基于Labview虛擬示波器的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 課題名稱基于labview虛擬示波器的設(shè)計(jì) 課題性質(zhì) 班 級(jí) 通信111 論文真實(shí)性承諾及指導(dǎo)教師聲明學(xué)生論文真實(shí)性承諾本人鄭重聲明：所提交的作品是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，內(nèi)容真實(shí)可靠，不存在抄襲、造假等學(xué)術(shù)不端行為。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。如被發(fā)現(xiàn)論文中存在抄襲、造假等學(xué)術(shù)不端行為，本人愿承擔(dān)本聲明的法律責(zé)任和一切后果。畢業(yè)生簽名： 日 期： 指導(dǎo)教師關(guān)于學(xué)生論文真實(shí)性審核的聲明本人鄭重聲明：已經(jīng)對(duì)學(xué)

2、生論文所涉及的內(nèi)容進(jìn)行嚴(yán)格審核，確定其內(nèi)容均由學(xué)生在本人指導(dǎo)下取得，對(duì)他人論文及成果的引用已經(jīng)明確注明，不存在抄襲等學(xué)術(shù)不端行為。指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 摘要 隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)的日新月異，電子計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和處理，顯示，存貯等方面的優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)的儀器相比越來(lái)越明顯。與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)性價(jià)比的不斷提升，傳統(tǒng)儀器的價(jià)格又長(zhǎng)期居高不下，再加上傳統(tǒng)儀器的功能單一，發(fā)展虛擬儀器已經(jīng)成為一個(gè)不可阻擋的歷史潮流。美國(guó)ni公司在這種大環(huán)境下，率先發(fā)起了對(duì)虛擬儀器的研究開(kāi)發(fā)，推出了labview軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。本課題在掌握了虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)及信號(hào)處理的相關(guān)知識(shí)基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了一套虛擬示

3、波器。對(duì)虛擬儀器的概念，結(jié)構(gòu)，發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了相關(guān)分析。介紹了與信號(hào)處理相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，主要是傅里葉變換。虛擬儀器主要由硬件和軟件兩個(gè)部分構(gòu)成。本文對(duì)虛擬示波器的硬件即數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行了初略的介紹，對(duì)其軟件部分進(jìn)行了詳細(xì)研究。在此基礎(chǔ)上完成了頻譜分析模塊，存儲(chǔ)模塊，顯示模塊，濾波模塊，測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞： 虛擬儀器 虛擬示波器 頻譜分析 數(shù)據(jù)采集iabstract along with the computer technology and software technology is developing rapidly, and the electronic computer in re

4、al-time data analysis and processing, storage, show， the advantages of the compared with traditional instruments is more and more obvious. meanwhile, along with the computer cost-effective rising, the price of traditional instruments, plus high and long-term single function of traditional instrument

5、s, development virtual instrument has become an irreversible historical trend. the united states in this kind of environment in ni, pioneered the research and development of virtual instrument, he launched a labview software development platform.this topic on the concept of virtual instrument, the s

6、tructure, the development trend for the correlation analysis. introduces and signal processing related basic knowledge, mainly fourier transformation. virtual instrument mainly by the hardware and software two parts. in this paper the hardware that virtual oscilloscope data acquisition card of initi

7、al slightly, and discusses its software as part of a deep analysis. virtual oscilloscope software is divided into several relatively independent modules, such as spectrum analysis module, storage module, display module, filter modules etc.key words: virtual instrument；virtual oscilloscope；spectrum a

8、nalysis；data collection 目錄摘要iabstractii第1章 緒論41.1虛擬儀器的基本概念41.2虛擬儀器的構(gòu)成41.3虛擬儀器的較傳統(tǒng)儀器的優(yōu)勢(shì)41.4虛擬儀器的現(xiàn)狀及發(fā)展方向21.5本論文的主要工作2第2章 系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)labview簡(jiǎn)介32.1 labview的基本概述32.2 labview的模板分析52.2.1工具模板52.2.2 控件選板62.2.3函數(shù)選板7第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)83.1數(shù)據(jù)采集技術(shù)83.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號(hào)分類83.1.2基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分的作用93.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)113.2.1采樣/保持器的工作原理123.2.

