可重构虚拟电子测量仪器系统设计毕业论文.doc

吉林大学本科毕业论文 虚拟电子测量仪器的重构与综合可重构虚拟电子测量仪器系统设计毕业论文目录第一章 绪论61.1测试技术及电子测量仪器的发展61.1.1 测试技术的重要性61.1.2 电子测量仪器的发展61.2虚拟仪器概述71.2.1 虚拟仪器的基本概念71.2.2 虚拟仪器的发展历程81.2.3 虚拟仪器的体系架构81.2.4 虚拟仪器与传统仪器的比较91.3 课题的研究意义及内容91.3.1 课题的研究意义91.3.2 课题的研究内容10第二章 可重构虚拟仪器技术112.1 可重构仪器思想的提出112.2 软件可重构技术-虚拟仪器技术112.3 可重构仪器系统的总体结构122.4 可重构仪器系统的特点13第三章 虚拟电工表1143.1 电工表1的功能简介143.2 传统台式万用表153.3 虚拟电工表1173.3.1 虚拟电工表1的工作原理173.3.2 虚拟电工表1的软件设计183.4 虚拟电工表1与万用表的比较24第四章 虚拟电工表2254.1 虚拟电工表2的功能简介254.2 虚拟频率计的设计254.2.1 频率测量方法254.2.2 虚拟频率计的软件设计254.2.3 虚拟频率计的测试结果274.3 虚拟失真度测试仪的设计294.3.1 失真度测量原理294.3.2 虚拟失真度测试仪程序设计304.3.3 虚拟失真度测试仪测试结果324.4 虚拟功率表的设计324.4.1 功率测量原理324.4.2 功率测量软件设计334.4.3 功率仿真测量结果334.5 计算器设计34第五章 虚拟频谱分析仪的重构355.1 时域与频域关系355.2 传统频谱分析仪365.2.1 传统频谱分析仪的工作原理365.3 虚拟频谱分析仪385.3.1 虚拟频谱分析仪的工作原理及实现方法385.3.2 虚拟频谱分析仪的架构405.3.3 基于LabVIEW的软件设计415.3.4 虚拟频谱分析仪的模块设计425.3.5 虚拟频谱分析仪的测试结果示例465.3.6 虚拟频谱分析仪与传统频谱分析仪的对比49第六章 虚拟频率测试仪的重构506.1 传统频率特性测试仪506.1.1 测量的基本方法506.1.2 测量原理506.1.3 传统频率特性测试仪示例516.2 虚拟频率特性测试仪的重构526.2.1 虚拟频率特性测试仪的结构526.2.2 虚拟频率特性测试仪软件设计536.2.3 仪器面板介绍546.2.4 测试电路556.2.5 虚拟频率特性测试仪的测试结果55第七章 虚拟逻辑分析仪的设计577.1 逻辑分析仪的基本组成577.2 逻辑分析仪的发展587.3 虚拟逻辑分析仪587.3.1 虚拟逻辑分析仪的硬件电路设计587.3.2 虚拟逻辑分析仪的软件设计627.3.3 虚拟逻辑分析仪测试结果627.4 虚拟逻辑分析仪与传统逻辑分析仪的比较63第八章 综合面板设计648.1 界面设计原则648.2 LabVIEW的前面板设计648.3 虚拟电子测量仪器的前面板综合设计658.3.1 密码登陆程序设计658.3.2 综合面板设计68全文总结70参考文献71致谢73附录A74附录B75第一章 绪论本章首先介绍了测试技术的重要性，分析了电子测量仪器的发展和虚拟仪器技术对测试技术提供的支持，然后对本论文的研究目标、研究意义和主要内容做了介绍。1.1测试技术及电子测量仪器的发展1.1.1 测试技术的重要性著名科学家门捷列夫说过：“没有测量，就没有科学。”测试技术是科学研究中信息的获取，处理和显示的重要手段；是人们认识客观世界，取得定性或定量信息的基本方法；是信息工程的源头和重要组成部分。电子测试技术及仪器是指利用电子技术对电量或非电量进行测量的方法与设备。它是进行电子产品试制和开发、军事装备研究以及生产与维护运转中不可缺少的测试手段和工具。一切重大的科学技术成就都与测试技术和测试仪器有直接关系。因此，电子测试技术及仪器的水平常常是衡量一个国家科技发展和生产技术水平的重要标志，也是一个国家军事实力的重要表现。1.1.2 电子测量仪器的发展电子技术发展至今，测试仪器大体可以分为四代：模拟仪器、分立元件仪器、数字化仪器、智能化仪器和虚拟仪器。第一代是模拟仪器，这类仪器是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、指针式电压表、指针式电流表等。这类仪器借助指针来显示最终结果。第二代是分立元件式仪器，由于20世纪50年代出现电子管，60年代出现晶体管，便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代测试仪器分立元件式仪器。第三代是数字化仪器，20世纪70年代随着集成电路的出现便诞生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器数字化仪器。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适应快速响应和较高准确度的测量。