畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、1緒 論1. 1課題背景 在電工及電子類(lèi)課程中，實(shí)驗(yàn)是一種重要的教學(xué)手段，學(xué)生通過(guò)做實(shí)驗(yàn)，可以加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣，提高動(dòng)手能力，鍛煉在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。 但是，近年來(lái)各大高校紛紛擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)急劇增加，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和規(guī)模都難以滿(mǎn)足需要，實(shí)驗(yàn)室常規(guī)設(shè)備有的己經(jīng)老化，有的技術(shù)上有些落后，在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費(fèi)較少的情況下，如果大量增加常規(guī)儀器、儀表的配置，學(xué)校財(cái)力難以支付。又因?yàn)榛A(chǔ)實(shí)驗(yàn)室是面向所有的工科專(zhuān)業(yè)，任務(wù)異常繁重，實(shí)驗(yàn)室常常只能應(yīng)付學(xué)生按教學(xué)大綱要求做一些最簡(jiǎn)單的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)去反復(fù)熟悉常用儀器儀表的使用，更很少有機(jī)會(huì)做設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，這對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生

2、積極性，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，加強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力都十分不利。虛擬儀器的出現(xiàn)很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。美國(guó)國(guó)家儀器公司（national instruments）在20世紀(jì)80年代最早提出虛擬儀器（virtual instrument）的概念，同時(shí)推出了用于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的工程軟件包labview。ni公司宣稱(chēng)“the software is the instrument”，即“軟件就是儀器”1。虛擬儀器利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專(zhuān)用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型儀器。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子儀器相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器模式。它通常是由個(gè)人計(jì)算

3、機(jī)、模塊化的功能硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通信及圖形用戶(hù)界面的應(yīng)用軟件有機(jī)結(jié)合構(gòu)成，使計(jì)算機(jī)成為一個(gè)具有各種測(cè)量功能的數(shù)字化測(cè)量平臺(tái)。它利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板，完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)、顯示等功能。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步將產(chǎn)生不可估量的影響，同時(shí)對(duì)改善高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備，提高教學(xué)質(zhì)量也是一個(gè)福音。在虛擬儀器系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)靈活強(qiáng)大的軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些部件，用人的智力資源代替許多物質(zhì)資源，通過(guò)一組軟件和硬件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所不具備的特殊功能的新型儀器 結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

4、和軟件技術(shù)，可以在虛擬儀器的基礎(chǔ)上形成虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室具有以下優(yōu)勢(shì): （1）為減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備資金的投入。首先，在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上就可以實(shí)現(xiàn)諸如示波器、函數(shù)發(fā)生器、電壓表、頻譜分析儀等儀器的功能，大大節(jié)約了儀器成本。其次，傳統(tǒng)儀器維護(hù)費(fèi)用高，需要耗費(fèi)大量的人力物力。虛擬儀器基于軟件的體系結(jié)構(gòu)大大節(jié)省了開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。 （2）便于開(kāi)放式管理，擴(kuò)大教學(xué)規(guī)模。虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，指導(dǎo)老師通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以同時(shí)管理幾十甚至上百個(gè)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)。 1.2虛擬儀器發(fā)展前景虛擬儀器依靠其自身的優(yōu)勢(shì)使它在儀器市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力不斷增強(qiáng)。許多大型儀器公司均在虛擬

5、儀器市場(chǎng)上占有一席之地。1988年國(guó)際上開(kāi)始有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當(dāng)時(shí)只有五家制造商推出的30種產(chǎn)品。此后，虛擬儀器產(chǎn)品每年成倍增加，到1994年底，虛擬儀器制造廠已達(dá)95家共生產(chǎn)1000多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷(xiāo)售額達(dá)2.93億美元，占整個(gè)儀器銷(xiāo)售額73億的4%。目前，我國(guó)正處于科學(xué)技術(shù)和教育事業(yè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，對(duì)儀器設(shè)備的需求將更加強(qiáng)勁。虛擬儀器賴(lài)以生存的pc計(jì)算機(jī)近幾年正以迅猛的勢(shì)頭席卷全國(guó)，這為虛擬儀器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場(chǎng)容量巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1998年我國(guó)進(jìn)口電子測(cè)量?jī)x器73.5臺(tái)，價(jià)值32億美元。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)初我國(guó)將有50%的儀器為虛擬儀器。以上統(tǒng)計(jì)數(shù)

6、字表明，虛擬儀器具有廣闊的發(fā)展前景。但同時(shí)也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)在我國(guó)的科技水平還相對(duì)落后，每年需要花費(fèi)大量的外匯進(jìn)口電子儀器產(chǎn)品。如何發(fā)展我國(guó)自己的儀器產(chǎn)品，尤其是具有廣闊發(fā)展前景的虛擬儀器，是我們應(yīng)該迫切解決的問(wèn)題。2虛擬儀器及l(fā)abview介紹2.1虛擬儀器技術(shù)2.1.1虛擬儀器基本概念 所謂虛擬儀器，就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，其功能由用戶(hù)設(shè)計(jì)和定義，具有虛擬面板，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來(lái)模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果;利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理;利用1/o接口設(shè)備完成信號(hào)的

7、采集測(cè)量與調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。使用者用鼠標(biāo)或鍵盤(pán)操作虛擬面板，就如同使用專(zhuān)用測(cè)量?jī)x器一樣。因此，虛擬儀器的出現(xiàn)，使測(cè)量?jī)x器與計(jì)算機(jī)的界限模糊了。虛擬儀器的“虛擬”兩字主要包含以下兩方面的含義:(1)虛擬儀器的面板是虛擬的虛擬儀器面板上的各種“圖標(biāo)”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的:由各種開(kāi)關(guān)、按鈕、顯示器等圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)儀器電源的“通”、“斷，實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的“輸入通道”、“放大倍數(shù)”等參數(shù)的設(shè)置，以及實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的“數(shù)值顯示”、“波形顯示”等。傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是“實(shí)物”，而且是由“手動(dòng)”和“觸摸”進(jìn)行操作的:虛擬儀器前面板是外形與實(shí)物相像的“圖標(biāo)”

8、，每個(gè)圖標(biāo)的“通、“斷”、“放大”等動(dòng)作通過(guò)用戶(hù)操作計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)來(lái)完成。因此，設(shè)計(jì)虛擬儀器前面板就是在前面板設(shè)計(jì)窗口中擺放所需的圖標(biāo)，然后對(duì)圖標(biāo)的屬性進(jìn)行設(shè)置。 2)虛擬儀器測(cè)量功能是通過(guò)對(duì)圖形化軟件流程圖的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 虛擬儀器是在以pc為核心組成的硬件平臺(tái)支持下，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的功能。因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)不同測(cè)試功能軟件模塊的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試功能，所以，在硬件平臺(tái)確定后，就有“軟件就是儀器”的說(shuō)法。這也體現(xiàn)了測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)深層次的結(jié)合。虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)硬件確定以后，就可以通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。下

