毕业论文-虚拟仪器及LabVIEW.doc

1 虚拟仪器及LabVIEW介绍1.1 虚拟仪器概述 测量仪器发展至今，大体经历了四代历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器。由于微电子技术、计算机技术、通信技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化，其中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成一个有机整体，导致仪器的结构、概念和设计观点等也发生了突破性的变化。在这种背景下，美国国家仪器公司（National Instruments）在20世纪80年代最早提出虚拟仪器（Virtual Instrument）的概念，同时推出了用于虚拟仪器开发的工程软件包LabVIEW。NI公司宣称“The Software is the Instrument”，即“软件就是仪器”。在这里，计算机是虚拟仪器的核心设备，该仪器的功能是通过软件仿真实现的。它将传统仪器由硬件电路实现的数据分析处理与显示功能，改由功能强大的计算机来执行，所以计算机是其核心；当计算机与适当的I/O接口设备配置完毕，虚拟仪器的硬件平台就被确定，此后软件就成为仪器的关键部分，这也是“软件就是仪器”之说的来由。这意味着只要按照测量原理，采用适当的信号分析技术与处理技术，编制某种测量功能的软件就可构成该种功能的测量仪器。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响，同时对改善高校实验教学仪器设备，提高教学质量也是一个福音。1.2labview简介LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。1.3 虚拟仪器技术1.3.1 虚拟仪器的定义虚拟仪器（Virtual Instrument）是基于计算机的仪器。在计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器的功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器是基于通用计算机的测试、测量和控制系统，由于能充分利用计算机的软硬件资源，因此虚拟仪器具有功能强大、结构灵活和性价比高等特点，可在很大范围内替代传统仪器。虚拟仪器通常具有一个或多个友好的虚拟面板（人机界面），用户可通过虚拟面板很方便地进行操作。用户可对虚拟仪器的功能和用途进行定义、组合和扩展，从而更快、更省和更方便的解决测试、测量和自动化的应用问题。 下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。信号调理数据采集卡数据处理虚拟仪器面板被测对象图1-1 常见虚拟仪器应用方案虚拟仪器由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分组成。1.3.2 虚拟仪器硬件平台(1) 计算机它一般为一台PC机或者工作站，它是硬件平台的核心。虚拟仪器使用的个人计算机中，微处理器和总线成为最重要的因素。 其中，微处理器的发展是最迅速的，它使虚拟仪器的能力得到极大地提高。80年代末制造的虚拟仪器频率分析仪完成一个1024点的快速傅立叶变换需要1秒钟的时间；今天的系统可以在1毫秒内完成同样的运算，速度提高了一千倍。这意味着，如果以前人们是用虚拟仪器来做快速傅立叶变换观察信号，那么今天可以利用它进行高速的实时运算，并将之应用于过程控制和其它控制系统中。总线技术的发展也为提高虚拟仪器的处理能力提供了必要的支持。PCI总线性能比ISA总线提高了近十倍，使得微处理器能够更快地访问数据。使用ISA总线时，插在电脑中的数据采集板的采集速度最高为2MBps；使用PCI总线时，最高采集速度可提高到132MBps。由于总线速度的大大提高，现在可以同时使用数块数据采集板，甚至图象数据采集也可以和数据采集结合在一起。(2) I/O接口设备I/O接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、摸/数转换。不同的总线有其相应的I/O接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集卡/板（简称为数采卡/板，DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口总线仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有5种类型，如图1-2所示。 I/O接口设备PC-DAQGPIB仪器串口仪器VXI模块PXI模块被测信号计算机图1-2虚拟仪器的构成方式PCDAQ系统PCDAQ系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用计算机本身的ISA总线，将数采卡/板（DAQ）插入计算机的空槽中即可。