【導(dǎo)讀】分析和處理，顯示，存貯等方面的優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)的儀器相比越來(lái)越明顯。器的功能單一，發(fā)展虛擬儀器已經(jīng)成為一個(gè)不可阻擋的歷史潮流。了一套虛擬示波器。對(duì)虛擬儀器的概念，結(jié)構(gòu)，發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了相關(guān)分析。了與信號(hào)處理相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，主要是傅里葉變換。虛擬儀器主要由硬件和軟件。本文對(duì)虛擬示波器的硬件即數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行了初略的介紹，對(duì)其。軟件部分進(jìn)行了詳細(xì)研究。在此基礎(chǔ)上完成了頻譜分析模塊，存儲(chǔ)模塊，顯示模。塊，濾波模塊，測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)。

　　

【正文】 需求導(dǎo)致了離散傅里葉變換的產(chǎn)生。計(jì)算機(jī)只能處理離散且有限長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，要用計(jì)算機(jī)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(hào) x(t)進(jìn)入數(shù)字計(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)而后再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器在幅值 上量化變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)。這樣，將出現(xiàn)一系列的問(wèn)題?，F(xiàn)將在頻域20 中分析其頻譜的變化。 (l) 信號(hào) XS(i)及其頻譜 XS(? ) 若連續(xù)時(shí)間信號(hào) x(t)被數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)中的采樣器以等時(shí)間間隔 T 采樣，則采樣時(shí)刻 0， T， ZT… .，所得信號(hào) x(t)的瞬時(shí)值，就構(gòu)成了連續(xù)信號(hào)的 x(t)的離散時(shí)間序列 xs(i)， (i==0， 1， 2，? )。采樣信號(hào)的頻譜在幅值上比信號(hào) 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(fù)出現(xiàn) X( ? )/T，在 m=o 處的譜線就是原信號(hào) 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(hào)采樣是把連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間序列的過(guò)程。這個(gè)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， 1， 2，? )上的信號(hào)瞬時(shí)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(gè)很重要的問(wèn)題。 采樣定律 : 采樣頻率 ? S 與信號(hào)最高頻率分量 ? m，必須滿足關(guān)系ω S≥ 2ω m,當(dāng)ω m＜? /T 時(shí)，ω S=2π /T≥ 2ω m 時(shí)，可以通過(guò)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(fù)原信號(hào) x(t)在理論上無(wú)誤差。實(shí)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(dāng)采樣頻率。 S 不滿足采樣定律，即ω S2ω m，在每隔ω S 重復(fù)出現(xiàn) X(ω )/T 譜線時(shí)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(jìn)入主周期內(nèi)被認(rèn)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(hào)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)式 dtetxwX jwt??????? )()( （ 45） dweXtx jw t?????? )(21)( ?? （ 46） 所表示的傅立葉正反變換的數(shù)值計(jì)算 離散傅里葉變換定義式 : 當(dāng)采樣點(diǎn) i=0,1,2… n,時(shí)，共有 N 個(gè)，即無(wú)限長(zhǎng)信號(hào)截?cái)嗪笞優(yōu)橹芷谛盘?hào)，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(fù)數(shù)因子。 (4)Labview 中的頻域分析 LabVIEw 高級(jí)分析庫(kù)中的頻域分析模板提供了豐富的信號(hào)頻域分析函數(shù)，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(shí)頻分析、諧波分析、系統(tǒng)辨識(shí)等。下面簡(jiǎn)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(shuō)明 Real 實(shí) 數(shù) 快 速傅 里 葉 變換 輸入為實(shí)數(shù)數(shù)組，輸出結(jié)果為復(fù)數(shù)數(shù)組，如果輸入數(shù)組長(zhǎng)度為 2 的整數(shù)次冪，則調(diào)用 FFT算法，否則將調(diào)用 DFT 算法 Inverse Real 實(shí) 數(shù) 快 速傅 里 葉 反變換 因?yàn)閷?shí)數(shù)快速傅里葉變換的輸出結(jié)果是復(fù)數(shù)，所以哦實(shí)數(shù)快速傅里葉反變換的輸入也是復(fù)數(shù)。 如果輸入數(shù)組為長(zhǎng)度為 2 的整數(shù)次冪，則調(diào)用快速傅里葉反變換算法，否則將調(diào)用一個(gè)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(shù)測(cè)量模塊 參數(shù)測(cè)量模塊總共測(cè)量了 14 個(gè)有關(guān)參數(shù)，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(guò)沖，邊沿斜率。用到的節(jié)點(diǎn)有：幅值和電平測(cè)量，信號(hào)的時(shí)間與瞬態(tài)特性測(cè)量參數(shù)測(cè)量模塊程序前面板 23 圖 410 參數(shù)測(cè)量模塊程序前面板 圖 411 參數(shù)測(cè)量模塊程 序框圖 24 第 5章 虛擬示波器的調(diào)試 本虛擬示波器的設(shè)計(jì)一是參閱通用的雙通道臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能，并月在儀器分析上有所擴(kuò)展。儀器的主要功能包括波形顯示、頻譜分析、波形存儲(chǔ)和讀取等。以 PC 機(jī)為平臺(tái)將設(shè)計(jì)好的虛擬信號(hào)發(fā)生器與虛擬示波器相連接。