【正文】 本問(wèn)作者在初期準(zhǔn)備階段，認(rèn)真閱讀和參考了大量有關(guān)信號(hào)與系統(tǒng)、信號(hào)處理、工程測(cè)試、 LabVIEW 等相關(guān)書(shū)籍，在指導(dǎo)教師的幫助下在較短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā) 功能較齊全、實(shí)用性較強(qiáng)的虛擬儀器實(shí) 驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)?？紤]到實(shí)際情況中與載波信號(hào) 會(huì)有一個(gè)相位差 ，則 為 于是乘法器的輸出 為 令 A=EU，并根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，上式可寫(xiě)為 當(dāng)乘法器后接的低通濾波器的截止頻率遠(yuǎn)小于和頻率 ，并大于 信 號(hào) z（ t）的最 高頻率 時(shí)，上式中的高頻分量 項(xiàng)將被低通濾波器大大衰減，而只有差額信號(hào)項(xiàng) 輸出，于是解調(diào)器的輸出 f（ t）為 式中 為比例常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)定得出。通過(guò)前面板上的參數(shù)輸入，即可對(duì)輸入的欲處理信 號(hào)進(jìn)行濾波。典型信號(hào)及濾波后信號(hào)送顯示器顯示波形，進(jìn)而獲得濾波器的幅頻和相頻特性。過(guò)渡帶的陡峭程度正比于濾波器的階數(shù)。 3． 1． 2． 6 儀器面板和程序流程圖 圖 35 示出了虛擬信號(hào)頻譜分析儀的前面板設(shè)計(jì)窗口。在必要時(shí)，應(yīng)使用 Sequence 結(jié)構(gòu)控制數(shù)據(jù)流向，使它按照設(shè)計(jì)者的意思傳遞數(shù)據(jù)。為了規(guī)范操作，作者采用了 case 結(jié)構(gòu)，將 Read from Spreadsheet File 和 Write to spreadsheet 分別放入true(進(jìn)行讀寫(xiě)操作 )中，而 false（不進(jìn)行讀寫(xiě)操作）中為空。 LabVIEW 有 豐富的文件操作函數(shù)庫(kù)，可以方便進(jìn)行的讀寫(xiě)（ I/O）操作。但在程序開(kāi)發(fā)中有兩個(gè)問(wèn)題應(yīng)特別注意。該儀器應(yīng)實(shí)現(xiàn)典型實(shí)驗(yàn)信號(hào)的產(chǎn)生，對(duì)典型實(shí)驗(yàn)信號(hào)進(jìn) 行 FFT 變換，分析其頻譜，并顯示 計(jì)算結(jié)果。當(dāng) N=4 時(shí)，總計(jì)需 2N +N(N1)=28 次運(yùn)算；當(dāng)N=1024 時(shí)，則需要進(jìn)行 2096068 次運(yùn)算。但是在實(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s?=(4～ 20) m?。這樣，就會(huì)引起頻域上的一些變化。將它放大 T 倍，則 (34)變?yōu)椋? limT?? cm =limT?? kiNw 因?yàn)橛?? → d? ，所以有 limd??? cm 2d?? = ? ? jm tx t dte?? ????? 由于時(shí)間 T 是積分變量，故上式積分后，僅是 ? 的函數(shù)，并記作 X( ? )或? ?()Fxt ，即 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) X(? )= ? ?()Fxt = () jm tXte?? ?????dt= 0limd?? cm 1df X(? )或 X(f)表示單位頻段的頻率分量，是復(fù)數(shù)，稱為 x(t)的頻率密度函數(shù)。 ? 諧波性。圖形化程序設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高。你也可以建立同步操作的流程圖。 2. 建立前面板：從控制模板上選擇你需要的對(duì)象，放在虛 擬儀器的前面板上。用戶能夠通過(guò)連接模塊來(lái)快速開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序，甚至能夠使用多路數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)同步操作。 LabVIEW 還為用戶提供了函數(shù)擴(kuò)展功能，從而可以調(diào)用 C 等傳統(tǒng)編程語(yǔ)言寫(xiě)的程序代碼、調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等。 LabVIEW 與 C， Pascal，Basic 等傳統(tǒng)編程語(yǔ)言有著諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及模塊化的編程特點(diǎn)等 [2]。 2. 控制模板（ Controls Palette） 該模板用來(lái)給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對(duì)象和輸入控制對(duì)象。一個(gè) VI 可以作為子程序，這里稱為子 VI（ SubVI），被其他 VI 調(diào)用。但同時(shí)也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)在我國(guó)的科技水平還相對(duì)落后，每年需要花費(fèi)大量的外匯進(jìn)口電子儀器產(chǎn)品。 1988 年國(guó)際上開(kāi)始有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當(dāng)時(shí)只有五家制造商推出的 30 種產(chǎn)品。虛擬儀器正好可以滿足這些要求。同時(shí)， LabVIEW 還可調(diào)用 Windows 動(dòng)態(tài)連接庫(kù)和用戶自定義的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)中的函數(shù)，以解決對(duì)某些非NI 公司支持的標(biāo)準(zhǔn)硬件在使用過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。