毕业设计（论文）-基于labview的频率特性测试仪设计

河南科技大学毕业设计（论文）I基于LABVIEW的频率特性测试仪设计摘要在电子测量中，信号频率方面的测试占很重要的地位。会经常遇到对网络的阻抗特性和传输特性进行测量的问题，其中传输特性包括增益特性、衰减特性、幅频特性、相频特性等。用来测量上述特性的仪器称为频率特性测试仪。本设计基于LABVIEW的频率特性测试仪就是完成对上述参量的检测。本文首先从系统所要实现的基本功能出发，介绍了总体方案及相应技术指标，论述了扫频测量的基本原理，包括系统动态特性的函数表征、系统动态特性测试方法、激励信号的产生与控制等。本设计基于虚拟仪器思想和频率特性分析相关理论，提出了用虚拟仪器方式开发频率特性测试仪的新思路。设计的目标就是用美国国家仪器公司提供的虚拟仪器开发平台LABVIEW，并结合相应的硬件环境，实现一个实用性较强的虚拟频率特性测试仪。设计的频率特性测试仪包括三部分（1）数据采集；（2）数据分析与处理；（3）存储、显示和打印。设计的内容从仿真和硬件两方面都调试通过。其中，硬件方面是通过搭建滤波电路作为外部系统实现的。关键词虚拟仪器，LEABIEW，扫频测量，频率特性河南科技大学毕业设计（论文）IIDESIGNOFFREQUENCYCHARACTERISTICTESTINSTRUMENTBASEDONLABVIEWABSTRACTINELECTRONICMEASUREMENT,THEFREQUENCYOFMEASUREMENTISAVERYIMPORTANTPARTWEWILLOFTENENCOUNTERTHENETWORKIMPEDANCECHARACTERISTICSANDTRANSMISSIONCHARACTERISTICSOFTHEMEASUREMENTTHETRANSMISSIONCHARACTERISTICSINCLUDETHEGAINANDATTENUATIONCHARACTERISTICS,AMPLITUDEANDFREQUENCYCHARACTERISTICSOFPHASEFREQUENCYCHARACTERISTICSTHEAPPARATUSUSEDTOMEASURETHECHARACTERISTICSAREKNOWNASTHEFREQUENCYCHARACTERISTICSOFTESTINGEQUIPMENTHEREAIMOFTHEFREQUENCYCHARACTERISTICSTESTINSTRUMENTWEDESIGNBASEDONLABVIEWISTHECOMPLETIONOFPREVIOUSPARAMETRICTESTINGTHISPAPERFIRSTLYREALIZESTHEBASICFUNCTIONS,THENONTHEHARDWAREPLATFORMSOFCONSTRUCTIONTHESOFTWARESYSTEMDESIGNANDIMPLEMENTATIONAREPAIDATTENTIONINTHISPAPERWEDISCUSSTHEBASICPRINCIPLEOFTHESWEEPCHECK,INCLUDINGTHEDYNAMICCHARACTERISTICSOFTHEFUNCTIONCHARACTERIZATION,THEDYNAMICCHARACTERISTICSTESTMETHODS,ANDEXCITATIONSIGNALFORTHESELECTIONANDCONTROLBASEDONVIRTUALMACHINESDEFINATIONANDFREQUENCYANALYSISOFTHERELEVANTTHEORIES,FREQUENCYCHARACTERISTICSTESTVIRTUALINSTRUMENTSISINTRODUCEDTHEOBJECTIVEISTOBYUSEOFLABVIEWTHEUNITEDSTATESSTATEEQUIPMENTCOMPANIESPROVIDETHEPLATFORMFORTHEDEVELOPMENTOFVIRTUALINSTRUMENTS,ANDCOMBINEWITHHARDWAREENVIRONMENT,ASTRONGFREQUENCYCHARACTERISTICOFVIRTUALINSTRUMENTSYSTEMISREALIZEDTESTFREQUENCYDESIGNCANBEDECOMPOSEDINTOTHREEPARTS1DATACOLLECTION2DATAANALYSISANDPROCESSING3STORAGE,DISPLAYANDPRINTRESPECTIVELY,FROMTHEDESIGNOFBOTHSIMULATIONANDHARDWAREDEBUGGINGTHROUGHAMONGTHEM,THEHARDWAREISSETUPTHROUGHTHEFILTERCIRCUITIMPLEMENTEDASANEXTERNALSYSTEMKEYWORDSVIRTUALINSTRUMENT,LEABIEW,SWEEPCHECK,FREQUENCYCHARACTERISTIC河南科技大学毕业设计（论文）III河南科技大学毕业设计（论文）IV目录前言1第1章概述211虚拟仪器的基本概念212虚拟仪器的结构及分类213虚拟仪器的特点314研究设计虚拟频率特性测试仪的意义3第2章频率特性分析421频率特性的基本概念422频率特性的时域分析423频率特性的频域分析5第3章系统总体方案设计631虚拟频率特性测试仪的总体结构632扫频仪测量原理633用虚拟仪器实现的扫频仪的测量原理7第4章系统硬件设计841数据采集卡8411数据采集卡介绍8412对数据采集转换盒的改装842滤波电路的设计与搭建10第5章系统软件设计1251软件模块总体结构1252数据采集模块1253激励信号产生模块1454信号谱分析模块1455滤波处理模块1556数据保存模块1657打印结果模块16河南科技大学毕业设计（论文）V58前面板设计17第6章软件使用说明书20第7章软件测试分析报告2371仿真调试2372硬件调试28第8章项目开发总结31结论32参考文献33致谢35附录36河南科技大学毕业设计（论文）1前言频率特性测量在现代电子测量中占有重要位置，其原理就是将网络的响应信号与激励信号在频率上的对应幅值相比，对应相位相减。运用扫频技术的频率特性测试仪简称扫频仪可以对被测网络进行快速的动态测试，得出被测网络的阻抗和传输特性的实时测量结果。电子测试与测量仪的发展大至经历了模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器等几个过程。电子科技的飞速发展，传统的频率特性测试仪已经无法完全满足科研人员的需要。对于数字化、智能化高性能频率特性测试仪的需求量日益增大。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机深层次的结合使得测试仪器领域出现了一种全新的仪器结构即虚拟仪器VIVIRTUALINSTRUMENT。近年来，虚拟仪器技术发展很快，基于虚拟仪器技术的各种测试设备不断涌现。扫频信号源频率源是扫频仪的重要部件，主要用于产生正弦扫频信号，其扫频范围是可调的，扫频规律是线性的或对数的，输出扫频信号的幅度应是等幅的。频率源的性能直接影响着扫频仪的性能好坏，频率源主要采用频率合成的方法，其性能是伴随着频率合成技术的进步而发展的。从早期的直接式频率合成技术到第二代锁相式频率合成技术，直到目前较先进的直接数字式频率合成技术DDSDIRECTDIGITALSYNTHESIS，经历了三个发展阶段。DDS较之以前的频率合成技术具有频率转换时间极短、频率分辨率极高、输出相位连续、可编程、全数字化、易于集成等突出优点。因此，它得到越来越广泛的应用，成为当今现代电子系统及设备中频率源的首选。本设计应用正在蓬勃发展的虚拟仪器技术，即利用微型计算机强大的软件功能和环境进行频率特性测试仪扫频仪的研究与开发。在NI公司的虚拟仪器开发平台LABVIEW上，研制一种新型的基于虚拟仪器技术的频率特性测试仪，这种新型仪器将充分利用计算机软、硬件资源，一台仪器可代替原来的频率特性仪和示波器两台仪器，具有强大的处理能力，及其新颖、清晰的图形曲线显示，方便的数据输出、打印功能等，具有操作方便、性价比高等优点，可以更好地满足科研和工程设计的需要。河南科技大学毕业设计（论文）2第1章概述11虚拟仪器的基本概念虚拟仪器VIRTURALINSTRUMENT，VI是用户在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台自己设计的测试仪器一样。虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的工作模式，使用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器。“软件就是仪器”是虚拟仪器技术最核心的思想，其目标是在测试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。