9、列框圖反映了常見(jiàn)虛擬儀器方案：信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)處理虛擬儀器面板被測(cè)對(duì)象圖2-1 常見(jiàn)虛擬儀器應(yīng)用方案2.1.2虛擬儀器硬件平臺(tái) 構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺(tái)有兩大部分：(1) 計(jì)算機(jī)：一般為一臺(tái)pc機(jī)或者工作站，它是硬件平臺(tái)的核心。虛擬儀器使用的個(gè)人計(jì)算機(jī)中，微處理器和總線成為最重要的因素。 其中，微處理器的發(fā)展是最迅速的，它使虛擬儀器的能力得到極大地提高。80年代末制造的虛擬儀器頻率分析儀完成一個(gè)1024點(diǎn)的快速傅立葉變換需要1秒鐘的時(shí)間；今天的系統(tǒng)可以在1毫秒內(nèi)完成同樣的運(yùn)算，速度提高了一千倍。這意味著，如果以前人們是用虛擬儀器來(lái)做快速傅立葉變換觀察信號(hào)，那么今天可以利用它進(jìn)行高速的實(shí)時(shí)運(yùn)

10、算，并將之應(yīng)用于過(guò)程控制和其它控制系統(tǒng)中?？偩€技術(shù)的發(fā)展也為提高虛擬儀器的處理能力提供了必要的支持。pci總線性能比isa總線提高了近十倍，使得微處理器能夠更快地訪問(wèn)數(shù)據(jù)。使用isa總線時(shí)，插在電腦中的數(shù)據(jù)采集板的采集速度最高為2mbps；使用pci總線時(shí)，最高采集速度可提高到132mbps。由于總線速度的大大提高，現(xiàn)在可以同時(shí)使用數(shù)塊數(shù)據(jù)采集板，甚至圖象數(shù)據(jù)采集也可以和數(shù)據(jù)采集結(jié)合在一起。(2) i/o接口設(shè)備：主要完成被測(cè)信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換?？筛鶕?jù)不同情況采用不同的i/o接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡（daq）、gpib總線儀器、vxi總線儀器模塊、串口儀器等，虛擬儀器構(gòu)成方式有五種

11、類(lèi)型，如圖2-2框圖所示。labview提供了各種圖形化驅(qū)動(dòng)程序，使用者不必熟悉pci計(jì)算機(jī)總線、gpib總線、vxi總線、串口總線，利用labview提供的圖形化驅(qū)動(dòng)程序就可以驅(qū)動(dòng)上述各種總線的i/o接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的輸入、數(shù)據(jù)采集、放大與模/數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而供計(jì)算機(jī)進(jìn)一步分析處理。雖然這五種系統(tǒng)有很大的差別，但是無(wú)論那種vi系統(tǒng)，都是通過(guò)應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計(jì)算機(jī)相結(jié)合。被測(cè)信號(hào)pcdaqgpib儀器串口儀器vxi模塊pxi模塊計(jì)算機(jī)圖2-2虛擬儀器的構(gòu)成方式考慮到pcdaq/pci插卡式虛擬儀器在五種虛擬儀器系統(tǒng)中，是虛擬儀器最基本最廉價(jià)的構(gòu)成形式。在經(jīng)費(fèi)不足或時(shí)間不充裕的情況下

12、經(jīng)常被采用，下面就對(duì)這種虛擬儀器系統(tǒng)做簡(jiǎn)單的介紹。它的硬件平臺(tái)主要有pc計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡（daq卡）組成。數(shù)據(jù)采集卡（daq卡）由以下幾個(gè)部分組成：1. 多路開(kāi)關(guān)。將各路信號(hào)輪流切換的放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多路信號(hào)的分時(shí)采集。2. 放大器。將前一級(jí)多路開(kāi)關(guān)切換進(jìn)入待采集信號(hào)放大（或衰減）至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。通常實(shí)際系統(tǒng)中放大器作成增益可調(diào)的放大器，設(shè)計(jì)者可根據(jù)輸入信號(hào)不同的幅值選擇不同的增益倍數(shù)。3. 采樣保持器。取出待測(cè)信號(hào)在某一瞬時(shí)的值（即實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)間離散化），并在a/d轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持信號(hào)不變，如果被測(cè)信號(hào)變化很緩慢，也可以不用采樣/保持器。4. a/d轉(zhuǎn)換器。將輸入的模擬量轉(zhuǎn)

13、化為數(shù)字量輸出，并完成信號(hào)幅值的量化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前通常將采樣/保持器同a/d轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。以上四個(gè)部分都處在計(jì)算機(jī)的前向通道，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要環(huán)節(jié)，與其它有關(guān)電路如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、總線接口電路等集成在一塊印刷電路板上，即構(gòu)成數(shù)據(jù)采集卡（daq卡），完成對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、放大及模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。pc-daq/pci插卡式虛擬儀器系統(tǒng)充分利用了pc計(jì)算機(jī)的機(jī)箱、總線、電源及軟件資源，但是因而也受到pc計(jì)算機(jī)機(jī)箱環(huán)境和計(jì)算機(jī)總線的限制，存在諸多的不足，如電源功率不足、散熱條件差等。2.1.3軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)包括應(yīng)用軟件和i/o驅(qū)動(dòng)軟件：1) 應(yīng)用程序。包含兩個(gè)方面的程序：l

14、實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序。l 定義測(cè)試功能的流程圖軟件程序。2) i/o接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。這類(lèi)程序用來(lái)完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)和通信。大部分虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境均提供一定程度的i/o設(shè)備支持。許多i/o驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)集成在開(kāi)發(fā)環(huán)境中。以labview為例，他能夠支持串行接口、gpib及vxi等標(biāo)準(zhǔn)總線和多種數(shù)據(jù)采集板，labview還可以驅(qū)動(dòng)許多儀器公司的儀器，如hewlett-packard，philips，tektronix，b&k,fluke等。同時(shí)，labview還可調(diào)用windows動(dòng)態(tài)連接庫(kù)和用戶(hù)自定義的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)中的函數(shù)，以解決對(duì)某些非ni公司支持的標(biāo)準(zhǔn)硬件在使用過(guò)程中

15、的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。2.2虛擬儀器的功能與特點(diǎn)2.2.1虛擬儀器的功能虛擬儀器利用個(gè)人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成儀器的控制，數(shù)據(jù)分析與顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器的價(jià)格，使用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。虛擬儀器廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、電子測(cè)量、電力工程、物礦探測(cè)、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。其中，最廣泛的應(yīng)用是取代傳統(tǒng)的臺(tái)式儀器。高等學(xué)校特別是理工科學(xué)校，教學(xué)、科研需要大量的測(cè)量分析儀器設(shè)備，特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，每種儀器都必須配置多套，而且有的儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，因此儀器設(shè)備所需投資巨大，