9、2多路轉(zhuǎn)換模擬開(kāi)關(guān)12第4章 虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì)144.1系統(tǒng)總體構(gòu)成154.2濾波器164.3存儲(chǔ)與回放模塊174.4頻譜分析模塊194.5參數(shù)測(cè)量模塊22第5章 虛擬示波器的調(diào)試245.1波形顯示245.2頻譜分析245.3參數(shù)測(cè)量25第6章 結(jié)論和展望26參考文獻(xiàn)27附錄致謝iii 第1章 緒論1.1虛擬儀器的基本概念電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展到今天，總體上經(jīng)過(guò)了四個(gè)歷程，按出現(xiàn)的時(shí)間順序依次為;模擬儀器，數(shù)字儀器，智能儀器，虛擬儀器。其中，為了與虛擬儀器區(qū)別開(kāi)來(lái)，我們又把前三種稱為傳統(tǒng)儀器。虛擬儀器是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是用戶在普通pc機(jī)上，應(yīng)用各種軟件平臺(tái)，根據(jù)自身

10、的需要，設(shè)計(jì)和定義的軟硬件相結(jié)合的一種測(cè)量?jī)x器。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形顯示功能，建立虛擬儀器的控制面板，用戶通過(guò)對(duì)面板的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬儀器的操作，就像操作一臺(tái)普通的測(cè)量?jī)x器一樣。1.2虛擬儀器的構(gòu)成從構(gòu)成要素上講，虛擬儀器主要由計(jì)算機(jī)，儀器硬件（如數(shù)據(jù)采集卡）和應(yīng)用軟件構(gòu)成；從總線標(biāo)注上講，包括有pc-daq系統(tǒng)，gpib系統(tǒng),vxi系統(tǒng)等。1.3虛擬儀器的較傳統(tǒng)儀器的優(yōu)勢(shì)（1）傳統(tǒng)儀器的控制面板只有一個(gè)，在這個(gè)操作面板上，需要放置各種按鈕，容易導(dǎo)致混亂和混淆。而虛擬儀器可以有多個(gè)控制面板，各個(gè)面板之間的切換十分方便，使每個(gè)面板變得簡(jiǎn)單，從而提高了操作的正確性和方便性。（2）虛擬儀器大量用應(yīng)用軟

11、件來(lái)替代傳統(tǒng)儀器中的硬件，從而使儀器的硬件變得簡(jiǎn)單。（3）虛擬儀器使儀器的功能可以有用戶自定義，而不是只能由廠家來(lái)定義，從而使得儀器更加好用，方便。（4）由于用軟件替代硬件，儀器的更新升級(jí)大都只要更新軟件，從而使得儀器的升級(jí)換代更加迅速，研發(fā)周期縮短。（5）虛擬儀器的發(fā)展可與計(jì)算機(jī)的發(fā)展同步，與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備同步。1.4虛擬儀器的現(xiàn)狀及發(fā)展方向虛擬儀器的概念最初是由美國(guó)國(guó)家儀器公司（national instruments corp，簡(jiǎn)稱ni）于1986年提出，ni公司在80年代研制和推出了許多總線系統(tǒng)的虛擬儀器，后來(lái)，美國(guó)hp公司，tektronic公司，racal公司也在此方面有了很多進(jìn)展

12、。虛擬儀器在國(guó)外發(fā)展很快，以ni公司為首的很多公司已經(jīng)在市場(chǎng)上推出了大量基于虛擬儀器技術(shù)的電子儀器產(chǎn)品。據(jù)“世界儀表及自動(dòng)化”雜志預(yù)測(cè)，虛擬儀器在21世紀(jì)中期將占到儀器市場(chǎng)50%左右的份額。虛擬儀器在本世紀(jì)發(fā)展很快，大有取代傳統(tǒng)儀器的趨勢(shì)。近年來(lái)，世界很多公司推出了不少虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使儀器的使用者可以開(kāi)發(fā)組建自己需要的虛擬儀器。其中，比較具有代表性的是ni公司labview平臺(tái)和labwindows/cvi平臺(tái)。相比而言，labwindows是為熟悉c語(yǔ)言的傳統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)人員所設(shè)計(jì)的。作為一本新興技術(shù)，虛擬儀器在國(guó)內(nèi)尚屬于起步階段，但也初步取得了一些成果。國(guó)內(nèi)已有幾家廠家在開(kāi)發(fā)研制虛擬儀

13、器，在數(shù)據(jù)處理軟件方面做出了一些成就。比如測(cè)量結(jié)果的頻譜分析，快速傅里葉變換，各種數(shù)字濾波器，卷積分析，微積分等。1.5本論文的主要工作 我國(guó)在科學(xué)技術(shù)方面與世界頂級(jí)國(guó)家還有一定距離，我國(guó)的高檔儀器大部分還要依賴進(jìn)口，這種儀器往往價(jià)格昂貴，使用面窄，花很多的外匯只能起到有限的作用，因此，研究虛擬儀器對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)具有很重要的意義。開(kāi)發(fā)虛擬儀器不僅可以實(shí)現(xiàn)儀器的自我生產(chǎn)，而且虛擬儀器易于改進(jìn)，提升性能，通過(guò)軟件和硬件的更換，還可以實(shí)現(xiàn)多方面的用途，大大提高了儀器的性價(jià)比。本論文主要介紹虛擬示波器硬件和軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程，以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)知識(shí)。虛擬示波器主要有硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件部分主要是普通