GPIB系统GPIB系统是以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。VXI系统VXI系统是以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。PXI系统PXI系统是以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。串口系统串口系统是以Serial标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。无论上述哪种VI系统，都通过应用软件将仪器硬件与计算机相结合。考虑到PCDAQ插卡式虚拟仪器在五种虚拟仪器系统中，是虚拟仪器最基本最廉价的构成形式。在经费不足或时间不充裕的情况下经常被采用，下面就对这种虚拟仪器系统做简单的介绍。它的硬件平台主要有PC计算机和数据采集卡（DAQ卡）组成。数据采集卡（DAQ卡）由以下几个部分组成：1. 多路开关。将各路信号轮流切换的放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。2. 放大器。将前一级多路开关切换进入待采集信号放大（或衰减）至采样环节的量程范围内。通常实际系统中放大器作成增益可调的放大器，设计者可根据输入信号不同的幅值选择不同的增益倍数。3. 采样保持器。取出待测信号在某一瞬时的值（即实现信号的时间离散化），并在A/D转换过程中保持信号不变，如果被测信号变化很缓慢，也可以不用采样/保持器。4. A/D转换器。将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展，目前通常将采样/保持器同A/D转换器集成在一块芯片上。以上四个部分都处在计算机的前向通道，是组成数据采集卡的主要环节，与其它有关电路如定时/计数器、总线接口电路等集成在一块印刷电路板上，即构成数据采集卡（DAQ卡），完成对信号数据的采集、放大及模/数转换任务。PC-DAQ插卡式虚拟仪器系统充分利用了PC计算机的机箱、总线、电源及软件资源，但是因而也受到PC计算机机箱环境和计算机总线的限制，存在诸多的不足，如电源功率不足、散热条件差等。1.3.3 虚拟仪器的软件开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有如下两类。l 文本式编程语言：如C ,Visual C + + , Visual Basic等l 图形化编程语言：如 LabVIEW,HPVEE等这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。本文中，虚拟仪器设计所涉及的是LabVIEW虚拟仪器编程语言。虚拟仪器软件由两部分构成，即应用软件和I/O接口仪器驱动程序。虚拟仪器的应用程序包含两方面功能的程序：l 实现虚拟面板功能的前面板软件程序。l 定义测试功能的流程图软件程序。I/O接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动和通信。大部分虚拟仪器开发环境均提供一定程度的I/O设备支持。许多I/O驱动程序已经集成在开发环境中。以LabVIEW为例，他能够支持串行接口、GPIB及VXI等标准总线和多种数据采集板，LabVIEW还可以驱动许多仪器公司的仪器，如Hewlett-Packard，Philips，Tektronix，B&K,Fluke等。同时，LabVIEW还可调用Windows动态连接库和用户自定义的动态连接库中的函数，以解决对某些非NI公司支持的标准硬件在使用过程中的驱动问题。1.4虚拟仪器的特点及优势1.4.1 虚拟仪器的特点虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。虚拟仪器的主要特点有：n 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。n 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。n 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。n 多种技术的集成, 包括硬件技术和软件技术; 微电子技术、测量技术、计算机技术和网络技术。n 利用上述多个领域最新技术不断地进步。n 多种用途仪器设备的集合。n 开发周期短、成本低、应用领域广和性能价格比高。1.4.2 虚拟仪器的优势虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。