【正文】 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 。相信在不久的將來，一臺裝有虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)可能成為一個(gè)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(chǎn)模式。 在 labVIEW 的開發(fā)環(huán)境下，基于數(shù)據(jù)采集卡可開發(fā)出多種虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，如本文開發(fā)虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器。 (2) 進(jìn)行更加廣泛的實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生 的誤差進(jìn)行定量和定性分析，找出原因，給出改進(jìn)方案。通過實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生誤差的 原因。 利用 LABVIEW 語言研究和開發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)儀器虛擬 示波器和虛擬信號發(fā)生器，除了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能外，在某些功能上進(jìn)行了創(chuàng)新提高，并就如何準(zhǔn) 確地恢復(fù)輸入信號對信號處理技術(shù)、存儲寬帶改善技術(shù)和顯示技術(shù)進(jìn)行了研究。 探討了構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)的方法。由此可以看出，由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡及相應(yīng)軟件構(gòu)成的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器是切實(shí)可行的，而且可以最大限度的利用計(jì)算機(jī)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(jìn)行了擴(kuò)充和創(chuàng)新。 圖 51 波形 顯示結(jié)果 圖 52 頻譜分析結(jié)果 23 圖 53 均方根分析結(jié)果 圖 54 相位分析結(jié)果 圖 55 總體結(jié)果分析 24 第 6 章 結(jié)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(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了探索性的開發(fā)和研究。以 PC 機(jī)為平臺將設(shè)計(jì)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(diǎn)有：幅值和電平測量，信號的時(shí)間與瞬態(tài)特性測量參數(shù)測量模塊 程序前面板 圖 410 參數(shù)測量模塊程序前面板 21 圖 411 參數(shù)測量模塊程序框圖 22 第 5 章 虛擬示波器的調(diào)試 本虛擬示波器的設(shè)計(jì)一是參閱通用的雙通道臺式數(shù)字存儲示波器的功能，并月在儀器分析上有所擴(kuò)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(shí)數(shù)快速傅里葉變換 輸入為實(shí)數(shù)數(shù)組，輸出結(jié)果為復(fù)數(shù)數(shù)組，如果輸入數(shù)組長度為 2 的整數(shù)次冪，則調(diào)用 FFT 算法，否則將調(diào)用 DFT 算法 Inverse Real 實(shí)數(shù)快速傅里葉反變換 因?yàn)閷?shí)數(shù)快速傅里葉變換的輸出結(jié)果是復(fù)數(shù)，所以哦實(shí)數(shù)快速傅里葉反變換的輸入也是復(fù)數(shù)。 (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(shù)，包括傅里葉變換、 Hilbert 變換、小波變換、 Hartley 變換、功率譜分析、聯(lián)合時(shí)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(jìn)入主周期內(nèi)被認(rèn)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(xiàn)原信號在理論上存在誤差。但是當(dāng)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(guān)系ω S≥ 2ω m,當(dāng)ω m＜? /T 時(shí)，ω S=2π /T≥ 2ω m 時(shí)，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(fù)原信號 x(t)在理論上無誤差。這個(gè)過程相當(dāng)于在連續(xù)時(shí)間信號上“抽取”許多離散時(shí)刻 iT(i=0， 1， 2，? )上的信號瞬時(shí)值。m多 1各處出現(xiàn)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(shí)間信號 x(t)被數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)中的采樣器以等時(shí)間間隔 T采樣，則采樣時(shí)刻 0， T， ZT? .，所得信號 x(t)的瞬時(shí)值，就構(gòu)成了連續(xù)信號的 x(t)的離散時(shí)間序列 xs(i)， (i==0， 1， 2，? )。這樣，將出現(xiàn)一系列的問題。 以上為三角函數(shù)的形式，或者轉(zhuǎn)換成復(fù)指數(shù)形式： x(t)= ????tjmmeC ? （ 44） 使用計(jì)算機(jī)完成信號處理工作的需求導(dǎo)致了離散傅里葉變換的產(chǎn)生。一些在時(shí)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(jù)用戶選用的分析功能的不同自動顯示適當(dāng)?shù)臋M坐標(biāo)。 根據(jù)用戶 選擇的不同，該子模塊可以在幅值 (Magnitude)和相應(yīng) (Phase)之間進(jìn)行 轉(zhuǎn)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(guān)的大量函數(shù)可以直接使用，在本文中采用 FFT PowersPectrum 作為主要數(shù)據(jù)處理子 Vl進(jìn)行功率譜分析。我們之所以將它稱作為“模塊”，主要是因?yàn)樗谡麄€(gè)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(gè)“信號處理內(nèi)存”。在本文用Labview 實(shí)現(xiàn)的虛擬示波器中，當(dāng)用軟件完成數(shù)據(jù)采集、處理等工作后，可以將采集到數(shù)據(jù)以及處理后的數(shù)據(jù)回放出來，以便繼續(xù)研究。