14、pc機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡；軟件部分則包括了前面板，采集卡驅(qū)動(dòng)程序及相關(guān)的應(yīng)用軟件（主要有頻譜分析，數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取，波形顯示等）本論文主要分為以下幾個(gè)部分：第1章 緒論第2章 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)labview的有關(guān)介紹第3章 系統(tǒng)硬件部分第4章 系統(tǒng)軟件部分第5章 系統(tǒng)調(diào)試第6章 結(jié)論和展望第2章 軟系統(tǒng)件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)labview簡(jiǎn)介2.1 labview的基本概述labview是美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)的，基于g語(yǔ)言（graphics language）的虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具。其特點(diǎn)是用圖形化的符號(hào)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的文本語(yǔ)言，從而達(dá)到直觀，簡(jiǎn)潔，易懂的目的。1992年8月labview2.5實(shí)現(xiàn)了從macin

15、tosh平臺(tái)到windows又砰臺(tái)的移植，從 labview3.0版本開(kāi)始，labview作為一個(gè)完整優(yōu)異的圖形化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的認(rèn)可，并開(kāi)始迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，贏得了廣大用戶的青睞。它的基本特點(diǎn)是 (1)具有良好的用戶接口其用戶接口類似于傳統(tǒng)儀器的面板，包括按鈕、旋鈕、圖形顯示組件、控制組件等。通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤向程序輸入數(shù)據(jù)，操作結(jié)果由軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上生成。 (2)編程方式簡(jiǎn)單、直觀采用圖形語(yǔ)一言(g語(yǔ)言)、圖標(biāo)和聯(lián)機(jī)代替文本形式編寫程序，是對(duì)具體編程問(wèn)題的圖形化解決方案。 (3)具有層次結(jié)構(gòu)和模塊化的特點(diǎn)每一個(gè)vi可以作為頂層程序，也可以作為其它程序的子程序。 (4)提供程序調(diào)

16、試功能程序調(diào)試工具包括在源代碼中可以設(shè)置斷點(diǎn)，可以單步執(zhí)行，也可以啟動(dòng)。 labview創(chuàng)建虛擬儀器過(guò)程 創(chuàng)建虛擬儀器的過(guò)程分為四步: (1)創(chuàng)建前面板。前面板是圖形化用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。它模仿了實(shí)際儀器的面板。前面板包含了旋鈕、按鈕、圖形和其他控制與顯示對(duì)象。通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤輸入數(shù)據(jù)、控制按鈕，也可在計(jì)算機(jī)顯示器上直接觀看結(jié)果。若想要在數(shù)字控制中輸入或修改數(shù)值，只需要用操作工具(見(jiàn)工具模板)點(diǎn)擊控制部件和增減按鈕，或者用操作工具或標(biāo)簽工具雙擊數(shù)值欄進(jìn)行輸入數(shù)值修改。 (2)創(chuàng)建框圖程序。在前面板窗口的主菜單windows中選擇 showdiagram將前面板窗口切換到框圖程

17、序窗口，此時(shí)會(huì)看到與前面板對(duì)象對(duì)應(yīng)的端口。根據(jù)需要在功能模板中找到所需的節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)放置到框圖程序窗口。用數(shù)據(jù)連線將這些端口和節(jié)點(diǎn)的圖標(biāo)連接起來(lái)，形成一個(gè)完整的框圖程序。 (3)創(chuàng)建圖標(biāo)。一個(gè)虛擬儀器的圖標(biāo)/連接端口就像一個(gè)圖形(表示某一虛擬儀器)的參數(shù)列表。這樣，其它的虛擬儀器才能將數(shù)據(jù)傳輸給子儀器。圖標(biāo)和連接允許將此儀器作為最高級(jí)的程序，也可以作為其它程序或子程序的子程序。運(yùn)行和調(diào)試程序。運(yùn)行和調(diào)試程序是任何一門編程語(yǔ)言編程的最重要的一步。在labview中，用戶可以通過(guò)兩種方式來(lái)運(yùn)行程序:運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行。如果一個(gè)vi程序存在語(yǔ)法錯(cuò)誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕將會(huì)變成一個(gè)折斷的箭頭

18、，表示程序不能被執(zhí)行。這時(shí)這個(gè)按鈕被稱作錯(cuò)誤列表。點(diǎn)擊它，則labview彈出錯(cuò)誤清單窗口，點(diǎn)擊其中任何一個(gè)所列出的錯(cuò)誤，選用find功能，則出錯(cuò)的對(duì)象或端口就會(huì)變成高亮。調(diào)試程序時(shí)可以利用單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)、設(shè)置探針來(lái)顯示數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。圖2-1 labview前面板圖2-2 labview程序框圖2.2 labview的模板分析labview是一種圖形化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，在一個(gè)虛擬儀器vi的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主要利用模板創(chuàng)建和運(yùn)行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動(dòng)，并可以放置在屏幕的任意位置。操縱模板共有三類:工具(too1s)選板、控制(controls)選板和功能 (functions)選板或稱函

