【導(dǎo)讀】助測試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。它推動(dòng)著傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化，智能化，模塊化，網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。本文采用計(jì)算機(jī)聲卡來代替工業(yè)用的數(shù)據(jù)采集卡。所設(shè)計(jì)出的虛擬儀器成本。行采樣充分利用了價(jià)格低廉的聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。文章闡述了虛擬儀器的背景、對聲音信號(hào)進(jìn)行顯示的虛擬示波器。次虛擬示波器的設(shè)計(jì)要求。

　　

【正文】 nctions → Graphics amp。 Sound → Sound → Input → Read 選擇 read 函數(shù)。 聲音輸入清除 聲音輸入清除 的前面板如圖 312 所示。 圖 312 聲音輸入清除 的前面板 聲音輸入清除 的后面板 如圖 313 所示。 圖 313 聲音輸入清除 的后面板 程序說明： 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 該函數(shù) 用于完成最終的清理工作。例如關(guān)閉聲卡采樣通道，釋放請求的一系列系統(tǒng)資源（包括 MDA，緩沖區(qū)內(nèi)存，聲卡端口等）。 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Graphics amp。 Sound → Sound → Input → Clea r 選擇 clear 函數(shù)。 測量模塊 采樣點(diǎn)數(shù)測量模塊如圖 314 所示。 圖 314 采樣點(diǎn)數(shù)測量模塊 程序說明： 采樣點(diǎn)數(shù)測量模塊主要用于獲得波形的采樣點(diǎn)數(shù)，其中采用的 Statistics 函數(shù)，它是用來確定波形運(yùn)行時(shí)的采樣點(diǎn)數(shù)，取決于輸入的程序中設(shè)定的值。 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Mathematics → Prob amp。 Stat → Statistics 選擇 Statistics 函數(shù)。 頻率測量模塊 前面板 如圖 315 所示 。 3 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì) 27 圖 315 頻率測量模塊 前面板 頻率測量模塊的后面板如圖 316 所示。 圖 316 頻率測量模塊的后面板 程序說明： 頻率測試模塊，主要用于測量信號(hào)波形的頻率。其中采用的函數(shù)為 Extract Single Tone Information 函數(shù)。它是用來獲取一個(gè)信號(hào)的，求出音頻信號(hào)的最高幅度或者一個(gè)指定的頻率范圍，并返回一個(gè)單一的頻率、幅度、相位值。 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Signal Processing → Wfm Measure → Extra ct Single Tone Information 選擇 Extract Single Tone Information 函數(shù)。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 頻譜分析模塊 頻譜分析模塊的前面板是設(shè)置頻譜分析模塊的參數(shù)。 頻譜分析模塊 的前面板 如圖 317 所示。 317 頻譜分析模塊 的前面板 頻譜分析模塊的后面板如圖 318 所示。 圖 318 頻譜分析模塊的后面板 程序說明： 頻譜分析模塊，它的作用是對信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。實(shí)現(xiàn)一個(gè) FFT 運(yùn)算。主要利用了 FFT Spectrum 函數(shù)。 FFT Spectrum 函數(shù)的功能為 計(jì) 算一個(gè)時(shí)間信號(hào)的平均 FFT Spectrum 。其結(jié)果是返回一個(gè)幅值或相位值。 3 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì) 29 主要操作說明： 在 block diagram： Functions → Signal Processing → Wfm Measure → FFT Spectrum 選擇 FFT Spectrum 函數(shù)。 參數(shù)顯示模塊 參數(shù)顯示模塊如圖 319 所示。 圖 319 參數(shù)顯示模塊 程序說明： 參數(shù)顯示模塊，它的作用是對信號(hào)的參數(shù)顯示出來。參數(shù)中包括周期平均，峰峰值，正峰值，負(fù)峰值，周期均方根，直流，均方根。 參數(shù)顯示是以數(shù) 字 的方式顯示。 本章 小結(jié) 本章是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，主要介紹了虛擬示波器的各個(gè)功能模塊具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括：數(shù)據(jù)采集和處理模塊、測量模塊、頻譜分析模塊、 參數(shù)顯示模塊等 。將這些模塊在主 VI 的框圖 程序中按照一定的邏輯關(guān)系組合起來，就形成了一個(gè)完整的虛擬 示波器。