16、一般學(xué)校很難滿(mǎn)足，造成許多學(xué)校儀器設(shè)備缺乏和過(guò)時(shí)陳舊等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響教學(xué)科研。如果運(yùn)用虛擬儀器系統(tǒng)，情況就大不一樣了。使用虛擬儀器不但可以節(jié)約大量?jī)x器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入，而且能夠提高教學(xué)科研的質(zhì)量與效率。2.2.2虛擬儀器的特點(diǎn)現(xiàn)代化生產(chǎn)要求電子儀器品種多、功能強(qiáng)、精度高、自動(dòng)化程度高，而且要求測(cè)試速度快、實(shí)時(shí)性好、具有良好的人機(jī)界面。虛擬儀器正好可以滿(mǎn)足這些要求。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有如下優(yōu)點(diǎn)：1) 虛擬儀器具有開(kāi)放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。 在一定通用硬件模塊和軟件環(huán)境的支持下，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際情況夠設(shè)自己的測(cè)試方案，以完成不同的測(cè)試任務(wù)。2) 用戶(hù)自定義性。用戶(hù)可以自行定義

17、虛擬儀器的功能，通過(guò)對(duì)軟件模塊的擴(kuò)充，相當(dāng)于購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)新儀器。虛擬儀器使得用戶(hù)能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣，受到儀器廠商的限制。2.3虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹2.3.1 labview應(yīng)用程序的構(gòu)成所有的labview應(yīng)用程序，即虛擬儀器（ni），它包括前面板（front panel）、流程圖（block diagram）以及圖標(biāo)/連接器（icon/connector）三部分。1. 前面板前面板是圖形用戶(hù)界面，也就是vi的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶(hù)輸入和顯示輸出兩類(lèi)對(duì)象，具體表現(xiàn)有開(kāi)關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制（control）和顯示對(duì)象（indicator）。2. 流程圖流

18、程圖也稱(chēng)為后面板，提供vi的圖形化源程序。在流程圖對(duì)vi編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件和連線端子，還有一些前面板上沒(méi)有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。3. 圖標(biāo)/連接器vi具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個(gè)vi可以作為子程序，這里稱(chēng)為子vi（subvi），被其他vi調(diào)用。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)。2.3.2 labview的操作模板在labview的用戶(hù)界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具（tools）模板、控制（controls）模板和函數(shù)（functions）模板。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。1. 工具模

19、板（tools palette）該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試vi程序的工具，如圖2-3所示。如果該模板沒(méi)有出現(xiàn)，則可以在windows菜單下選擇show tools palette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。當(dāng)從windows菜單下選擇了show help window功能后，把工具模板內(nèi)選定的任一種工具。圖2-3 labview模板光標(biāo)放在流程圖程序的子程序（sub vi）或圖標(biāo)上，就會(huì)顯示相應(yīng)的幫助信息。2. 控制模板（controls palette）該模板用來(lái)給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對(duì)象和輸入控制對(duì)象。每個(gè)圖標(biāo)代表一類(lèi)

20、子模板。如果控制模板不顯示，可以用windows菜單的show controls palette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。控制模板如下圖2-4所示，它包括如下所示的一些子模板。 圖2-4 labview的控制模板3. 功能模板（functions palette）圖2-5 labview的功能模板功能模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用windows菜單下的show functions palette功能打開(kāi)它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板，功能模板如圖2-5所示。2

21、.3.3 labview的特點(diǎn)labview（laboratory virtual instrument engneering workbench）是由美國(guó)國(guó)家儀器公司（ni）在1986年推出的一種基于圖形編程語(yǔ)言（g語(yǔ)言）的開(kāi)發(fā)環(huán)境，它具有十分強(qiáng)大的功能，包括數(shù)值函數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、輸入/輸出控制、信號(hào)生成、圖象的獲取、處理和傳輸?shù)鹊?。labview與c，pascal，basic等傳統(tǒng)編程語(yǔ)言有著諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及模塊化的編程特點(diǎn)等2。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語(yǔ)言用文本語(yǔ)言編程；而labview使用圖形語(yǔ)言（即各種圖標(biāo)、圖形符號(hào)

22、、連線等）編程，界面非常直觀形象，而且使用的都是測(cè)試工程師們熟悉的旋鈕、開(kāi)關(guān)、波形圖等，因此是一種直覺(jué)式圖形程序語(yǔ)言。用labview編程無(wú)須太多編程經(jīng)驗(yàn)，只要以很直覺(jué)的方法建立前面板人機(jī)界面和方框圖程序，便可以完成編程過(guò)程，使用戶(hù)免于傳統(tǒng)程序語(yǔ)言線性結(jié)構(gòu)的困擾，這對(duì)于沒(méi)有豐富編程經(jīng)驗(yàn)的工程師們來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)極好的選擇。同時(shí)，labview的執(zhí)行順序是依方框圖間數(shù)據(jù)的傳遞來(lái)決定的，并不像傳統(tǒng)文字式編程語(yǔ)言必須逐行地執(zhí)行，因此用戶(hù)能設(shè)計(jì)出可同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序的流程圖。采用labview編程，其主要特點(diǎn)就是將虛擬儀器分解為若干基本的功能模塊（相當(dāng)于硬件設(shè)計(jì)的集成電路），模塊的引腳代表輸入/輸出接口。編

23、程者可以通過(guò)交互式手段，采用圖形化框圖設(shè)計(jì)的方法，完成虛擬儀器的邏輯和測(cè)量分析功能設(shè)計(jì)。labview程序設(shè)計(jì)過(guò)程與人們?cè)O(shè)計(jì)儀器的思維過(guò)程十分相似，程序框圖就實(shí)現(xiàn)了程序代碼功能，避免了一般程序設(shè)計(jì)從框圖構(gòu)思到程序表示的繁瑣。labview編程的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將軟件的界面設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)獨(dú)立開(kāi)來(lái)，修改人機(jī)交互界面無(wú)須對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)試，這對(duì)設(shè)計(jì)像儀器操作面板這樣復(fù)雜的人機(jī)界面而言是十分方便的。labview還為用戶(hù)提供了函數(shù)擴(kuò)展功能，從而可以調(diào)用c等傳統(tǒng)編程語(yǔ)言寫(xiě)的程序代碼、調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等。對(duì)于構(gòu)建虛擬儀器，labview有許多特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，諸如：儀器控制與數(shù)據(jù)采集的圖形化編程；直觀明了的前面板