VI技术以PC机为基础，和其他传统仪器相比，具有通用性好、可扩展性强、可靠性和自动化程度高，以及数据表达方便灵活等优点1。12虚拟仪器的结构及分类在功能上来讲虚拟仪器与传统仪器是一样的，但它又是由硬件平台和应用软件两部分组成。结构组成由图可知是包含数据采集与控制、数据分析和处理、结果表达三个功能模块组成。采集与控制数据处理和分析结果表达图11虚拟仪器的内部功能划分常用的虚拟仪器开发系统有四种，LABVIEW、LABWINDOWS、VISUALC和VMIDS等等。本文使用LABVIEW完成。LABVIEW是美国国家仪器公司（简称NI）推出的一种图形化软件编程环境，作为世界上最优秀的虚拟仪器软件开发平台，在测控领域应用越来越广泛，利用NI虚拟仪器技术，设计者可以象搭积木一样轻松快速组建自己的测试系统2。河南科技大学毕业设计（论文）313虚拟仪器的特点虚拟仪器与传统仪器相比，有以下几个特点（1）传统仪器的面板只有一个，其上布置过多的显示和操作部件，易于导致误操作。虚拟仪器则不同，它可以通过几个分面板来实现比较复杂的功能。因此，在每个分面板上就可以实现功能的单纯化与面板的简洁化，从而提高操作的正确性与便捷性。（2）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的测试功能。（3）仪器功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家决定。（4）仪器性能的改进和功能扩展可以通过软件的更新来实现，而不需购买新的仪器。（5）虚拟仪器具有开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联决定了虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具备的优点的根本原因在于虚拟仪器的关键是软件3。14研究设计虚拟频率特性测试仪的意义传统的模拟式扫频仪一般由调频振荡器、阴极示波管、扫描发生器等部分组成，因而工艺复杂、体积较大、价格昂贵，而且使用起来操作程序复杂。并且模拟式扫频仪不能直接得到相频特性，更不能打印网络频率响应曲线，给使用者带来了诸多不便。本设计研究的频率特性测试仪克服了传统模拟扫频仪的缺点，具有体积小、操作简便、测试准确。利用计算机强大的运算和显示功能实现了模拟式扫频仪很难实现的功能，同时显示幅频特性曲线和相频特性曲线，打印频率特性曲线，甚至可以通过曲线拟合得到被测网络的近似传递函数4。河南科技大学毕业设计（论文）4第2章频率特性分析21频率特性的基本概念频率特性指系统传递不同频率正弦信号的性能，包括幅度频率特性和相位频率特性。幅度频率特性描述系统对于不同频率的输入正弦信号在稳态情况下的衰减或放大特性相位频率特性描述系统的稳态输出对于不同频率的正弦输入信号的相位滞后或超前的特性。22频率特性的时域分析对信号波形的记录是以时间一幅度相关的形式直观表现出来，称为时域分析，通过分析，可得到幅值大小、幅值对时间的分布、相位的滞后、波形的畸变等信息。时域幅值判定是通过对每个扫频信号的采样序列直接求算术平均最大值，即在时域中直接求出信号的振幅值来实现的。其中由采样的总样本数和信号一个周期内的采样点数来决定极值出现的个数。时域判定算法如下设总样本数为N，第周期采样点数为M，采样序列为XK，K0，1，N1；令PN/M。（1）求出XK中的最大值XMAXI（I0，1，P1）。（2）判断IP是否成立若成立，从XK中删除XMAXI，重复第1步，否则进行第3步。（3）对求出的所有最大值XMAXI再求平均值，即21PXX/1MA1A0MAA所求出的平均最大值MX即为判定出的信号幅值。这里采用平均值的原因是在高速数据采集板卡中噪声将影响读数的稳定性或测量的重复性。在算法中通过对含有噪声的采样值取多次平均，可以在某种程序上抑制噪声，也有助于补偿硬件的噪声抑制能力，以减少噪声。河南科技大学毕业设计（论文）523频率特性的频域分析与时域分析不同，频域分析指是对动态信号在频率域进行分析，分析的结果是以频率为坐标的各种物理量的谱线和曲线，可得到各种幅值以频率为变量的频谱函数。频域分析中可求幅值谱、相位谱、功率谱及谱密度等。频域分析中F一个重要工具就是傅里叶变换简称傅氏变换，它包括了傅里叶级数和傅里叶积分。对于一些己知函数，通过傅氏级数和傅污积分可给出解析解，再进行计算能得出一定精确程度的解答。而根据实际信号曲线一般不能写出精确的数学函数表达式。因此，往往要把实际曲线逐点的读数离散化后再进行计算。