【導(dǎo)讀】器開發(fā)平臺(tái)----LabVIEW自行設(shè)計(jì)開發(fā)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。隨著低成本高性能的計(jì)算機(jī)資源普及運(yùn)用。數(shù)學(xué)化測(cè)量平臺(tái)逐漸成。為測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)。在20世紀(jì)80年代末美國(guó)研制成功虛擬儀器，代表了。儀器發(fā)展的一種方向。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。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。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。EDA成為集成電路、印刷電路板、電子整機(jī)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)手段。并在實(shí)驗(yàn)實(shí)際制作。在電路設(shè)計(jì)和鼓掌查詢時(shí)，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)對(duì)各種。運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，以微機(jī)為基礎(chǔ)，構(gòu)。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命，代。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。達(dá)95家共生產(chǎn)1000多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷售額達(dá)2。產(chǎn)100多種型號(hào)的虛擬儀器。Tectronix公司目前生產(chǎn)約80多種型。圖形化編程語(yǔ)言，具代表性的有LabVIEW,HPVEE等。程序模塊，使LabVIEW成為一個(gè)完全開放式的開發(fā)平臺(tái)。

　　

【正文】 合問(wèn)題。 任何較大 型的程序的調(diào)試都是一件 煩瑣的事情。 LabVIEW 雖然為我們提供完善的調(diào)試工具，但仍然存在著許多隱含在程序內(nèi)部的錯(cuò)誤無(wú)法發(fā)現(xiàn)。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。 3． 1． 2． 6 儀器面板和程序流程圖 圖 35 示出了虛擬信號(hào)頻譜分析儀的前面板設(shè)計(jì)窗口。前面板中包含了兩個(gè)波形顯示器、分別顯示待分析信號(hào)的波形圖和經(jīng) FFT 變換 后的幅值譜圖：波形選擇可選取正弦波、方波、三角波、鋸齒波等實(shí)驗(yàn)信號(hào)，其幅值、相位、頻率和采樣點(diǎn)數(shù)由左邊的信號(hào)源參數(shù) 板決定；窗口選擇板是為是否加 Hamming Window. vi、 hanningWindow. Vi、 Triangle Window. Vi、 Blackman Window. Vi 等而設(shè)立的，學(xué)生可以通過(guò)加窗前后的頻譜變化，進(jìn)一步理解窗函數(shù)對(duì)解決混頻、泄露和柵欄效應(yīng)的作用；數(shù)據(jù)存取可由用戶決定數(shù)據(jù)讀取或存儲(chǔ)的路徑。 應(yīng)注意的問(wèn)題：控件參數(shù)設(shè)置應(yīng)考慮到采樣頻率 、數(shù)字頻率 一個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù) n 與總點(diǎn)數(shù) N=Samples 的關(guān)系： 故 的最大值應(yīng)是仿真信號(hào)頻率 最大值的 n 倍，且 N》 =n。 圖 35 給出了虛擬信號(hào)頻譜分析儀的程序流程圖編輯窗口的部分內(nèi)容，圖中展示了典型信號(hào)生成模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)模塊和加窗模塊間的數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)關(guān)系及各模塊的部分流程圖。 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。在通帶中是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零。在截止頻率處 3dB 衰減。巴特沃斯濾波器 的優(yōu)點(diǎn)是具有平滑的 單調(diào)遞減的頻率響應(yīng)。過(guò)渡帶的陡峭程度正比于濾波器的階數(shù)。 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。其幅頻特性為： |H(? )|= 211nc????????? 式中 c? 是低通截止頻率， n= 3??為濾波器的階次。 