24、用戶(hù)界面和流程圖式的編程風(fēng)格；內(nèi)置的編譯器可加快執(zhí)行速度；數(shù)據(jù)采集daq函數(shù)庫(kù)可讓用戶(hù)采集測(cè)量信號(hào)或發(fā)出控制信號(hào)，適合應(yīng)用于快速且直接的控制；650多種儀器驅(qū)動(dòng)程序，可驅(qū)動(dòng)超過(guò)50多家廠商制造的儀器；內(nèi)容豐富的高級(jí)分析庫(kù)，可進(jìn)行信號(hào)處理、統(tǒng)計(jì)、曲線擬合以及復(fù)雜的分析工作；利用activex，dde以及tcp/ip進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和進(jìn)程通信；適用于windows nt/9x/xp，macos，hp2ux，sun以及concurrent實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)等等3。labview現(xiàn)成的人機(jī)界面工具可幫助用戶(hù)很快地構(gòu)成所需的圖形化人機(jī)界面，包括趨勢(shì)圖、按鈕、led指示燈和圖表等，完全無(wú)須從頭開(kāi)始去設(shè)計(jì)這些元件。并可

25、更進(jìn)一步以labview的pc工具箱或其它繪圖軟件來(lái)訂制人機(jī)界面元件，藉以呈現(xiàn)儀控符號(hào)和系統(tǒng)流程圖。labview的特色還在于擁有功能超強(qiáng)大且龐大的分析函數(shù)庫(kù)，足以與專(zhuān)業(yè)數(shù)學(xué)分析套裝軟件相匹敵。2.4 設(shè)計(jì)本虛擬儀器系統(tǒng)所采用的方法labview的圖形化程序設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)代軟件的面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)流技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的。數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)表示只有在所有輸入都有效時(shí)，一個(gè)對(duì)象才開(kāi)始執(zhí)行，同樣，只有當(dāng)對(duì)象的功能完成以后，對(duì)象輸出才有效。這樣的話，互相在對(duì)象間的數(shù)據(jù)流控制執(zhí)行順序，執(zhí)行順序不局限于來(lái)自文本式程序設(shè)計(jì)的線性順序，它可以不受其限制。用戶(hù)能夠通過(guò)連接模塊來(lái)快速開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序，甚至能夠使用多路數(shù)據(jù)

26、通道，實(shí)現(xiàn)同步操作。與傳統(tǒng)的文本式程序設(shè)計(jì)一樣，labview也有控制流程圖功能執(zhí)行的部分，它們包括sequence case statement，for loop，while loop，它們被圖形化地描述成邊界結(jié)構(gòu)，像在傳統(tǒng)的線形化程序設(shè)計(jì)中可以插入代碼段一樣，可以把圖標(biāo)放在labview圖形結(jié)構(gòu)的界限內(nèi)部。labview有一個(gè)圖形編輯器來(lái)產(chǎn)生最優(yōu)化的編輯代碼，虛擬儀器執(zhí)行他們相當(dāng)編譯c的速度。利用應(yīng)用程序生成器，用戶(hù)能夠產(chǎn)生虛擬儀器，就像獨(dú)立的執(zhí)行程序一樣。下面按步驟說(shuō)明進(jìn)行圖形化的程序設(shè)計(jì)。1. 建立方案：選用labview軟件，可以構(gòu)建虛擬儀器而不是編寫(xiě)程序。有了交互式控制的軟件系統(tǒng)，

27、用戶(hù)可以很方便地建立其前面板窗口。為了實(shí)現(xiàn)具體的功能，用戶(hù)利用向?qū)О蚜鞒虉D結(jié)合在一起。2. 建立前面板：從控制模板上選擇你需要的對(duì)象，放在虛擬儀器的前面板上?？刂颇０迳系膶?duì)象包括數(shù)字顯示、表頭、壓力計(jì)、熱敏計(jì)外殼、表、圖片等。當(dāng)你的虛擬儀器完成以后，就能在虛擬儀器工作十利用前面板去控制整個(gè)系統(tǒng)，如移動(dòng)滑動(dòng)片、在圖象中變向、從鍵盤(pán)輸入等。3. 構(gòu)建圖形化的流程圖：對(duì)虛擬儀器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，你不必?fù)?dān)心很多傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的語(yǔ)法細(xì)節(jié)，而可自己構(gòu)建流程圖。從功能模板上選擇對(duì)象（用圖標(biāo)表示），并用線將它們連接起來(lái)以便數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞。功能模塊上的對(duì)象包括簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算、高級(jí)數(shù)據(jù)采集和分析方法、以及網(wǎng)絡(luò)和文件輸入輸

28、出操作。4. 數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)：labview用一種精巧的數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)模式把用戶(hù)從文本式語(yǔ)言的線形化方式構(gòu)建程序的方法中解放出來(lái)。因?yàn)樵趌abview軟件中程序的執(zhí)行順序由各方塊中的數(shù)據(jù)流決定。你也可以建立同步操作的流程圖。labview軟件是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)具有多線程功能并運(yùn)行多個(gè)虛擬儀器。5. 模塊化和層次：labview虛擬儀器實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，因而任何虛擬儀器既能獨(dú)立運(yùn)行，又能被用作其他虛擬儀器的一部分。甚至可以創(chuàng)建自己的虛擬儀器圖標(biāo)，因而可以設(shè)計(jì)由虛擬儀器構(gòu)成的多層系統(tǒng)，并可以改變它，同其他虛擬儀器交換和連接以滿(mǎn)足不斷變化的應(yīng)用需要。6. 圖形編輯器：在許多場(chǎng)合，程序運(yùn)行速度都很關(guān)鍵。l

29、abview軟件是唯一的帶有編輯器的圖形化編程環(huán)境，可以產(chǎn)生最優(yōu)化的代碼，其運(yùn)行速度與編譯c的速度相當(dāng)。利用內(nèi)置的繪圖器，甚至能夠?qū)r(shí)間很關(guān)鍵的代碼部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。因而，不會(huì)因?yàn)閳D形化編程降低了效率。圖形化程序設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高。3基于labview的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在labview這個(gè)高效的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，學(xué)生自己可以利用圖形化語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出各種儀器，綜合應(yīng)用所學(xué)過(guò)的各學(xué)科知識(shí)，像搭積木一樣，在普通的計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)個(gè)人實(shí)驗(yàn)室，完成機(jī)械工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)。這樣教師和學(xué)生擺脫了功能單一、固定的現(xiàn)成儀器的束縛，可以充分發(fā)揮自己的積極性和創(chuàng)造性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和工程