1.5 LabVIEW开发平台介绍1.5.1 LabVIEW应用程序的构成所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（NI），它包括前面板（front panel）、流程图（block diagram）以及图标/连接器（icon/connector）三部分。1. 前面板前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。图1-3所示是一个随机信号发生和显示的简单VI的前面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。还有一个控制对象开关，可以启动和停止工作。显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的流程图。控制对象(输入)显示对象(输出)图1-3随机信号发生器的前面板2. 流程图流程图也称为后面板，提供VI的图形化源程序。在流程图对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件和连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。图4是与图3对应的流程图。我们可以看到流程图中包括了前面板上的开关和随机数显示器的连线端子，还有一个随机数发生器的函数及程序的循环结构。随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设置了一个While Loop循环，由开关控制这一循环的结束。函数：随机数发生器结构：循环与前面板控件对应的连线端子与前面板控件对应的连线端子图4随机信号发生器的流程图3. 图标/连接器VI具有层次化和结构化的特征。一个VI可以作为子程序，这里称为子VI（SubVI），被其他VI调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。1.5.2 LabVIEW的操作模板在LabVIEW的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函数（Functions）模板。这些模板集中反映了该软件的功能与特征。1. 工具模板（Tools Palette）该模板提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具，如图1-3所示。如果该模板没有出现，则可以在Windows菜单下选择Show Tools Palette命令以显示图1-5 LabVIEW的工具模板当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从Windows菜单下选择了Show Help Window功能后，把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序（Sub VI）或图标上，就会显示相应的帮助信息。 2. 控制模板（Controls Palette）该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个标代表一类子模板。图1-6 LabVIEW的控制模板 如果控制模板不显示，可以用Windows菜单的Show Controls Palette功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。3. 功能模板（Functions Palette）该模板是创建流程图程序的工具，模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。若功能模板不出现，则可以用Windows菜单下的Show Functions Palette功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板，功能模板如图1-7所示。图1-7 LabVIEW的功能模板1.5.3 LabVIEW的特点LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engneering Workbench）是由美国国家仪器公司（NI）在1986年推出的一种基于图形编程语言（G语言）的开发环境，它具有十分强大的功能，包括数值函数运算、数据采集、信号处理、输入/输出控制、信号生成、图象的获取、处理和传输等等。LabVIEW与C，Pascal，Basic等传统编程语言有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及模块化的编程特点等。但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程；而LabVIEW使用图形语言（即各种图标、图形符号、连线等）编程，界面非常直观形象，而且使用的都是测试工程师们熟悉的旋钮、开关、波形图等，因此是一种直觉式图形程序语言。