西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 4 程序的調(diào)試與測試 31 4 程序的調(diào)試與測試 虛擬示波器的性能指標(biāo) 虛擬示波器的性能指標(biāo)直接關(guān)系到該示波器到的性能好壞，包括該示波器能測量到的頻率范圍，顯示的是否清晰。主要由采樣頻率和采樣精度決定的。 下面分別介紹 本設(shè)計(jì)中的采樣頻率和采樣精度。 采樣頻率 系統(tǒng)能測試到的最高頻率與電路所選器件的性能有關(guān)，本論文選用聲卡的最高采樣頻率為 ，根據(jù)采樣定理，所能測試模擬信號(hào)的最高頻率為 22KHz?？紤]到聲卡本身采集質(zhì)量問題，實(shí)際測試的模擬信號(hào)的最高頻率為 。 采樣精度 系統(tǒng)采樣精度與電路所選器件的位數(shù)有關(guān)，設(shè)計(jì)中選用 16 位采樣的聲卡，采樣精度為 00 00 ? ，分辨率約為 %。 其中 實(shí)時(shí)帶寬： 2KHz。 程序的調(diào)試結(jié)果 在系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 完成之后 ， 接下來的任務(wù)即是檢驗(yàn)此虛擬示波 器是否可以正常工作并正確的反映波形的特性 。 下面分別從波形顯示 、 幅頻特性 、 相頻特性 三 方面來測試系統(tǒng)的功能 。 波形顯示調(diào)試結(jié)果 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)由于受聲卡硬件條件的限制，頻率范圍比較窄，可以用來測量音頻范圍的信號(hào)（如聲音、脈搏、心電、腦電和電話等）。 在最后的測試中 ，采用了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器作為外部模擬信號(hào)輸入， 用設(shè)計(jì)的虛擬示波器 分別 顯示正弦波、三角波、方波的波形 。 打開程序后 ， LABVIEW 聲卡 函數(shù) 的通道數(shù) 設(shè)置為 2，采樣數(shù) 設(shè)置為 5000，采樣頻率設(shè)置為 22050Hz，聲卡的位數(shù)設(shè)置為 16， 。 接入函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 產(chǎn)生的正弦波，然后 點(diǎn)擊窗口左上角的 “ 連續(xù)運(yùn)行 ” 按鈕 。正弦波波形顯示如圖 41。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 圖 41 正弦波的波形顯示 然后講函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸入波形改為三角波，其余參數(shù)均不變，點(diǎn)擊 “ 連續(xù)運(yùn)行 ” 按鈕 。 三角波的波形顯示如圖 42 所示。 圖 42 三角波的波形顯示 最后將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出波形改為方波， 點(diǎn)擊 “ 連續(xù)運(yùn)行 ” 按鈕 。 方波的波形顯示如圖 43 所示。 4 程序的調(diào)試與測試 33 圖 43 方波的波形顯示 調(diào)試結(jié)果： 從圖 4 圖 4 圖 43 中可以看到本文所設(shè)計(jì)的虛擬示波器可以對信號(hào)正確的采集和顯示，達(dá)到了本次虛擬示波器的設(shè)計(jì)要求。 小結(jié) 由 調(diào)試結(jié)果可知，設(shè)計(jì)用普通低廉的聲卡代替 了數(shù)據(jù)采集卡，在 LABVIEW圖形編程語言環(huán)境下設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種方便、靈活性強(qiáng)的虛擬示波器，對一些應(yīng)用領(lǐng)域是一種很好的選擇。 本文 所設(shè)計(jì)的虛擬示波器能對信號(hào)進(jìn)行采集和正確顯示，達(dá)到了虛擬示波器的設(shè)計(jì)要 求。 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 5 總結(jié)與展望 35 5 總結(jié) 與展望 結(jié)論 本文 設(shè)計(jì)的虛擬示波器不僅具有臺(tái)式數(shù)字示波器的功能，而且充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的功能和軟件設(shè)計(jì)的靈活性。 設(shè)計(jì)出的示波器不僅具有波形顯示功能，而且還具有頻譜分析和參數(shù)顯示功能。 經(jīng)過測試，本文設(shè)計(jì)的示波器能對波形和參數(shù)正確的顯示 ，達(dá)到了虛擬示波器的設(shè)計(jì)要求。 設(shè)計(jì)的研究工作和主要研究結(jié)果總結(jié)如下： （ 1） 本文 用圖形化編程語言 LABVIEW 對程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用硬件聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由于聲卡的電壓要求為 1V 左右，所以對小信號(hào)要進(jìn)行放大，大于 1V的電壓信號(hào)要加入衰減電路。 （ 2）充分利用了計(jì)算機(jī)的外設(shè)連接能力， 聲卡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力， 測試結(jié)果和波形顯示。 （ 3）由于本文選用聲卡的最高采樣頻率為 ，根據(jù)采樣定理，所能測試模擬信號(hào)的最高頻率為 22KHz?？