30、實(shí)踐能力。這樣做還能夠充分利用現(xiàn)有技術(shù)資源，降低實(shí)驗(yàn)成本，有利于實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新。3.1基于labview的虛擬信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)3.1.1實(shí)驗(yàn)原理和功能虛擬信號(hào)發(fā)生器可以提供各種波形的周期信號(hào)函數(shù)，函數(shù)值為離散序列值。該離散值通過(guò)（d/a）轉(zhuǎn)換，以模擬電壓信號(hào)輸出，波形呈現(xiàn)臺(tái)階狀，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波就能得到光滑的波形。因?yàn)閘abview中的所有仿真信號(hào)用函數(shù)生成的離散時(shí)間數(shù)列，其輸入?yún)?shù)頻率均為數(shù)字頻率，因此要特別注意歸一化頻率的問(wèn)題。數(shù)字頻率f等于一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)的倒數(shù)，它是仿真信號(hào)fx與采樣頻率fs之比，即：歸一化頻率=仿真信號(hào)頻率/采樣頻率 此虛擬儀器發(fā)生器完全可以代替目前實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的

31、傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器3.1.2虛擬信號(hào)發(fā)生器前面板和流程圖的設(shè)計(jì)前面板由一個(gè)enum控件、waveform graph控件、五個(gè)numeric controls控件、file path controls控件和ok button 控件組成。enum控件用來(lái)進(jìn)行波形選擇，可選擇生成正弦波、方波、三角波和鋸齒波。waveform graph控件用來(lái)顯示生成的波形。numeric controls控件用來(lái)對(duì)波形的頻率、采樣頻率、幅值、相位、采樣點(diǎn)數(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。file path controls控件中輸入保存路徑，可以把生產(chǎn)波形的特征值輸出到指定的文件中。ok button 控件用來(lái)控制是否保存波形的特

32、征值。完整的虛擬信號(hào)發(fā)生器前面板如圖3-1所示。圖3-1 虛擬信號(hào)發(fā)生器前面板labview的all functionanalyzesignal processingsignal generation子模板下有豐富的仿真信號(hào)子vi，如正弦波序列發(fā)生器、方波序列發(fā)生器、三角波序列發(fā)生器、鋸齒波序列發(fā)生器等。我們只需將需要的各個(gè)子vi放入一個(gè)case結(jié)構(gòu)即可構(gòu)成典型信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)。下面就對(duì)后面板的各個(gè)單元加以介紹。1. 正弦波序列發(fā)生器子vi如圖3-2所示，它有五個(gè)輸入端口和三個(gè)輸出端口，前面板上的波形參數(shù)控件在后面板上自動(dòng)生成的框圖的端口分別與正弦波序列發(fā)生器子vi的相應(yīng)輸入端口相連，正弦波序列

33、發(fā)生器子vi的sine wave輸出端口與waveform graph端口相連，即可生成指定參數(shù)的正弦波形。方波、三角波、鋸齒波序列發(fā)生器都與此類(lèi)似。2. case結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，它就類(lèi)似于c語(yǔ)言中的switch結(jié)構(gòu)，是一個(gè)多分支選擇結(jié)構(gòu)，它根據(jù)輸入值決定程序進(jìn)入不同的分支流。圖框的左邊數(shù)據(jù)端口是條件選擇端口，選擇結(jié)構(gòu)通過(guò)連接到這個(gè)端口中的值來(lái)選擇到底哪個(gè)子圖形代碼框中的程序被執(zhí)行。這個(gè)只值可以是整型、字符串型、布爾型，默認(rèn)的是布爾型。選擇結(jié)構(gòu)圖框的頂端是選擇條件標(biāo)識(shí)框，里面盛放了所有可以被選擇的條件，并顯示當(dāng)前子圖形代碼框中代碼被執(zhí)行的條件4。 圖3-2 正弦波序列發(fā)生器子vi 圖3-3

34、 case結(jié)構(gòu) 圖3-4 虛擬信號(hào)發(fā)生器后面板流程圖完整的虛擬信號(hào)發(fā)生器后面板流程圖如圖3-4所示。3. 為了將仿真信號(hào)的波形的橫軸起點(diǎn)、橫軸分度值和幅值合成一個(gè)整體，后面板中還使用了簇結(jié)構(gòu)，在cluster子模板上選擇bundle，它有三個(gè)輸入量：橫軸起點(diǎn)，設(shè)為0；橫軸分度值，由采樣頻率的倒數(shù)，即采樣間隔決定；輸入信號(hào)幅值。4. write to spreadsheet 子vi：該子vi可以實(shí)現(xiàn)將波形的特征值存儲(chǔ)到指定的文件中3.1.3 調(diào)試和運(yùn)行在運(yùn)行之前，應(yīng)先在前面板中對(duì)信號(hào)控件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。采樣頻率fs、數(shù)字頻率f、一個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)n與總點(diǎn)數(shù)n=samples的關(guān)系為：fs=nfx所以

35、，fs的最大值應(yīng)是仿真信號(hào)頻率fx的n倍，且nn。只要合理的設(shè)置才會(huì)生成另人滿(mǎn)意的信號(hào)波形。如果想保存信號(hào)特征值，可以在file path controls控件中輸入路徑，點(diǎn)擊ok控件即可保存。3.2 虛擬信號(hào)頻譜分析儀的設(shè)計(jì)3.2.1 實(shí)驗(yàn)原理和功能信號(hào)的頻譜描述是以頻率f(或w=2f)為橫坐標(biāo)變量來(lái)描述信號(hào)幅值、相位的變化規(guī)律。信號(hào)的頻譜分析是研究信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，即求取其分量的幅值、相位按頻率的分布規(guī)律，并建立以頻率為橫軸的各種“譜”。1、周期信號(hào)與離散頻率在有限的區(qū)間上滿(mǎn)足狄里赫利條件的周期函數(shù)x(t)可以展開(kāi)成傅立葉級(jí)數(shù)。傅立葉級(jí)數(shù)有兩種表達(dá)式1. 傅立葉級(jí)數(shù)的三角函數(shù)展開(kāi)式： 式中

36、： =是直流分量； =是余弦分量的幅值； =是正弦分量的幅值； =是各頻率分量的幅值； =arctan是各頻率分量的相位； =是角頻率5；以角頻率n為橫軸，幅值或相角為橫軸作圖，則分別得到幅頻譜圖和相頻譜圖，它們是單邊譜，n由0。2. 傅立葉級(jí)數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)展開(kāi)式：x(t)=(m=0，1，2) (3-1)式中為傅立葉系數(shù)。 =+=| (3-2)又=+j=|根據(jù)歐拉公式= cosmt-j sinmt，代入式(3-2)可得=|=arctan=-m=0，常值分量=以|-m和-m作圖分別為幅頻譜圖和相頻譜圖，它們都是雙邊譜，m從-+。3. 周期信號(hào)頻譜的特點(diǎn)l 離散性。只在n離散值上取值或只在m離散點(diǎn)

