【正文】 信號的頻域分析，也就是頻譜分析，是研究信號的頻率結(jié)構(gòu)，即求 取分量的幅值、相位按頻率的分布規(guī)律，并建立以頻率為橫軸的各種“譜”。這時(shí)顯示器上會(huì)出現(xiàn)一 個(gè)探針顯示窗口。使用 斷點(diǎn)工具可以在程序的某一地點(diǎn)中止程序執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數(shù)據(jù)。對于這樣一種相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)流程，如果又必須明確指定節(jié)點(diǎn)執(zhí)行的先 20 基于譜分析技術(shù)的虛擬相位差計(jì)的設(shè)計(jì) 后次序，就必須使用順序（ Sequence）結(jié)構(gòu)來明確執(zhí)行次序。 數(shù)據(jù)流編程 控制 VI 程序的運(yùn)行方式叫做“數(shù)據(jù)流” 。 當(dāng)把連線工具放在端點(diǎn)上時(shí)，該端點(diǎn)區(qū)域?qū)?huì)閃爍，表示連線將會(huì)接通該端點(diǎn)。 連線是端口間的數(shù)據(jù)通道。一般來說，一個(gè) VI 的前面板上的對象（控制或顯示）都 在框圖中有一個(gè)對象端點(diǎn)與之一一對應(yīng)。 節(jié)點(diǎn)類似于文本語言程序的語句、函數(shù)或者子程序。LabVIEW 的強(qiáng)大功能歸因于它的層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng)建的 VI 程序當(dāng)作子程序調(diào)用， 以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，而這種調(diào)用的層次是沒有限制的。其子模板如圖 29 所示。 下面具體介紹幾個(gè)主要的子模板： Signal Processing 子模板簡介 信號處理（ Signal Processing）子模板可分為 6 個(gè)對話框，分別是“ Signal Generation” 對話框、“ Time Domain”對話框、“ Frequency Domain”對話框、 “Filters” 對話框、“ Windows”對話框和“ Measurement”對話框，如圖26 所示。 數(shù)組子模板：包括數(shù)組運(yùn)算函數(shù)、數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及常數(shù)數(shù)組等。該模板上的每 一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。 控制模板如圖 24 所示，它包括如 圖所示的幾個(gè)子模板。 顏色工具：用來給 對象定義顏色，也可顯示出對象的前景色和背景色。 連線工具：用于在框圖程序上連接對象。當(dāng) 從 Windows 菜單下選擇了 Show Help Window 功能后，把工具模板內(nèi)選定的任一種 工具光標(biāo)放在框圖程序的子程序（ SubVI）或圖標(biāo)上，就會(huì) 顯示相應(yīng)的幫助信息?？梢允褂镁幊陶Z言對前面板中所創(chuàng)建的各種輸入、輸出的功能進(jìn)行編程。 全新的 LabVIEW FPGA 模塊改進(jìn)了嵌入式 FPGA 應(yīng)用的效率和功能，它具有 單周期 while 循環(huán)的特性，可使得在 40MHz 全局時(shí)鐘的一個(gè)周期 25ns 內(nèi)同時(shí)執(zhí)行 FPGA 函數(shù)面板上的多個(gè)函數(shù)模塊。工 程師們可以使用 5 種全新的用于 NI 數(shù)字化儀器、信號發(fā)生器和高速數(shù)字 I/0 的 Express VI，只需輕點(diǎn)幾下鼠標(biāo)，即可完成配置復(fù)雜的測量系統(tǒng)，并采集數(shù)據(jù)。 第四章中將介紹設(shè)計(jì)原理，重點(diǎn)介紹總體設(shè)計(jì)及方案，并對總體程序的設(shè)計(jì)和 流程作 重點(diǎn)說明。對框圖程序的設(shè)計(jì)主要是 對節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)端口和連線的設(shè)計(jì)。 研究方法： 虛擬相位差計(jì)在 LabVIEW語言中程序設(shè)計(jì)的過程包括 3個(gè)部分：前面板、框圖 程序和圖標(biāo) /連接器，因此一個(gè) VI 程序的設(shè)計(jì)主要包括前面板的設(shè)計(jì)、框圖程序的 設(shè)計(jì)以及程序的調(diào)試。 3．儀器 流程或算法的設(shè)計(jì) 儀器流程或算法的設(shè)計(jì)是根據(jù)儀器功能要求，利用虛擬儀器開發(fā)平臺所提供的 子模板，確定程序的流程圖，主要處理算法和所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法 [5] 。 [4] I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)與通信 。 GPIB 系統(tǒng) 3 基于譜分析技術(shù)的虛擬相位差計(jì)的設(shè)計(jì) GPIB系統(tǒng)是以 GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測 試系統(tǒng)。相信在 不久的將來，虛擬儀器的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。 3 由于計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的圖形界面功能和數(shù)據(jù)運(yùn) 算功能，因此虛擬儀器的操 作簡單直觀，數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)處理、結(jié)果與圖形曲線的顯示等功能都非常強(qiáng)大。 虛擬儀器的概念及特點(diǎn) 虛擬儀器 虛擬儀器 Virtual Instrument，簡稱 VI 技術(shù)是本世紀(jì) 80 年代末 90 年代 初于測控技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)突破性進(jìn)展，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測試 CAT 的一項(xiàng)重 要技術(shù)。如果建立了虛擬儀器平臺，那么只要按照測 量原理，借助信號分析與處理技術(shù)編制軟件程序，就能設(shè)計(jì)建造自己的測試儀器。自 1987 年誕生以來，這一技術(shù)與前幾代測 試儀器相比，以前所未有的速度迅猛發(fā)展。該虛擬相位差計(jì)改變了傳統(tǒng)相位差計(jì) 設(shè)計(jì)思路，用軟件代替硬件，通過波形采樣來計(jì)算分析，而且其測量精度是傳統(tǒng)儀 器難以達(dá)到的。近年來，應(yīng)用較廣的還有過零鑒 相 法。 本次設(shè)計(jì)目的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用 LabVIEW 虛擬儀器圖形編程語言，掌握信號處 理方法的使用，在 LabVIEW 平 臺上利用譜分析法求取相位差的原理設(shè)計(jì)出虛擬相位 差計(jì)。 虛擬儀器發(fā)展的特點(diǎn)是隊(duì)伍宏大，規(guī)模壯闊。今天，“軟件就是儀 器”的虛擬儀器時(shí)代，使那些“貴族儀器”走出“貴族經(jīng)院”得以普及。系統(tǒng)軟件則可包括數(shù) 據(jù)采集、信號分析與處理、系統(tǒng)仿真、控制算法等模塊，這些軟件資源一般都利用 面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法開發(fā)， 因此用戶可以方便地在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，充 分體現(xiàn)了虛擬儀器的“軟件就是儀器” The software is the instrument 的思想 [3] 。虛擬儀器現(xiàn)正處于發(fā)展階段，它可以看作是面向?qū)ο笏枷朐跍y 試儀器領(lǐng)域的發(fā)展。虛擬儀器 的構(gòu)成方式主要有 5 種類型，如圖 11 所示。 圖形化編程語言：如 LabVIEW， HPVEE 等。 I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序是控制硬 件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，是連接主控計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備的紐帶。 課題的研究內(nèi)容及方法 此課題的研究內(nèi)容： 主要是關(guān)于在 LabVIEW 環(huán)境下基于譜分析技術(shù)的虛擬相位差計(jì)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn) 5 基于譜分析技術(shù)的虛擬相位差計(jì)的設(shè)計(jì) 對兩個(gè)同頻率 正弦波信號的相位差計(jì)算。 （ 2）流程圖 實(shí)現(xiàn)虛擬發(fā)生器的所有程序都在這個(gè)窗口中完成。 第二章中將主要介紹圖形化編程語言 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境。 LabVIEW 是一個(gè)基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，它提供了一種全新 的編程方法，即對稱之為“虛擬儀器”的軟件對象進(jìn)行圖形化的操作組合。