包含兩個(gè)方面的程序： ? 實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序。 3. 采樣保持器。 考慮到 PC— DAQ/PCI 插卡式虛擬儀器在五種虛擬儀器系統(tǒng)中，是虛擬儀器最基本最廉價(jià)的構(gòu)成形式。 總線技術(shù)的發(fā)展也為提高虛擬儀器的處理能力提供了必要的支持。虛擬儀器主要是指這種方式。 2021 年 NI 公司推出了 LabVIEW7 Express，目前已經(jīng)有了 。虛擬儀器利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型儀器。 5 萬(wàn)臺(tái)，價(jià)值 32 億美元。 其根本原因在于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容依附于課程設(shè)立，基本處于割裂狀態(tài)，儀器設(shè)備不可能實(shí)現(xiàn)資源共享，在科學(xué)技術(shù)以摩爾定律發(fā)展的今天，高校不可能支付巨額的儀器設(shè)備更新資金。正是由于 LabVIEW 的出現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了上文 提到的虛擬儀器研究新方法。美國(guó)是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大的虛擬儀器制造國(guó)，生產(chǎn)虛擬儀器的主要廠家有 HP 公司目前生產(chǎn) 100 多種型號(hào)的虛擬儀器。所謂虛擬儀器就是利用通用計(jì)算機(jī)為核心，加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件結(jié)構(gòu)平臺(tái)，由用戶設(shè)計(jì)、定義虛擬儀器面板，測(cè)試功能由軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，形成既有普通儀器的基本功能又有一般儀器 所沒(méi)有的特殊功能的高檔、低價(jià)的新型儀器。 第一代模擬儀器是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的模擬儀表。EDA 成為集成電路、印刷電路板、電子整機(jī)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)手段。它可用于信號(hào)的采集、分析、存儲(chǔ)和讀取，以及電工、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子儀器相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器模式，它通常是由個(gè)人計(jì)算機(jī)、模塊化的功能硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通信及圖形用戶界面的應(yīng)用軟件有機(jī)結(jié)合構(gòu)成，使計(jì)算機(jī)成為一個(gè)具有各種測(cè)量功能的數(shù)字化測(cè)量平臺(tái)。 測(cè)試技術(shù)與科學(xué)研究、工程師工程實(shí)踐密切相關(guān)。電子測(cè)量?jī)x器的 功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。此后。 1986 年，美國(guó)國(guó)家儀器公司（ National Instruments）開(kāi)發(fā)研制出基于蘋(píng)果公司的Macintosh 微機(jī)的最早版本。LabVIEW 的 CIN 節(jié)點(diǎn)使用戶可以使用由其它語(yǔ)言，如 ANSIC，編譯的基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 程序模塊，使 LabVIEW 成為一個(gè)完全開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。虛擬儀器賴以生存的 PC 計(jì)算機(jī)近幾年正以迅猛的勢(shì)頭席卷全國(guó)，這為虛擬儀器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 2 虛擬儀器及 LabVIEW 的簡(jiǎn)介 2． 1 概述 由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚摗⑿碌臏y(cè)試方法、新的測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。 LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engneering Workbench 的縮寫(xiě)，即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)，是美國(guó) NI 公司（ National Instrument Company）推出的一種基于 G 語(yǔ)言（ Graphics Language，圖形化編程語(yǔ)言）的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具。 隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。 其中，微處理器的發(fā)展是最迅速的，它使虛擬儀器的能力得到極大地提高。 可根據(jù)不同情況采用不同的 I/O 接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ）、 GPIB 總線儀器、 VXI 總線儀器模塊、串口儀器等，虛擬儀器構(gòu)成方式有五種類型，如圖12 框圖所示。 被測(cè)信號(hào) PC— DAQ GPIB 儀器 串口儀器 VXI 模塊 PXI 模塊 計(jì)算機(jī) 圖 22 虛擬儀器的構(gòu)成方式 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2. 