用LabVIEW编程无须太多编程经验，只要以很直觉的方法建立前面板人机界面和方框图程序，便可以完成编程过程，使用户免于传统程序语言线性结构的困扰，这对于没有丰富编程经验的工程师们来说无疑是个极好的选择。同时，LabVIEW的执行顺序是依方框图间数据的传递来决定的，并不像传统文字式编程语言必须逐行地执行，因此用户能设计出可同时执行多个程序的流程图。采用LabVIEW编程，其主要特点就是将虚拟仪器分解为若干基本的功能模块（相当于硬件设计的集成电路），模块的引脚代表输入/输出接口。编程者可以通过交互式手段，采用图形化框图设计的方法，完成虚拟仪器的逻辑和测量分析功能设计。LabVIEW程序设计过程与人们设计仪器的思维过程十分相似，程序框图就实现了程序代码功能，避免了一般程序设计从框图构思到程序表示的繁琐。LabVIEW编程的另一个优点是将软件的界面设计与功能设计独立开来，修改人机交互界面无须对整个程序进行调试，这对设计像仪器操作面板这样复杂的人机界面而言是十分方便的。LabVIEW还为用户提供了函数扩展功能，从而可以调用C等传统编程语言写的程序代码、调用标准动态链接库等。1.5.4labview的优势1. 图形化编程环境。2可重用性高。3开发功能高效、通用。4支持多种仪器和数采硬件的驱动。5查错、调试能力强大。6. 支持多种操作系统。7. 网络功能强大。8开放性强。1.6虚拟仪器设计步骤通常，一个虚拟仪器的设计步骤如下。（1）在前面板设计窗口放置控件首先，在前面板开发窗口使用工具模板中的相应工具，从控制模板中取用和放置好所需控件，进行控件属性参数设置，标贴文字说明标签。（2）在流程图编辑窗口，放置节点、图框在流程图编辑窗口，使用工具摸板中相应工具，从功能模板中取用并放置好所需图标，它们是流程图中的“节点、图框”。（3）数据流编程使用连线工具按数据流的方向将端口、节点、图框依次相连，实现数据从源头按规定的运行方式送到目的终点。（4）运行检验当完成步骤（1）、（2）、（3）后，前面板程序与流程图图形化程序的设计完毕，一个虚拟仪器已基本建立，是否达到预期功能，还需运行检验。有如下两种检验方式 。a.防真检验：不使用I/O接口硬件设备。对VI检验运行所需的信号数据采用由“数组”或“信号生成函数”产生的“防真信号”。b.实测检验：它通过I/O接口硬件设备，采集输入标准信号，来检验虚拟仪器的功能。防真检验在实测检验之前进行，是虚拟仪器所特有的优势，因为它对反复检验，调试，不断完善改进虚拟仪器极为方便，是传统仪器无法采用的检验手段。（5）程序调试技术利用快捷工具栏中的“运行”、“高亮执行”、“单步执行”、“断点设置”进行以下程序调试步骤。1找出语法错误如果一个VI程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。这时该按钮被称作错误列表。点击它，则LabVIEW弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用Find功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。2设置执行程序高亮在LabVIEW的工具条上有一个画着灯泡的按钮，这个按钮叫做“高亮执行”按钮。点击这个按钮使它变成高亮形式，再点击运行按钮，VI程序就以较慢的速度运行，没有被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数据流线上的数据值。这样，你就可以根据数据的流动状态跟踪程序的执行。3断点与单步执行为了查找程序中的逻辑错误，有时希望流程图程序一个节点一个节点地执行。使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行，用探针或者单步方式查看数据。使用断点工具时，点击你希望设置或者清除断点的地方。断点的显示对于节点或者图框表示为红框，对于连线表示为红点。当VI程序运行到断点被设置处，程序被暂停在将要执行的节点，以闪烁表示。按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行的节点变为闪烁，指示它将被执行。你也可以点击暂停按钮，这样程序将连续执行直到下一个断点。4探针可用探针工具来查看当流程图程序流经某一根连接线时的数据值。从Tools工具模板选择探针工具，再用鼠标左建点击你希望放置探针的连接线。这时显示器上会出现一个探针显示窗口。该窗口总是被显示在前面板窗口或流程图窗口的上面。在流程图中使用选择工具或连线工具，在连线上点击鼠标右键，在连线的弹出式菜单中选择“探针”命令，同样可以为该连线加上一个探针。（6）数据观察当检验观察中发现有错误时，鼠标单击“Highlight Execution”按钮，观察数据流中各个节点的数值。（7）命名存盘保存设计好的VI。