全新的定時(shí)循環(huán) timed loop 是 LabVIEW 中一個(gè)經(jīng)改進(jìn)的while 循環(huán)， 有了它，工程師們可以設(shè)定精確的代碼定時(shí)、協(xié)調(diào)多個(gè) timecritical 對時(shí)間要 求嚴(yán)格 的測量任務(wù)，并定義不同優(yōu)先級的循環(huán)，以創(chuàng)建多采樣率的應(yīng)用程序?yàn)榱? 進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)用系統(tǒng)的性能，工程師們還可以使用全新的 LabVIEW 執(zhí)行追蹤工具包 （ LabVIEW Execution Trace Toolkit），配合 LabVIEW RealTime 模塊，快速診斷 諸如內(nèi)存分配和紊亂狀況等 抖動(dòng)根源。各個(gè)控件、指示器是 LabVIEW 與用戶的接口，它們的外觀和實(shí)際儀器對應(yīng) 元件的外觀幾乎一樣，因此計(jì)算機(jī)屏幕所顯示的就像一臺實(shí)際儀器的前面板，既直 觀又美觀。 10 基于譜分析技術(shù)的虛擬相位差計(jì)的設(shè)計(jì) 圖 22 流程圖編輯窗口 （ 1）工具模板（ Tools Palette） 工具模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。當(dāng)它 用于改變對象的連框大小時(shí)，會(huì)變成相應(yīng)形狀。 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。 （ 2）控制模板 Controls Palette 使用控制模板可以給前面板添加輸入 控制和輸出顯示圖標(biāo)，每個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè) 子模板。 數(shù)組和群子模板：復(fù)合型 數(shù)據(jù)類型的控制和顯 示。 圖 25 功能模板 數(shù)值運(yùn)算子模板：包括各種常用的數(shù)值運(yùn)算符，如 +、 等；以及各種常見的 數(shù)值運(yùn)算式，如 +1 運(yùn)算；還包括數(shù)制 轉(zhuǎn)換、三角函數(shù)、對數(shù)、復(fù)數(shù)等運(yùn)算， 以及各種數(shù)值常數(shù)。 信號處理子模板：包括信號發(fā)生、時(shí)域及頻域分析功能模塊。 2. Signal Generation 子模板簡介（主要介紹正弦、三角、鋸齒和方波等） ● ：任意波形發(fā)生器圖標(biāo)（ Signal Generation by Duration），用該圖標(biāo) 可以選擇 7 種波形。其 中，端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能 調(diào)用，圖框被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流， 定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向；圖標(biāo) /連接器是子 VI 被其它 VI 調(diào)用的接口。 兩種最常用的前面板對象是數(shù)字控制和數(shù)字顯示。 端點(diǎn)是只有一路輸入 /輸出且方向固定的節(jié)點(diǎn)。 圖框是 LabVIEW 實(shí)現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)控制命令的圖形表示。 如圖 213 所示是一些常用數(shù)據(jù)類型所對應(yīng)的線型和顏色。接線頭還有一個(gè)黃色小標(biāo)識框，顯示該端口的名字。請記住，一個(gè)節(jié)點(diǎn)（函數(shù)）只有當(dāng)它 所有的輸入端的數(shù)據(jù)都成為有效數(shù)據(jù)后才能被執(zhí)行，而且只有當(dāng)它執(zhí)行完成后，它 的所有輸出端口上的數(shù)據(jù)才成為有效。點(diǎn)擊這個(gè)按鈕使該按鈕圖標(biāo)變成高亮形式，再點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕， VI 程序就以較 慢的速度運(yùn)行，沒有被執(zhí)行的代碼灰色顯示，執(zhí)行后的代碼高亮顯示，并顯示數(shù)據(jù) 流線上的數(shù)據(jù)值。用戶也可以點(diǎn)擊暫停按鈕，這樣程序 將連續(xù)執(zhí)行直到下一個(gè)斷點(diǎn)。例如，評定電動(dòng)機(jī)振動(dòng)強(qiáng) 度，需用振動(dòng)速度的均方值做判據(jù)。 1. 傅里葉級數(shù)的三角函數(shù)展開式 ∞ ∞ x t ∑ bn sin n?t + ∑ an cos n?t n 0 n 0 ∞ a0 + cos n?t + sin n?t （ 31） 2 ∑ an bn n 1 ∞