【正文】 個設(shè)計中的最重要的部分，它的主要任務(wù)是使數(shù)據(jù)采集卡NI USB6251產(chǎn)生一個幅值不變，頻率變化的正弦波。本章主要概述了頻率特性測試儀的發(fā)展歷史，以及電路頻率特性的基本概念和測量方法，最后簡述了使用LabVIEW設(shè)計虛擬頻率特性測試儀的總體方法，并主要化分了3個模塊。這些控件中集成了對應(yīng)儀器的程控信息，利用計算機(jī)強(qiáng)大的圖形用戶界面，虛擬儀器可以采用多種方式顯示采集數(shù)據(jù)、分析結(jié)果和控制過程，真正做到“界面友好，人機(jī)交互”，用戶通過“虛擬”操作界面向虛擬儀器以出各種測試指令，虛擬儀器則通過它向用戶傳遞系統(tǒng)的狀態(tài)與測量結(jié)果。本課題研制的虛擬儀器系統(tǒng)通過計算機(jī)軟件編程，實時、直接地對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和數(shù)字處理，如完成DFT、FFT運算，實現(xiàn)數(shù)字濾波等，然后以各種方式輸出處理，具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。數(shù)據(jù)處理部分，主要進(jìn)行軟件處理。它與計算機(jī)一起構(gòu)成了系統(tǒng)的硬件環(huán)境，是應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)。100mV~177。NI USB6251是一款高速M系列多功能DAQ模塊，在高采樣率下也能保持高精度。直接數(shù)字合成頻率技術(shù)主要通過相位累加查表方法實現(xiàn)任意波形合成，它將波形幅值數(shù)據(jù)存在波形存儲器中，調(diào)節(jié)頻率控制字，并在恒定時鐘源的激勵下讓相位累加器以頻率控制字為間隔采樣波形存儲器中所存波形，最后經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出波形。掃頻信號源的產(chǎn)生，主要為系統(tǒng)提供信號源掃頻信號源簡稱頻率源是掃頻儀的重要部件，主要用于產(chǎn)生測試用正弦掃頻信號，其掃頻范圍應(yīng)是可調(diào)的，掃頻規(guī)律是線性的或?qū)?shù)的，掃頻信號的幅度應(yīng)等幅的。掃頻信號發(fā)生器的主要功能是產(chǎn)生幅值恒定、頻率變化的信號作為被測系統(tǒng)的輸入信號；數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是完成對被測系統(tǒng)輸入信號和被測系統(tǒng)輸出信號的數(shù)據(jù)采集；計算機(jī)將根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將幅頻特性和相頻特性以圖形等方式顯示出來。硬件接口板的主要功能是完成被測系統(tǒng)輸入信號的產(chǎn)生和被測系統(tǒng)輸出信號的數(shù)據(jù)采集，計算機(jī)將根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)包括元、器件的性能指標(biāo)，包括時域和頻域指標(biāo)，并以圖形等方式顯示出來。虛擬儀器在自動測量、自動控制領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景[11]，基于虛擬儀器技術(shù)的頻率特性儀是以機(jī)為核心，以美國國家儀器公司的為軟件開發(fā)平臺，配以硬件接口電路構(gòu)成整個儀器。穩(wěn)態(tài)測量法需要制作一個頻率可步進(jìn)或可掃頻的并符合相應(yīng)指標(biāo)要求的正弦信號源，適用于很寬的頻段，缺點是每次測量的是網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，需要等待網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，測量時間比較長。動態(tài)測量法，需要制作一個質(zhì)量較高的沖激激勵脈沖信號源，或者頻譜和統(tǒng)計特性滿足測量要求的任意波形或序列信號，還需要一定的數(shù)據(jù)采集速度以及數(shù)字信號處理計算能力。系統(tǒng)的建立時間的長短與系統(tǒng)的帶寬成反比，即帶寬越窄，過渡過程時間越長，測量時頻變化的速度應(yīng)該越慢。響應(yīng)信號與輸入信號的幅值比即為該頻率的幅頻響應(yīng)值，而兩者的相位差即為相頻響應(yīng)值，可以采用頻率逐點步進(jìn)或頻率連續(xù)變化的方法，完成整個頻率特性的測量。所以沖激響應(yīng)測試法只被用于低頻系統(tǒng)的測量中。對于窄帶網(wǎng)絡(luò)，其建立時間長，多次激勵的方法將降低測試速度，另一個問題是寬帶網(wǎng)絡(luò)的輸出響應(yīng)信號頻帶寬，要求采用高速的A/D?？刹捎弥貜?fù)激勵的辦法，將每一個激勵輸出相加，來提高網(wǎng)絡(luò)輸出的響應(yīng)信號的信噪比，因為噪聲為隨機(jī)信號，在多次相加中將互相抵消。