【正文】 通過波形分析，使學(xué)生掌握調(diào) 制解調(diào)器的基本原理。 完整的前面板如圖 313 所示。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 35 虛擬信號頻譜分析儀前面板設(shè)計窗口 虛擬巴特沃斯濾波器的設(shè)計 實驗原理和功能 實驗原理 巴特沃斯濾波器 擁有最平滑的頻率響應(yīng)，在截止頻率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降。在此之所以將其稱為“模塊”，是由于它在整個程序中起舉 足輕重的作用，如果沒有它，開發(fā)出來的程序不能稱為“虛擬儀器”，只能算做是一個“信號處理存儲器”。 3． 1． 2． 2 數(shù)據(jù)處理模塊 信號頻譜分析儀所要做的主要數(shù)據(jù)處理工作就是對待分析信號進行傅立葉變換，以獲得它的頻率 圖。在許多軟件的工具箱中，已有各種實用函數(shù)或功能模板可供使用。這一過程相當于在連續(xù)時間信號上“抽取”許多離散時刻 iT(i=0、 2?? )上的信號瞬時值。由于這種收斂性，實際測量中可以在一定誤差允許范圍內(nèi)忽略次數(shù)過高的諧波分量 [8]。 6. 圖形編輯器：在許多場合，程序運行速度都很關(guān)鍵。下面按步驟說明進行圖形化的程序設(shè)計。 采用 LabVIEW 編程，其主要特點就是將虛擬儀器分解為若干基本的功能模塊（相當于硬件設(shè)計的集成電路），模塊的引腳代表輸入 /輸出接口 。 1. 工具模板（ Tools Palette） 該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試 VI 程序的工具，如圖 13 所示。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場容量巨大。 高等學(xué)校特別是理工科學(xué)校，教學(xué)、科研需要大量的測量分析儀器設(shè)備，特別是實驗教學(xué)，每種儀器都必須配置多套，而且有的儀器設(shè)備價格昂貴，因此儀器設(shè)備所需投資巨大，一般學(xué)校很難滿足，造成許多學(xué)校儀器設(shè)備缺乏和過時陳舊等現(xiàn)象，嚴重影響教學(xué)科研。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前通常將采樣 /保持器同 A/D 轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。 (2) I/O 接口設(shè)備：主要完成被測信號的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。本文基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 就 LabVIEW 在開發(fā)虛擬儀器過程中的應(yīng)用做初步的探討，愿其中成功的經(jīng)驗、失敗的教訓(xùn)對于應(yīng)用此軟件的讀者來說有所幫助。同時， LabVIEW 可調(diào)用 Windows 動態(tài)連接庫和用戶自定義的動態(tài)連接庫中的函數(shù)，以解決LabVIEW 對某些非 NI 公司支持的硬件在使用過程中的驅(qū)動問題。國際上從 1988年陸續(xù)有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當時有五家制造商推出 30 種產(chǎn)品 。運用虛擬儀器技術(shù)，以微機為基礎(chǔ)，構(gòu)建集成化測試平臺，代替常規(guī)化儀器儀表，不但滿足電工、電子實驗教學(xué)的需要，而且可將這批微機 時間較長的缺點得到改善，而且在經(jīng)濟性上也變得合理，從而用數(shù)學(xué)方法處理信號的范圍越來越大，這中趨勢仍在繼續(xù)基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 發(fā)展。本文的課題背景知識包括：數(shù)字信號處理技術(shù)、工程測試技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、 LabVIEW 軟件開發(fā)平臺等。當 20世紀 50 年代出現(xiàn)電子管， 60 年代出現(xiàn)晶體 管時不我待，便產(chǎn)生了以電子管或晶體管為基礎(chǔ)的第二代測量儀器 分立元件測試儀器。 Tectronix 公司目前生產(chǎn)約 80 多種型號的虛擬儀器，此外還有 NI 公司、 Keithely 公司， Iotech 公司等。而且，在、現(xiàn)在化生產(chǎn)要求電子儀器品種多、功能強、精度高、自動化程度高，而且要求測試速度快、實時性好、具有良好的人機界面。虛擬儀器是計算機技術(shù)與電子儀器相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器模式。下面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。