37、上取值。l 諧波性。每條譜線只出現(xiàn)在基波頻率的整數(shù)倍的頻率上，基波頻率是主分量頻率的公約數(shù)，相鄰譜線間隔為。l 收斂性。常見(jiàn)的周期信號(hào)幅值總的趨勢(shì)是隨諧波次數(shù)的增高而減小。由于這種收斂性，實(shí)際測(cè)量中可以在一定誤差允許范圍內(nèi)忽略次數(shù)過(guò)高的諧波分量5。2 、非周期信號(hào)與連續(xù)頻譜1. 頻譜密度函數(shù)x(w)對(duì)于非周期信號(hào)，可以看作周期t為無(wú)窮大的周期信號(hào)。當(dāng)周期趨近無(wú)窮大時(shí)，則基波譜線及譜線間隔=2/t趨近無(wú)窮小，從而離散的頻譜就變成了連續(xù)的，所以非周期信號(hào)的頻譜是連續(xù)的。傅立葉級(jí)數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)展開(kāi)式為： x(t)= (3-3)傅立葉系數(shù) = (3-4)當(dāng)周期t，譜線間隔=2/t趨近無(wú)窮小，離散量m(

38、 m=0，1，2,)變?yōu)檫B續(xù)量，傅立葉系數(shù)的模|趨于無(wú)窮小，故作不出|-m的幅頻圖，但各條譜線比例保持不變。將它放大t倍，則(3-4)變?yōu)椋?因?yàn)橛衐，所以有=由于時(shí)間t是積分變量，故上式積分后，僅是的函數(shù)，并記作x()或，即x()=dt= x()或x(f)表示單位頻段的頻率分量，是復(fù)數(shù)，稱(chēng)為x(t)的頻率密度函數(shù)。2. 非周期信號(hào)的傅立葉積分表示作為周期t為無(wú)窮大的非周期信號(hào)，當(dāng)周期t時(shí)，頻譜譜線間隔d，t，離散變量m變?yōu)檫B續(xù)變量，求和運(yùn)算就變成求積分運(yùn)算。于是(3-3)就變?yōu)椋簒(t)= =這就是傅立葉積分。記為x(t)=。于是就有=dtx(t)= d將=2f帶入以上兩式，得 x(t)=

39、dfx(f)= x()=2x(f)作| x()-|或|x(f)-f|圖，就稱(chēng)為非周期信號(hào)的幅值譜密度6。非周期信號(hào)用傅立葉級(jí)數(shù)來(lái)表示，其頻譜為連續(xù)的，它由無(wú)限多個(gè)頻率無(wú)限接近的頻率成分組成。各頻率上譜線幅值趨于無(wú)窮小，故用頻譜密度表示，它在數(shù)值上相當(dāng)于將分量放大t=2/d倍，同時(shí)保持各頻率分量幅值相對(duì)分布規(guī)律不變。3、 離散時(shí)間信號(hào)的頻譜在以計(jì)算機(jī)為中心的測(cè)試系統(tǒng)中，模擬信號(hào)x(t)進(jìn)入計(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)后再經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器在幅值上量化為離散的數(shù)字信號(hào)。這樣，就會(huì)引起頻域上的一些變化。1. 采樣定理連續(xù)時(shí)間信號(hào)x(t)被數(shù)據(jù)

40、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、2t、所得信號(hào)x(t)的瞬時(shí)值，就構(gòu)成了連續(xù)信號(hào)x(t)的離散時(shí)間序列，(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()放大了1/t倍，并呈現(xiàn)周期行，周期為。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。這一過(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，=2/t為采樣角頻率，它們的取值是個(gè)很重要的問(wèn)題。即采樣頻率，必須滿(mǎn)足關(guān)系：2式中為信號(hào)的最高頻率分量。當(dāng)時(shí)，也就是采樣頻率=2/t2時(shí)，可以通過(guò)加一理想低通濾波器提取主分量，濾除全部m1的高頻分量，從而由x

41、()恢復(fù)原信號(hào)x(t)在理論上無(wú)誤差。但是在實(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=(420) 。如果采樣頻率不滿(mǎn)足采樣定理，譜線就會(huì)重疊，即使采用理想低通濾波器也不可能將混入的高頻主分量濾除。2. 離散傅立葉變換當(dāng)采樣點(diǎn)i=0、1、2n，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=k(k=0、1、2、n-1)，于是有離散傅立葉變換(dft)的定義式如下： x(k)=x(it)= x(i) (3-5)x(t)= x(k)=x(k) (3-6)式中=是復(fù)數(shù)因子。欲對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)x(t)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行離散傅立葉變換，首先經(jīng)采樣器對(duì)它進(jìn)行采樣

42、，滿(mǎn)足采樣頻率為=2/t(t為采樣間隔)，從而獲得時(shí)間離散的信號(hào)(t)，它是一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的離散的時(shí)間序列 (i=0,1,2,)。實(shí)際上，只能對(duì)有限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行分析與處理，所以必須對(duì)無(wú)限長(zhǎng)離散序列截?cái)?，只取有限長(zhǎng)時(shí)間=nt中的n個(gè)有限數(shù)據(jù) (i=0,1,2,)。這樣，無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)x(t)就變成有限長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)=nt的周期信號(hào)。因此，其頻譜的特點(diǎn)是具有離散性、諧波性、周期性。當(dāng)對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行采樣 ，共n個(gè)采樣點(diǎn)，得離散時(shí)間序列x(i) (i=0,1,2,，n-1)，代入式(3-5)可得離散時(shí)間序列的頻譜x(k) (k=0,1,2,，n-1)，共n條譜線，其中有效譜線n/2條；反之，將n條譜線代入

43、式(3-6)，則可得i=0,1,2,，n-1共n個(gè)離散時(shí)間序列x(i)。當(dāng)n=4時(shí)，總計(jì)需+n(n-1)=28次運(yùn)算；當(dāng)n=1024時(shí)，則需要進(jìn)行2096068次運(yùn)算。如此多的計(jì)算次數(shù)使dft不可能在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，因而出現(xiàn)了各種用于減少dft計(jì)算次數(shù)的算法。如基2時(shí)間奇偶分解算法等。那些能夠減少計(jì)算次數(shù)，縮短計(jì)算時(shí)間，能在工程實(shí)際中用來(lái)實(shí)現(xiàn)dft計(jì)算的快速算法就稱(chēng)為快速傅立葉變換，簡(jiǎn)稱(chēng)fft。在許多軟件的工具箱中，已有各種實(shí)用函數(shù)或功能模板可供使用。labview就提供了這樣的功能模塊7。虛擬信號(hào)頻譜分析儀的功能主要是用來(lái)對(duì)生成的仿真信號(hào)進(jìn)行fft變換，獲得該時(shí)域信號(hào)的頻譜圖。4、軟件開(kāi)