在實際應(yīng)用中，不可能獲得理想的脈沖，但只要脈沖信號足夠窄，能保證有足夠的頻帶寬度即可。系統(tǒng)如圖21所示 系統(tǒng)輸入激勵與輸出響應(yīng)輸入激勵信號為，響應(yīng)信號為，系統(tǒng)的頻率特性可按式計算： （）當(dāng)輸入激勵為單位沖激函數(shù)，則輸出為系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)，式（）中的恒等于1，于是有 （）計算得到的為復(fù)數(shù)，包含了幅頻特性和相頻特性的完整信息。基本的測量方法有兩種：動態(tài)測量法和穩(wěn)態(tài)測量法[10]。其中稱為系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)，通常取與的關(guān)系曲線稱為對數(shù)幅頻特性；為系統(tǒng)的相頻響應(yīng)；幅頻特性和相頻特性總稱為系統(tǒng)的頻率特性。實際上，只需考察平面上沿軸變化時的即可，就是系統(tǒng)的頻率特性，它是的一種以頻率為變量的圖形描述方法，其物理意義非常明顯，是實際應(yīng)用最多的系統(tǒng)特性的表示形式。對于低頻電路網(wǎng)絡(luò)，若只關(guān)心電路系統(tǒng)的傳輸特性，可以用傳輸函數(shù)來描述。它描述了系統(tǒng)的內(nèi)在特性，與外界因素?zé)o關(guān)。頻率特性是一個系統(tǒng)（或元件）對不同頻率正弦輸入信號的響應(yīng)特性。混頻器輸出至兩個并列的數(shù)字式乘法器，分別與函數(shù)發(fā)生器的正弦波及余弦波相乘。其相關(guān)原理為，被測系統(tǒng)的輸出信號經(jīng)一個不接地和獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將電壓轉(zhuǎn)換成脈沖，基頻振蕩正負(fù)半周脈沖數(shù)之差，正比于輸入幅度的大小。同時數(shù)字振蕩器將數(shù)字式正弦波和數(shù)字式余弦波輸出給相關(guān)器部分的乘法器。（1）函數(shù)發(fā)生器：主要用來產(chǎn)生正弦信號，為被測系統(tǒng)提供激勵信號，此脈沖進(jìn)入頻率組合器，同時由面板頻率控制旋鈕控制的信號細(xì)調(diào)混頻器將選定的工作頻率信號也送入頻率組合器，形成每周1688個脈沖送給數(shù)字振蕩器。從頻率范圍及性能來看，國內(nèi)尚無此類產(chǎn)品，這類產(chǎn)品具有很大的市場價值。其一體式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測量范圍為：30KHz~30MHz，其動態(tài)范圍90dB，頻率分辨率1Hz。2005年，韓國LG公司也推出了它的一款頻率特性分析儀SA7270A，可以測量到9KHz~。這三款產(chǎn)品的主要用于測量低頻網(wǎng)絡(luò)。1260A的頻率測量范圍為10uHz~32MHz，%，該型號的最大特點是精度高，是該公司的目前精度最高的網(wǎng)絡(luò)分析儀[7]。1253的頻率測量范圍為1mHz~20KHz，幅度和相位精度分別達(dá)到1%和1度。它可以作單點、離散正弦頻率掃描，獲得幅頻響應(yīng)或相頻響應(yīng)的實驗曲線。在低頻方面，有HP3589A，其頻率特性范圍10Hz~150MHz。1990年，毫米波波導(dǎo)反射/傳輸測試裝置工作頻率范圍擴(kuò)展到110GHz。1986年推出了既有良好的性能又有自動測量能力的8753型自動化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，成為業(yè)界頻率特性測試儀的標(biāo)準(zhǔn)。國外頻率特性儀研制生產(chǎn)廠家主要有美國Agilent公司和Anritsu公司以及ADV公司[6]。第二章 虛擬頻率特性測量儀的系統(tǒng)設(shè)計頻率特性測試儀也稱掃頻儀[5]，用于測試網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性，在現(xiàn)代電子測量中占有重要的位置。本章主要說明了設(shè)計的技術(shù)背景，即使用虛擬儀器設(shè)計頻率特性測試儀，與傳統(tǒng)方法相比具有很大的優(yōu)勢。接口軟件是為虛擬儀器驅(qū)動層提供信息傳遞的底層軟件，是實現(xiàn)開放、靈活的虛擬儀器的基礎(chǔ)。 虛擬儀器構(gòu)成方式（2）軟件平臺虛擬儀器軟件控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能。虛擬儀器構(gòu)成方式有五種類型，如圖14所示。計算機(jī)是虛擬儀器硬件平臺的核心，一般為PC或者工作站。 虛擬儀器構(gòu)成方式虛擬儀器由通用儀器硬件平臺和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示。虛擬儀器以透明的方式把計算機(jī)資源和儀器硬件的測試能力結(jié)合起來，實現(xiàn)了儀器的功能。