【導讀】器開發(fā)平臺----LabVIEW自行設計開發(fā)的虛擬儀器實驗教學系統(tǒng)。隨著低成本高性能的計算機資源普及運用。數(shù)學化測量平臺逐漸成。為測量儀器的基礎。在20世紀80年代末美國研制成功虛擬儀器，代表了。儀器發(fā)展的一種方向。虛擬儀器是計算機技術與電子儀器相結(jié)合而產(chǎn)生的。種儀器面板，完成對數(shù)據(jù)的處理、表達、傳送、存儲、顯示等功能。案進行人工難以完成的模擬評估、設計校驗、設計優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理等工作。EDA成為集成電路、印刷電路板、電子整機和系統(tǒng)設計的主要技術手段。并在實驗實際制作。在電路設計和鼓掌查詢時，應用虛擬儀器技術對各種。運用虛擬儀器技術，以微機為基礎，構(gòu)。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，代。年陸續(xù)有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當時有五家制造商推出30種產(chǎn)品。達95家共生產(chǎn)1000多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷售額達2。產(chǎn)100多種型號的虛擬儀器。Tectronix公司目前生產(chǎn)約80多種型。圖形化編程語言，具代表性的有LabVIEW,HPVEE等。程序模塊，使LabVIEW成為一個完全開放式的開發(fā)平臺。

　　

【正文】 合問題。 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)部的錯誤無法發(fā)現(xiàn)。這就要求我們在開發(fā)程序的過程中一定要仔細地把好每一關，在模塊內(nèi)部將錯誤清除，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 示出了虛擬信號頻譜分析儀的前面板設計窗口。前面板中包含了兩個波形顯示器、分別顯示待分析信號的波形圖和經(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、鋸齒波等實驗信號，其幅值、相位、頻率和采樣點數(shù)由左邊的信號源參數(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 等而設立的，學生可以通過加窗前后的頻譜變化，進一步理解窗函數(shù)對解決混頻、泄露和柵欄效應的作用；數(shù)據(jù)存取可由用戶決定數(shù)據(jù)讀取或存儲的路徑。 應注意的問題：控件參數(shù)設置應考慮到采樣頻率 、數(shù)字頻率 一個周期采樣點數(shù) n 與總點數(shù) N=Samples 的關系： 故 的最大值應是仿真信號頻率 最大值的 n 倍，且 N》 =n。 圖 35 給出了虛擬信號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生成模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)讀取存儲模塊和加窗模塊間的數(shù)據(jù)流驅(qū)動關系及各模塊的部分流程圖。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 35 虛擬信號頻譜分析儀前面板設計窗口 虛擬巴特沃斯濾波器的設計 實驗原理和功能 實驗原理 巴特沃斯濾波器 擁有最平滑的頻率響應，在截止頻率以外，頻率響應單調(diào)下降。在通帶中是理想的單位響應，在阻帶中響應為零。在截止頻率處 3dB 衰減。巴特沃斯濾波器 的優(yōu)點是具有平滑的 單調(diào)遞減的頻率響應。過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特點： 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 ? =0 時， |H(? )|取最大值， |H(0)|=1； ? =c?時， |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， n 增加則 ? ?2/ nc? ? 減小，曲線越平坦；在 (? /c?)1(阻帶范圍 )時， n 增大，則 ? ?2/ nc? ? 增大， |H(? )|越趨于零值，衰減越快。 功能 該儀器可實現(xiàn)生成正弦波、方波、三角波等典型信號，并通過 Butterworth filter 進行濾波。典型信號頻率在 ～ 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。典型信號及濾波后信號送顯示器顯示波形，進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驗。 虛擬巴特沃斯濾波器前面板設計 前面板由兩個 Waveform Graph 控件、兩個 Enum 控件和八個 Numeric Controls 控件組成。兩個 Waveform Graph 控件分別用來顯示生成的虛擬仿真信號波形和該信號經(jīng)過 濾波后的波形 ；兩個 Enum 控件分別用來進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 Numeric Controls 分別用來對源信號波形參數(shù)進行設置和濾波器參數(shù)進行設置。 完整的前面板如圖 313 所示。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 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計 該儀器 的后面板由虛擬信號產(chǎn)生模塊、顯示模塊和濾波模塊組成，前兩個模塊前面已經(jīng)介紹的很 多了，這里不再贅述，只介紹該儀器的關鍵濾波子 VI，LabVIEW 中了提供了豐富的濾波子 VI，下面就對 Butterworth 加以介紹。 