第四代是智能仪器，随着电子技术的发展和微处理器应用的普及，以微处理器为核心的第四代仪器智能仪器得到了迅速发展。这类仪器内置微处理器，能进行自动测试，并具有一定的数据处理功能，可取代部分脑力劳动，其缺点是它的功能块全部都是以硬件或固化的软件的形式存在，缺乏灵活性。1.2虚拟仪器概述1.2.1 虚拟仪器的基本概念所谓虚拟仪器（Virtual Instrument,VI），是指以通用计算机作为核心的硬件平台，配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出的接口，利用仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板和相应功能，然后通过鼠标或键盘操作的仪器。虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义。（1）虚拟仪器的面板是虚拟的。虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。（2） 虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。虚拟仪器是在以PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能的。1.2.2 虚拟仪器的发展历程1986年美国NI公司首先提出的虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)概念，是计算机软硬件技术发展的产物，他是一种功能意义上的仪器。美国五家著名的仪器公司在1987年7月成立VXI联合协会，形成了相应的VXI总线规范。1997年，美国NI(National Instrument)公司将PCI总线引入仪器领域，扩展成PXI总线(PCI eXtension for Instrumentation,简称PXI)。最近几年，基于PCI、PXI总线的仪器模块或测试系统也相继问世。2004年Agilent公司和VXI科技公司在结合了GPIB和VXI优点的基础上，开发了基于以太网的LXI总线。LXI将成为新一代测量仪器的标准接口总线，基于LXI总线的自动测试系统是新一代仪器发展的方向。1.2.3 虚拟仪器的体系架构虚拟仪器系统构成如图1-1所示。无论哪种VI系统，都是将硬件仪器搭载到各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的。因而，VI的发展已经与计算机技术的发展完全同步。给定计算机运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用VI的关键在于应用软件。图 1-1 虚拟仪器的典型体系结构1.2.4 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器由高效的软件、模块化的I/O硬件和用于集成的软硬件平台组成，具有性能高、扩展性强、开发时间少、无缝集成等优势。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下一些特点,如表1-1所示。表1-1 虚拟仪器与传统仪器的比较虚 拟 仪 器传 统 仪 器功能由用户自己定义功能由生产厂商定义关键是软件关键是硬件基于软件体系，开发与维护费用低开发与维护费用高开放灵活与计算机同步，可重配置和使用封闭、固定技术更新周期短（12年）技术更新周期长（510年）与网络及其它周边设备互联方便功能单一，互联能力有限价格低、可复用、可重配置性强价格昂贵无限的显示选项有限的显示选项自己编程硬件，二次开发强无法自己编程硬件，二次开发强完整的时间记录和测试说明部分具有时间测试和说明自动化测试过程部分测试自动化1.3 课题的研究意义及内容1.3.1 课题的研究意义传统的测试系统由于其专用性强、相互不兼容、扩展性差、缺乏通用化、模块化，致使它们不能共享硬件和软件组件，这些都不仅使得开发效率难以提高，而且也使得开发一个复杂的测试系统价格非常昂贵。现实中，我们要完成某个测试任务时，通常需要许多仪器，如示波器、电压计、频率计、频谱分析仪、信号发生器等，对复杂的数字电路，还需要逻辑分析仪、动态信号分析仪等，面对各个厂家的不同测试设备，使用者需要的知识很多，而且有些仪器不仅使用频率和利用率低，且硬件存在冗余。它们不仅价格昂贵，体积大，占用空间，而且相互连接起来也麻烦，费时费力，操作不便，遇上野外抢修更是难上加难。可重构虚拟电子测量系统的研制可以实现“一套系统替代多个实验室”的目的，不仅可以降低实验教学的资金投入，而且可以使实验摆脱仿真阶段，跨入教学实验和工程实际相结合的阶段。同时，图形化的软件开发环境、丰富的数据处理包，为实验教学提供最佳支持。1.3.2 课题的研究内容本论文的主要研究内容包括：1对仪器可重构思想进行研究，提出可重构虚拟电子测量仪器系统的总体设计方案。2设计系列模块化仪器的图形化虚拟仪器应用程序。将现有各仪器综合，实现一较未完整的电子测量仪器系统（面板的综合设计）。