（2）虛擬儀器的組成從功能上講，虛擬儀器通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C(jī)與功能化硬件結(jié)合起來，完成對被測量的采集、分析、處理、顯示、存儲、打印等功能，因此，與傳統(tǒng)儀器一樣，虛擬儀器可劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示三大功能模塊。因此，無論哪種虛擬儀器系統(tǒng)都是將硬件設(shè)備搭載到臺式PC、工作站或筆記本電腦等各種計算機(jī)平臺上，加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的，實現(xiàn)了基于計算機(jī)的全數(shù)字化的采集測試分析。PXI總線是PCI eXtension for Instrumentation 的縮寫，是PCI在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展。經(jīng)過多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢，適用于組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合，但VXI系統(tǒng)要求有專用的機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。VXI總線是VMEbus eXtension for Instrumentation的縮寫，是高速計算機(jī)總線VME在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。適用于精確度要求高，但對計算機(jī)速率要求和總線控制實時性要求不高的場合應(yīng)用。GPIB技術(shù)可以用計算機(jī)實現(xiàn)對儀器的操作和控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作方式，很方便的把多臺機(jī)器組合起來，形成大的自動測試系統(tǒng)。典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機(jī)，一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB儀器通過GPIB電纜連接而成。GPIB（General Purpose Interface Bus）技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的VI早期的發(fā)展階段。它的最大好處是可以與筆記本計算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC相連，實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。并行口式的虛擬儀器。隨著基于PC的工業(yè)控制計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PCDAQ方式存在的缺點已經(jīng)和正在被克服。它充分利用了計算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源以及軟件的便利，其關(guān)鍵在于A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。PCDAQ插卡式的虛擬儀器。下表給出了虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較。虛擬儀器開放、靈活，可與計算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其周邊設(shè)備互聯(lián)。儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計，而不需要購買新的儀器。在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器功能。這樣，在每個分面板上就可以實現(xiàn)功能操作的單純化與面板布置的簡捷化，從而提高操作的正確性與便捷性。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有以下特點：傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，其上布置著種類繁多的顯示與操作器件，易于導(dǎo)致許多識別與操作錯誤。（2）虛擬儀器的特點虛擬儀器的突出優(yōu)點是不僅可以利用PC組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過各種不同的接口總線，組建不同規(guī)模的自動測試系統(tǒng)。因為可以通過不同測試功能軟件模塊的組合來實現(xiàn)多種測試功能，所以在硬件平臺確定后，就有“軟件就是儀器”的說法。因此，設(shè)計虛擬儀器前面板就是在前面板設(shè)計窗口中擺放所需的圖標(biāo)，然后對圖標(biāo)的屬性進(jìn)行設(shè)置。