巴特沃斯濾波器 的幅頻特性有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ? =0 時(shí)， |H(? )|取最大值， |H(0)|=1； ? =c?時(shí)， |H(c?)|= 12，也即衰減特性為 3dB，c?稱為低通濾波器的截止頻率； 值越大，幅頻特性曲線越接近理想特性曲線。在 (? /c?)1(通帶范圍 )時(shí)， n 增加則 ? ?2/ nc? ? 減小，曲線越平坦；在 (? /c?)1(阻帶范圍 )時(shí)， n 增大，則 ? ?2/ nc? ? 增大， |H(? )|越趨于零值，衰減越快。 功能 該儀器可實(shí)現(xiàn)生成正弦波、方波、三角波等典型信號(hào)，并通過(guò) Butterworth filter 進(jìn)行濾波。典型信號(hào)頻率在 ～ 10KHz 范圍內(nèi)可調(diào)，最大幅值在 0V～5V 范圍內(nèi)可調(diào)，初始相位在 0～ 180 范圍內(nèi)可調(diào)。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。典型信號(hào)及濾波后信號(hào)送顯示器顯示波形，進(jìn)而獲得濾波器的幅頻和相頻特性。該儀器可作為濾波器綜合實(shí)驗(yàn)。 虛擬巴特沃斯濾波器前面板設(shè)計(jì) 前面板由兩個(gè) Waveform Graph 控件、兩個(gè) Enum 控件和八個(gè) Numeric Controls 控件組成。兩個(gè) Waveform Graph 控件分別用來(lái)顯示生成的虛擬仿真信號(hào)波形和該信號(hào)經(jīng)過(guò) 濾波后的波形 ；兩個(gè) Enum 控件分別用來(lái)進(jìn)行波形選擇和濾波器類型選擇，波形可選擇正弦波、方波、三角波和鋸齒波，濾波器類型可選擇高通、低通、帶通和帶阻；八個(gè) Numeric Controls 分別用來(lái)對(duì)源信號(hào)波形參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和濾波器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 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) 圖 313 虛擬巴特沃斯濾波器前面板 虛擬巴特沃斯濾波器后面板設(shè)計(jì) 該儀器 的后面板由虛擬信號(hào)產(chǎn)生模塊、顯示模塊和濾波模塊組成，前兩個(gè)模塊前面已經(jīng)介紹的很 多了，這里不再贅述，只介紹該儀器的關(guān)鍵濾波子 VI，LabVIEW 中了提供了豐富的濾波子 VI，下面就對(duì) Butterworth 加以介紹。 Butterworth 如圖 314 所 示 ， 其 到 達(dá) 路 徑 為 ： All function→ Analyze→ Signal Processing→ Filter。它有六個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，分別為源信號(hào)輸入、采樣頻率、濾波類型、階次、 低截止頻率、高截止頻率和濾波后信號(hào)輸出、錯(cuò)誤輸出，它們與前面板上的控件相連。通過(guò)前面板上的參數(shù)輸入，即可對(duì)輸入的欲處理信 號(hào)進(jìn)行濾波。 圖 314 Butterworth 完整的后面板流程圖如圖 315 所示。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖 315 虛擬巴特沃斯濾波器后面板流程圖 調(diào)試和運(yùn)行 對(duì)信號(hào)頻率、采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置原則，前面已經(jīng)介紹的很詳細(xì)了，這里不再贅述。對(duì) 低截止頻率和高截止頻率應(yīng)該注意是：當(dāng) 虛擬巴特沃斯濾波器作為低通濾波器使用時(shí)，其 高截止頻率被忽略，而低截止頻率必須滿足奈奎斯特采樣定理的條件。濾波器的階次是越高，其幅頻特性曲線過(guò)渡帶衰減越快。 3． 3 基于 LabVIEW 的調(diào)幅波解調(diào)器 3． 3． 1 實(shí) 驗(yàn)原理 構(gòu)成解器的原理如圖 37 所示。解調(diào)器中的乘法器有兩個(gè)輸入信號(hào)，一個(gè)是待解調(diào)的調(diào)幅波 u(t): 式中 E 為比例常數(shù)。 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)?？紤]到實(shí)際情況中與載波信號(hào) 會(huì)有一個(gè)相位差 ，則 為 于是乘法器的輸出 為 令 A=EU，并根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，上式可寫為 當(dāng)乘法器后接的低通濾波器的截止頻率遠(yuǎn)小于和頻率 ，并大于 信 號(hào) z（ t）的最 高頻率 時(shí)，上式中的高頻分量 項(xiàng)將被低通濾波器大大衰減，而只有差額信號(hào)項(xiàng) 輸出，于是解調(diào)器的輸出 f（ t）為 式中 為比例常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)定得出。 