在經(jīng)費不 足或時間不充裕的情況下經(jīng)常被采用，下面就對這種虛擬儀器系統(tǒng)做簡單的介紹。 ? 定義測試功能的流程圖軟件程序。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有如下優(yōu)點： 1) 虛擬儀器具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點。如何發(fā)展我國自己的儀器產(chǎn)品，尤其是具有廣闊發(fā) 展前景的虛擬儀器，是我們應(yīng)該迫切解決的問題。每個圖標代表一類子模板。 對于構(gòu)建虛 擬儀器， LabVIEW 有許多特點和優(yōu)勢，諸如：儀器控制與數(shù)據(jù)采集的圖形化編程；直觀明了的前面板用戶界面和流程圖式的編程風(fēng)格；內(nèi)置的編譯器可加快執(zhí)行速度；數(shù)據(jù)采集 DAQ 函數(shù)庫可讓用戶采集測量信號或發(fā)出控制信號，適合應(yīng)用于快速且直接的控制； 650 多種儀器驅(qū)動程序，可驅(qū)動超過 50多家廠商制造的儀器；內(nèi)容豐富的高級分析庫，可進行信號處理、統(tǒng)計、曲線擬合以及復(fù)雜的分析工作；利用 Activex， DDE 以及 TCP/IP 進行網(wǎng)絡(luò)連接和進程基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 通信；適用于 Windows NT/9X/XP， MacOS， HP2UX， Sun 以及 Concurrent 實時計算機等等 [3]?？刂颇０迳系膶ο蟀〝?shù)字顯示、表頭、壓力計、熱敏計外殼、表、圖片等。 3 基于 labVIEW的虛擬儀器 3． 1 虛擬儀器頻譜分析儀 3． 1． 1 虛擬儀器頻譜分析儀的實驗原理 信號的頻譜描述是以頻譜 f（ ? =2? f） 為橫坐標變量來描述信號幅值、相位的變化規(guī)律。 2. 非周期信號的傅立葉積分表示 作為周期 T 為無窮大的非周期信號，當周期 T→∞時，頻譜譜線間隔? → d? ， T→ 2d?? ，離散變量 m? → ? 變?yōu)檫B續(xù)變量，求和運算就變成求積分運算。如果采樣頻率s?不滿足采樣定理，譜線就會重疊，即使采 用理想低通濾波器也不可能將混入的高頻主分量濾除。概括起來其主要功能應(yīng)包括：信號的產(chǎn)生、信號分析和處理、數(shù)據(jù)文件存儲和讀取。LabVIEW 在向一個新的或已存在的文件讀寫數(shù)據(jù)是一個三部的過程：首先打開或創(chuàng)建一個文件，然后按一定格式讀寫數(shù)據(jù)到文件，最后關(guān)閉文件。 數(shù)據(jù)的內(nèi)聚與偶合問題 同其它模塊化 編程語言一樣， LabVIEW 同樣存在著模塊的內(nèi)聚與偶合問基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 題。 巴特沃斯 低通 濾波器 是一種所謂最平通帶特性逼近理想低通特性的濾波器。 圖 314 Butterworth 完整的后面板流程圖如圖 315 所示。該虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法，設(shè)計并實現(xiàn)了虛擬信號頻譜分析儀、虛擬巴特沃死濾波器、調(diào)幅波解調(diào)器、虛擬信號發(fā)生器、虛擬積分器和微分器等實驗教學(xué)用虛擬儀器。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 38 解調(diào)器原理圖 乘法器的另一個輸入信號 稱為參考信號，它應(yīng)是與載波頻率 相同的高頻 `信號。濾波器類型可選擇高通、低通、帶通和帶阻，濾波階次、低截止頻率、高截止頻率都可任意選擇。這就要求我們在開發(fā)程序的過程中一定要仔細地把好每一關(guān)，在模塊內(nèi)部將錯誤清除，才能減輕最終程序調(diào)試的難度。 應(yīng)注意的問題 Write to spreadsheet 和 Read from Spreadsheet File 兩個函數(shù)當其輸入端 file path 為空時 自動彈出對話框要求輸入讀寫路徑。圖 32 示出了該模塊 case結(jié)構(gòu)下的方波分支程序流程。 當對信號 x(t)進行采樣 ，共 N 個采樣點，得離散時間序列 x(i) (i=0,1,2,?，N1)，代入式 (35)可得離散時間序列的頻譜 X(K) (k=0,1,2,?， N1)，共 N 條譜線，其中有效譜線 N/2 條；反之，將 N 條譜線代入式 (36)，則可得 i=0,1,2,?，N1 共 N 個離散時間序列 x(i)。 3． 1． 1． 3 離散時間信號的頻譜 在 以計算機為中心的測試系統(tǒng)中，模擬信號 x(t)進入計算機前先經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)中的采樣器，將連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間信號，成為采樣信號后再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器在幅值上量化為離散的數(shù)字信號。