理器，在對(duì)數(shù)據(jù)采集功能模塊進(jìn)行分析之前，我們先對(duì)信號(hào)進(jìn)行歸類。同時(shí)它能夠激發(fā)和線性化某些傳感器及其信號(hào)。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行總線擴(kuò)展以便將其用于實(shí)驗(yàn)室研究、工業(yè)控制、測(cè)試和測(cè)量、這些都要用到基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。它包括結(jié)構(gòu)子模板、數(shù)值運(yùn)算子模板、布爾 7 邏輯子模板、字符串運(yùn)算子模板、數(shù)組子模板、類子模板、比較子模板、時(shí)間和對(duì)話框子模板、文件輸入 /輸出子模板、儀器控制子模板、儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)、數(shù)據(jù)采集子模板、信號(hào)處理子模板、數(shù)學(xué)模型子模塊、圖形與聲音子模塊、通訊子模板、應(yīng)用程序控制子模塊、底層接口子模塊 、文檔生成子模板、示教課程子模板、用戶自定義的子 Vl 模板和選擇? VI 子程序等子模板。使用時(shí)只需根據(jù)預(yù)完成的功能與操作，從子模板上選擇相應(yīng)的“圖標(biāo)”放在流程圖編輯窗口中相應(yīng)的位置上即可。每個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè)子模板 (如圖所示 )。它也顯示出對(duì)象的前景色和背景色 。 探針工具 :可以在框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流線上設(shè)置探針。 連線工具 :用于在框圖程序上連接對(duì)象。 使用它向數(shù)字或字符串控制中鍵入值時(shí)，工具會(huì)變成標(biāo)簽工具的形狀。 圖 23 工具選版 工具模板 工具選板為編程者提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試 VI 程序的工具 (如圖所示 )。調(diào)試程序時(shí)可以利用單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)、設(shè)置探針來(lái)顯示數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。在 LabVIEW 中，用戶可以通過(guò)兩種方式來(lái)運(yùn)行程序 :運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行。這樣，其它的虛擬儀器才能將數(shù)據(jù)傳輸給子儀器。根據(jù)需要在功能模板中找到所需的節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)放置到框圖程序窗口。通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤輸入數(shù)據(jù)、控制按鈕，也可在計(jì)算機(jī)顯示器上直接觀看結(jié)果。 LabVIEW 創(chuàng)建虛擬儀器過(guò)程 創(chuàng)建虛擬儀器的過(guò)程分為四步 : 3 (1)創(chuàng)建前面板。通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤向程序輸入數(shù)據(jù)，操作結(jié)果由軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上生成。硬件部分主要是普通 PC 機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡； 軟件部分則包括了前面板，采集卡驅(qū)動(dòng)程序及相關(guān)的應(yīng)用軟件（主要有頻譜分析，數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取，波形顯示等） 本論文主要分為以下幾個(gè)部分： 第 1 章 緒論 第 2 章 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) Labview 的有關(guān)介紹 第 3 章 系統(tǒng)硬件部分 第 4 章 系統(tǒng)軟件部分 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試 第 6 章 結(jié)論和展望 第 2 章 軟系統(tǒng)件的開(kāi)發(fā)平臺(tái) Labview 簡(jiǎn)介 labview 的基本概述 Labview 是美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)的，基于 G 語(yǔ)言（ Graphics Language）的虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具。 本論文的主要工作 我國(guó)在科學(xué)技術(shù)方面與世界頂級(jí)國(guó)家還有一定距離，我國(guó)的高檔儀器大部分還要依賴進(jìn)口，這種儀器往往價(jià)格昂貴，使用面窄，花很多的外匯只能起到有限的作用，因此，研究虛擬儀器對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)具有很重要的意義。相比而言， Labwindows 是為熟悉 C語(yǔ)言的傳統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)人員所設(shè)計(jì)的。據(jù)“世界儀表及自動(dòng)化”雜志預(yù)測(cè)，虛擬儀器在 21 世紀(jì)中期將占到儀器市場(chǎng) 50%左右的份額。 （ 4）由于用軟件替代硬件，儀器的更新升級(jí)大都只要更新軟件，從而使得儀器的升級(jí)換代更加迅速，研發(fā)周期縮短。 （ 1）傳統(tǒng)儀器的控制面板只有一個(gè) ，在這個(gè)操作面板上，需要放置各種按鈕，容易導(dǎo)致混亂和混淆。其中，為了與虛擬儀器區(qū)別開(kāi)來(lái)，我們又把前三種稱為傳統(tǒng)儀器。 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 traditional instruments is more and more obvious. Meanwhile, along with the puter costeffective rising, the price of traditional instruments, plus high and longterm single function of traditional instruments, development virtual instrument has bee an irrev