3开发基于信号发生和信号采集卡的虚拟电子测量仪器。基于信号发生和信号采集卡，改变图形化的虚拟仪器应用程序进行仪器的软件重构，实现不同的测试功能。现在实现了频率特性测试仪，频谱分析仪。4进行部分虚拟电子测量仪器的软件开发和硬件电路设计，包括逻辑分析仪、电工仪表1（可以测量AC、DC、AV、DV以及电阻R等参数）和电工仪表2（包括频率计、功率表、Q表和失真度测试仪等）。这些仪器只实现了对模拟仿真信号的测量（利用软件产生仿真信号，采集、处理后获得所要结果显示），硬件电路部分只给出了设计方案，由于时间关系并未制作电路。第二章 可重构虚拟仪器技术本章首先提出了可重构仪器的思想，接着介绍了仪器的硬件可重构技术FPGA技术和软件可重构技术虚拟仪器技术，最后给出了可重构仪器系统应该具有的特点。2.1 可重构仪器思想的提出从传统测试仪器的设计模型来看，大都由数据采集、分析处理、人机交互等几部分组成。而传统的测试仪器一旦产出，其功能就已经确定，用户无法对其进行改变。用户为满足其测量多样性的要求，便需要购买多种专用仪器设备，造成浪费，管理困难。为此，我们把信息技术中的可重构理论引入仪器的设计中来解决这种问题。信息技术中的重构处理是指在系统中的作为硬件处理单元的可编程逻辑器件，根据系统需要对其内部结构、功能、连线重新配置，使固定的硬件实现多种可编程解法。借鉴这种思想设计的电子测量仪器将保持基本硬件结构不变，仅仅通过对软件进行部分的重新配置来实现对不同任务的测量和分析。2.2 软件可重构技术-虚拟仪器技术软件可重构技术是现代软件设计工程中重要的一种设计方法，这种设计方法的对象是传代软件系统，所谓传代软件系统是指那些经过长时间运行的软件系统。随着时间的推进，各种软件新技术不断出现，形成了对这些传代软件系统的巨大冲击，传代软件系统面临着如何适应新需求的问题。软件可重构技术的提出就是为了解决这个难题。具体的说就是要求上位机的测控软件能够根据测控任务的变化可重构，随着软件技术的发展，实现上位机测控软件可重构可供选择的方法有很多，目前软件可重构技术的典范是虚拟仪器技术和组态软件技术。虚拟仪器是计算机技术和仪器技术结合的产物。它把计算机、仪器硬件、固件与计算机软件结合起来。除继承传统仪器的已有功能外，还增加了许多传统仪器所不能及的先进功能。用户在使用过程中可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且能充分利用计算机丰富的软硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、表达、传送、存储方面的限制。虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素。虚拟仪器中硬件功能是获取被测的物理信号，提供信号传输的通道；软件则是实现数据采集、分析、处理、显示等功能。2.3 可重构仪器系统的总体结构系统采用模块化的设计思想，将一些通用的测试测量仪器进行模块化，并按照一定的规范集成到一个3U机箱中。系统采用“一个控制器+多个功能模块”的方式，通过控制器模块控制各功能模块的工作。控制器模块通过USB2.0接口实现和计算机的通信。用户只要在计算机上编写相应程序，就可以通过USB实现对仪器的控制，获取所需要的数据，再对数据进行处理，完成用户指定的测试功能。图2-1为系统的总体结构图。图2-1 系统总体结构图测试时，用户可以针对不同的测试目的，在测试平台上搭建必要的信号调理电路，利用测试系统产生激励信号并对关心的信号进行采集，利用计算机进行数据处理，获取测试结果。2.4 可重构仪器系统的特点如果某一仪器系统能够利用可重用的硬件资源和软件资源，根据不同应用的需求，灵活的改变自身的体系结构，以便为每个特定的应用需求提供与之相匹配的体系结构，那么该计算系统的体系结构称为可重构的仪器体系结构。基于软硬件可重构技术的可重构仪器系统在设计思路上完全不同于传统的系统设计。从可重构制造系统的研究现状以及可重构技术在其它领域的研究现状的来看，可重构系统应具备以下特点：1.模块化。可重构系统中的所有部件必须是模块化的，包括所有的硬件、软件都采用模块化设计。若有必要，各部件可以更换而不必改动整个系统。从而使得系统易于维护并降低了成本。2.集成性。为了使整个系统结构清晰，系统集成方法和原则便于使用和维护，有必要建立起一系列这些方法和原则，应包括整个系统以及部分控制单元。3.可转换性。系统的可重构性要求可以利用已有的软硬件资源来实现不同的功能产品，同时，在改变功能时应尽量缩短时间。因此要求系统的软硬件模块必须具有快速转换的能力。4.具体化。为降低成本，可重构系统应该设置成适用于系列化的功能产品，而不是面向各种各样的广泛功能产品。第三章 虚拟电工表1本章首先介绍了虚拟电工表1的功能及用途，并简单介绍了传统电压表发展以及设计思想，接着介绍虚拟电工表1的软件设计虚拟仪器技术，给出了测试结果，并对传统万用表与虚拟电工表1的各自的特点进行了比较。3.1 电工表1的功能简介虚拟电工表1是按照万用表的功能设计的，其功能和台式万用表基本相似。