【正文】 相信未來，虛擬技術(shù)將得到更大的發(fā)展，應(yīng)用范圍也會(huì)越來越廣，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)生器來產(chǎn)生不同頻率和幅值的波形，通過虛擬示波器來顯示、測(cè)量、處理和分析這些波形，來檢測(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 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)，即無限長信號(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。 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。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。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 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。現(xiàn)將在頻域20 中分析其頻譜的變化。計(jì)算機(jī)只能處理離散且有限長度的數(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)都能寫成傅里葉級(jí)數(shù)的形式，函數(shù)的周期為 T1，各次諧波成分的幅度值按以下各式計(jì)算： 直流分量 a0= dtTtt tfT ? ? 1001 )(1 （ 41） 余弦分量的幅度 an= dtTtt tntfT ? ? 100 11 )c o s ()(2 ? （ 42） 正弦分量的幅度 bn= dtTtt tntfT ? ? 100 11 )s in ()(2 ? （ 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?？梢栽诓煌目v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 19 頻譜分析模塊 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 存儲(chǔ)與回放模塊 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，日后再將原保存的數(shù)據(jù)文件讀取出來 ，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)。 16 圖 42 系統(tǒng)總體前面板 圖 43 系統(tǒng)總體程序框圖 濾波器 利用濾波技術(shù)可以在被噪聲淹沒的信號(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，用戶可以通過前面板中的開關(guān)和旋鈕模擬傳統(tǒng)儀器的操作，通過鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬示波器的控制。 15 系統(tǒng)總體構(gòu)成 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，禁止模擬量輸入 。圖 4 一 4 為 LF13508 單端 8 通道多路模擬開關(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。 圖 31 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)圖 采樣 /保持器的工作原理 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)算機(jī)中。如果被測(cè)信號(hào)變化緩慢，也可以不用采樣 /保持器。數(shù) 據(jù)采集要經(jīng)過采樣和量化兩個(gè)必要步驟。它所處理的是數(shù)字信號(hào)，因此輸入的模擬信號(hào)必須進(jìn)行模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)量化 :，變成數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)、智能儀器與外界物理世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)稱 DAS(DataAequisitionSyst。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是電子測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)，當(dāng)然也是虛擬儀器的基礎(chǔ)。驅(qū)動(dòng)軟件在保持高性能、提高給用戶易于理解的基礎(chǔ)的同時(shí)，隱藏了復(fù)雜、詳細(xì)的硬件及程序設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)系統(tǒng)一 個(gè)主要方面是驅(qū)動(dòng)軟件的使用。高分辨率意味著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)，時(shí)鐘頻率決定了產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號(hào)輸入的快慢，頻率越高，計(jì)