44、發(fā)虛擬信號(hào)頻譜分析儀器應(yīng)實(shí)現(xiàn)典型實(shí)驗(yàn)信號(hào)-的產(chǎn)生，對(duì)典型實(shí)驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行fft變換，分析其頻譜，并顯示計(jì)算結(jié)果。概括起來(lái)其主要功能應(yīng)包括:信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)分析和處理、數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)和讀取。由于labview是基于模塊化程序設(shè)計(jì)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,后再集成和調(diào)試。下面將對(duì)各個(gè)功能模塊簡(jiǎn)要介紹。根據(jù)該虛擬儀器功能的需要，程序至少應(yīng)包含以下幾個(gè)模塊：1、 典型信號(hào)生成模塊2、 數(shù)據(jù)處理模塊3、 數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)模塊4、 結(jié)果顯示模塊各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)流關(guān)系如圖3-5所示：典型信號(hào)生成模塊數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)模塊結(jié)果顯示模塊 圖3-5 各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)流關(guān)系1典型信號(hào)生

45、成模塊labview的signal generation子模塊下有豐富的仿真信號(hào)產(chǎn)生子vi，如正弦波序列發(fā)生器、方波序列發(fā)生器、三角波序列放生器、單位脈沖序列發(fā)生器、鋸齒波序列發(fā)生器等。我們只需將需要的各個(gè)子vi放入一個(gè)case結(jié)構(gòu)即可構(gòu)成典型信號(hào)生成模塊，應(yīng)注意的問(wèn)題和流程圖在上節(jié)3.1虛擬信號(hào)發(fā)生器中已說(shuō)明。2數(shù)據(jù)處理模塊 信號(hào)頻譜分析儀所要做的主要數(shù)據(jù)處理工作就是對(duì)待分析信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，以獲得它的頻率圖?？尚沂莑abview在頻域分析子模塊中提供了與信號(hào)分析有關(guān)的大量函數(shù)供設(shè)計(jì)者使用，在此我們調(diào)用了計(jì)算輸入序列的實(shí)數(shù)fft作為信號(hào)頻譜分析儀的主要數(shù)據(jù)處理子vi。 圖3-7 數(shù)據(jù)處理模

46、塊程序流程3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊為了解決前文提到的“柵欄效應(yīng)”和“泄露”問(wèn)題我們將labview在windows. vi子模塊與窗函數(shù)中提供的海寧窗、漢明窗、三角窗、blackman、exact blackman、flat top等子vi放在一個(gè)case結(jié)構(gòu)中形成了“窗函數(shù)選擇”。 由fft和“窗函數(shù)選擇”及其它運(yùn)算部件組成的數(shù)據(jù)處理模塊如圖3-7labview有豐富的文件操作函數(shù)庫(kù)，可以方便進(jìn)行的讀寫(xiě)（i/o）操作。labview在向一個(gè)新的或已存在的文件讀寫(xiě)數(shù)據(jù)是一個(gè)三部的過(guò)程：首先打開(kāi)或創(chuàng)建一個(gè)文件，然后按一定格式讀寫(xiě)數(shù)據(jù)到文件，最后關(guān)閉文件。labview可以讀寫(xiě)文本文件（txt）、數(shù)據(jù)表文

47、件（spreadsheets）和二進(jìn)制文件（dat）。由于本信號(hào)頻譜分析儀的數(shù)據(jù)量不是很大，而且為了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方便，本模塊采用數(shù)據(jù)表文件的形式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作8。 labview的function模板下的file i/o子模板中放置了spreadsheet文件i/o，當(dāng)?shù)酱疟P(pán)上讀取數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)到磁盤(pán)時(shí)它將數(shù)字?jǐn)?shù)組轉(zhuǎn)換成spreadsheet字符串格式或反向轉(zhuǎn)換。本文選用write to spreadsheet子vi作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，它將一個(gè)單精度二維數(shù)組組成一個(gè)文本字符串，并把這個(gè)字符串寫(xiě)到新文件或添加到一個(gè)已存在的文件中：選擇read spreadsheet file 作

48、為數(shù)據(jù)讀取，它可以讀一個(gè)以文本格式保存的spreadsheet文件，并將其轉(zhuǎn)換為二維單精度數(shù)字?jǐn)?shù)組。 圖3-8為讀取存儲(chǔ)文件的基本框圖，其基本流程為：1、 打開(kāi)或創(chuàng)建一個(gè)指定路徑（file path）的文件；2、 將s readsheet格式文件轉(zhuǎn)換為二維單精度數(shù)字?jǐn)?shù)組（讀）或?qū)⒍S單精度數(shù)字?jǐn)?shù)組轉(zhuǎn)換為spreadsheet文件格式（寫(xiě)）；3、 關(guān)閉文件。應(yīng)注意的問(wèn)題：write to spreadsheet和read from spreadsheet file兩個(gè)函數(shù)當(dāng)其輸入端file path為空時(shí)自動(dòng)彈出對(duì)話框要求輸入讀寫(xiě)路徑。為了規(guī)范操作，作者采用了case結(jié)構(gòu)，將read from

49、spreadsheet file和write to spreadsheet分別放入true(進(jìn)行讀寫(xiě)操作)中，而false（不進(jìn)行讀寫(xiě)操作）中為空。由面板開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。4 結(jié)果顯示模塊結(jié)果顯示模塊的主要功能是將測(cè)試到的、采集到的或經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)送到示波器上顯示，供使用者分析和研究。實(shí)質(zhì)上顯示模塊還包含許多附屬的顯示項(xiàng)，它分散于各個(gè)模塊之間，我門(mén)很難分析它的組成結(jié)構(gòu)。之所以將其稱(chēng)為“模塊”，是由于它在整個(gè)程序中起舉足輕重的作用，如果沒(méi)有它，開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序不能稱(chēng)為“虛擬儀器”，只能算做是一個(gè)“信號(hào)處理存儲(chǔ)器”。3-8 讀取存儲(chǔ)文件的基本框圖3.2.2虛擬信號(hào)頻譜分析儀的前面板和流程圖的設(shè)計(jì)前