19、數(shù)選板。圖2-3 工具選版2.2.1工具模板工具選板為編程者提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試vi程序的工具(如圖所示)。該模板可以在windows菜單下選擇 showtoolspalette命令以顯示該模板。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀，它包括了以下工具包。 操作工具:使用該工具來(lái)操作前面板的控制和顯示。使用它向數(shù)字或字符串控制中鍵入值時(shí)，工具會(huì)變成標(biāo)簽工具的形狀。 選擇工具，用于選擇、移動(dòng)或改變對(duì)象的大小當(dāng)它用于改變對(duì)象的連框大小時(shí)，會(huì)變成相應(yīng)形狀。 標(biāo)簽工具:用于輸入標(biāo)簽文本或者創(chuàng)建自由標(biāo)簽。當(dāng)創(chuàng)建自由標(biāo)簽時(shí)它會(huì)變成相應(yīng)形狀。 連線工具:用于在框圖程序上連接

20、對(duì)象。如果聯(lián)機(jī)幫助的窗口被打開(kāi)時(shí)，把該工具放在任一條連線上，就會(huì)顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。 對(duì)象彈出菜單工具:用左鼠標(biāo)鍵可以彈出對(duì)象的彈出式菜單。 漫游工具:使用該工具就可以不需要使用滾動(dòng)條而在窗口中漫游 斷點(diǎn)工具:使用該工具在vi的框圖對(duì)象上設(shè)置斷點(diǎn)。 探針工具:可以在框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流線上設(shè)置探針。程序調(diào)試員可以通過(guò)控針窗口來(lái)觀察該數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)變化狀況。 顏色提取工具:使用該工具來(lái)提取顏色用于編輯其他的對(duì)象。顏色工具:用來(lái)給對(duì)象定義顏色。它也顯示出對(duì)象的前景色和背景色。 自動(dòng)選擇工具2.2.2 控件選板圖2-4 控件選版控件選板擬儀器的面板是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的。就是labview將傳統(tǒng)儀器上的各

21、種旋紐、開(kāi)關(guān).、顯示屏等所有可能涉及到的操作部件，都做成外形相似的“控件”分類存于控制模板上。設(shè)計(jì)儀器模板時(shí)，只需根據(jù)需要選擇合適的“控件”放在面板相應(yīng)的位置上即可。每個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè)子模板(如圖所示)。控制模板可以用wind。，s菜單的 showcontrolspalette功能打開(kāi)它，也可以在前面板的空白處,點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板。它只有當(dāng)打開(kāi)前面板窗口時(shí)才能調(diào)用2.2.3函數(shù)選板 圖2-5 函數(shù)選板圖2-6 函數(shù)選板子選板函數(shù)選板編程子選板功能模板就是labview將傳統(tǒng)儀器上的各種測(cè)試功能、信號(hào)分析文件操作以及輸入/輸出(1/0)接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)做成可供直接調(diào)用的庫(kù)函數(shù)。使用時(shí)只需根

22、據(jù)預(yù)完成的功能與操作，從子模板上選擇相應(yīng)的“圖標(biāo)”放在流程圖編輯窗口中相應(yīng)的位置上即可。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板(如圖所示)。它可以用windows菜單下的show funetionspalette功能打開(kāi)它，也可以在框圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板。而且它只有打開(kāi)了框圖程序窗口后才能出現(xiàn)。它包括結(jié)構(gòu)子模板、數(shù)值運(yùn)算子模板、布爾邏輯子模板、字符串運(yùn)算子模板、數(shù)組子模板、類子模板、比較子模板、時(shí)間和對(duì)話框子模板、文件輸入/輸出子模板、儀器控制子模板、儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)、數(shù)據(jù)采集子模板、信號(hào)處理子模板、數(shù)學(xué)模型子模塊、圖形與聲音子模塊、通訊子模板、應(yīng)用程序控制子模塊、底層

23、接口子模塊、文檔生成子模板、示教課程子模板、用戶自定義的子vl模板和選擇vi子程序等子模板。編制軟件時(shí)通過(guò)對(duì)控制和功能模塊中子模塊的靈活調(diào)用，選取相應(yīng)的功能子模塊，分別置于前后面板內(nèi)，使用連線工具即可完成虛擬儀器設(shè)計(jì)。本章介紹了當(dāng)今在測(cè)控領(lǐng)域內(nèi)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件labview語(yǔ)言，它滿足了實(shí)現(xiàn)虛擬測(cè)試儀器的條件，是虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境中圖形化語(yǔ)言的杰出代表之一。labview語(yǔ)言是一種面向工程技術(shù)人員的圖形化編程語(yǔ)言，是一種面向?qū)ο蟮哪K化編程語(yǔ)言，使面向?qū)ο蠹夹g(shù)程序的復(fù)用性達(dá)到最佳，被譽(yù)為工程師和科學(xué)家的語(yǔ)言。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1數(shù)據(jù)采集技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行總線擴(kuò)展以便將其用于實(shí)驗(yàn)室研究、工