借助计算机处理处理信号时，由于计算机不能对连续曲线进行计算，就需先通过A/D转换器将曲线上各点读数离散化后再读入，也就是以一些断点来代替曲线后再计算，因此出现了所谓的“离散”傅氏变换DFT，是一种数学近似算法。在计算DFT的各种算法中，快速傅氏变换算法FFT占有非常重要的地位，已成为现代频谱分析的常规手段，特别是引入计算机技术后，更是方便快捷而且直观精确的最佳选择5。河南科技大学毕业设计（论文）6第3章系统总体方案设计31虚拟频率特性测试仪的总体结构虚拟频率特性测试仪由计算机、数据采集卡和相应的软件（用LABVIEW开发的应用软件）信号处理部分和存储部分组成。结构如图31所示。图31虚拟扫频仪结构图图为一般虚拟仪器的结构框图，在仿真时，设计中由于没有被测网络，所以在软件设计中我们用已知的滤波器代替这里的被测网络。当接外部信号演示时，用搭好的压控电压源型滤波电路代替被测网络。32扫频仪测量原理对于一个电子部件，一个网络或一个系统的频率特性是可以用实验方法测试。测试方法有点频测量法和扫频测量法。点频测量法的方框图如图32所示。测试时，信号源的频率由低至高逐点调节，幅度保持不变，同时分别读出电压表的数值。然后把信号频率的变化定为横坐标，以电压幅度定为纵坐标，逐点画出各频率点对应的电压值，便可以描绘出平滑曲线，即得到被测系统的幅度频率特性曲线6。数据采集设备计算机用LABVIEW开发的应软件处理扫频激励信号被测网络响应信号存盘河南科技大学毕业设计（论文）7正弦信号发生器被测电路电压表示波器电压表图32点频法测量的方框图扫频测量法是点频测量法的改进，其方框图如图33所示。一方面，改进测试信号源，用扫频信号源把逐点调节频率改为逐点扫动频率；另一方面，改进接收信号的指示器，使信号随频率变动的轨迹用示波器直观地显示出来，从而直接得到被测系统的幅度频率特性曲线7。通常把扫频信号发生器、峰值检波器、示波器、频标信号发生器组成一个整体，即为频率特性测试仪（扫频仪）。Y轴峰值检波器被测电路扫频信号发生器示波器图33扫频测量方框图33用虚拟仪器实现的扫频仪的测量原理虚拟频率特性测试仪的基本测量原理是使用随机信号正弦波作为激励信号，通过数据采集卡的模拟输出功能将激励信号加到被测网络上，再用两个模拟输入通道将激励信号和网络输出端的响应信号同时采集到计算机中，计算随机信号的自功率谱和随机信号和响应信号的互功率谱，根据系统的特征，得到系统的幅频特性和相频特性8。X轴河南科技大学毕业设计（论文）8第4章系统硬件设计41数据采集卡411数据采集卡介绍PCI2006卡分为PCI局部总线、模拟信号输入部分、A/D转换电路部分、D/A转换电路部分、开关量输入输出部分、计数器和FIFO存储器（AD的缓存）部分。它是一种基于PCI总线的数据采集卡，可直接插在IBMPC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。也可构成工业生产过程监控系统。PCI2006板上装有14BIT分辨率的A/D转换器和12位D/A转换器。为用户提供了16双/32单的模拟输入通道和2路模拟输出通道。输入信号幅度可以经程控增益仪表放大器调到合适的范围，保证最佳转换精度。程控增益可选择1、2、4、8（PGA203）或1、10、100、1000（PGA202）倍，A/D转换器输入信号范围5V、10V板上A/D转换器为AD78991，PCI2006，05V、025V量程板上A/D转换器为AD78992，PCI2006A，D/A转换器输入信号范围5V、10V、010V9。412对数据采集转换盒的改装本设计采用PCM数据采集转换盒。实验室现有的此采集盒只有一个通道可以用（只有一个通道内带上拉电阻），而本设计在演示时需同时采集两路信号，所以此采集盒满足不了需求，需对其进行改装，再改装一个通道，在其上接个500千欧的上拉电阻。模拟输入信号的连接方式有单端输入方式和双端输入方式。这里我们使用双端输入方式接法，它可以有效抑制共模干扰信号，提高采集精度。在双端输入方式下，其所有AD通道的分配情况如表41。河南科技大学毕业设计（论文）9表41双端输入方式下AD通道的分配原始通道对通道序列原始通道对通道序列正端IN负端IN正端IN负端INCH0IN00CH16IN00CH0CH8IN08CH24IN08CH8CH1IN01CH17IN01CH1CH9IN09CH25IN09CH9CH2IN02CH18IN02CH2CH10IN10CH26IN10CH10CH3IN03CH19IN03CH3CH11IN11CH27IN11CH11CH4IN04CH20IN04CH4CH12IN12CH28IN12CH12CH5IN05CH21IN05CH5CH13IN13CH29IN13CH13CH6IN06CH22IN06CH6CH14IN14CH30IN14CH14CH7IN07CH23IN07CH7CH15IN15CH31IN15CH15PCI2006板可按图41连接成模拟电压双端输入方式，可以有效抑制共模干扰信号，提高采集精度。