放大器。 以上四個(gè)部分都處在計(jì)算機(jī)的前向通道，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要環(huán)節(jié)，與其它有關(guān)電路如定時(shí) /計(jì)數(shù)器、總線接口電路等集成在一塊印刷電路板上，即構(gòu)成數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ 卡），完成對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、放大及模 /數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。許多 I/O 驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)集成在開(kāi)發(fā)環(huán)境中。如果運(yùn)用虛擬儀器系統(tǒng)，情況就大不一樣了。虛擬儀器使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣，受到儀器廠商的限制。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 1998 年我國(guó)進(jìn)口電子測(cè)量?jī)x器 臺(tái)，價(jià)值 32 億美元。在流程圖對(duì) VI 編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。如果該模板沒(méi)有出現(xiàn)，則可以在 Windows 菜單下選擇 Show Tools Palette 命令以顯示該模板。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。編程者可以通過(guò)交互式手段，采用圖形化框圖設(shè)計(jì)的方法，完成虛擬儀器的邏輯和測(cè)量分析功能設(shè)計(jì)。 2． 5 設(shè)計(jì)本 虛擬儀器 系統(tǒng)所采用 的方法 LabVIEW 的圖形化程序設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)代軟件的面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)流技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的。 1. 建立方案：選用 LabVIEW 軟件，可以構(gòu)建虛擬儀器而不是編寫(xiě)程序。功能模塊上的對(duì)象包括簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算、高級(jí)數(shù)據(jù)采集和分析方法、以及網(wǎng)絡(luò)和文件輸入輸出操作。 LabVIEW 軟件是唯一的帶有編輯器的圖形化編程環(huán)境，可以產(chǎn)生最優(yōu)化的代碼，其運(yùn)行速度與編譯 C 的速度相當(dāng)。 cm=am+bm=|cm|emj? (32) 又 cm=am+jbm=|cm|emj? 根據(jù)歐拉公式 etjm? = cosm? tj sinm? t，代入式 (32)可得 am =T1 dttmtXT?? ?cos)( =21 an bm =T1 dttmtXT?? ?sin)( =21 bn |cm |= 21 ba nn 22? =21 An ?m =arctanbamm =2? ?n m=0，常值分量 c0 = 20a =T1 dttXT?? )( 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 以 |cm|m? 和 ?mm? 作圖分別為幅頻譜圖和相頻譜圖，它們都是雙邊譜， m?從 ∞ → +∞ 。 3． 1． 1． 2 非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜 1. 頻譜 密度函數(shù) X(w) 對(duì)于 非周期信號(hào)，可以看作周期 T 為無(wú)窮大的周期信號(hào)。 非周期信號(hào)用傅立葉級(jí)數(shù)來(lái)表示，其頻譜為連續(xù)的，它由無(wú)限多個(gè)頻率無(wú)限接近的頻率成分組成。其中 T 是采樣間隔，s?=2? /T 為采樣角頻率，它們的取值是個(gè)很重要的問(wèn)題。這樣，無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間信號(hào) x(t)就變成有限長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)pt=NT 的周期信號(hào)。 LabVIEW 就提供了這樣的功能模塊。 3． 1． 2． 1 典型信號(hào)生成模塊 LabVIEW 的 Signal Generation 子模塊下有豐富的仿真信號(hào)產(chǎn)生 子 VI，如正弦波序列發(fā)生器、方波序列發(fā)生器、三角波序列放生器、單位脈沖序列發(fā)生器、鋸齒波序列發(fā)生器等?？尚沂?LabVIEW 在頻域分析子模塊中提供了與信號(hào)分析有關(guān)的大量函數(shù)供設(shè)計(jì)者使用，在此我們調(diào)用了計(jì)算輸入 序列的實(shí)數(shù) FFT作為信號(hào)頻譜 分析儀的主要數(shù)據(jù)處理子 VI。本文選用 Write to spreadsheet 子 VI 作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，它將一個(gè)單精度二維數(shù)組組成一個(gè)文本字符串，并把這個(gè)字符串寫(xiě)到新文件或添加到一個(gè)已存在的文件中：選擇 Read Spreadsheet File 作為數(shù)據(jù)讀取，它可以讀一個(gè)以文本格式保存的 Spreadsheet 文件，并將其轉(zhuǎn)換為二維單精度數(shù)字?jǐn)?shù)組。 34 讀取存儲(chǔ)文件的基本框圖 3． 1． 2． 5 程序的集成與調(diào)試 將組建好的各功能模塊按照前文提到的程序框圖加上 必要的控件和指示器上，就可以將它們集成到一起，形