在PC配合下处理数据能力强，分析软件功能强大，可以按照用户的配置可以完成对信号的自动测量和分析。也就是说他是一个可编程的智能仪器。它的功能如下:l)可以对大部分信号量进行测量，如:直流电压（DC V）、交流电压（AC V）、直流电流（DC A）、交流电流（AC A）、电阻。对电压及电流的测量包括平均值、有效值以及峰峰值等等。2)它对每个信号量都具有多个量程，系统可以自动切换到最理想的量程上工作。3)下位机可以完成部分的数据存储，上传功能。4)巡检:系统可以配合上位机软件的设置，按照提前设置好的方式来工作，并且可以持续不断的对前段某个信号进行测量，测量过程中人可以离开，数据可以自动的上传到PC上显示分析。5)高速数据采集:万用表数据采集最高频率可以达到50k，这是我们可以把万用表当作一个慢速的数据采集卡来使用，配合上位机软件，数据不断上传并且用图形方式显示。系统可以认为是一个慢速的示波器。6)上位机软件还可以完成数据的分析显示等功能。7) 测量结果有指针和数字双向显示功能。8)虚拟电工表1还具有数据存储记录与回放显示的功能。3.2 传统台式万用表传统万用表经历了有模拟到数字的转变，现在所使用的多数都是数字式台式万用表。在电子测量领域中，电压量是基本参数之一。电压、电流和功率是表征电信号能量大小的三个基本参量。在集中参数电路里，测量的主要参数是电压。此外，许多电参数，如频率特性、失真度、灵敏度等都可视为电压量的派生量。各种电路工作状态，如饱和、截止及动态范围等都以电压的形式反映出来。而电子设备的各种控制信号、反馈信号等信息也主要表现为电压量。因此电压测量是其他许多点参量测量的基础。因此，在这里以传统数字式台式万用表为例，介绍一下电压测量的原理与发展。一、电压测量的数字化方法数字化测量是将连续的模拟量转换成断续的数字量，然后进行编码、存储、显示及打印等。进行这种处理比较方便的量是直流电压和脉冲（或交流）频率，对应的测量仪器是数字电压表（DVM）和电子计数器（一般称为计数式频率计）。二、智能型DVM和DMM的工作原理智能型DVM是利用模/数（A/D）转换原理，将被测的模拟量转换成数字量，并将转换结果送入单片机进行分析、运算和处理，最终以数字形式显示出来的一种测量仪表。而各类智能型DVM的区别主要是模/数（A/D）转换方式。A/D转换包括对模拟量采样，再将采样值进行量化处理，然后通过编码实现转换的过程。因而，根据仪表内部使用A/D转换器的转换原理的不同， 可构成不同类型的智能型DVM。 数字化多用表（DMM）是指除能测量直流电压外，同时还能测量交流电压、 电流和电阻等参数的数字测量仪器。其组成框图见图3-1。 图3-1智能型DMM框图 四、智能型DMM举例以数字万用表VC9808+为例，如图3-2。该仪表可进行如下测量：（1）交直流电压、交直流电流、欧姆、频率、电容测量（2）短路蜂鸣测试、二极管测试测试（3）dBm、热电偶、热电阻测量、（4）最大值、最小值、平均值，相对值测量（5）测量显示4000字，基本精度为0.2%（6）测量速率3次/秒，模拟条刷新速率10次/秒（7）可选择手动式或自动量程（8）测量值显示保持、自动保持、峰值保持，（9）1ms峰值保持采样，可捕获尖脉冲（10）可选择502400的10种参考阻抗的分贝测量图3-2数字万用表VC9808+3.3 虚拟电工表13.3.1 虚拟电工表1的工作原理虚拟电工表1是按照万用表的功能设计的，其工作原理框图如图3-3所示。被测信号输入下位机硬件系统经过适当的放大，滤波，测量量最终都被转化为交流的电压量被ADC采集并且运算。运算后的数据通过USB接口上传给PC。PC部分负责信息的显示以及对下位机的控制。下位机系统负责数据的采集，运算和对硬件系统的基本控制。因为其本身也具有一定的数据运算以及处理能力，所以下位机硬件嵌入MCU操作系统，它响应上位机给的指令。上位机系统就是PC系统，硬件就是PC机，软件就是在操作系统上开发的上位机控制显示界面（基于LabVIEW的开发）。它负责对下位机的控制，数据显示，分析等功能。整个系统通过USB接口完成数据传输。图3-3 电工表1的原理框图3.3.2 虚拟电工表1的软件设计一、虚拟电工表1的软件流程图3-4电工表1的软件流程图二、虚拟电工表1的程序设计1.电工表1的测量主程序本设计是对基于LabVIEW产生的模拟输入量进行测量，图3-5为测量的程序，该部分包括模拟被测信号的产生以、信号大小设置、测量信号类型选择、量程的选择、模拟和数字显示以及测试部分程序。图3-5电工表1的测量主程序模拟被测信号的产生：在LabVIEW软件中，有图标，它是用来产生0到1之间的双精度浮点数，产生的数大于0小于1，呈均匀分布。这样，就可以利用它与条件结构结合来产生任意范围的模拟量输出，如图3-5中红色圈出部分所示，是将随机数与选择的常量做乘法得到的。测量信号类型选择与量程选择：量程与测量范围（单位）选择是通过索引数组来实现的，其程序图标为，将n维数组中所需要的索引出来组成一新数组（子数组），如图3-5中绿色圈出部分所示，将索引后的子数组在前面板显示出来。