2数据采集方法2.1 采集卡的安装和配置利用LabVIEW实现数据采集有许多种方式，其中最简单的方式莫过于直接利用NI公司生产的数据采集卡和LabVIEW中的数据采集VI实现。在选购了NI公司的数据采集卡后，首先是将数据采集卡安装到计算机或相关的机箱中，插在相应的总线插槽上，安装相应的驱动程序，这一步骤和其他许多计算机硬件一样。并且NI公司还提供了一个专用的管理软件Measurement&Automation Explorer，来对所有NI公司产品相关的硬件进行管理，针对数据采集卡，这个软件可以完成NI公司数据采集卡的检测、性能测试、属性配置和删除。一般在硬件驱动程序安装的同时，Measurement&Automation Explorer软件会自动安装在计算机上。在正式开始数据采集之前，必须要用Measurement&Automation Explorer软件对数据采集卡进行检测、性能测试和属性配置，这一步对后面正确使用LabVIEW中的数据采集VI完成数据采集至关重要。2.2数据采集过程在LabVIEW中，数据采集VI主要位于NI Measurments子模板，其到达途径为All functionNI Measurments。在这个子模板中，又包括Data Acquisition和DAQMX-Data Acquisition两个子模板提供不同的数据采集VI。其中，Data Acquisition子模板中是传统的数据采集VI，面向单个的数据采集卡直接采进信号的电压值，其操作对象是单个的数据采集卡；而DAQMX-Data Acquisition子模板中的是数据采集DAQMX类型的数据采集VI，可以面向多个数据采集卡，其操作对象是信号输入或输出通道，并且采进来的电压值可以根据预先给定的规则变换成实际的物理量值。LabVIEW中的数据采集实际上包含了模拟输入、模拟输出、数字输入/输出和计数器四种信号输入输出方式。其中，用的最多的方式是模拟输入方式，这种方式的数据采集过程一般经过以下步骤：1. 数据采集VI通知数据采集卡相关的采样参数：采样频率、采样次数、采样通道和数据缓存的大小。2. 采样开始，多路开关对采样通道进行一次依次扫描，每个通道采样一个点。3. 采样的模拟信号送到A/D转换器转换成数字信号。4. 数字信号存储到数据缓存。5. 重复24的操作，直到采集到了所需的采样次数，全部数据顺序存储到缓存中。6. 从数据采集卡的缓存中读取数据到计算机的内存中。3 基于LabVIEW的虚拟仪器实验教学系统的实现3.1 基于LabVIEW的函数信号发生器设计3.1.1 实验原理和功能 函数信号发生器可以提供各种波形的周期信号函数。若波形的周期数为N、信号频率为、采样频率为、采样点数为M,则相互之间的关系为,由此式可决定需要生成的波形周期数。采样点数必须满足香农采样定理,即。 此虚拟仪器发生器完全可以代替目前实验室广泛使用的传统的信号发生器。3.1.2 函数信号发生器前面板设计前面板由一个Ring控件、波形图控件、两个开关按钮控件和九个数值控制器组成。分为控制区和显示区两部分。控制区完成对信号相关属性的输入控制,通过改变控制区中各输入控件的类型或数值,可以实现输入频率、幅度、初始相位、直流偏移各不相同的正弦波、方波、三角波、锯齿波四种常用函数波形.其中占空比只对方波起作用,无法通过其实现正弦波、三角波和锯齿波的波形偏移。图3-1函数信号发生器前面板3.1.3 虚拟信号发生器后面板设计LabVIEW的All functionAnalyzeSignal ProcessingWaveform Generation子模板下有丰富的仿真信号子VI，如基本函数信号发生器、正弦波序列发生器、方波序列发生器等。我们只要把需要的子VI放入一个While结构即可构成典型信号发生器系统。图3-2 基本函数信号发生器子VI 图3-3While结构图3-4 虚拟信号发生器后面板流程图3.1.4 调试和运行在运行之前，应先在前面板中对信号控件参数进行设置。这时请注意设置的参数要满足香农采样定理,即。只要合理的设置才会生成另人满意的信号波形。3.2信号相位幅度差显示计设计3.2.1 实验原理和功能可以从视觉上在同一个波形图上观察两个同频正弦波的差别。两个正弦波信号的幅值、相位都可由用户选择设定；信号的采样点数、采样周期数可由用户选择。利用Labview中强大的运算功能和丰富的仿真信号子VI，我们很容易做到这一点。3.2.2 信号相位幅度差显示计前面板设计前面板由一个波形图控件、两个数值显示控件和六个数值输入控件组成。数值输入控件用来对波形的幅值、相位、采样点数参数进行设置。显示控件用来输出数值的相位差和幅度。波形图控件用来显示生成的波形。 图3-5信号相位幅度差显示计前面板3.2.3 信号相位幅度差显示计后面板设计执行ControlsAnalyzeSignal ProcessingWaveform Generation操作，它的子模板下有丰富的仿真信号子VI，如基本函数信号发生器、正弦波序列发生器、方波序列发生器等。