【正文】 成一個功能完善的虛擬信號頻譜分析儀器。 任何較大 型的程序的調試都是一件 煩瑣的事情。在通帶中是理想的單位響應，在阻帶中響應為零。 功能 該儀器可實現(xiàn)生成正弦波、方波、三角波等典型信號，并通過 Butterworth filter 進行濾波。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 圖 313 虛擬巴特沃斯濾波器前面板 虛擬巴特沃斯濾波器后面板設計 該儀器 的后面板由虛擬信號產(chǎn)生模塊、顯示模塊和濾波模塊組成，前兩個模塊前面已經(jīng)介紹的很 多了，這里不再贅述，只介紹該儀器的關鍵濾波子 VI，LabVIEW 中了提供了豐富的濾波子 VI，下面就對 Butterworth 加以介紹。 3． 3 基于 LabVIEW 的調幅波解調器 3． 3． 1 實 驗原理 構成解器的原理如圖 37 所示。 3． 3． 3 前面板和流程圖設計 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 39 調幅波解調器前面板 兩個顯示窗分別顯示調幅波和解調信號的波形，高頻和低頻信號源參數(shù)選擇窗可分別設定載波信號和調制信號的參數(shù)，濾波器低截止頻率由用戶選擇。在此所做的只是將 LabVIEW 開發(fā)平臺初步用于實驗教學系統(tǒng)開發(fā)過程中的經(jīng)驗和教訓記錄下來，希望成功的經(jīng)驗能夠給您以啟發(fā)，失敗的教訓給您警戒，使您在最短時間內(nèi)走出我曾經(jīng)走過的路，并 一直朝前走下去，讓你我共同鋪墊出一條通向新科技之路，為祖國高等教育實驗教學能夠跟上時代的步伐，培養(yǎng)出高質量、高素質的人才獻上我們的所有。低頻信號經(jīng)高頻載波后形成調幅波，調幅波再經(jīng)巴特沃斯濾波器 濾波后 `解調，并同時輸出調幅波和解調后信號的波形。對 低截止頻率和高截止頻率應該注意是：當 虛擬巴特沃斯濾波器作為低通濾波器使用時，其 高截止頻率被忽略，而低截止頻率必須滿足奈奎斯特采樣定理的條件。兩個 Waveform Graph 控件分別用來顯示生成的虛擬仿真信號波形和該信號經(jīng)過 濾波后的波形 ；兩個 Enum 控件分別用來進行波形選擇和濾波器類型選擇，波形可選擇正弦波、方波、三角波和鋸齒波，濾波器類型可選擇高通、低通、帶通和帶阻；八個 Numeric Controls 分別用來對源信號波形參數(shù)進行設置和濾波器參數(shù)進行設置。 巴特沃斯濾波器 的幅頻特性有以下幾個特點： 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 ? =0 時， |H(? )|取最大值， |H(0)|=1； ? =c?時， |H(c?)|= 12，也即衰減特性為 3dB，c?稱為低通濾波器的截止頻率； 值越大，幅頻特性曲線越接近理想特性曲線。 圖 35 給出了虛擬信號頻譜分析儀的程序流程圖編輯窗口的部分內(nèi)容，圖中展示了典型信號生成模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)讀取存儲模塊和加窗模塊間的數(shù)據(jù)流驅動關系及各模塊的部分流程圖。在使用循環(huán)結構時，要特別注意在何種情況下循環(huán)內(nèi)部的變量才可以被外部引用，而不影響內(nèi)部的參量，不改變內(nèi)部結構。然而實際上它并不是完整意義上 的模塊，它是分散于各個模塊之間，無 處不在的，我門很難分析它的組成結構，所以此處不對其進行討論。由于 本信號頻譜分析儀的數(shù)據(jù)量不是很大，而且為了學生在實驗后進行實驗數(shù)據(jù)分析方便，本模塊采用數(shù)據(jù)表文件的形式對實驗數(shù)據(jù)進行讀寫操作。 “ Bundle”的使用：為了將仿真信號波形的橫軸起點、橫軸分度值和幅值合成一個整體，我們使用了 Cluster 子模板上的 ” Bundle” 圖標， 它有三個輸入量：橫軸起點，設為 0；橫軸分度值，由采樣頻率的倒數(shù)，即采樣間隔決定：輸出信號幅值。下面將對各個功能模塊的設計思想做簡要介紹。那些能夠減少計算次數(shù)，縮短計算時間，能在工程實際中用來實現(xiàn) DFT 計算的快速算法就稱為快速傅立葉變換，簡稱 FFT。 欲對連續(xù)時間信號 x(t)用計算機進行離散傅立葉變換，首先經(jīng)采樣器對它進行采樣，滿足采樣頻率為 ? =? =2? /T(T 為采樣間隔 )，從而獲得時間離散的信號基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 sx(t)，它是一個無限長的離散的時間序列 ? ?? ?s iTx (i=0,1,2,?? )。 