虛擬儀器的“虛擬”這個詞的含義主要包括以下兩個方面[2]：①虛擬儀器面板和各種傳統(tǒng)的儀表板完成的功能是一樣的：由各種開關(guān)，按鈕，顯示器等圖標(biāo)實現(xiàn)儀器電源的“通”、“斷”，實現(xiàn)設(shè)置所測量的信號“輸入通道”、“放大倍數(shù)”和其他參數(shù)，并實現(xiàn)測量結(jié)果的“數(shù)值”和“波形”顯示等。用鼠標(biāo)或鍵盤用戶可以操作儀器的虛擬面板，就像使用一個特殊的測量儀器一樣。（1）虛擬儀器的基本概念虛擬儀器（Virtual Instrument）是由計算機(jī)的應(yīng)用和功能模塊組合在一起，用戶可以使用友好的圖形界面來操作計算機(jī)，如同操作自己定義，自己設(shè)計的儀器，可以完成對被測量數(shù)據(jù)的采集，分析，處理，顯示，存儲和打印。它是測量技術(shù)，通訊技術(shù)以及現(xiàn)在計算機(jī)技術(shù)的深層次的結(jié)合，導(dǎo)致了傳統(tǒng)儀器理念的巨大改變，是儀器研究和發(fā)展的一個重要方向。②實測不同電網(wǎng)絡(luò)幅頻特性與理論計算比較；現(xiàn)在計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)日新月異，計算機(jī)技術(shù)和測試技術(shù)的結(jié)合引發(fā)了測試儀器領(lǐng)域的新突破。其原理框圖如圖11所示，掌握測控電路的基本構(gòu)成和調(diào)試方法。在虛擬儀器技術(shù)環(huán)境下，掃頻所需的激勵信號在計算機(jī)中以軟件方法產(chǎn)生且頻率準(zhǔn)確，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)信號由數(shù)據(jù)采集卡采集送到計算機(jī)后，通過計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理能力，對采集到的信號進(jìn)行分析處理，可以很方便地得到被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性，這是傳統(tǒng)儀器難以獨立完成的。另一種是掃頻法，即使用掃頻儀測量RC網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。使用傳統(tǒng)儀器測試網(wǎng)絡(luò)頻率特性的方法有兩種[1]：一種是點頻法，使用信號發(fā)生器產(chǎn)生所需頻率的正弦信號作為激勵加到被測網(wǎng)絡(luò)的輸入端，然后使用示波器對輸出進(jìn)行測試，記錄不同頻率下的輸出信號幅值，最后描繪出幅頻特性圖。與傳統(tǒng)儀器相比，它在智能化程度、處理能力、性能價格比、可操作性、可擴(kuò)展性等方面有著明顯的優(yōu)勢。instruments. It mainly aims to realize frequency characteristic test system using virtual instrument development——LabVIEW provided by the NI Company in the United States and bing the corresponding hardware condition. The system included the three modules such as signal produced, data acquisition and frequency characteristic analysis.The purpose and significance of frequency characteristic testing instrument development based on virtual instrument was discussed in this paper. It introduces the characteristics, structure and development of virtual instrument. Through LabVIEW programming，the function signal generator to produce sweepfrequency signal needed in the test. The sweep signal and the response signal of a network under test are collected by DAQ NI USB6251. The frequency characteristic measurement is implemented effectively by analysis，putation and display in puter.This newstyle frequency characteristic test meter utilizes fully virtual instrumental technology, newly strongly software function and graphics of puter. This newstyle test meter can well satisfy science resear