24、業(yè)控制、測(cè)試和測(cè)量、這些都要用到基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本任務(wù)是測(cè)量和產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)世界的物理信號(hào)。3.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號(hào)分類傳感器把物理信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)(電壓或電流)，例如熱電偶(溫度/電壓)、rtds(溫度/電阻)、應(yīng)變片(拉或壓/溫度)。信號(hào)調(diào)理附件能夠?qū)ξ⑷跣盘?hào)進(jìn)行放大、光電隔離、濾波等處理，以便更精確和安全地測(cè)量。同時(shí)它能夠激發(fā)和線性化某些傳感器及其信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)被適當(dāng)調(diào)理后，即可輸給插入式數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)字化，同時(shí)它也能產(chǎn)生控制信號(hào)。數(shù)據(jù)采集板程序設(shè)計(jì)依靠驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，因而用戶能夠調(diào)用傳統(tǒng)的語(yǔ)言和應(yīng)用軟件包來(lái)設(shè)計(jì)高級(jí)程序。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)的性能決定了整個(gè)過(guò)程

25、的速度。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，需要高速的處理器，在對(duì)數(shù)據(jù)采集功能模塊進(jìn)行分析之前，我們先對(duì)信號(hào)進(jìn)行歸類。歸類的標(biāo)準(zhǔn)是信號(hào)中有用的不同信息?？偟膩?lái)說(shuō)，可以把信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。一個(gè)數(shù)字信號(hào)只有兩個(gè)分離的狀態(tài):低電平和高電平。相反，模擬信號(hào)包括了隨時(shí)間變化的連續(xù)信息。數(shù)字信號(hào)又可以分為開(kāi)關(guān)信號(hào)和脈沖序列信號(hào)，模擬信號(hào)則可以分為直流信號(hào)、時(shí)域信號(hào)、頻域信號(hào)。這幾種信號(hào)分別對(duì)應(yīng)著一種信號(hào)信息:狀態(tài)、變化率、幅值、形狀、頻率。3.1.2基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分的作用要從一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到合理的結(jié)果，依賴于系統(tǒng)的每一個(gè)組成部分，即計(jì)算機(jī)、傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集硬件和軟件。下面逐一予

26、以討論說(shuō)明。1 傳感器傳感器將被測(cè)試的物理量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的最基本的環(huán)節(jié)。例如，熱電偶、熱敏電阻、集成電路傳感器、應(yīng)變片等，都可以將溫度轉(zhuǎn)化成電壓和電阻。對(duì)于每一種傳感器，電信號(hào)的大小都與被監(jiān)測(cè)信號(hào)的物理參數(shù)成正比。2 信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理器是傳感器和數(shù)據(jù)采集卡之間的橋梁，負(fù)責(zé)將傳感器的輸出信號(hào)和數(shù)據(jù)采集模塊可以接受的信號(hào)聯(lián)系起來(lái)，從傳感器輸出的信號(hào)必須經(jīng)過(guò)調(diào)理才能夠連入數(shù)據(jù)采集板，信號(hào)調(diào)理包括放大和衰減、隔離、濾波、傳感器激勵(lì)、線性化處理。(1) 放大和衰減數(shù)據(jù)采集卡接收的信號(hào)是范圍很廣的電壓信號(hào)，如果太強(qiáng)，就需要衰減器把被測(cè)信號(hào)減弱后再輸入給數(shù)據(jù)采集卡，這樣一方面可以保證數(shù)據(jù)采集卡可以順利采數(shù)，

27、另一方面有利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。而對(duì)于微弱信號(hào)要進(jìn)行放大，以提高分辨率和降低噪音，也使調(diào)理后信號(hào)的最大電壓值和adc最大輸入值相等，這樣可以提高精度。在設(shè)定調(diào)理電路的放大或衰減倍數(shù)時(shí)，一般應(yīng)滿足這樣一個(gè)條件:經(jīng)調(diào)理后的信號(hào)其最大值應(yīng)盡可能地達(dá)到數(shù)據(jù)采集卡可以接受的電壓范圍，最大限度地提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。(2) 隔離隔離是指使用變壓器、光或電容禍合等方法阻礙被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免發(fā)生直接連接，使用禍合主要有兩個(gè)方面原因:一是從安全的角度把傳感器信號(hào)同計(jì)算機(jī)隔離，因?yàn)楸槐O(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，另一個(gè)原因是隔離可以使從數(shù)據(jù)采集卡出來(lái)的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響，減少誤差。(3) 濾波