采樣是把連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間序列的過程。記為 x(t)= ? ?1 ()xF ?? 。常見的周期信號幅值總的趨勢是隨諧波次數(shù)的增高而減小。傅立葉級數(shù)有兩種表達式 1. 傅立葉級數(shù)的三角函數(shù)展開式： x(t)=???0n bnsinn? t+???0n ancosn? t = 20a +???1n(bn sinn? t+an cosn? t) 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 =20a+???1n Ansin(n? t+?n) 式中： a0=T2 dttXT?? )(是直流分量； an= dttntXT?? ?cos)( 是余弦分量的幅值； bn=T2 dttntXT?? ?sin)(是正弦分量的幅值； An= bann 22?是各頻率分量的幅值； ?n=arctanbann 是各頻率分量的相位； ?= T?2 是角頻率 [8]； 以角頻率 n? 為橫軸，幅值 An或相角 ?n為橫軸作圖，則 分別得到幅頻譜圖和相頻譜圖，它們是單邊譜， n? 由 0→∞ 。甚至可以創(chuàng)建自己的虛擬儀器圖標，因而可以設計由虛擬儀器構成的多層系統(tǒng)，并可以改變它，同其他虛擬儀器交換和連接以滿足不斷變化的應用需要。 3. 構建圖形化的流程圖：對虛擬儀器進行程序設計，你不必擔心很多傳統(tǒng)設計所需的語法細節(jié)，而可自己構建流程圖。利用應用程序生成器，用戶能夠產(chǎn)生虛擬儀器，就像獨立的執(zhí)行程序一樣。并可更進一步以 LabVIEW 的 PC 工具箱或其它繪圖軟件來訂制人機界面元件，藉以呈現(xiàn)儀控符號和系統(tǒng)流程圖。同時，LabVIEW 的執(zhí)行順序是依方框圖間數(shù)據(jù)的傳遞來決定的，并不像傳統(tǒng)文字式編程語言必須逐行地執(zhí)行，因此用戶能設計出可同時執(zhí)行多個程序的流程圖。 控制模板如下圖 14 所示，它包括如下所示的一些子模板。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。 1. 前面板 前面板是圖形用戶界面，也就是 VI 的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關、旋鈕、圖形以及其他控制（ control）和顯示對象（ indicator）。虛擬儀器賴以生存的 PC 計算機近幾年正以迅猛的勢頭席卷全國，這為虛擬儀器的發(fā)展奠定了基礎。 2) 用戶自定義性。其中，最廣泛的應用是取代傳統(tǒng)的臺式儀器。這類程序用來完成特定外部硬件設備的擴展、驅動和通信。將輸入的模擬量轉化為數(shù)字量輸出，并完成信號幅值的量化。 數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ 卡）由以下幾個部分組成： 1. 多路開關。由于總線速度的大大提高，現(xiàn)在可以同時使用數(shù)塊數(shù)據(jù)采集板，甚至圖象數(shù)據(jù)采集也可以和數(shù)據(jù)采集結合在一起。 2． 2． 2 虛擬儀器硬件平臺 構成虛擬儀器的硬件平臺有兩大部分： (1) 計算機：一般為一臺 PC 機或者工作站，它是硬件平臺的核心 。在計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。它利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板，完成對數(shù)據(jù)的處理、表達、傳送、存儲、顯示等功能。 LabVIEW 作為虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)的杰出代表，在我國由于引進的時間不長，了解和熟悉它的人還不多，還遠遠沒有被認識和推廣應用。 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下優(yōu)點： 1． 在通用硬件平臺確定后，有軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能； 2． 儀器的功能是用戶 根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是事先由生產(chǎn)廠家定義好的； 3． 儀器性能的改進和功能的擴展只需進行相關軟件的設計更新，而不需要購買新的儀器；‘ 4． 研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短，且成本低廉； 5． 