8路模拟输入信号正端接到IN00IN15端，其模拟输入信号负端接到IN00IN15端，并在距离XS1插座近处，在IN00IN15端与AGND端应各接一只几十K至几百K的电阻，为仪表放大器输入电路提供偏置。而现有的采集盒内只有0通道接有此上拉电阻，所以准备对1通道进行改装，接线法按图41所示。IN00IN00_IN01IN7_AGNDIN01_现场信号现场信号模拟输入端口现场信号IN7图41双端输入方式河南科技大学毕业设计（论文）1042滤波电路的设计与搭建设计要求截止频率FC2000HZ,纹波幅度KP05DB,通带增益KP2的二阶压控电压源型巴特沃斯高通滤波器10，电路如图42所示。C1C2R4R2R1R3UOUIN。N图42二阶压控电压源型高通有源滤波器电路（1）电容C1的确定由FC2000HZ，查表42得可取C10005F。表42二阶有源滤波器设计电容选择用表FC/HZ100KC1/F1001010010010001100010010610010106（2）电阻换标系数的计算41C10KFC由式41计算得，K10（其中FC以HZ为单位，C1以F为单位）。（3）归一化电阻值RI的确定由KP2查表43得R11821K，R21391K，R32782K，R42782K。河南科技大学毕业设计（论文）11表43二阶压控电压源型巴特沃斯高通滤波器设计用表KP1246R1/K1125182125923141R2/K2251139109770806R3/K278213030968R4/K0278239104838C2/C11111（4）电阻实际值的计算42IIRKR由式42计算得R11821K，R21391K，R32782K，R42782K。（5）电阻、电容标称值的确定R118K，R214K，R328K，R428K，C2C10005F。硬件电路如图43所示。图43滤波电路河南科技大学毕业设计（论文）12第5章系统软件设计51软件模块总体结构该虚拟频率特性测试仪软件模块主要分为参数设置模块、激励信号产生、数据采集、谱分析、滤波处理、波形显示、波形保存模块。各模块之间的数据流图如图51所示。图51各模块数据流图52数据采集模块有了HDEVICE设备对象句柄后，便可用INITDEVICEPROAD函数初始化AD部件。然后用STARTDEVICEPROAD即可启动AD部件，开始AD采样，然后便可用READDEVICEPROAD_NOTEMPTY反复读取AD数据以实现连续不间断采样。当您需要暂停设备时，执行STOPDEVICEPROAD，当您需要关闭AD设备时，RELEASEDEVICEPROAD便可帮您实现（但设备对象HDEVICE依然存在）11。具体执设置保存路径设置窗函数设置采样率和样本数设置信号频率和样本数被测网络开始产生激励信号数据采集参数设置谱分析滤波处理波形显示波形保存河南科技大学毕业设计（论文）13行流程如图52所示。图52非空查询方式AD采集实现过程用户对采集到AD数据进行处理其代码应由用户根据需要编写创建设备对象CREATEDEVICE初始化设备对象ADINITDEVICEPROAD启动AD设备STARTDEVICEPROAD以非空查询方式读取AD数据READDEVICEPROAD_NOTEMPTY需要再紧接着读取AD数据以实现连续采集吗是释放AD设备RELEASEDEVICEPROAD需要改变通道或频率或清FIFO后再采集吗FIFO后再采集吗否需要释放设备对象RELEASEDEVICE不需要开始结束接着上次再读AD数据重新初始化AD河南科技大学毕业设计（论文）1453激励信号产生模块传统频率特性测试仪一般使用LC扫频振荡器产生扫频信号，即被测系统或网络（电路）的激励信号，扫频信号一般为频率连续可调的交变信号。而在虚拟仪器环境下，扫频所需的激励信号则是在计算机中以软件方法产生、并经D/A转换后得到的，信号类型更为广泛12。本设计采用均匀白噪声作为仿真激励信号，之所以选均匀白噪声信号，是因为虚拟的外部设备是滤波器，白噪声的滤波效果比较明显；而且白噪声的频率不定，避免了在运行时不断的手动调节频率。