等待、延时程序设计：在LabVIEW软件中，有图标，它的作用是等待设定时间长度（毫秒数），并返回毫秒计时器的值，将0链接到毫秒计时值输入可迫使当前线程放弃对CPU的控制。这样我们可以设置延时程序为，即延时400毫秒。循环程序设计：在LabVIEW软件中，有许多循环程序，在这里主循环程序是用的While循环（死循环），如，只要在前面板不点击停止按钮，程序将一直运行，即电工表1处于工作状态。有效值、平均值、峰峰值测量：基于LabVIEW的信号测量也是十分方便的，有许多测量模块，如最大值最小值测量，交流和直流分量测量，均方根测量，幅值和电平测量等等。2.电工表1的数据存储程序本设计是对最近测量的十次数据进行自动保存，也可以将所需要保存的数据进行点击保存（无次数限制）。其程序如图3-6电工表1的数据存储。图3-6电工表1的数据存储程序这部分程序设计主要有两点，一个是替换数组子集的应用，另一个是时间结构的应用。替换数组子集，可以将想要保存的数据组成一新数组保存起来，保存数量可以自行设定。事件结构，它包括一个或多个子程序框图，或事件分支，但执行时只有一个在执行。3.电工表1的存储数据回放程序本设计可以对最近测量的十次数据进行回放显示，也可以对点击保存的所有数据进行回放显示，回放包括数据显示以及波形显示。其程序如图3-7电工表1的数据回放显示。图3-7电工表1的数据回放显示程序三、虚拟电工表1的测试结果1.电工表1的前面板基于LabVIEW设计的虚拟电工表1前面板如图3-3-2-5所示。面板上包含测量量类型的选择、量程的选择、模拟输入信号大小设置、数字显示、模拟表盘显示以及数据保存和回放的选择按键等等。仪器面板介绍：如图3-8所示，图中标记处为仪表的数字显示区；标记处为仪表的模拟表盘显示部分；标记处为仪表的开关；标记处为仪表的功能栏，即仪表功能选择，针对不同的被测量来选择仪表功能；标记处为仪表的测量范围选择，即量程档位选择；标记处为仪表的模拟输入值设定；标记处为仪表的数据存储和回放显示开关，当点击数据回放显示按钮时即立刻弹出之前所保存的数据，如图3-9所示。图3-8电工表1的前面板图3-9 存储数据回放显示2.电工表1的测试结果示例基于LabVIEW设计的虚拟电工表1操作界面方便而且美观，以下为对不同模拟输入量的测试结果示例。图3-10到图3-14分别为直流电压、交流电压、直流电流、交流电流测量结果显示。 图3-10电工表1的直流电压测量 图3-11电工表1的交流电压测量 图3-12电工表1的直流电流测量 图3-13电工表1的交流电流测量图3-14电工表1的电阻测量3.4 虚拟电工表1与万用表的比较虚拟电工表1是采用虚拟仪器技术设计的仪表，因此其必然具有虚拟仪器的优点，例如更新速度快、费用低、功能可由用户自定义并具有数据存储回放的一些传统仪器所不具备或很少具备的功能。表3-1为虚拟电工表1与模拟万用表和数字万用表的一些功能的比较。表3-1 虚拟电工表1与传统万用表的功能对比项目模拟万用表数字万用表虚拟电工表1测试功能基本功能基本功能用户自定义测试误差一般较精确精确校准需调零不需要不需要数据存储无无/少数有有数据回放无无/少数有有结果显示指针数字指针和数字更新速度慢较快快更新方式硬件硬件软件更新及维护费用高高低由该表我们可以看出，虚拟电工表1与传统的模拟及数字万用表相比具有突出的优点。从这一小小的仪表设计，我们也可以领悟到，采用虚拟仪器技术设计的仪器，是测试测量仪器发展史上的又一次新的飞跃，虚拟仪器是智能仪器的新的发展方向。第四章 虚拟电工表2本章首先介绍了虚拟电工表2所具有的功能，接着对各个功能仪器的设计进行了详细介绍。本章所设计的仪器重在实现仪器功能，主要进行了软件及面板设计，部分仪器是对仿真信号进行测量。4.1 虚拟电工表2的功能简介虚拟电工表2所包含的仪器主要有：频率计、失真度测试仪、功率表以及计算器。失真度测试仪可以对外部输入信号进行测量；频率计和功率表实现对软件产生的模拟信号进行测量；计算器是按照标准计算器设置实现了基本预算功能。4.2 虚拟频率计的设计在现代化的工业生产、科学研究等领域中，频率的测量是很普遍的，它是电子测量领域最基本的测量之一，由于频率信号抗干扰性强、易于传输、测量准确度较高，因此许多非频率量的传感信号都转换为频率量来进行测量和处理，频率测量方法也愈来愈引起关注和研究。4.2.1 频率测量方法传统的频率测量方法有：周期测量法、频率测量法以及等精度测试法。基于LabVIEW的频率测量大体上有以下三种方法：三点法、计数法和频率估计法。详细测量原理及方法将在软件设计中进行介绍。4.2.2 虚拟频率计的软件设计1、三点法测频基于LabVIEW的三点法频率测量应用了线性拟合模块，通过最小二乘法、最小绝对残差或Bisquare方法返回数据集（X、Y）的线性拟合的斜率和截距。该程序还用到了For循环，通过索引数组大小来确定循环次数，具体程序如图4-1所示。图4-1 三点法测频程序2、频率估计法测频频率估计法测量频率，是基于自功率谱与频率估计测量模块实现的。应用起来很简单，不需要我们去编写繁琐的C程序，只要将两个测试模块用线链接起来即可，如图4-2所示。