【正文】 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 。相信在不久的將來，一臺裝有虛擬儀器的標準微機可能成為一個多功能儀器測量系統(tǒng)，從根本上改變傳統(tǒng)儀器的研制和生產模式。 在 labVIEW 的開發(fā)環(huán)境下，基于數據采集卡可開發(fā)出多種虛擬實驗儀器，如本文開發(fā)虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器。 (2) 進行更加廣泛的實驗，對實驗中產生 的誤差進行定量和定性分析，找出原因，給出改進方案。通過實驗對比，虛擬儀器測試精度高于傳統(tǒng)儀器，是能夠滿足測試精度要求的，并分析了產生誤差的 原因。 利用 LABVIEW 語言研究和開發(fā)了虛擬實驗儀器虛擬 示波器和虛擬信號發(fā)生器，除了實現傳統(tǒng)儀器功能外，在某些功能上進行了創(chuàng)新提高，并就如何準 確地恢復輸入信號對信號處理技術、存儲寬帶改善技術和顯示技術進行了研究。 探討了構建虛擬儀器系統(tǒng)的方法。由此可以看出，由計算機、數據采集卡及相應軟件構成的虛擬實驗儀器是切實可行的，而且可以最大限度的利用計算機資源，降低了成本，提高了效率。并且自行開發(fā)了虛擬示波器和虛擬信號發(fā)生器，除了具有傳統(tǒng)儀器的功能以外，還對儀器功能進行了擴充和創(chuàng)新。 圖 51 波形 顯示結果 圖 52 頻譜分析結果 23 圖 53 均方根分析結果 圖 54 相位分析結果 圖 55 總體結果分析 24 第 6 章 結論和展望 本文主要以 labVIEW 軟件平臺作為軟件開發(fā)環(huán)境，對虛擬實驗儀器進行了探索性的開發(fā)和研究。以 PC 機為平臺將設計好的虛擬信號發(fā)生器與虛擬示波器相連接。用到的節(jié)點有：幅值和電平測量，信號的時間與瞬態(tài)特性測量參數測量模塊 程序前面板 圖 410 參數測量模塊程序前面板 21 圖 411 參數測量模塊程序框圖 22 第 5 章 虛擬示波器的調試 本虛擬示波器的設計一是參閱通用的雙通道臺式數字存儲示波器的功能，并月在儀器分析上有所擴展。 19 表 41 頻域分析模塊中主要模塊 名稱 圖示和端口 功能 說明 Real 實數快速傅里葉變換 輸入為實數數組，輸出結果為復數數組，如果輸入數組長度為 2 的整數次冪，則調用 FFT 算法，否則將調用 DFT 算法 Inverse Real 實數快速傅里葉反變換 因為實數快速傅里葉變換的輸出結果是復數，所以哦實數快速傅里葉反變換的輸入也是復數。 (4)Labview 中的頻域分析 LabVIEw 高級分析庫中的頻域分析模板提供了 豐富的信號頻域分析函數，包括傅里葉變換、 Hilbert 變換、小波變換、 Hartley 變換、功率譜分析、聯合時頻分析、諧波分析、系統(tǒng)辨識等。影響最大的是 m=1 的高頻分量“混迭”進入主周期內被認為是低頻主分量，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原信號在理論上存在誤差。但是當采樣頻率。 采樣定律 : 采樣頻率 ? S 與信號最高頻率分量 ? m，必須滿足關系ω S≥ 2ω m,當ω m＜? /T 時，ω S=2π /T≥ 2ω m時，可以通過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 )恢復原信號 x(t)在理論上無誤差。這個過程相當于在連續(xù)時間信號上“抽取”許多離散時刻 iT(i=0， 1， 2，? )上的信號瞬時值。m多 1各處出現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。 (l) 信號 XS(i)及其頻譜 XS(? ) 若連續(xù)時間信號 x(t)被數據采集卡 (DAQ)中的采樣器以等時間間隔 T 采樣，則采樣時刻 0， T， ZT? .，所得信號 x(t)的瞬時值，就構成了連續(xù)信號的 x(t)的離散時間序列 xs(i)， (i==0， 1， 2，? )。這樣，將出現一系列的問題。 以上為三角函數的形式，或者轉換成復指數形式： x(t)= ????tjmmeC ? （ 44） 使用計算機完成信號處理工作的需求導致了離散傅里葉變換的產生。