【正文】 通過(guò)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(jì) 35 虛擬信號(hào)頻譜分析儀前面板設(shè)計(jì)窗口 虛擬巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)原理和功能 實(shí)驗(yàn)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(gè)程序中起舉 足輕重的作用，如果沒(méi)有它，開發(fā)出來(lái)的程序不能稱為“虛擬儀器”，只能算做是一個(gè)“信號(hào)處理存儲(chǔ)器”。 3． 1． 2． 2 數(shù)據(jù)處理模塊 信號(hào)頻譜分析儀所要做的主要數(shù)據(jù)處理工作就是對(duì)待分析信號(hào)進(jìn)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(shí)用函數(shù)或功能模板可供使用。這一過(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、 2?? )上的信號(hào)瞬時(shí)值。由于這種收斂性，實(shí)際測(cè)量中可以在一定誤差允許范圍內(nèi)忽略次數(shù)過(guò)高的諧波分量 [8]。 6. 圖形編輯器：在許多場(chǎng)合，程序運(yùn)行速度都很關(guān)鍵。下面按步驟說(shuō)明進(jìn)行圖形化的程序設(shè)計(jì)。 采用 LabVIEW 編程，其主要特點(diǎn)就是將虛擬儀器分解為若干基本的功能模塊（相當(dāng)于硬件設(shè)計(jì)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(chǎng)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(cè)量分析儀器設(shè)備，特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，每種儀器都必須配置多套，而且有的儀器設(shè)備價(jià)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(guò)時(shí)陳舊等現(xiàn)象，嚴(yán)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(cè)信號(hào)的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。粗略地說(shuō)這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)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(jì) 就 LabVIEW 在開發(fā)虛擬儀器過(guò)程中的應(yīng)用做初步的探討，愿其中成功的經(jīng)驗(yàn)、失敗的教訓(xùn)對(duì)于應(yīng)用此軟件的讀者來(lái)說(shuō)有所幫助。同時(shí)， LabVIEW 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LabVIEW 對(duì)某些非 NI 公司支持的硬件在使用過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。國(guó)際上從 1988年陸續(xù)有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當(dāng)時(shí)有五家制造商推出 30 種產(chǎn)品 。運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，以微機(jī)為基礎(chǔ)，構(gòu)建集成化測(cè)試平臺(tái)，代替常規(guī)化儀器儀表，不但滿足電工、電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，而且可將這批微機(jī) 時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)得到改善，而且在經(jīng)濟(jì)性上也變得合理，從而用數(shù)學(xué)方法處理信號(hào)的范圍越來(lái)越大，這中趨勢(shì)仍在繼續(xù)基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 發(fā)展。本文的課題背景知識(shí)包括：數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、工程測(cè)試技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、 LabVIEW 軟件開發(fā)平臺(tái)等。當(dāng) 20世紀(jì) 50 年代出現(xiàn)電子管， 60 年代出現(xiàn)晶體 管時(shí)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(cè)量?jī)x器 分立元件測(cè)試儀器。 Tectronix 公司目前生產(chǎn)約 80 多種型號(hào)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(qiáng)、精度高、自動(dòng)化程度高，而且要求測(cè)試速度快、實(shí)時(shí)性好、具有良好的人機(jī)界面。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。下面的框圖反映了常見(jiàn)的虛擬儀器方案。在經(jīng)費(fèi)不 足或時(shí)間不充裕的情況下經(jīng)常被采用，下面就對(duì)這種虛擬儀器系統(tǒng)做簡(jiǎn)單的介紹。 ? 定義測(cè)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(diǎn)： 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(diǎn)。如何發(fā)展我國(guó)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(wèn)題。每個(gè)圖標(biāo)代表一類子模板。 對(duì)于構(gòu)建虛 擬儀器， LabVIEW 有許多特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，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(kù)可讓用戶采集測(cè)量信號(hào)或發(fā)出控制信號(hào)，適合應(yīng)用于快速且直接的控制； 650 多種儀器驅(qū)動(dòng)程序，可驅(qū)動(dòng)超過(guò) 50多家廠商制造的儀器；內(nèi)容豐富的高級(jí)分析庫(kù)，可進(jìn)行信號(hào)處理、統(tǒng)計(jì)、曲線擬合以及復(fù)雜的分析工作；利用 Activex， DDE 以及 TCP/IP 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和進(jìn)程基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 通信；適用于 Windows NT/9X/XP， MacOS， HP2UX， Sun 以及 Concurrent 實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)等等 [3]?？刂颇０迳系膶?duì)象包括數(shù)字顯示、表頭、壓力計(jì)、熱敏計(jì)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(shí)驗(yàn)原理 信號(hào)的頻譜描述是以頻譜 f（ ? =2? f） 為橫坐標(biāo)變量來(lái)描述信號(hào)幅值、相位的變化規(guī)律。 2. 非周期信號(hào)的傅立葉積分表示 作為周期 T 為無(wú)窮大的非周期信號(hào)，當(dāng)周期 T→∞時(shí)，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(yùn)算就變成求積分運(yùn)算。如果采樣頻率s?不滿足采樣定理，譜線就會(huì)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(lái)其主要功能應(yīng)包括：信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)分析和處理、數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)和讀取。