图4-2 频率估计法测频程序3、计数法测频 计数法测量频率是子常见的测试方法，在LabVIEW中也有相应的测试模块可供使用，程序如图4-3所示。图4-3 多周期平均计数法测频程序4.2.3 虚拟频率计的测试结果 2 1 4 53图4-4 采样频率与信号频率不成整数倍关系三种方法测量结果图中1区为被测信号波形显示（测试信号由软件产生）；2区为输入信号和采样信号设置；3区为三点法测量数据及误差显示；4区为计数法测量数据及误差显示；5区为频率估计法测量数据及误差显示。由测试结果可以看出，当采样频率与被测信号频率不成整数倍关系时三点法测量误差计数法测量误差计数法测量误差频率估计法测量误差。由此可见，我们对不同的信号采取不同的测试方法，可以得到更加准确的测试结果。4.3 虚拟失真度测试仪的设计4.3.1 失真度测量原理1.传统失真度测试仪原理传统测量非线性失真的方法有很多种：一种方法是基波抑制法（单音法），可通过抑制基波的网络来实现；另一种方法是交互调制法（双音法），对被测设备输入两个正弦信号，测量其交调失真度。因为非正弦波可以视为若干个不同频率的正弦波的叠加，当两个频率不同的正弦波叠加后通过一个非线性网络，不仅会产生他们各自的谐波分量，而且还会产生交叉调制成分，所以用这种方法测量非线性失真更接近实际情况，多用于要求较高的接收设备；再一种方法是白噪声法，它是一种比较新的测试方法。因为上述双音法仅仅取两个正弦信号的叠加，而实际情况是多种不同频率、不同幅值正弦信号的叠加，所以用白噪声信号进行测量可以获取被测设备通频带内任何频率分量所产生的谐波或交调结果，测量准确度比较高。一般情况下多用第一种方法，其原理框图如图4-7，图中基波抑制网络即带组滤波器，将基波电压分量滤除。衰减器基波抑制网络有效值电压表图4-7 基波抑制法原理图2.虚拟失真度测试仪原理虚拟失真度测试仪采用频谱分析法，其工作原理为：首先按照设置的采样频率对被测信号进行采样，根据采样数据测算被测信号周期；然后对采样数据进行截取并对截取的数据进行傅里叶变换得到被测信号频谱；将其中的基波幅度及各次谐波幅度代入谐波失真度定义式，便得到被测信号的谐波失真度LabVIEW的函数库中的谐波失真度分析模块(Harmonic AnalyzerVI)专门用于计算信号的谐波失真度根据谐波失真度的定义，调用该模块和其他相关分析模块，即可完成虚拟谐波失真度测试仪。4.3.2 虚拟失真度测试仪程序设计LabVIEW中提供了谐波失真分析模块，使得失真度分析大大简化，应用该模块进行程序设计如图4-8所示。图4-8 失真度测试仪的程序根据以上程序制作的失真度测试仪存在10%左右的测量误差，不能满足高精度的测量要求。其主要原因是频谱泄漏以及叠加在信号上的干扰所引起的，要设计一高精度的失真度测试仪就要解决这两个影响因素。对此，我们可以采用频率跟踪和均值滤波技术。其流程如图4-9.图4-9 高精度失真度测试仪的工作流程图频率跟踪技术即首先精确地测量出被测信号的周期(频率)，然后根据测得的信号周期对采样频率进行实时调整，使得单位信号周期内的采样点数始终为2n 。该技术可以将非整周期部分的采样点数r限制在1内，从而最大程度地抑制频谱泄漏。使非整周期采样所引入的测量误差降到最低程度。同时，频率跟踪技术可实现对被测信号的一个周期采样2n次，于是在进行频谱分析时，可以用快速傅里叶变换取代离散傅里叶变换。使运算速度大幅度提升，同时也弥补了频率跟踪过程中测量信号周期所耗费的时间。当r=1时，采样点数越多，频谱泄漏越小，谐波失真度分析的精度就越高；然而采样点数越多。频谱分析时间也越长。而且当采样点数多到一定程度时，r对测量精度的影响不再明显。综合这两点因素我们可选取适当采样点数来测量。4.3.3 虚拟失真度测试仪测试结果6 35 3 2 1 4 3图4-10虚拟失真度测试仪的测试结果上图是对实际输入信号（1.4K的锯齿波）进行的谐波失真度分析，谐波电平在下方数字显示，图形为自功率谱。面板介绍：图中1区为被测信号自功率谱显示；2区为被测信号谐波电平数字显示；3区为窗函数设置部分；4区为基频测量数据显示及总谐波失真度数字显示；5为失真度测试仪的开关；6为虚拟电工表2的总开关。当5、6两个开关同时开启后，虚拟失真度测试仪开始工作。4.4 虚拟功率表的设计4.4.1 功率测量原理通常功率测量的方法是：通过测量已知负载电阻两端的电压U，并利用关系式P=U2/R计算功率的方法来测量功率。本设计是仿照电能质量监测仪的功能原理，设计的一单向功率测量仪，根据公式P=U*I,根据电压和电流的波形，测得相位差及有功功率。4.4.2 功率测量软件设计图4-11虚拟功率表的程序框图功率测量程序如图4-11所示，根据有功公式P=UI*cos编写程序，均方根由框图进行测量。4.4.3 功率仿真测量结果 4 36 35 32 1 1图4-12虚拟功率表的测试结果面板介绍：图中1区为被测信号电压、电流信号波形（软件模拟产生）；2区为测量结果数字显示；3区电压信号设置部分；4区电压信号设置部分；5为功率表的开关；6为虚拟电工表2的总开关。4.5 计算器设计当我们进行数据测量时，必然会进行数据的记录与计算。