一些在時域中難以解決的問題在頻域中可以一目了然的觀察出來。還能夠根據用戶選用的分析功能的不同自動顯示適當的橫坐標。 根據用戶 選擇的不同，該子模塊可以在幅值 (Magnitude)和相應 (Phase)之間進行 轉換 。 (2)單位選擇 :有多種單位如 vrms、 vpk、 vrlnS‘ 2等供選擇。 Labview 提供了與信號分析有關的大量函數可以直接使用，在本文中采用 FFT PowersPectrum 作為主要數據處理子 Vl 進行功率譜分析。我們之所以將它稱作為“模塊”，主要是因為它在整個程序中舉足輕重，如果沒有它，開發(fā)出來的程序不能稱為“虛擬儀器”，只是一個“信號處理內存”。在本文用Labview 實現的虛擬示波器中，當用軟件完成數據采集、處理等工作后，可以將采集到數據以及處理后的數據回放出來，以便繼續(xù)研究。其中低通截止頻率的設置必須滿足采樣定理規(guī)則，截止頻率不能高于采樣頻率的一半。設計中采用巴特沃思濾波器。數字濾波器即是以數值計算的方法來實現對離散化信號的處理，以減少干擾信號在有用信號中所占的比例，從而改變信號的質量，達到濾波或加工信號的目的。而顯示屏則實現對各種不同信號的顯示，是用戶對系統(tǒng)結果最直觀的觀察方式。通過在這個枚舉的三個選擇項之間切 換，可以分別實現對應的功能。當選擇原信號時，由虛擬信號發(fā)生器產生波形，此時通過對存儲開關的關與開，可以確定是否要記錄正在發(fā)生的波形。通過信號類型選擇器可以從信號發(fā)生器中選擇不同類型的波形，如正弦波形，方波波形，三角波波形，鋸齒波形等。前面板上設有各個功能模塊按鈕，當按下相應按鈕時，即可調用該子程序。由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬示波器控制軟件的核心。 (5) 結果整形、打印、保存模塊 :讀取已存在文件中的波形數據，并將當前的波形參數寫到文檔中，打印波形。 (3) 參數測量 :完 成電壓參數、頻率和周期等參數的測量功能。A 積分以及 Aamp。 (2) 波形顯示 :對采集到的波形進行觸發(fā)控制和時基控制后再顯示波形，可 13 以實現單信道顯示和雙信道顯示，以及對波形運算后的輸出顯示，有 :A、 B、 A+B、A一 B、 Aamp。由于 LabVIEW 是基于模塊化程序設計思想， 因此在開發(fā)過程中也是基本上遵循著這一基本思想，在總體方案確定后，根據所需的不同功能分別組建各種功能模塊，最后再集成和調試。其中，參數測量模塊包括電壓參數和頻率、周期等時間參數的測量并顯示測量結果。觸發(fā)控制包括觸發(fā)電平控制、觸發(fā)模式等 。根據這一思路， 本文設計的虛擬示波器主要功能是對采集到的數據進行觸發(fā)、時基控制后，完成對輸入信號的電壓、頻率和周期等參數的測量，同時，利用 FFT 窗口對波形進行頻譜分析，可以實現單、雙信道顯示波形，并可以對波形運算后進行輸出顯示。一般測試儀器由信號采集、信號處理和結果顯示三大部分組成，這三部分均由硬件構成。 圖 34 數據采集卡 12 圖 35 數據采集卡布局圖 第 4 章 虛擬示波器的軟件設計 虛擬示波器是隨著 電子計算機技術的發(fā)展而產生并逐步發(fā)展起來的一種具有存儲功能的新型儀器，主要用于觀察、分析和測量非重復信號、重復信號、單次信號、沖激信號等。當 EN=1 時，通道接通，允許控制輸入端選中的模擬量輸入，并和輸出通道相連。三個二進制控制信號經過三八譯碼器后，選擇 5158 個輸入通道中的一個通道與輸出端 D 接通。 傳感器 傳感器 傳感器 多路開關 放大器 采樣保持器 A/D 轉 換 器 計算機 11 圖 33 多路轉換模擬開關 為了滿足不同需要，現己開發(fā)出各種集成模擬開關，按輸入信號的連接方式可以分為單端輸入和差動輸入。 圖 32 采樣 /保持器 多路轉換模擬開關 模擬開關是數據采集系統(tǒng)中主要部件之一，它的作用是切換各路輸入信號。圖 4 一 3為采樣 /保持器的原理電路。采樣 /保持電路有兩種工作方式，即采樣方式和保持方式。 。 。放大器、濾波器可根據被測信號的大小及干擾的強弱選用。多路開關將各路信號輪流切換到輸入端，對 10 各路信號分時采樣。采樣過程是將被測的連續(xù)信號離散化，從連續(xù)信號中抽取采樣時刻的信號值，由多路開關、采樣 /保持器完成。數據采集系統(tǒng)的原理框圖如 4