其中低通截止頻率的設(shè)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(shè)計(jì)中采用巴特沃思濾波器。數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計(jì)算的方法來實(shí)現(xiàn)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(zhì)量，達(dá)到濾波或加工信號的目的。而顯示屏則實(shí)現(xiàn)對各種不同信號的顯示，是用戶對系統(tǒng)結(jié)果最直觀的觀察方式。通過在這個(gè)枚舉的三個(gè)選擇項(xiàng)之間切 換，可以分別實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能。當(dāng)選擇原信號時(shí)，由虛擬信號發(fā)生器產(chǎn)生波形，此時(shí)通過對存儲開關(guān)的關(guān)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(shè)有各個(gè)功能模塊按鈕，當(dāng)按下相應(yīng)按鈕時(shí)，即可調(diào)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(jié)果整形、打印、保存模塊 :讀取已存在文件中的波形數(shù)據(jù)，并將當(dāng)前的波形參數(shù)寫到文檔中，打印波形。 (3) 參數(shù)測量 :完 成電壓參數(shù)、頻率和周期等參數(shù)的測量功能。A 積分以及 Aamp。 (2) 波形顯示 :對采集到的波形進(jìn)行觸發(fā)控制和時(shí)基控制后再顯示波形，可 13 以實(shí)現(xiàn)單信道顯示和雙信道顯示，以及對波形運(yùn)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(shè)計(jì)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(jù)所需的不同功能分別組建各種功能模塊，最后再集成和調(diào)試。其中，參數(shù)測量模塊包括電壓參數(shù)和頻率、周期等時(shí)間參數(shù)的測量并顯示測量結(jié)果。觸發(fā)控制包括觸發(fā)電平控制、觸發(fā)模式等 。根據(jù)這一思路， 本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器主要功能是對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行觸發(fā)、時(shí)基控制后，完成對輸入信號的電壓、頻率和周期等參數(shù)的測量，同時(shí)，利用 FFT 窗口對波形進(jìn)行頻譜分析，可以實(shí)現(xiàn)單、雙信道顯示波形，并可以對波形運(yùn)算后進(jìn)行輸出顯示。一般測試儀器由信號采集、信號處理和結(jié)果顯示三大部分組成，這三部分均由硬件構(gòu)成。 圖 34 數(shù)據(jù)采集卡 12 圖 35 數(shù)據(jù)采集卡布局圖 第 4 章 虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì) 虛擬示波器是隨著 電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)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(fù)信號、重復(fù)信號、單次信號、沖激信號等。當(dāng) EN=1 時(shí)，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(gè)二進(jìn)制控制信號經(jīng)過三八譯碼器后，選擇 5158個(gè)輸入通道中的一個(gè)通道與輸出端 D接通。 傳感器 傳感器 傳感器 多路開關(guān) 放大器 采樣保持器 A/D 轉(zhuǎn) 換 器 計(jì)算機(jī) 11 圖 33 多路轉(zhuǎn)換模擬開關(guān) 為了滿足不同需要，現(xiàn)己開發(fā)出各種集成模擬開關(guān)，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(zhuǎn)換模擬開關(guān) 模擬開關(guān)是數(shù)據(jù)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(jù)被測信號的大小及干擾的強(qiáng)弱選用。多路開關(guān)將各路信號輪流切換到輸入端，對 10 各路信號分時(shí)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(shí)刻的信號值，由多路開關(guān)、采樣 /保持器完成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如 4 一 2 所示，它由多路開關(guān)、采樣 /保持器、放大 器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)等組成。其核心是計(jì)算機(jī)，它對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。 m)是信息科學(xué)的重要分支，它不僅應(yīng)用在現(xiàn)代智能檢測系統(tǒng)中，而且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、國防軍事及科學(xué)研究等方面都得到廣泛應(yīng)用，無論是過程控制狀態(tài)檢測、還是故障診斷、質(zhì)量檢測，都離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。只有當(dāng)數(shù)據(jù)采集部分正確工作，整個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)才能正確工作。 N 工一 DAQ 就是 N1 公司高性能數(shù)據(jù)采集及驅(qū)動程序。驅(qū)動軟件是直接對數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的軟件層，管理著系統(tǒng)的操作以及和計(jì)算機(jī)資源的組合，比如 CPU中斷、 DMA 傳送、存儲器等。 4 驅(qū)動軟件 沒有軟件，甚至沒有好的軟件，數(shù)據(jù)采集硬件系 統(tǒng)不可能發(fā)揮很大的作用。他們最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率。計(jì)時(shí)信號也就是信號源，它提供了繼續(xù)其操作的時(shí)間基準(zhǔn) 。定時(shí)器包括三個(gè)重要信息 :門限信號、計(jì)時(shí)信號、輸出。停滯時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號幅值 改變的快慢。 (5) 模擬輸出 模擬輸出電路通常是為 DAQ 板的系統(tǒng)提供激勵(lì)電壓或電流。范圍、增