28、濾波的目的是消除噪音信號(hào)，提高輸入信號(hào)的信噪比。噪音濾波器通常用于直流信號(hào);交流信號(hào)通常需要抗失真的低通濾波器，因?yàn)檫@樣的濾波器有一陡峭的截止頻率，因而幾乎能夠完全消除高頻干擾信號(hào)。(4) 激勵(lì)由于電工測(cè)量試驗(yàn)中經(jīng)常要要用到正弦波、方波等信號(hào)，且有時(shí)需要為一些傳感器提供激勵(lì)信號(hào)，故由虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生各種信號(hào)并由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行功率放大后輸出。(5) 線性化很多傳感器對(duì)被測(cè)量都有非線性響應(yīng)，因而需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行線性化。3 數(shù)據(jù)采集硬件數(shù)據(jù)采集硬件與眾多因素有關(guān)，要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，下面是通用的特征:(1) 采樣頻率采樣頻率高，就能在一定時(shí)間內(nèi)獲得更多的原始信息，見(jiàn)圖4一1(a)所示。為了

29、再現(xiàn)原始信號(hào)，必須有足夠高的采樣頻率。顯然，如果信號(hào)變化比采樣板的數(shù)字化要快，或采樣太慢，就會(huì)產(chǎn)生波形失真，見(jiàn)圖4一1(b)。根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少是輸入最高頻率的兩倍，才可能不產(chǎn)生失真。(2) 采樣方法要從多個(gè)通道得到數(shù)據(jù)，通常使用多路開(kāi)關(guān)把每個(gè)信號(hào)端連接到a/d轉(zhuǎn)化器(adc)。采用連續(xù)掃描方法，要比給每個(gè)通道一個(gè)放大器和adc要經(jīng)濟(jì)得多，但這僅僅實(shí)用于在采樣點(diǎn)之間對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。如果采樣點(diǎn)之間對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必須同時(shí)采樣。對(duì)于低頻信號(hào)，可以用間隔掃描辦法來(lái)產(chǎn)生同時(shí)采樣的效果，而不必增加采樣保持電路。這種方法一定時(shí)間間隔掃描輸入通道，用脈沖來(lái)計(jì)算各通道兩次掃描的時(shí)間間隔。(3

30、) 分辨率adc的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。例如，三位轉(zhuǎn)化器把模擬電壓分成2(8位)段，每段用二進(jìn)制代碼在000到in之間表示，因而數(shù)字并不能真實(shí)反映原始信號(hào)，因?yàn)橐徊糠中畔⒈宦┑袅?。如果增加?6位，代碼增加到655536，這樣就可以得到較為精確地反映原始信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。(4) 電壓范圍電壓范圍指adc能掃描到最高和最低電壓。一般情況下，由于daq卡的電壓范圍可以調(diào)節(jié)，所以將信號(hào)電壓范圍調(diào)到與微機(jī)相匹配以便利用其可靠的分辨率范圍。范圍、增益、分辨率決定了可分辨的最小電壓變化，它表示ilsb。例如，某daq板的分辨率為16位，范圍取0一 1ov，增益取 100，則有 1lsb

31、=(10/100xz6)=1.5協(xié)v，這樣一來(lái)，在數(shù)字化的過(guò)成中，一位的分辨率為1.spv。(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。daq輸出信號(hào)由停滯、轉(zhuǎn)換率、分辨率等構(gòu)成。停滯時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值改變的快慢。(6) 定時(shí)i/0許多場(chǎng)合都要用到定時(shí)器，如數(shù)字脈沖定時(shí)、產(chǎn)生方波等。定時(shí)器包括三個(gè)重要信息:門限信號(hào)、計(jì)時(shí)信號(hào)、輸出。門限信號(hào)實(shí)際上是觸發(fā)信號(hào)一使它工作或不工作;計(jì)時(shí)信號(hào)也就是信號(hào)源，它提供了繼續(xù)其操作的時(shí)間基準(zhǔn);輸出是在輸出線上產(chǎn)生方波和脈沖。他們最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率。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

32、入的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)增長(zhǎng)得越快，因而輸入端的信號(hào)頻率高，就可以產(chǎn)生高頻的脈沖波和方波。4 驅(qū)動(dòng)軟件沒(méi)有軟件，甚至沒(méi)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。數(shù)據(jù)系統(tǒng)一個(gè)主要方面是驅(qū)動(dòng)軟件的使用。驅(qū)動(dòng)軟件是直接對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)來(lái)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(chǔ)器等。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)。n工一daq就是n1公司高性能數(shù)據(jù)采集及驅(qū)動(dòng)程序。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)。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。3.2數(shù)據(jù)