50、面板中包含了兩個(gè)波形顯示器，分別顯示待分析信號(hào)的波形圖和經(jīng)fft變換后的幅值譜圖;波形選擇可選取正弦波、方波、三角波、鋸齒波等實(shí)驗(yàn)信號(hào)，其幅值、相位、頻率和采樣點(diǎn)數(shù)由左邊的信號(hào)源參數(shù)板決定:窗口選擇板是為是否加hammingwindow. vi, hanninindow.vi, triangle window. vi, blackman window. vi等而設(shè)立的，學(xué)生可以通過(guò)加窗前后的頻譜變化，進(jìn)一步理解窗函數(shù)對(duì)解決混頻、泄漏和柵欄效應(yīng)的作用;數(shù)據(jù)存取板可由用戶(hù)決定數(shù)據(jù)讀取或存儲(chǔ)的路徑9。應(yīng)注意的問(wèn)題:控件參數(shù)設(shè)置應(yīng)考慮到采樣頻率fs、數(shù)字頻率fs一個(gè)周期采樣電數(shù)n與總點(diǎn)數(shù)n=sampl

51、es的關(guān)系:fs=nfx，故f，的最大值應(yīng)是仿真信號(hào)頻率fx最大值的n倍，且nn。完整的虛擬信號(hào)頻譜分析儀的前面板如圖3-9所示。 圖 3-9 虛擬信號(hào)頻譜分析儀的前面板圖3-10給出了虛擬信號(hào)頻譜分析儀的程序流程圖編輯窗口的部分內(nèi)容。圖中展示了典型信號(hào)生成模數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)模塊和加窗模塊間的數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)關(guān)系及各模塊的部分流程。圖3-10 虛擬信號(hào)頻譜分析儀的后面板流程圖3.2.3 調(diào)試和運(yùn)行當(dāng)完成程序界面和代碼部分的設(shè)計(jì)后，就應(yīng)該對(duì)程序進(jìn)行綜合調(diào)試。labview提供了很多調(diào)試工具，可以單步運(yùn)行和高亮運(yùn)行，還可以設(shè)置斷點(diǎn)和探針。但仍然存在許多隱含在程序內(nèi)部的錯(cuò)誤無(wú)法發(fā)現(xiàn)，這

52、就要求我們?cè)陂_(kāi)發(fā)程序的過(guò)程中一定要仔細(xì)地把好每一關(guān)，在模塊內(nèi)部將錯(cuò)誤清除，才能減輕最終程序調(diào)試的難度。在運(yùn)行之前，先對(duì)前面板上的控件進(jìn)行設(shè)置，頻率、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)參數(shù)的設(shè)置參看虛擬信號(hào)發(fā)生器的調(diào)試運(yùn)行那一節(jié)，另外還可以對(duì)波形類(lèi)型和加窗類(lèi)型進(jìn)行選擇。如果要讀寫(xiě)文件，應(yīng)添入正確的路徑，若file path為空，會(huì)自動(dòng)彈出對(duì)話框要求輸入讀寫(xiě)路徑10。3. 3虛擬巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì)3.3.1 實(shí)驗(yàn)原理和功能1、實(shí)驗(yàn)原理巴特沃斯濾波器擁有最平滑的頻率響應(yīng)，在截止頻率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降。在通帶中是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零。在截止頻率處3db衰減。巴特沃斯濾波器的優(yōu)點(diǎn)是具有平滑的單調(diào)遞減的

53、頻率響應(yīng)。過(guò)渡帶的陡峭程度正比于濾波器的階數(shù)。巴特沃斯低通濾波器是一種所謂最平通帶特性逼近理想低通特性的濾波器。其幅頻特性為：式中n=1、2、3、為濾波器材的階次。圖3-11（a）和（b）分別表示了不同n值時(shí)的幅頻特性與相頻性。 （a） (b)3-11 不同n值時(shí)的幅頻特性和相頻特性由圖3-11可知n值越大越接近理想濾波器特性11。2、功能該儀器可實(shí)現(xiàn)生成正弦波、方波、三角波等典型信號(hào)，并通過(guò)butterworth filter進(jìn)行濾波。典型信號(hào)頻率在0.1khz10khz范圍內(nèi)可調(diào)，最大幅值在0v5v范圍內(nèi)可調(diào)，初始相位在0180范圍內(nèi)可調(diào)。濾波器類(lèi)型可選擇高通、低通、帶通和帶阻，濾波階次、

54、低截止頻率、高截止頻率都可任意選擇。典型信號(hào)及濾波后信號(hào)送顯示器顯示波形，進(jìn)而獲得濾波器的幅頻和相頻特性。該儀器可作為濾波器綜合實(shí)驗(yàn)。3.3.2 虛擬巴特沃斯濾波器前面板和流程圖的設(shè)計(jì)前面板由兩個(gè)waveform graph控件、兩個(gè)enum控件和八個(gè)numeric controls控件組成。兩個(gè)waveform graph控件分別用來(lái)顯示生成的虛擬仿真信號(hào)波形和該信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后的波形；兩個(gè)enum控件分別用來(lái)進(jìn)行波形選擇和濾波器類(lèi)型選擇，波形可選擇正弦波、方波、三角波和鋸齒波，濾波器類(lèi)型可選擇高通、低通、帶通和帶阻；八個(gè)numeric controls分別用來(lái)對(duì)源信號(hào)波形參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和濾波器

55、參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。完整的前面板如圖3-12所示。 圖3-12虛擬巴特沃斯濾波器前面板 儀器的流程圖設(shè)計(jì)采用了labvieew的structures子模板中的case結(jié)構(gòu)，由“string”值分別選擇正弦波、三角波、方波、鋸齒波等作為實(shí)驗(yàn)仿真信號(hào)。數(shù)它由虛擬信號(hào)產(chǎn)生模塊、顯示模塊和濾波模塊組成，前兩個(gè)模塊前面已經(jīng)介紹的很多，不再贅述，這里只介紹該儀器的關(guān)鍵濾波子vi，labview中了提供了豐富的濾波子vi，數(shù)據(jù)處理選用了function子模板下的butterworth filter. vi，如圖3-13所示。它可將以數(shù)組形式輸入的欲處理信號(hào)，通過(guò)設(shè)定采樣頻率、高截止頻率、低截止頻率、濾波器階次和濾波器類(lèi)型(0為低通，1為高通，2為帶通，3為帶阻)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波12。完整的后面板流程圖如圖3-14所示。圖3-13 butterworth filter.vi 圖3-14 虛擬巴特沃斯濾波器后面板流程圖3.3.3 調(diào)試和運(yùn)行對(duì)信號(hào)頻率、采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置原則，前面已經(jīng)介紹的很詳細(xì)了，這里不再贅述。對(duì)低截止頻率和高截止頻率應(yīng)該注意是：當(dāng)虛擬巴特沃斯濾波器作為低通濾波器使用時(shí)，其高截止頻率被忽略，而低截止頻率必須滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理的條件。濾波器的階次是越高，其幅頻特性曲線過(guò)渡帶衰減越快13。3.4調(diào)幅波解調(diào)器的設(shè)計(jì)3.4.1實(shí)