只在 n? 離散值上取值或只在 m? 離散點上取值。因為在 LabVIEW 軟件中程序的執(zhí)行順序由各方塊中的數(shù)據(jù)流決定。這樣的話，互相在對象間的數(shù)據(jù)流控制執(zhí)行順序，執(zhí)行順序不局限于來自文本式程序設(shè)計的線性順序，它可以不受其限制。 2． 4． 3 LabVIEW 的特點 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engneering Workbench）是由美國國家儀器公司（ NI）在 1986 年推出的一種基于圖形編程語言（ G 語言）的開發(fā)環(huán)境，它具有十分強大的功能，包括數(shù)值函數(shù)運算、數(shù)據(jù)采集、信號處理、輸入 /輸出控制、信號生成、圖象的獲取、處理和傳輸?shù)鹊取? 3. 圖標 /連接器 VI 具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。許多大型儀器公司均在虛擬儀器市場上占有一席之地。K,Fluke 等。通常實際系統(tǒng)中放大器作成增益可調(diào)的放大器，設(shè)計者可根據(jù)輸入信號不同的幅值選擇不同的增益倍數(shù)。這意味著，如果以前人們是用虛擬儀器來做快速傅立葉變換觀察信號，那么今天可以利用它進行高速的實時運算，并將之應(yīng)用于過程控制和其它控制系統(tǒng)中。后來 NI 公司不斷推出基于各種操作系統(tǒng)的 LabVIEW 版本。據(jù)統(tǒng)計， 1995 年我國進口 電子測量儀器 73。 1998 年 NI 公司推出 了基于 Windows 95 /Windows 的最新版本 和它的姐妹軟件包LabWindow/CVI 。 1． 2 虛擬儀器及 LabVIEW 的 發(fā)展 在這種背景下， 20 世紀 80 年代末美國率先研制成功虛擬儀器（ Virtual VI）。 EDA 技術(shù)借助計算機存儲容量大、運行速度快的特點，可對設(shè)計方案進行人工難以完成的模擬評估、 設(shè)計校驗、設(shè)計優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理等工作。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。測試技術(shù)與計算機技術(shù)的深層次結(jié)合正引起測試儀器 領(lǐng)域里的一場革命，一種全新的儀器結(jié)構(gòu)概念 虛擬儀器，它的出現(xiàn)使人類的測試技術(shù)進入了一個新的發(fā)展紀元。在此之后，該公司不斷推出基于各種操作系統(tǒng)的 LabVIEW 版本。 虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場容量巨大。最初它是基于蘋果公 司的 Macintosh 微機的。80年代末制造的虛擬儀器頻率分析儀完成一個 1024點的快速傅立葉變換需要 1秒鐘的時間；今天的系統(tǒng)可以在 1 毫秒內(nèi)完成同樣的運算，速度提高了一千倍。將前一級多路開關(guān)切換進入待采集信號放大（或衰減）至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。以 LabVIEW 為例，他能夠支持串行接口、 GPIB 及VXI 等標準 總線和多種數(shù)據(jù)采集板， LabVIEW 還可以驅(qū)動許多儀器公司的儀器，如 HewlettPackard， Philips， Tektronix， Bamp。 2． 3． 3 虛擬儀器的發(fā)展前景 虛擬儀器依靠其自身的優(yōu)勢使它在儀器市場的競爭力不斷增強。流程圖中包括前面板上的控件和連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用 Windows 菜單下的 Show Functions Palette 功能打開它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點擊鼠標右鍵以彈出功能模板，功能模板如圖 15 所示。數(shù)據(jù)流 程序設(shè)計表示只有在所有輸入都有效時，一個對象才開始執(zhí)行，同樣，只有當對象的功能完成以后，對象輸出才有效。 4. 數(shù)據(jù)流程序設(shè)計： LabVIEW 用一 種精巧的數(shù)據(jù)流程序設(shè)計模式把用戶從文本式語言的線形化方式構(gòu)建程序的方法中解放出來。 3. 周期信號頻譜的特點 [8] ? 離散性。各頻率上譜線幅值趨于無窮小，故用頻譜密度表示，它在數(shù)值上相當于將分量放大 T=2? /d? 倍，同時保持各頻率分量幅值相對分布規(guī)律不變。因此，其頻譜的特點是具有離散性、諧波性、周 期性。我們只需將需要的各個子 VI 放入一個 case 結(jié)構(gòu)即可構(gòu)成典型信號生成模塊， case 結(jié)構(gòu)類