虛擬儀器具有開放性和靈活性，可與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡及其它周邊設備互聯(lián)。 LabVIEW還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設置斷點，動態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程，以便進行方便的調試。 LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench 的縮寫?；?LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 虛擬儀器可廣泛應用于電子測量、電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動分析、聲學分析、故障診斷及教學科研等諸多領域。隨著電子技術和微處理技術的發(fā)展和普及， 20 世紀 80 年代以微處理器為核心的第四代儀器 智能式儀器迅速發(fā)展和普及。在電路設計和鼓掌查詢時，應用虛擬儀器技術對各種實際典型電路進行分析和測量，充分利用虛擬儀器的優(yōu)勢，培養(yǎng)學生設計電 路系統(tǒng)的能力和實際操作能力。數(shù)學化測量平臺逐漸成為測量儀器的基礎。 1． 1 虛擬儀器在教學上的運用前景 隨著低成本高性能的計算機 資源普及運用。學生在計算機上完成電路設計計算、電路模擬和印刷電路板設計，并在實驗實際制作。 20 世紀 70年代集成電路的出現(xiàn)，誕生了以集成電路芯片為基礎的第三代儀器 數(shù)字式儀器。 虛擬儀器利用個人計算機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對儀器的控制，數(shù)據(jù)分析與顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器價格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。 虛擬儀器的軟件開發(fā)環(huán)境目前大致有兩類：一類是文本式 的編程語言，如 Borland C, Visual C++,LabWindow/CVI 等； 另一類是圖形化編程語言，具代表性的有 LabVIEW,HPVEE 等。 LabVIEW 提供提供了大量的函數(shù)和子程序支持用戶的任務，也提供了一些專用程序如 GPIB 設備控制、VXI 總線控制、串行口設備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲。虛擬儀器正可以實現(xiàn)這些要求。發(fā)達國家雖然在此領域比我國起步早，但差距并不是很大，我們應當充分把握時機，取長補短，學習國外先進經(jīng)驗，將我國的虛擬儀器產(chǎn)業(yè)水平逐漸向先進國家靠攏。它通常是由個人計算機、模塊化的功能硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的應用軟件有機結合構成，使計算機成為一個具有各種測量功能的數(shù)字化測量平臺。 2． 2 虛擬儀器技術 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 2． 2． 1 虛擬儀器的定義 虛擬儀器（ Virtual Instrument）是基于計算機的儀器。 虛擬儀器一般由通用儀器硬件平臺和應用軟件兩大部分組成。使用 ISA總線時，插在電腦中的數(shù)據(jù)采集板的采集速度最高為 2MBps；使用 PCI 總線時， 信 號 調 理 數(shù) 據(jù) 采 集 卡 數(shù) 據(jù) 處 理 虛 擬 儀 器 面 板 被 測 對 象 圖 21 常見虛擬儀器應用方案 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 最高采集速度可提高到 132MBps。 它的硬件平臺主要有 PC 計算機和數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ 卡）組成。 4. A/D 轉換器。 2) I/O 接口儀器驅動程序。虛擬儀器廣泛應用于信號處理、電子測量、電力工程、物礦探測、醫(yī)療、振動分析、聲學分析、故障診斷及教學科研等諸多領域。 在一定通用硬件模塊和軟件環(huán)境的支持下，用戶可以根據(jù)實際情況夠設自己的測試方案，以完成不同的測試任務。 目前，我國正處于科學技術和教育事業(yè)蓬勃發(fā)展的新時期，對儀器設備的需求將更加強勁。 2． 4 LabVIEW 開