33、采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)稱 das(dataaequisitionsyst。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(cè)系統(tǒng)中，而且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍事及科學(xué)研究等方面都得到廣泛應(yīng)用，無(wú)論是過(guò)程控制狀態(tài)檢測(cè)、還是故障診斷、質(zhì)量檢測(cè)，都離不開(kāi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。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。其核心是計(jì)算機(jī)，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。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)的原理框圖如4一2所示，它由多路開(kāi)關(guān)、采樣/保持器、放大器、a/d轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)等組成。數(shù)據(jù)采

34、集要經(jīng)過(guò)采樣和量化兩個(gè)必要步驟。采樣過(guò)程是將被測(cè)的連續(xù)信號(hào)離散化，從連續(xù)信號(hào)中抽取采樣時(shí)刻的信號(hào)值，由多路開(kāi)關(guān)、采樣/保持器完成。如果被測(cè)信號(hào)變化緩慢，也可以不用采樣/保持器。多路開(kāi)關(guān)將各路信號(hào)輪流切換到輸入端，對(duì)各路信號(hào)分時(shí)采樣。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。放大器、濾波器可根據(jù)被測(cè)信號(hào)的大小及干擾的強(qiáng)弱選用。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。傳感器a/d轉(zhuǎn)換器采樣保持器多路開(kāi)關(guān)放大器計(jì)算機(jī)傳感器 。 。 。傳感器 圖3-1 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)圖3.2.1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

35、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。采樣/保持電路有兩種工作方式，即采樣方式和保持方式。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4一3為采樣/保持器的原理電路。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。圖3-2 采樣/保持器3.2.2多路轉(zhuǎn)換模擬開(kāi)關(guān)模擬開(kāi)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(hào)。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

36、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。圖3-3 多路轉(zhuǎn)換模擬開(kāi)關(guān)為了滿足不同需要，現(xiàn)己開(kāi)發(fā)出各種集成模擬開(kāi)關(guān)，按輸入信號(hào)的連接方式可以分為單端輸入和差動(dòng)輸入。圖4一4為lf13508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。三個(gè)二進(jìn)制控制信號(hào)經(jīng)過(guò)三八譯碼器后，選擇51-58個(gè)輸入通道中的一個(gè)通道與輸出端d接通。en為使能端，當(dāng)en=0時(shí)，通道斷開(kāi)，禁止模擬量輸入;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。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

37、通到擴(kuò)展，以滿足要求。 圖3-4 數(shù)據(jù)采集卡圖3-5 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(lái)的一種具有存儲(chǔ)功能的新型儀器，主要用于觀察、分析和測(cè)量非重復(fù)信號(hào)、重復(fù)信號(hào)、單次信號(hào)、沖激信號(hào)等。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。一般測(cè)試儀器由信號(hào)采集、信號(hào)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。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

38、軟件實(shí)現(xiàn)的。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(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行觸發(fā)、時(shí)基控制后，完成對(duì)輸入信號(hào)的電壓、頻率和周期等參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)，利用fft窗口對(duì)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(duì)波形運(yùn)算后進(jìn)行輸出顯示。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));觸發(fā)控制包括觸發(fā)電平控制、觸發(fā)模式等;信道控制主要控制單信道或雙信道測(cè)量;其中，參數(shù)測(cè)量模塊包括電壓參數(shù)和頻率、周期等時(shí)間參數(shù)的測(cè)量并顯示測(cè)量結(jié)果。頻譜分析模塊采用fft算法，完成頻域信號(hào)分析。由于labview是基于模塊化程序設(shè)計(jì)思想，因此在開(kāi)發(fā)過(guò)程中也是基本上遵循著這一基本思想，在總體方案確定后

39、，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。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。(2) 波形顯示:對(duì)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，可以實(shí)現(xiàn)單信道顯示和雙信道顯示，以及對(duì)波形運(yùn)算后的輸出顯示，有:a、b、a+b、a一b、a&b、xy、a&a積分以及a&a微分模式。(3) 參數(shù)測(cè)量:完成電壓參數(shù)、頻率和周期等參數(shù)的測(cè)量功能。(4) 頻譜分析:利用fft窗口對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析。(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

40、將當(dāng)前的波形參數(shù)寫到文檔中，打印波形。4.1系統(tǒng)總體構(gòu)成系統(tǒng)總體流程圖圖4-1 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。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。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)鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬示波器的控制。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。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)。通過(guò)信號(hào)類型選擇器可以從信號(hào)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。枚舉1控制是輸

41、入原信號(hào)還是輸入已經(jīng)存儲(chǔ)的波形信號(hào)。當(dāng)選擇原信號(hào)時(shí)，由虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生波形，此時(shí)通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)的關(guān)與開(kāi)，可以確定是否要記錄正在發(fā)生的波形。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。通過(guò)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(duì)應(yīng)的功能。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。而顯示屏則實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同信號(hào)的顯示，是用戶對(duì)系統(tǒng)結(jié)果最直觀的觀察方式。圖4-2 系統(tǒng)總體前面板圖4-3 系統(tǒng)總體程序框圖4.2濾波器利用濾波技術(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)。數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)離散化