用虛擬信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生不同頻率和幅值的波形，通過(guò)虛擬示波器來(lái)顯示、測(cè)量、處理和分析這些波形，來(lái)檢測(cè)虛擬示波器的性能。 波形顯示 圖 51 波形顯示結(jié)果 頻譜分析 圖 52 頻譜分析結(jié)果 25 參數(shù)測(cè)量 圖 53 均方根分析結(jié)果 圖 54 相位分 析結(jié)果 圖 55 總體結(jié)果分析 26 第 6章 結(jié)論和展望 本文主要以 labVIEW 軟件平臺(tái)作為軟件開發(fā)環(huán)境，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了探索性的開發(fā)和研究。主要圍繞信號(hào)的采集、信號(hào)的分析和信號(hào)的處理幾個(gè)方面闡述了虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)。并且自行開發(fā)了虛擬示波器和虛擬信號(hào)發(fā)生器，除了具有傳統(tǒng)儀器的功能以外，還對(duì)儀器功能進(jìn)行了擴(kuò)充和創(chuàng)新。并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)該虛擬儀器的功能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果是令人滿意的。由此可以看出，由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡及相應(yīng)軟件構(gòu)成的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器是切實(shí)可行的，而且可以最大限度的利用 計(jì)算機(jī)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(gè)方面 : 分析討論了虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)原理，指出傳統(tǒng)測(cè)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(shí)意義的。 探討了構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)的方法。分別從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各部分的作用和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這兩方面研究如何來(lái)構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。 利用 LABVIEW 語(yǔ)言研究和開發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)儀器虛擬示波器和虛擬信號(hào)發(fā)生器，除了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能外，在某些功能上進(jìn)行了創(chuàng)新提高，并就如何準(zhǔn) 確地恢復(fù)輸入信號(hào)對(duì)信號(hào)處理技術(shù)、存儲(chǔ)寬帶改善技術(shù) 和顯示技術(shù)進(jìn)行了研究。 利用計(jì)算機(jī)和相關(guān)的硬件對(duì)虛擬示波器和虛擬信號(hào)發(fā)生器作了模擬實(shí)驗(yàn) 檢測(cè)和實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，得到了相關(guān)的波形顯示和數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，虛擬儀器測(cè)試精度高于傳統(tǒng)儀器，是能夠滿足測(cè)試精度要求的，并分析了產(chǎn)生誤差的 原因。在本文的研究基礎(chǔ)上，下一步的工作是 : (l) 對(duì)虛擬示波器和虛擬信號(hào)發(fā)生器的功能進(jìn)行進(jìn)一步的完善。 (2) 進(jìn)行更加廣泛的實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行定量和定性分析，找出原因，給出改進(jìn)方案。 (3) 在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)多種虛擬儀器產(chǎn)品，如電壓表、虛擬頻率計(jì)等，以求構(gòu)成完善的 虛擬實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)。 在 labVIEW 的開發(fā)環(huán)境下，基于數(shù)據(jù)采集卡可開發(fā)出多種虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，如本文開發(fā)虛擬信號(hào)發(fā)生器和虛擬示波器。因此在實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中，應(yīng)用虛擬技術(shù)是一個(gè)很好的選擇。相信在不久的將來(lái)，一臺(tái)裝有虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)可能成為一個(gè)多功能儀器測(cè)量系統(tǒng)，從根本上改變傳統(tǒng)儀器的研制和生產(chǎn)模式。相信未來(lái)，虛擬技術(shù)將得到更大的發(fā)展，應(yīng)用范圍也會(huì)越來(lái)越廣，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益。 27 參考文獻(xiàn) [1]虛擬儀器的新動(dòng)向 [J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)， 2020， (5):1525 [2]林正盛，虛擬儀器 技術(shù)及其應(yīng)用 [J].微型機(jī)與應(yīng)用， 1997， 2(5):3652 [3]翁瑞琴、凌志浩、邱意弘，虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 1999， (8):1225 [4]潘瑩玉，虛擬儀器及其應(yīng)用 [J].電力自動(dòng)化設(shè)備， 1999， (1):105114 [5]鄧炎、王磊等， 測(cè)試技術(shù)與儀器應(yīng)用 [M].第一版，北京 :機(jī)械 工業(yè)出版社， 2020 [6]黃明俊、趙偉、侯國(guó)屏、陳君，虛擬儀器技術(shù)一現(xiàn)代電工電子儀器的發(fā)展 方向 [J].電工電能新技術(shù)， 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(guān)系 [J].電氣電子教 學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， (2):52114 [8]侯國(guó)屏、王坤、葉齊鑫， [M].第一版，北京 : 清華大學(xué)出版社， 2020 [9]沈蘭蓀，數(shù)據(jù)采集技術(shù) [M].第一版，北京：中國(guó)科技出版社， 1990 [10]胡廣書，數(shù)字信號(hào)處理 [M].第一版，北京：清華大學(xué)出版社， 1998 [11]BenneffP. 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