【導讀】分析和處理，顯示，存貯等方面的優(yōu)勢與傳統(tǒng)的儀器相比越來越明顯。器的功能單一，發(fā)展虛擬儀器已經成為一個不可阻擋的歷史潮流。了一套虛擬示波器。對虛擬儀器的概念，結構，發(fā)展趨勢進行了相關分析。了與信號處理相關的基礎知識，主要是傅里葉變換。虛擬儀器主要由硬件和軟件。本文對虛擬示波器的硬件即數據采集卡進行了初略的介紹，對其。軟件部分進行了詳細研究。在此基礎上完成了頻譜分析模塊，存儲模塊，顯示模。塊，濾波模塊，測量模塊的設計。

　　

【正文】 需求導致了離散傅里葉變換的產生。計算機只能處理離散且有限長度的數據，要用計算機完成頻譜分析和其它方面的工作，通常的處理方法是模擬信號 x(t)進入數字計算機前先經過數據采集卡 (DAQ)中的采樣器，將連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間信號，成為采樣信號而后再經 A/D 轉換器在幅值 上量化變?yōu)殡x散的數字信號。這樣，將出現(xiàn)一系列的問題。現(xiàn)將在頻域20 中分析其頻譜的變化。 (l) 信號 XS(i)及其頻譜 XS(? ) 若連續(xù)時間信號 x(t)被數據采集卡 (DAQ)中的采樣器以等時間間隔 T 采樣，則采樣時刻 0， T， ZT… .，所得信號 x(t)的瞬時值，就構成了連續(xù)信號的 x(t)的離散時間序列 xs(i)， (i==0， 1， 2，? )。采樣信號的頻譜在幅值上比信號 x(t)的頻譜 X(? )幅值放大了 1/T 倍，并呈現(xiàn) 周期性，周期為 s? ,即在頻率 ? 軸上，每隔 ? S=2? /T，在 ? S， 2? S，?， m? s 處重復出現(xiàn) X( ? )/T，在 m=o 處的譜線就是原信號 x(t)的頻譜 X( ? )(乘以 1/T，稱為主分量 ? =? /T 到 ? /T 為主周期。m 多 1 各處出現(xiàn)的譜線稱為高頻分量，將 ? s/2=? /T 稱為折迭頻率或奈奎斯特頻率。 (2) 采樣定理 信號采樣是把連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間序列的過程。這個過程相當于在連續(xù)時間信號上“抽取”許多離散時刻 iT(i=0， 1， 2，? )上的信號瞬時值。其中 T是采樣間隔，ω S=2π /T 為采樣角頻率，它們的取值是一個很重要的問題。 采樣定律 : 采樣頻率 ? S 與信號最高頻率分量 ? m，必須滿足關系ω S≥ 2ω m,當ω m＜? /T 時，ω S=2π /T≥ 2ω m 時，可以通過加 一理想低通濾波器提取主分量，濾除全部 m≥ 1 的高頻分量 X(ω )，從而由 X(ω )恢復原信號 x(t)在理論上無誤差。實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ω S=(4~20) ω m。但是當采樣頻率。 S 不滿足采樣定律，即ω S2ω m，在每隔ω S 重復出現(xiàn) X(ω )/T 譜線時均出現(xiàn)譜線的重迭。影響最大的是 m=1 的高頻分量“混迭”進入主周期內被認為是低頻主分量，這是 m=0 的譜線 X( ? )/T 增加了混入的譜線，即使采用理想低通濾波器也不可能將 混入的高頻分量從主分量中除掉，因而由混入了高頻分量的主分量重現(xiàn)原信號在理論上存在誤差。 (3)離散傅立葉變換 (DFT) 離散傅里葉變換是指用計算機實現(xiàn)對式 dtetxwX jwt??????? )()( （ 45） dweXtx jw t?????? )(21)( ?? （ 46） 所表示的傅立葉正反變換的數值計算 離散傅里葉變換定義式 : 當采樣點 i=0,1,2… n,時，共有 N 個，即無限長信號截斷后變?yōu)橹芷谛盘?，頻譜由連續(xù)譜變?yōu)殡x散譜 ，即ω =k﹡ 2π /NT,于是有離散傅里葉變換的定義如下： 正變換： 21 ktNt NNttnjk WixeiTxkX ?????? ?? ?? 10102 )()()( ? （ 47） 反變換： ktNNkktnjNk WkXNekXNtx????? ?? ?10210 )(1)(1)( ? （ 48） 算是式中的 NktjN eW ?2?? （ 49） 為復數因子。 (4)Labview 中的頻域分析 LabVIEw 高級分析庫中的頻域分析模板提供了豐富的信號頻域分析函數，包括傅里葉變換、 Hilbert 變換、小波變換、 Hartley 變換、功率譜分析、聯(lián)合時頻分析、諧波分析、系統(tǒng)辨識等。下面簡要介紹頻域分析模板中的主要模塊。 表 41 頻域分析模塊中主要模塊 名稱 圖示和端口 功能 說明 Real 實 數 快 速傅 里 葉 變換 輸入為實數數組，輸出結果為復數數組，如果輸入數組長度為 2 的整數次冪，則調用 FFT算法，否則將調用 DFT 算法 Inverse Real 實 數 快 速傅 里 葉 反變換 因為實數快速傅里葉變換的輸出結果是復數，所以哦實數快速傅里葉反變換的輸入也是復數。 如果輸入數組為長度為 2 的整數次冪，則調用快速傅里葉反變換算法，否則將調用一個更高效的離散傅里葉反變換算法 22 圖 48 頻譜分析模塊程序框圖 圖 49 頻譜分析模塊前面板 參數測量模塊 參數測量模塊總共測量了 14 個有關參數，分別為：周期平均值，周期均方根，直流值，反峰，正峰，峰峰值，均方根值，頻率，周期，連續(xù)期，占空比，前沖，過沖，邊沿斜率。