紤]到聲卡本身采集質(zhì)量問題，實(shí)際測試的模擬信號(hào)的最高頻率為 。 （ 4）在 相同的 硬件條件下， 本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器還 可以通過修改和增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)回放模塊 ， 來增加虛擬示波器的功能 。 展望 由于本人的水平有限和設(shè)計(jì)的條件有限，設(shè)計(jì)中尚存在許多未盡人意的地方。主要有以下幾個(gè)方面需要改進(jìn)和研究： （ 1）影響示波器系統(tǒng)各個(gè)性能的因素很多，而數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率、分辨率影響著示波器的分辨率和顯示的波形。設(shè)計(jì)中選用的聲卡的采樣速率較低，帶寬較窄。因此需要選用各方面性能都較高的采集卡，這才能充分發(fā)揮虛擬 示波 器的優(yōu)點(diǎn)。 （ 2） 本文 所 設(shè)計(jì)的虛擬示波器 不 具有網(wǎng)絡(luò)功能。 網(wǎng)絡(luò)的潮流將資源共享帶入一個(gè)新的階段，加速了虛擬儀器與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合以及遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。 PC 技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)融合發(fā)展， 使 虛擬儀器的功能得到進(jìn)一步的發(fā)展，例如更多的嵌入式和實(shí)時(shí)功能。隨著 PC 技術(shù)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)已成為一項(xiàng)前沿學(xué)科，代表著儀器發(fā)展的最新方向之一，不斷的被推向各個(gè)新的領(lǐng)域，在新的世紀(jì)將大行其道。虛擬儀器設(shè)計(jì)已經(jīng)成為測試與儀器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著高速 A/D 芯片和電路的進(jìn)一步集成化，西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 可以設(shè)想在不遠(yuǎn)的將來，一臺(tái)有安裝虛擬儀器軟件的標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)成為一個(gè)多功能的測量儀器站，從 根本上改變目前專用儀器的研制和生產(chǎn)方式，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益。計(jì)算機(jī)虛擬示波器的成本低，功能全，可擴(kuò)充性強(qiáng)，較適合應(yīng)用于工業(yè)測試和工業(yè)自動(dòng)化及汽車、輪船、水力和醫(yī)療等領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬示波器的開發(fā)和研究將會(huì)獲得更大的推動(dòng)。 5 總結(jié)與展望 37 致謝 美麗的古城西安，四年的大學(xué)生活就要結(jié)束了，回想起美好的大學(xué)時(shí)光不禁嘴角露出會(huì)心的微笑。學(xué)校的老師、同學(xué)、設(shè)施等等都是我人生最可寶貴的資源，我用了四年時(shí)間完成了整合。要畢業(yè)了，花園般的校園、尊敬的老師、可愛的同學(xué)都給我留下了最美好的回憶。在此祝 愿我的母校越辦越好，祝愿老師工作順利、身體健康，希望同學(xué)們學(xué)業(yè)、事業(yè)有成。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在導(dǎo)師謝檬親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的，老師工作認(rèn)真，即使在有身孕的情況下依然堅(jiān)持給我們指導(dǎo)，給我們這一組的同學(xué)都留下了深刻的印象，也更加激勵(lì)我們必須把畢業(yè)設(shè)計(jì)做好。在我畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，宿舍的舍友林文在我們互相探討中也給了我很大的啟發(fā)和鼓勵(lì)，并提出了許多寶貴的建議。藉此完成之際，謹(jǐn)向尊敬的老師和同學(xué)致以最衷心的感謝 ! 感謝論文中參考的參考文獻(xiàn)的作者；對于提供 論文中隱含的上述提及的支持者以及研究思想和設(shè)想的支持者表示感謝。西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 參考文獻(xiàn) 39 參考文獻(xiàn) [1] 張健，韓薪莘，房曉溪，程學(xué)慶 .LABVIEW 圖形化編程與實(shí)例應(yīng)用 .北京：中國鐵道出版社， 2020： 159— 160 [2] 戴鵬飛，王勝開，王格芳，馬欣 .測試工程與 LABVEIW 應(yīng)用 .北京：電子工業(yè)出版社，2020： 64— 77 [3] 路林吉，等 .虛擬儀器的應(yīng)用 .電子技術(shù)， 2020： 40— 46 [4] 張毅，龍風(fēng)樂等 .測控系統(tǒng)中三種最新軟件的比較 .計(jì)算機(jī)測量與控制， 2020： 21— 24 [5] National Instruments. 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