本计算器面板设计就是为了更方便使用本虚拟电子测量仪器。面板包含计算器功能，并另设草纸记录区，方便记录与运算。其程序框图如图4-5-1所示，测试结果如图4-13所示。图4-13计算器的程序框图计算器程序很简单，主要用到LabVIEW的基本运算符号编写，如、。5 342 11 13 3图4-14计算器的测试结果面板介绍：图中1区为计算结果显示部分；2区为计算器按键部分；3计算器开关；4区草纸区；5为虚拟电工表2的总开关。第五章 虚拟频谱分析仪的重构本章首先介绍了时域与频域的关系，接着介绍了传统频谱分析仪的设计思想、仪器功能及使用情况，主要讲述虚拟频谱分析仪的重构虚拟仪器技术，给出了传统频谱分析仪与重构的虚拟频谱分析仪各自的特点并进行了比较。5.1 时域与频域关系对于一个电信号，可以用它随时间的变化情况来表示。各种电子示波器实现的波2形测试方法则属这一类，一般称它为时域分析方法。另一类是用信号所含的各种频率分量（频谱分布）来表示的，由频谱分析仪来测量，一般称它为频域分析方法。这里所说的“谱”，系只按一定规律列出的图表或绘制的图像。诸如音乐的乐谱，京剧演员的脸谱，等等。频谱是指信号按频率顺序排列起来的各种成分，当只考虑其幅值时，称为幅度频谱，简称频谱。对于任意电信号的频谱所进行的研究，称为频谱分析。一个周期信号，由基波和各次谐波等组成。其频谱表示如图5-1-1所示。图中每一根纵线的长短代表一种正弦分量幅值（模）的大小，并且只取正值。称这些纵线为“谱线”。既然时域和频域两种分析方法都能表示同一信号的特性，那么他们必然是可以互相转换的。时域分析是研究信号的瞬时幅度u与t的关系，而频域分析是研究信号中各频率分量的幅值A与频率f的关系。将二者画在一个图上即可看出他们之间的内在联系，如图5-1-2所示。 图5-1 周期信号的频谱图 图5-2 时域与频域的关系示意图从上可以看出，时域分析与频域分析虽然可以用来反映同一信号的特性，但是它们分析的角度是不同的，各有适用场合。5.2 传统频谱分析仪5.2.1 传统频谱分析仪的工作原理频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器，外观如图5-3 所示，面板上布建许多功能控制按键，作为系统功能之调整与控制，系统主要的功能是在频域里显示输入信号的频谱特性。图5-3扫瞄调谐频谱分析仪原理框图频谱分析仪依信号处理方式的不同，一般有两种类型；实时频谱分析仪(Real-Time Spectrum Analyzer)与扫瞄调谐频谱分析仪(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer)。实时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器(Detector)，再经由同步的多任务扫瞄器将信号传送到CRT 屏幕上，其优点是能显示周期性杂散波(PeriodicRandom Waves)的瞬间反应，其缺点是价昂且性能受限于频宽范围、滤波器的数目与最大的多任务交换时间(Switching Time)。信号流程架构如图5-4 所示。图5-4扫瞄调谐频谱分析仪原理框图最常用的频谱分析仪是扫瞄调谐频谱分析仪，其基本结构类似超外差式接收器，工作原理是输入信号经衰减器直接外加到混波器，可调变的本地振荡器经与CRT 同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振荡频率，经混波器与输入信号混波降频后的中频信号（IF）再放大、滤波与检波传送到CRT 的垂直方向板，因此在CRT 的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系，信号流程架构如图5-5所示。图5-5实时频谱分析仪原理框图5.3 虚拟频谱分析仪虚拟频谱分析仪改变了传统频谱分析仪的整体设计思路，用软件代替了硬件。可以轻松完成信号的采集、处理及频谱分析。虚拟信号频谱分析仪应可以接收来自数据采集卡、其他仪器的数据，也可以实现典型信号的产生，并经FFT处理后获得频谱分布图。其主要功能应包括：数据采集与控制、信号分析和处理、数据文件存储和读取。在设计过程中也是基本上遵循模块化设计思想，根据所需的不同功能分别组建各种功能模块，最后再集成和调试。下面对仪器工作原理及各个功能模块的设计思想作简要介绍。5.3.1 虚拟频谱分析仪的工作原理及实现方法本设计采用的是数字处理式频谱分析原理，以美国NI公司的LabVIEW软件为开发平台。工作流程如下：连续时间信号经过采样将变为离散时间信号利用LabVIEW 强大的数字信号处理功能，对数据进行滤波、加窗、FFt运算处理，得到信号的幅度谱、相位谱以及功率谱等结果。在采样过程中对不同的频率信号，选用合适的采样速率，以满足采样定理从而防止频率混叠。进行傅立叶变换的数据在理论上应为无限长的离散数据序列。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，只取采样时问内有限数据。这样就存在频谱泄漏。