可見，解調(diào)器是由乘法器和低通濾波器材組成的。 3． 3． 2 儀器功能 該儀器的功能是生成兩個(gè)幅值、相位和頻率可調(diào)的正弦波，這兩個(gè)正弦波一個(gè)是高頻信號(hào)作為載波信號(hào)，另一個(gè)是低頻信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)。低頻信號(hào)經(jīng)高頻載波后形成調(diào)幅波，調(diào)幅波再經(jīng)巴特沃斯濾波器 濾波后 `解調(diào)，并同時(shí)輸出調(diào)幅波和解調(diào)后信號(hào)的波形。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。 3． 3． 3 前面板和流程圖設(shè)計(jì) 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 39 調(diào)幅波解調(diào)器前面板 兩個(gè)顯示窗分別顯示調(diào)幅波和解調(diào)信號(hào)的波形，高頻和低頻信號(hào)源參數(shù)選擇窗可分別設(shè)定載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的參數(shù)，濾波器低截止頻率由用戶選擇。 本流程圖采用乘法器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正弦波信號(hào)的調(diào)制，采用前一節(jié)設(shè)計(jì)的巴特沃斯低通濾波器實(shí)現(xiàn)解調(diào)器，如圖 310 所示 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 310 調(diào)幅波解調(diào)器流程圖編輯窗口 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 結(jié)論 數(shù)字 信號(hào) 處理 技術(shù)和工程測(cè)試技術(shù)是本文理論知識(shí)的基礎(chǔ)，而虛擬儀器的基本思想和 LabVIEW 開發(fā) 平臺(tái)則是程序開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中有力的工具。如果缺乏基礎(chǔ)性的理論知識(shí)，就無(wú)法很好地運(yùn)用開發(fā)工具，無(wú)法解釋在開發(fā)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題，也就無(wú)法開發(fā)出具有實(shí)用價(jià)值虛擬儀器；如果缺乏功能強(qiáng)大的開發(fā)平臺(tái)，再扎實(shí)的理論知識(shí)也難轉(zhuǎn)化為有效的、實(shí)用的工具。 本問(wèn)作者在初期準(zhǔn)備階段，認(rèn)真閱讀和參考了大量有關(guān)信號(hào)與系統(tǒng)、信號(hào)處理、工程測(cè)試、 LabVIEW 等相關(guān)書籍，在指導(dǎo)教師的幫助下在較短時(shí)間內(nèi)開發(fā) 功能較齊全、實(shí)用性較強(qiáng)的虛擬儀器實(shí) 驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。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。 由于時(shí)間關(guān)系， LabVIEW 所具有的強(qiáng)大功能還有許多是作者未曾開發(fā)和加以很好利用的， 如 Advance 和 Communication 等，這是一個(gè)遺憾。在此所做的只是將 LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)初步用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)記錄下來(lái)，希望成功的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚪o您以啟發(fā)，失敗的教訓(xùn)給您警戒，使您在最短時(shí)間內(nèi)走出我曾經(jīng)走過(guò)的路，并 一直朝前走下去，讓你我共同鋪墊出一條通向新科技之路，為祖國(guó)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠跟上時(shí)代的步伐，培養(yǎng)出高質(zhì)量、高素質(zhì)的人才獻(xiàn)上我們的所有。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 致 謝 經(jīng)過(guò)了三個(gè)多月的畢 參考文獻(xiàn) [1] 張建，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研究 .河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)， 2021 年三月，第 20 卷第 1 期 . 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