【正文】 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。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。(3) 在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)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。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)。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)。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。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。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)。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。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。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 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。下面簡(jiǎn)要介紹頻域分析模板中的主要模塊。(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 （45） （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： （47）反變換： （48）算是式中的 （49）為復(fù)數(shù)因子。S不滿足采樣定律，即ω S2ωm，在每隔ωS重復(fù)出現(xiàn)X(ω)/T譜線時(shí)均出現(xiàn)譜線的重迭。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ωS=(4~20) ωm。其中T是采樣間隔，ωS=2π/T為采樣角頻率，它們的取值是一個(gè)很重要的問(wèn)題。(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。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,即在頻率軸上，每隔S=2/T，在S，2S，…，ms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。現(xiàn)將在頻域中分析其頻譜的變化。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)。按照傅里葉級(jí)數(shù)的定義，凡是滿足狄利克雷條件的周期函數(shù)都能寫(xiě)成傅里葉級(jí)數(shù)的形式，函數(shù)的周期為T(mén)1，各次諧波成分的幅度值按以下各式計(jì)算：直流分量 a0= （41）余弦分量的幅度 an= （42）正弦分量的幅度 bn= （43）其中n=1,2,.....。傅里葉變換是信號(hào)處理中最基本，最重要的變換之一，其本質(zhì)是建立了信號(hào)的以時(shí)間為變量的時(shí)域分析與以頻率為變量的頻譜分析之間的映射關(guān)系。可以在不同的縱坐標(biāo)單位之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(3)坐標(biāo)模式選擇:Log/Linear兩種坐標(biāo)顯示模式可以選擇。本文中可以實(shí)現(xiàn)的頻譜分析控制包括:(1)窗口選擇:提供多種頻譜分析窗口。圖46 存儲(chǔ)和回放模塊前面板圖47 a 存儲(chǔ)和回放模塊程序框圖圖47 b 存儲(chǔ)與回放模塊程序框圖頻譜分析模塊采用快速傅立葉FFT算法，完成頻域信號(hào)分析，可以獲得對(duì)應(yīng)的頻譜圖。這樣的功能就依靠波形存儲(chǔ)回放顯示模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。濾波模塊的前面板如圖圖44 濾波器前面板圖45 濾波器程序框圖波形存儲(chǔ)和回放模塊波形存儲(chǔ)功能主要適用于因特殊原因不能實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，或者是數(shù)據(jù)對(duì)以后的研究具有重要的參考價(jià)值的場(chǎng)合，我們?cè)趯?shí)際實(shí)驗(yàn)中，需要先把數(shù)據(jù)保存下來(lái)，日后再將原保存的數(shù)據(jù)文件讀取出來(lái)，此時(shí)讀出的數(shù)據(jù)就和實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)一樣，也能進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)測(cè)量，頻譜分析等。該節(jié)點(diǎn)可設(shè)置參數(shù)是采樣頻率低通截止頻率、高通截止頻率、濾波器階數(shù)以及4種濾波器類型(低通、高通、帶通和帶阻)的選擇。LabVIEW中列有各種數(shù)字濾波器，這些數(shù)字濾波器都可以直接調(diào)用而用考慮它的內(nèi)部設(shè)計(jì)。圖42 系統(tǒng)總體前面板圖43 系統(tǒng)總體程序框圖利用濾波技術(shù)可以在被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)中提取所需要的信號(hào)，抑制不需要的干擾信號(hào)。顯示控件主要是對(duì)所測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行顯示，包括有波形的頻率，峰峰值，占空比等。枚舉2控制著系統(tǒng)的三個(gè)不同的功能模塊，即實(shí)時(shí)顯示，頻譜分析和參數(shù)測(cè)量模塊。枚舉1控制是輸入原信號(hào)還是輸入已經(jīng)存儲(chǔ)的波形信號(hào)。本系統(tǒng)包括了27個(gè)控件，其中輸入控件12個(gè)，顯示控件15個(gè)。設(shè)計(jì)前面板時(shí)，主要考慮界面美觀，操作簡(jiǎn)潔，用戶可以通過(guò)前面板中的開(kāi)關(guān)和旋鈕模擬傳統(tǒng)儀器的操作，通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬示波器的控制。系統(tǒng)總體流程圖圖41 系統(tǒng)總體流程圖Labview前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出值，用于模擬真實(shí)示波器的前面板。(4) 頻譜分析:利用FFT窗口對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析。A微分模式。B、XY、Aamp。根據(jù)虛擬示波器功能的需要，程序至少應(yīng)包含以下模塊:(1) 數(shù)據(jù)采集:主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，包括設(shè)備號(hào)、通道選擇控制、采樣速率、采樣點(diǎn)數(shù)等，另外選擇采集的波形類型。頻譜分析模塊采用FFT算法，完成頻域信號(hào)分析。信道控制主要控制單信道或雙信道測(cè)量。時(shí)基控制主要控制采集掃描數(shù)據(jù)的掃描率、信道掃描次數(shù)(取樣數(shù))。虛擬儀器也是由這三大部分組成，但是除了信號(hào)采集部分可以由硬件或者軟件實(shí)現(xiàn)之外，其它兩部分都是由軟件實(shí)現(xiàn)的。正是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、量化采集和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的引入，使其對(duì)于各類簡(jiǎn)單信號(hào)、復(fù)雜信號(hào)、單次信號(hào)和周期信號(hào)波形的測(cè)量、記錄、存儲(chǔ)、分析復(fù)現(xiàn)都非常有效，在各行各業(yè)中均有廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有時(shí)采樣點(diǎn)數(shù)不止八路，因此需要使用多個(gè)集成模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行通到擴(kuò)展，以滿足要求。EN為使能端，當(dāng)EN=0時(shí)，通道斷開(kāi)，禁止模擬量輸入。圖4一4為L(zhǎng)F13508單端8通道多路模擬開(kāi)關(guān)原理框圖，它有三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端口。在測(cè)控系統(tǒng)中，被測(cè)量經(jīng)常是幾個(gè)或者幾十個(gè)，為了降低成本和減小面積，系統(tǒng)通常使用公共的放大器、采樣/保持器以及A/D轉(zhuǎn)換器，因此需要使用多路開(kāi)關(guān)輪流把各路被測(cè)信號(hào)分時(shí)的與這些公用器件連通。從圖中可以看到，采樣/保持器由輸入緩沖放大器、輸出緩沖放大器、保持電容和控制開(kāi)關(guān)組成。在采樣方式下，采樣/保持器的輸出必須跟蹤模擬輸入電壓:在保持方式下，采樣/保持器的輸出將保持采樣命令發(fā)出時(shí)刻的電壓輸入值，直到保持命令結(jié)束為止。傳感器 圖31 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)圖在實(shí)際系統(tǒng)中用到A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，如果模擬信號(hào)變換較快，那么，為了保證轉(zhuǎn)換精度，就要在A/D轉(zhuǎn)換之前加上采樣/保持電路，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間輸入的模擬信號(hào)保持不變。 。有的系統(tǒng)不采用公用放大器，而根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)單獨(dú)配置。A/D轉(zhuǎn)換器將采樣信號(hào)量化，將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)輸入到計(jì)算