我们可以利用它们产生我们需要的信号。执行ControlsArrayBuild Array 操作，放置一个图标，并增加一个输入，目的是将两个输入合称为一个二维数组。图3-6信号相位幅度差显示计后面板流程图3.2.4 调试和运行在运行之前，应先在前面板中对信号控件参数进行设置。大家可以尝试不同的设置来生成不同的信号波形和显示结果。3.3 虚拟巴特沃斯滤波器设计3.3.1 实验原理和功能3.3.1.1 实验原理在测试信号处理中,通常需要对噪音干扰进行抑制或衰减,但同时又希望测试信号能正常通过,这时可选用一种对特定频率具有选择性的电路来达到上述目的,这就是滤波的概念. 滤波器是一种具有频率选择功能的装置,它使信号中特定的频率成分通过而极大地衰减其他频率成分.在测试系统中,利用滤波器的这种筛选作用,可以滤除噪声干扰或进行谱仪分析.巴特沃斯滤波器拥有最平滑的频率响应，在截止频率以外，频率响应单调下降。在通带中是理想的单位响应，在阻带中响应为零。巴特沃斯滤波器的优点是具有平滑的单调递减的频率响应。过渡带的陡峭程度正比于滤波器的阶数。巴特沃斯低通滤波器是一种所谓最平通带特性逼近理想低通特性的滤波器。其幅频特性为：|H()|=式中是低通截止频率，n=1、2、3为滤波器的阶次。巴特沃斯滤波器的幅频特性有以下几个特点：1.当=0时，|H()|取最大值，|H(0)|=1；2.当=时，|H()|=， 称为低通滤波器的截止频率；3.n值越大，幅频特性曲线越接近理想特性曲线。在(/)1(阻带范围)时，n增大，则增大，|H()|越趋于零值，衰减越快。3.3.1.2 功能该仪器可实现生成正弦波、方波、三角波等典型信号，并通过Butterworth filter进行滤波。典型信号频率、幅值、初始相位均可由用户自己设定。滤波器类型可选择高通、低通、带通和带阻，滤波阶次、低截止频率、高截止频率都可任意选择。并且信号可以随时复位和停止输出。典型信号及滤波后信号最后送显示器显示波形。该仪器可作为滤波器综合实验。3.3.2 虚拟巴特沃斯滤波器前面板设计前面板由两个波形图控件、两个Ring控件、两个开关按钮控件和十个数值控制器组成。两个波形图控件分别用来显示生成的虚拟仿真信号波形和该信号经过滤波后的波形；两个Ring控件分别用来进行波形选择和滤波器类型选择，波形可选择正弦波、方波、三角波和锯齿波，滤波器类型可选择高通、低通、带通和带阻；十个Numeric Controls分别用来对源信号波形参数进行设置和滤波器参数进行设置。图3-7巴特沃斯滤波器前面板3.3.3 虚拟巴特沃斯滤波器后面板设计在巴特沃斯滤波器后面板中有一个非常重要的子程序-Butterworth filter.vi。其到达路径为：All functionAnalyzeSignal ProcessingFilter。它有图3-8 Butterworth filter.vi图3-9巴特沃斯滤波器后面板流程图六个输入端和两个输出端，分别为源信号输入、采样频率、滤波类型、阶次、低截止频率、高截止频率和滤波后信号输出、错误输出，它们与前面板上的控件相连。通过前面板上的参数输入，即可对输入的欲处理信号进行滤波。为了将仿真信号的波形的横轴起点、横轴分度值和幅值合成一个整体，后面板中还使用了簇结构，在Cluster子模板上选择Bundle，它有三个输入量：横轴起点，设为0；横轴分度值，由采样频率的倒数，即采样间隔决定；输入信号幅值。3.3.4 调试和运行对信号频率、采样频率和采样点数的设置原则，前面已经介绍的很详细了，这里不再赘述。对低截止频率和高截止频率应该注意是：当虚拟巴特沃斯滤波器作为低通滤波器使用时，其高截止频率被忽略，而低截止频率必须满足奈奎斯特采样定理的条件。滤波器的阶次是越高，其幅频特性曲线过渡带衰减越快。3.4 虚拟信号频谱分析仪的设计3.4.1 实验原理和功能信号的频谱描述是以频谱f（=2f）为横坐标变量来描述信号幅值、相位的变化规律。3.4.1.1 周期信号与离散频谱在有限的区间上的周期函数x(t)可以展开成傅立叶级数。傅立叶级数有两种表达式1. 傅立叶级数的三角函数展开式：x(t)=sinnt+cosnt =+(sinnt+cosnt)=+sin(nt+)式中：=是直流分量； =是余弦分量的幅值； =是正弦分量的幅值； =是各频率分量的幅值； =arctan是各频率分量的相位； =是角频率；以角频率n为横轴，幅值或相角为纵轴作图，则分别得到幅频谱图和相频谱图，它们是单边谱，n由0。2. 傅立叶级数的复指数函数展开式：x(t)=(m=0，1，2) (3-1)式中为傅立叶系数。 =+=| (3-2)又=+j=|根据欧拉公式= cosmt-j sinmt，代入式(3-2)可得=|=arctan=-m=0，常值分量=以|-m和-m作图分别为幅频谱图和相频谱图，它们都是双边谱，m从-+。3. 周期信号频谱的特点l 离散性。