42、信號(hào)的處理，以減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)中所占的比例，從而改變信號(hào)的質(zhì)量，達(dá)到濾波或加工信號(hào)的目的。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)。設(shè)計(jì)中采用巴特沃思濾波器。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。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。濾波模塊的前面板如圖圖4-4 濾波器前面板圖4-5 濾波器程序框圖4.3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

43、，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。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(lái)，以便繼續(xù)研究。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)。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(méi)有它，開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序不能稱為“虛擬儀器”，只是一個(gè)“信號(hào)處理內(nèi)存”。圖4-6 存儲(chǔ)和回放模塊前面板圖4-7 a 存儲(chǔ)和回放模塊程序框圖圖4-7 b 存儲(chǔ)與回放模塊程序框圖4.4頻譜分析模塊頻譜分析模塊采用

44、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。labview提供了與信號(hào)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。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。(2)單位選擇:有多種單位如vrms、vpk、vrlns2等供選擇。(3)坐標(biāo)模式選擇:log/linear兩種坐標(biāo)顯示模式可以選擇。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;可以在不同的縱坐標(biāo)單位之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換;還能夠根據(jù)用戶選用的分析功能的不同自動(dòng)顯示適當(dāng)?shù)臋M坐標(biāo)。傅里

45、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。一些在時(shí)域中難以解決的問(wèn)題在頻域中可以一目了然的觀察出來(lái)。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= （4-1）余弦分量的幅度 an= （4-2）正弦分量的幅度 bn= （4-3）其中n=1,2,.。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)= （4-4）使用計(jì)算機(jī)完成信號(hào)處理工作的需求導(dǎo)致了離散傅里葉變換的產(chǎn)生。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)

46、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)。這樣，將出現(xiàn)一系列的問(wèn)題。現(xiàn)將在頻域中分析其頻譜的變化。(l) 信號(hào)xs(i)及其頻譜xs()若連續(xù)時(shí)間信號(hào)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(hào)x(t)的瞬時(shí)值，就構(gòu)成了連續(xù)信號(hào)的x(t)的離散時(shí)間序列xs(i)，(i=0，1，2，)。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,

47、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。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。(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。這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于在連續(xù)時(shí)間信號(hào)上“抽取”許多離散時(shí)刻it(i=0，1，2，)上的信號(hào)瞬時(shí)值。其中t是采樣間隔，s=2/t為采樣角頻率，它們的取值是一個(gè)很重要的問(wèn)題。采樣定律:采樣頻率s與信號(hào)最高頻率分量m，必須滿足關(guān)系s2m,當(dāng)m/t時(shí)，s=2/t2m時(shí)，可以通過(guò)加一理想低通濾波器提取主分量，濾除全

48、部m1的高頻分量x()，從而由x()恢復(fù)原信號(hào)x(t)在理論上無(wú)誤差。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s=(420) m。但是當(dāng)采樣頻率。s不滿足采樣定律，即 s2m，在每隔s重復(fù)出現(xiàn)x()/t譜線時(shí)均出現(xiàn)譜線的重迭。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(hào)在理論上存在誤差。(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 （4-5） （4-6）所表示的傅立葉正反變換的

49、數(shù)值計(jì)算離散傅里葉變換定義式:當(dāng)采樣點(diǎn)i=0,1,2n,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=k2/nt,于是有離散傅里葉變換的定義如下：正變換： （4-7）反變換： （4-8）算是式中的 （4-9）為復(fù)數(shù)因子。(4)labview中的頻域分析labview高級(jí)分析庫(kù)中的頻域分析模板提供了豐富的信號(hào)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(shí)等。下面簡(jiǎn)要介紹頻域分析模板中的主要模塊。 表4-1 頻域分析模塊中主要模塊名稱圖示和端口功能說(shuō)明real fft.vi實(shí)數(shù)快速傅里葉變換

50、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(zhǎng)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 fft.vi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)。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4-8 頻譜分析模塊程序框圖圖4-9 頻譜分析模塊前面板4.5參數(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(guò)沖，邊沿斜率。用到的節(jié)點(diǎn)有：幅值和電平測(cè)量，信號(hào)的時(shí)間與瞬態(tài)特性測(cè)量參數(shù)測(cè)量模塊程序前面板圖4-10 參數(shù)測(cè)量模塊程序前面板圖4-11 參數(shù)測(cè)量模塊程序框圖第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(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能，并月在儀器分析上有所擴(kuò)展。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。以pc機(jī)為平臺(tái)將設(shè)計(jì)好的虛擬信號(hào)發(fā)生器與虛擬示波器相連接。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。5