LabVIEW 在向一個(gè)新的或已存在的文件讀寫數(shù)據(jù)是一個(gè)三部的過(guò)程：首先打開或創(chuàng)建一個(gè)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(wèn)題 同其它模塊化 編程語(yǔ)言一樣， LabVIEW 同樣存在著模塊的內(nèi)聚與偶合問(wèn)基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了虛擬信號(hào)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(hào)發(fā)生器、虛擬積分器和微分器等實(shí)驗(yàn)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(jì) 38 解調(diào)器原理圖 乘法器的另一個(gè)輸入信號(hào) 稱為參考信號(hào)，它應(yīng)是與載波頻率 相同的高頻 `信號(hào)。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?cè)陂_發(fā)程序的過(guò)程中一定要仔細(xì)地把好每一關(guān)，在模塊內(nèi)部將錯(cuò)誤清除，才能減輕最終程序調(diào)試的難度。 應(yīng)注意的問(wèn)題 Write to spreadsheet 和 Read from Spreadsheet File 兩個(gè)函數(shù)當(dāng)其輸入端 file path 為空時(shí) 自動(dòng)彈出對(duì)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(dāng)對(duì)信號(hào) x(t)進(jìn)行采樣 ，共 N 個(gè)采樣點(diǎn)，得離散時(shí)間序列 x(i) (i=0,1,2,?，N1)，代入式 (35)可得離散時(shí)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(gè)離散時(shí)間序列 x(i)。 3． 1． 1． 3 離散時(shí)間信號(hào)的頻譜 在 以計(jì)算機(jī)為中心的測(cè)試系統(tǒng)中，模擬信號(hào) x(t)進(jìn)入計(jì)算機(jī)前先經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)中的采樣器，將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間信號(hào)，成為采樣信號(hào)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(hào)。只在 n? 離散值上取值或只在 m? 離散點(diǎn)上取值。因?yàn)樵?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(duì)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(lái)自文本式程序設(shè)計(jì)的線性順序，它可以不受其限制。 2． 4． 3 LabVIEW 的特點(diǎn) 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engneering Workbench）是由美國(guó)國(guó)家儀器公司（ NI）在 1986 年推出的一種基于圖形編程語(yǔ)言（ G 語(yǔ)言）的開發(fā)環(huán)境，它具有十分強(qiáng)大的功能，包括數(shù)值函數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、輸入 /輸出控制、信號(hào)生成、圖象的獲取、處理和傳輸?shù)鹊取? 3. 圖標(biāo) /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(chǎng)上占有一席之地。K,Fluke 等。通常實(shí)際系統(tǒng)中放大器作成增益可調(diào)的放大器，設(shè)計(jì)者可根據(jù)輸入信號(hào)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(lái)做快速傅立葉變換觀察信號(hào)，那么今天可以利用它進(jìn)行高速的實(shí)時(shí)運(yùn)算，并將之應(yīng)用于過(guò)程控制和其它控制系統(tǒng)中。后來(lái) 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(jì)， 1995 年我國(guó)進(jìn)口 電子測(cè)量?jī)x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(jì) 80 年代末美國(guó)率先研制成功虛擬儀器（ Virtual VI）。 EDA 技術(shù)借助計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量大、運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，可對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行人工難以完成的模擬評(píng)估、 設(shè)計(jì)校驗(yàn)、設(shè)計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)、顯示等功能。測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的深層次結(jié)合正引起測(cè)試儀器 領(lǐng)域里的一場(chǎng)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(cè)試技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展紀(jì)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(chǎng)容量巨大。最初它是基于蘋果公 司的 Macintosh 微機(jī)的。80年代末制造的虛擬儀器頻率分析儀完成一個(gè) 1024點(diǎn)的快速傅立葉變換需要 1秒鐘的時(shí)間；今天的系統(tǒng)可以在 1 毫秒內(nèi)完成同樣的運(yùn)算，速度提高了一千倍。將前一級(jí)多路開關(guān)切換進(jìn)入待采集信號(hào)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(biāo)準(zhǔn) 總線和多種數(shù)據(jù)采集板， LabVIEW 還可以驅(qū)動(dòng)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(shì)使它在儀器市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力不斷增強(qiáng)。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(méi)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(diǎn)擊鼠標(biāo)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(jì)表示只有在所有輸入都有效時(shí)，一個(gè)對(duì)象才開始執(zhí)行，同樣，只有當(dāng)對(duì)象的功能完成以后，對(duì)象輸出才有效。 4. 數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)： LabVIEW 用一 種精巧的數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)模式把用戶從文本式語(yǔ)言的線形化方式構(gòu)建程序的方法中解放出來(lái)。 3. 周期信號(hào)頻譜的特點(diǎn) [8] ? 離散性。各頻率上譜線幅值趨于無(wú)窮小，故用頻譜密度表示，它在數(shù)值上相當(dāng)于將分量放大 T=2? /d? 倍，同時(shí)保持各頻率分量幅值相對(duì)分布規(guī)律不變。因此，其頻譜的特點(diǎn)是具有離散性、諧波性、周 期性。我們只需將需要的各個(gè)子 VI 放入一個(gè) case 結(jié)構(gòu)即可構(gòu)成典型信號(hào)生成模塊， case 結(jié)構(gòu)類