只在n离散值上取值或只在m离散点上取值。l 谐波性。每条谱线只出现在基波频率的整数倍的频率上，基波频率是主分量频率的公约数，相邻谱线间隔为。l 收敛性。常见的周期信号幅值总的趋势是随谐波次数的增高而减小。由于这种收敛性，实际测量中可以在一定误差允许范围内忽略次数过高的谐波分量。3.4.1.2 非周期信号与连续频谱1. 频谱密度函数X(w)对于非周期信号，可以看作周期T为无穷大的周期信号。当周期趋近无穷大时，则基波谱线及谱线间隔=趋近无穷小，从而离散的频谱就变成了连续的，所以非周期信号的频谱是连续的。傅立叶级数的复指数函数展开式为： x(t)= (3-3)傅立叶系数 = (3-4)当周期T，谱线间隔=2/T趋近无穷小，离散量m( m=0，1，2,)变为连续量，傅立叶系数的模|趋于无穷小，故作不出|-m的幅频图，但各条谱线比例保持不变。将它放大T倍，则(3-4)变为：=因为有d，所以有=由于时间T是积分变量，故上式积分后，仅是的函数，并记作X()或，即X()=dt= X()或X(f)表示单位频段的频率分量，是复数，称为x(t)的频率密度函数。2. 非周期信号的傅立叶积分表示作为周期T为无穷大的非周期信号，当周期T时，频谱谱线间隔d，T，离散变量m变为连续变量，求和运算就变成求积分运算。于是(3-3)就变为：x(t)= =这就是傅立叶积分。记为x(t)=。于是就有=dtx(t)= d将=2f带入以上两式，得 x(t)= dfX(f)= X()=2X(f)作| X()-|或|X(f)-f|图，就称为非周期信号的幅值谱密度。非周期信号用傅立叶级数来表示，其频谱为连续的，它由无限多个频率无限接近的频率成分组成。各频率上谱线幅值趋于无穷小，故用频谱密度表示，它在数值上相当于将分量放大T=2/d倍，同时保持各频率分量幅值相对分布规律不变。3.4.1.3 离散时间信号的频谱在以计算机为中心的测试系统中，模拟信号x(t)进入计算机前先经过数据采集卡(DAQ)中的采样器，将连续时间信号变为离散时间信号，成为采样信号后再经A/D转换器在幅值上量化为离散的数字信号。这样，就会引起频域上的一些变化。1. 采样定理连续时间信号x(t)被数据采集卡(DAQ)中的采样器以等时间间隔T采样，则采样时刻0、T、2T、所得信号x(t)的瞬时值，就构成了连续信号x(t)的离散时间序列，(i=0、1、2)。采样信号的频谱在幅值上比信号x(t)的频谱X()放大了1/T倍，并呈现周期行，周期为。采样是把连续时间信号变为离散时间序列的过程。这一过程相当于在连续时间信号上“抽取”许多离散时刻iT(i=0、1、2)上的信号瞬时值。其中T是采样间隔，=2/T为采样角频率，它们的取值是个很重要的问题。即采样频率，必须满足关系：2式中为信号的最高频率分量。当时，也就是采样频率=2/T2时，可以通过加一理想低通滤波器提取主分量，滤除全部m1的高频分量，从而由X()恢复原信号x(t)在理论上无误差。但是在实际工程中的低通滤波器不可能有理想的低通特性，故采样频率需要更高，通常为=(420) 。如果采样频率不满足采样定理，谱线就会重叠，即使采用理想低通滤波器也不可能将混入的高频主分量滤除。2. 离散傅立叶变换当采样点i=0、1、2N，共有N个，即无限长信号截断后变为周期信号，频谱由连续谱变为离散谱，即=K(K=0、1、2、N-1)，于是有离散傅立叶变换(DFT)的定义式如下： X(K)=x(iT)= x(i) (3-5)x(t)= X(K)=X(K) (3-6)式中=是复数因子。欲对连续时间信号x(t)用计算机进行离散傅立叶变换，首先经采样器对它进行采样，满足采样频率为=2/T(T为采样间隔)，从而获得时间离散的信号(t)，它是一个无限长的离散的时间序列 (i=0,1,2,)。实际上，只能对有限长的信号进行分析与处理，所以必须对无限长离散序列截断，只取有限长时间=NT中的N个有限数据 (i=0,1,2,)。这样，无限长时间信号x(t)就变成有限长时间信号=NT的周期信号。因此，其频谱的特点是具有离散性、谐波性、周期性。当对信号x(t)进行采样 ，共N个采样点，得离散时间序列x(i) (i=0,1,2,，N-1)，代入式(3-5)可得离散时间序列的频谱X(K) (k=0,1,2,，N-1)，共N条谱线，其中有效谱线N/2条；反之，将N条谱线代入式(3-6)，则可得i=0,1,2,，N-1共N个离散时间序列x(i)。当N=4时，总计需+N(N-1)=28次运算；当N=1024时，则需要进行2096068次运算。如此多的计算次数使DFT不可能在实际工程中得到应用，因而出现了各种用于减少DFT计算次数的算法。如基2时间奇偶分解算法等。那些能够减少计算次数，缩短计算时间，能在工程实际中用来实现DFT计算的快速算法就称为快速傅立叶变换，简称FFT。在许多软件的工具箱中，已有各种实用函数或功能模板可供使用。LabVIEW就提供了这样的功能模块。虚拟信号频谱分析仪的功能主要是用来对生成的仿真信号进行FFT变换，获得该时域信号的频谱图。