在本设计中用加窗的方法来减少频谱泄漏。这里分别用到矩形窗、汉宁窗、哈明窗、布来克曼窗等窗函数。由于取样信号中混叠有噪声信号为了消除干扰，在进行FFT变换之前，要先进行滤波处理。本设计采用了巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、椭圆(Ellipse)、贝塞尔(Besse1)等滤波器。5.3.1.1 信号频谱分析基础傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具了，它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解复杂信号的频率成分和幅值。信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)。时域信号x(t)的傅立叶变换为: 式中X(f)为信号的频域表示，x(t)为信号的时域表示，f为频率。5.3.1.2快速傅里叶变换(FFT)快速傅里叶变换是对DFT的算法进行改进获得的。能在工程实际中用来减少计算次数，缩短计算时间的快速算法。简称FFT。当信号的采样点数是2的幂时，就可以采用这种方法。LabVIEW提供了FFT图标，可供直接调用进行快速频谱分析。问题在于如问选取采样时间问隔Ts，取多少个采样点N，截取长度t0应为多大，以保证频率分析的精度。1.栅栏效应对于一个无限长的信号，其频谱是连续的，要利用计算机对它进行频谱分析时，必须将它截断，使其成为有限长度为tp的信号。经过有限截取的信号就转化为周期为tp的周期信号。相应的，频率由原来的连续谱变为离散谱。于是在离散谱之间的频率分量就被“挡住”而丢掉，这就相当于透过栅栏观赏风景，只能看到频谱的一部分，而其它频率点看不见，由于用数值方法只能算出连续频谱中N个抽样点处的值，因此很可能使一部分有用的频率成份被漏掉，它不能代表频谱的完整分布，这一现象称为栅栏效应。例如，截取信号长度为tp=0.5s，则可获得谱线的频率为2Hz(基波)，4Hz，6Hz，SHz，10112，12HZ，如果信号有5Hz的峰值分量，则被栅栏挡住而无法检验出来。这种情况可以通过提高频率的分辨率F来改善:F=1/NT增大T将会减小采样频率，故需注意必须保证满足采样定律。增大N，要满足2n=N的要求。对于某些衰减信号可以采取补零来增加N的数值。2.泄漏时域无限长信号X(t)被截断，相当于用矩形窗函数。(t)=1(Tt0)或0(其他)与x(t)相乘，窗外时域信息全部损失，导致频域增加频率分量的现象。5.3.2 虚拟频谱分析仪的架构本设计为一双通道虚拟频谱分析仪，是由计算机(应用LabVIEW8.2软件开发)、数据采集硬件板卡 (前置程控放大、高速数据采集、CPLD逻辑控制等)以及数据通信接口总线（选用支持USB2.0接口的 EZ-USB FX2系列芯片）组成，总体设计框图如图5-6所示。输入信号前置程控放大电路双通道数据采集USB数据通信模块基于LabVIEW软件处理PC机存储与显示逻辑控制单元输入信号图5-6 虚拟频谱分析仪设计框图被测信号通过放大、滤波、隔离等处理，调理后的信号经数据采集卡进行AD转换，将模拟信号转换为数字信号，最后由控制软件对测试信号进行频谱分析和处理，得到测试结果，并按要求显示和存储结果。本设计采用吉林大学仪器科学与电气工程学院自主研制的“VIETS虚拟仪器实验教学系统”中数据采集卡VI-5102进行数据采集，实现了仪器的重构。它有两个模拟输入通道，支持两路单端或差动模拟信号输入；具有双8位的连续AD转换， 3个10位的定时计数器。允许系统设置DMA、中断和基本的输入输出地址，避免了同系统中的其它板卡的地址冲突。最大抽样速率为40MSs，输入信号范围为-5V+5V或OV10V。另外，它还具有两个模拟输出通道。采集数据通过USB总线上传至上位机进行数据处理。5.3.3 基于LabVIEW的软件设计5.3.3.1 软件开发平台本设计采用的是美国NI公司的LabVIEW平台。LabVIEW是基于图形化编程语言C的开发环境。它通过建立和连接图标来构成虚拟仪器程序，而无需像传统的文本编辑形式那样，编写源代码来实现。LabVIEW虚拟仪器程序简称为VI，主要包括三个部分：前面板、框图以及图标、连接器，其中前面板是VI的交互式用户界面，是用户和程序代码发生联系的窗口；框图是VI的源代码，是由图标、连线等符号组成；图标和连接器则用来指定数据流进流出的路径，图标是VI的图形符号，连接器则对输入和输出进行定义。完整的LabVIEW程序设计包括前面板设计、框图程序设计、程序调试以及可执行程序生成。5.3.3.2 软件流程组建虚拟频谱分析仪系统的关键是软件编程， 即根据功能要求编制相应的功能模块，基于LabVIEW8.2调用动态链接库采集波形数据，实现通信，将采集到的数据进行软件处理，实现频谱分析的功能，软件流程图如图5-7所示。图5-7 虚拟频谱分析仪的软件流程5.3.4 虚拟频谱分析仪的模块设计5.3.4.1 频谱分析功能模块频谱及幅相谱的定义：设为一功率有限信号，其傅氏变换