Butterworth 如圖 314 所 示 ， 其 到 達 路 徑 為 ： All function→ Analyze→ Signal Processing→ Filter。它有六個輸入端和兩個輸出端，分別為源信號輸入、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輸出、錯誤輸出，它們與前面板上的控件相連。通過前面板上的參數(shù)輸入，即可對輸入的欲處理信 號進行濾波。 圖 314 Butterworth 完整的后面板流程圖如圖 315 所示。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 圖 315 虛擬巴特沃斯濾波器后面板流程圖 調(diào)試和運行 對信號頻率、采樣頻率和采樣點數(shù)的設置原則，前面已經(jīng)介紹的很詳細了，這里不再贅述。對 低截止頻率和高截止頻率應該注意是：當 虛擬巴特沃斯濾波器作為低通濾波器使用時，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，其幅頻特性曲線過渡帶衰減越快。 3． 3 基于 LabVIEW 的調(diào)幅波解調(diào)器 3． 3． 1 實 驗原理 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輸入信號，一個是待解調(diào)的調(diào)幅波 u(t): 式中 E 為比例常數(shù)。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 38 解調(diào)器原理圖 乘法器的另一個輸入信號 稱為參考信號，它應是與載波頻率 相同的高頻 `信號。考慮到實際情況中與載波信號 會有一個相位差 ，則 為 于是乘法器的輸出 為 令 A=EU，并根據(jù)三角函數(shù)關系，上式可寫為 當乘法器后接的低通濾波器的截止頻率遠小于和頻率 ，并大于 信 號 z（ t）的最 高頻率 時，上式中的高頻分量 項將被低通濾波器大大衰減，而只有差額信號項 輸出，于是解調(diào)器的輸出 f（ t）為 式中 為比例常數(shù)，可由實驗定得出。 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幅值、相位和頻率可調(diào)的正弦波，這兩個正弦波一個是高頻信號作為載波信號，另一個是低頻信號作為調(diào)制信號。低頻信號經(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)，并同時輸出調(diào)幅波和解調(diào)后信號的波形。通過波形分析，使學生掌握調(diào) 制解調(diào)器的基本原理。 3． 3． 3 前面板和流程圖設計 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 39 調(diào)幅波解調(diào)器前面板 兩個顯示窗分別顯示調(diào)幅波和解調(diào)信號的波形，高頻和低頻信號源參數(shù)選擇窗可分別設定載波信號和調(diào)制信號的參數(shù)，濾波器低截止頻率由用戶選擇。 本流程圖采用乘法器實現(xiàn)兩個正弦波信號的調(diào)制，采用前一節(jié)設計的巴特沃斯低通濾波器實現(xiàn)解調(diào)器，如圖 310 所示 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 310 調(diào)幅波解調(diào)器流程圖編輯窗口 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 4 結(jié)論 數(shù)字 信號 處理 技術和工程測試技術是本文理論知識的基礎，而虛擬儀器的基本思想和 LabVIEW 開發(fā) 平臺則是程序開發(fā)設計過程中有力的工具。如果缺乏基礎性的理論知識，就無法很好地運用開發(fā)工具，無法解釋在開發(fā)過程中所遇到的問題，也就無法開發(fā)出具有實用價值虛擬儀器；如果缺乏功能強大的開發(fā)平臺，再扎實的理論知識也難轉(zhuǎn)化為有效的、實用的工具。 本問作者在初期準備階段，認真閱讀和參考了大量有關信號與系統(tǒng)、信號處理、工程測試、 LabVIEW 等相關書籍，在指導教師的幫助下在較短時間內(nèi)開發(fā) 功能較齊全、實用性較強的虛擬儀器實 驗教學系統(tǒng)。該虛擬儀器實驗教學系統(tǒng)采用模塊化設計方法，設計并實現(xiàn)了虛擬信號頻譜分析儀、虛擬巴特沃死濾波器、調(diào)幅波解調(diào)器、虛擬信號發(fā)生器、虛擬積分器和微分器等實驗教學用虛擬儀器。 由于時間關系， LabVIEW 所具有的強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，這是一個遺憾。在此所做的只是將 LabVIEW 開發(fā)平臺初步用于實驗教學系統(tǒng)開發(fā)過程中的經(jīng)驗和教訓記錄下來，希望成功的經(jīng)驗能夠給您以啟發(fā)，失敗的教訓給您警戒，使您在最短時間內(nèi)走出我曾經(jīng)走過的路，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，為祖國高等教育實驗教學能夠跟上時代的步伐，培養(yǎng)出高質(zhì)量、高素質(zhì)的人才獻上我們的所有。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 致 謝 經(jīng)過了三個多月的畢 參考文獻 [1] 張建，虛擬儀器實驗教學系統(tǒng)的研究 .河北建筑工程學院學報， 2021 年三月，第 20 卷第 1 期 . 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