3.4.2 虚拟信号频谱分析仪的前面板设计前面板由一个数值控制器、两个波形图控件、两个Ring控件、三个旋钮控件组成。两个波形图控件分别用来显示生成的虚拟仿真信号波形和该信号经过FFT变换后的频谱；两个Ring控件分别用来进行波形选择和加窗类型选择，波图3-10 虚拟信号频谱分析仪前面板形可选择正弦波、方波、三角波和锯齿波，加窗类型有海宁窗、汉明窗和三角窗可供选择，三个旋钮控件分别用来对信号频率、采样频率、幅值参数进行设置，数值控件对采样点数进行设置。3.4.3 虚拟信号频谱分析仪的后面板设计该虚拟仪器应实现典型实验信号的产生，并可以对典型实验信号进行FFT变换，并显示计算结果。所以其后面板流程图应该由信号产生、信号分析和处理、模块组成，下面就对在这两个功能模块分别加以介绍。3.4.3.1 典型实验信号生成模块此模块与虚拟信号发生器系统的基本类似，这里不再赘述。3.4.3.2 虚拟信号分析和处理模块此模块如图3-11，主要做的就是对生成的虚拟信号进行FFT变换，以获得它的频谱图。主要由Hamming Windonw、Hanning Windonw、Triggle Windonw和FFT子VI组成，它们的图标分别如3-12、3-13、3-14、3-15所示。下面对它们做简单的介绍。图3-11 虚拟信号分析和处理模块 图3-12 Hamming Windonw.vi 图3-13 Hanning Windonw.vi 图3-14 Triggle Windonw.vi 图3-15 FFT.vi 1.窗函数子VI。它们的到达路径为All functionAnalyzeSignal ProcessingWindonws，无论是Hamming Windonw还是Hanning Windonw和Triggle Windonw，都是把无限长的信号进行截取，并防止泄漏。2. FFT子VI。它的到达路径为All functionAnalyzeSignal ProcessingFrequency Domain，FFT子VI对输入的参数进行傅立叶变换，输出参数为经过变换后得到的数据序列，通常情况下为复数序列，而不是我们常用的实数幅值数据序列。所以，要避免犯这样的错误：直接将这个输出序列当作幅频特性数据序列，送入Graph VI，希望得到幅频特性曲线。所以，应先将FFT子VI输出参数经过Complex To Polar，再送到Graph VI。图3-16 虚拟信号频谱分析仪后面板流程图3.4.4 调试和运行在运行之前，应先在前面板中对信号控件参数进行设置。采样频率fs的最大值应是仿真信号频率fx的n（一个周期采样点数）倍，且总点数Nn。只要合理的设置才会生成另人满意的信号波形。3.5 虚拟调制解调器的设计3.5.1 实验原理和功能用该调制解调器可观察调幅波，以及经过巴特沃斯滤波器滤波后的解调波形。(1)调幅波的数学表达式及其特性 u(t)=EmZ(t) (3-8)式中Em-比例常数;-高频载波角频率; Z(t)-低频缓变信号,其上限角频率为;式(3-8)就是调幅波的一般数学表达式,它反映了低频缓变信号Z(t)对一高频Z(t) ()振荡信号()的控制.通常=(510).一般将控制高频信号的缓变信号称为调制信号,载送缓变信号的高频()振荡信号()称为载波.利用信号Z(t)来控制或改变高频振荡的幅值称为调制过程.(2)调幅波的解调调幅波u(t)的幅值反映调制信号Z(t)数值的变化,在调制器之后加解调器,可将被测的调制信号Z(t)与调幅波分离,并最后提取出来.解调器由乘法器和低通滤波器组成,其原理框图如图3-17 所示. 乘法器低通滤波器y(t)f(t)u(t)(t) 图3-17 解调器原理图解调器中的乘法器有两个输入信号，一个是待解调波u(t)：u(t)=EZ(t)式中E为比例常数。另一个输入信号是参考信号(t)，它应是与载波频率相同的高频信号。考虑到实际情况中与载波信号会有一个相位差，则(t)为：(t)=sin(t+)于是乘法器的输出y(t)为：y(t)= u(t)(t)=E Z(t)sin(t+) 令A=E，并根据三角函数关系，所以y(t)=AZ(t) sin(t+)=Z(t)=Z(t)cos-Z(t)当乘法器后接的低通滤波器的截止频率远小于频率2，并大于信号Z(t)的最高频率时，于是解调器的高频分量将被低通滤波器大大衰减，而只有差额信号项Z(t)cos输出，于是，解调器的输出f(t)为：f(t)=Z(t)cos该仪器的功能是生成两个幅值、相位和频率可调的正弦波，这两个正弦波一个是高频信号作为载波信号，另一个是低频信号作为调制信号。低频信号经高频载波后形成调幅波，调幅波再经巴特沃斯滤波器滤波后解调，并同时输出调幅波和解调后信号的波形。3.5.2 调幅波解调器前面板设计前面板由两个Waveform Graph控件分别显示调幅波和解调信号的波形，高频和低频信号源参数、滤波器低截止频率由用户选择。3.5.3 调幅波解调器