用到的節(jié)點有：幅值和電平測量，信號的時間與瞬態(tài)特性測量參數測量模塊程序前面板 23 圖 410 參數測量模塊程序前面板 圖 411 參數測量模塊程 序框圖 24 第 5章 虛擬示波器的調試 本虛擬示波器的設計一是參閱通用的雙通道臺式數字存儲示波器的功能，并月在儀器分析上有所擴展。儀器的主要功能包括波形顯示、頻譜分析、波形存儲和讀取等。以 PC 機為平臺將設計好的虛擬信號發(fā)生器與虛擬示波器相連接。用虛擬信號發(fā)生器來產生不同頻率和幅值的波形，通過虛擬示波器來顯示、測量、處理和分析這些波形，來檢測虛擬示波器的性能。 波形顯示 圖 51 波形顯示結果 頻譜分析 圖 52 頻譜分析結果 25 參數測量 圖 53 均方根分析結果 圖 54 相位分 析結果 圖 55 總體結果分析 26 第 6章 結論和展望 本文主要以 labVIEW 軟件平臺作為軟件開發(fā)環(huán)境，對虛擬實驗儀器進行了探索性的開發(fā)和研究。主要圍繞信號的采集、信號的分析和信號的處理幾個方面闡述了虛擬實驗儀器的硬件構成和軟件設計。并且自行開發(fā)了虛擬示波器和虛擬信號發(fā)生器，除了具有傳統(tǒng)儀器的功能以外，還對儀器功能進行了擴充和創(chuàng)新。并通過模擬實驗和實時實驗對該虛擬儀器的功能進行了測試，測試結果是令人滿意的。由此可以看出，由計算機、數據采集卡及相應軟件構成的虛擬實驗儀器是切實可行的，而且可以最大限度的利用 計算機資源，降低了成本，提高了效率。 論文的主要工作包括以下幾個方面 : 分析討論了虛擬儀器系統(tǒng)的構成和設計原理，指出傳統(tǒng)測試儀器存在的缺陷和不足，提出了用虛擬儀器替代傳統(tǒng)儀器是具有現(xiàn)實意義的。 探討了構建虛擬儀器系統(tǒng)的方法。分別從數據采集系統(tǒng)的各部分的作用和數據采集系統(tǒng)的設計這兩方面研究如何來構建虛擬儀器系統(tǒng)。 利用 LABVIEW 語言研究和開發(fā)了虛擬實驗儀器虛擬示波器和虛擬信號發(fā)生器，除了實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能外，在某些功能上進行了創(chuàng)新提高，并就如何準 確地恢復輸入信號對信號處理技術、存儲寬帶改善技術 和顯示技術進行了研究。 利用計算機和相關的硬件對虛擬示波器和虛擬信號發(fā)生器作了模擬實驗 檢測和實時實驗檢測，得到了相關的波形顯示和數據。通過實驗對比，虛擬儀器測試精度高于傳統(tǒng)儀器，是能夠滿足測試精度要求的，并分析了產生誤差的 原因。在本文的研究基礎上，下一步的工作是 : (l) 對虛擬示波器和虛擬信號發(fā)生器的功能進行進一步的完善。 (2) 進行更加廣泛的實驗，對實驗中產生的誤差進行定量和定性分析，找出原因，給出改進方案。 (3) 在此基礎上進一步開發(fā)多種虛擬儀器產品，如電壓表、虛擬頻率計等，以求構成完善的 虛擬實驗儀器系統(tǒng)。 在 labVIEW 的開發(fā)環(huán)境下，基于數據采集卡可開發(fā)出多種虛擬實驗儀器，如本文開發(fā)虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器。因此在實驗室的建設中，應用虛擬技術是一個很好的選擇。相信在不久的將來，一臺裝有虛擬儀器的標準微機可能成為一個多功能儀器測量系統(tǒng)，從根本上改變傳統(tǒng)儀器的研制和生產模式。相信未來，虛擬技術將得到更大的發(fā)展，應用范圍也會越來越廣，具有廣闊的應用前景和巨大的潛在經濟效益。 27 參考文獻 [1]虛擬儀器的新動向 [J].國外電子測量技術， 2020， (5):1525 [2]林正盛，虛擬儀器 技術及其應用 [J].微型機與應用， 1997， 2(5):3652 [3]翁瑞琴、凌志浩、邱意弘，虛擬儀器技術及應用 [J].計算機應用研究， 1999， (8):1225 [4]潘瑩玉，虛擬儀器及其應用 [J].電力自動化設備， 1999， (1):105114 [5]鄧炎、王磊等， 測試技術與儀器應用 [M].第一版，北京 :機械 工業(yè)出版社， 2020 [6]黃明俊、趙偉、侯國屏、陳君，虛擬儀器技術一現(xiàn)代電工電子儀器的發(fā)展 方向 [J].電工電能新技術， 1998， (3):4578 [7]黃小紅、胡正 濤，丘海明，探討虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的關系 [J].電氣電子教 學學報， 2020， (2):52114 [8]侯國屏、王坤、葉齊鑫， [M].第一版，北京 : 清華大學出版社， 2020 [9]沈蘭蓀，數據采集技術 [M].第一版，北京：中國科技出版社， 1990 [10]胡廣書，數字信號處理 [M].第一版，北京：清華大學出版社， 1998 [11]BenneffP. VirtualInstrument Whattheyare[J]. wherethey‘ reat. EleetronieProduets， 1993，(7):37~39 [12]National Instruments CorPoration[M].Virtual instrument ationin [13]National Instruments[J]. The Measurement and Automation Catalog 2020:49137.