激励信号的产生程序如图53所示。图53激励信号发生程序设计框图54信号谱分析模块根据虚拟频率特性测试仪的测量原理与算法，采用互功率谱的方法。首先使用CROSSSPECTRUMVI得到激励信号与响应信号的互功率谱，同时使用FFTPOWERSPECTRUMVI得到激励信号的自功率谱，然后根据式51和式52就可以得到系统的幅频响应和相频响应1315。程序见附录及附录。河南科技大学毕业设计（论文）1551XYJJJPEHE52XYARCTNJJEEP55滤波处理模块在利用随机噪声作为激励信号求网络的频率特性时，通常实验得到的曲线需要做适当的处理。本虚拟仪器首先使用LABVIEW自带的数字IIR滤波器VI对所得到的响应频率做中值滤波，以剔除曲线中较大的毛刺。中值滤波在实验数据处理中应用较多，它可用于剔除数据曲线上的毛刺。其定义如下设滤波窗口的长度为N2K1或N2K观测值个数为MMN观测值为当窗口在观测序列上移动时，标准中值滤波器的输出为。,21MTUTUN2K153IK1,MEDANUTTN2K5405,IUT其中，表示窗口内N2K1（或2K）个观测值中第K个最大或最小数值，即K次序统计。根据上述定义，窗口N2K1的一维中值滤波方法的输出与输入的IXTIUT关系为55IIKIIK,XTMEDAUTTUT全中值滤波方法窗口长度N2K1，如果脉冲信号宽度小于或等于K滤波后该脉冲将被去除。利用中值滤波方法的这个性质，能够在去除脉冲噪声的同时保护信号的细节。在实际使用时，滤波窗口长度选择要适当，若长度过小，可能起不到去除干扰的作用；而长度过大，会造成采样数据的时延过大，致使系统性能变差16。激励信号和经滤波后的响应信号如图54所示。河南科技大学毕业设计（论文）16图54激励信号与响应信号56数据保存模块完成以上步骤后已经可以得出被测信号的频率特性，在此我们添加一个数据保存模块是为了更好的完成其功能，方便保存和打印。程序框图如图55所示。图55数据存储程序框图57打印结果模块程序如图56所示。河南科技大学毕业设计（论文）17图56打印结果程序58前面板设计传统的台式仪器通常是在前面板设置一些旋钮和按键，通过人工操纵这些旋钮和按键来调整测量参数。除了这种本地控制方式之外，多数台式仪器还配备有GPIB接口以及一个内置的控制器，以实现仪器的自动远程控制。虚拟仪器的出现改变了传统的仪器控制方式。虚拟仪器采用了基于图形用户接口（GUI）编程技术，在计算机屏幕上显示出各种很逼真的各种旋钮和按键等控件，用户使用鼠标或键盘操控控件，测试结果和仪器状态也以与传统面板类似的方式显示在计算机屏幕上，由于这种面板是以计算机软件的形式实现的，因此称之为软面板。它是传统仪器的面板和软件界面的融合，且具有以下特性（1）多面板性传统仪器的面板只有一个，它的上面布置着种类繁多的显示和操作元件，由此可能导致许多认读与操作的错误。虚拟仪器可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能，从而提高操作的正确性与便捷性。（2）工艺的自由性虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，它们由编程来实现。设计者可以设计符合认知要求的显示元件、操作元件和面板的布局。（3）自助性河南科技大学毕业设计（论文）18虚拟仪器中用户可以借助帮助信息学会操作仪器，解决使用时遇到的问题。面板中包括旋钮等控件，面板是虚拟仪器输入和输出数据的接口，用户可以直接用鼠标或键盘输入数据。根据要求设计的频率特性测试仪的前面板如图57、图58、图59所示。图57主界面前面板图58数据采集前面板数据采集程序可实现同时采集32路信号。数据采集前面板左半部分可设置通道总数和采样频率，中间部分设置采集参数，右半部分设置各通道的增益。河南科技大学毕业设计（论文）19图59频率响应显示前面板这里我们所设计的频率响应显示前面板较为简洁，左上半部分为滤波项选择，左下半部分为运行控制按钮，右上部分为信号频率特性的显示，纵向是信号波形经调制后的幅度，横坐标是频率，右下部分是激励信号输入和输出的波形显示。此外，前面板上还有其他按键，线性与对数按键是显示波形结果以线性或对数方式来表达的。结束后，可按“数据保存”键进行保存。河南科技大学毕业设计（论文）20第6章软件使用说明书频率特性测试仪的测量系统的前面板有主界面、数据采集显示界面和频率响应显示界面，在程序运行过程中，这三个界面可以相互切换。只有程序运行之后，频率响应显示界面才有图形显示。主界面如图57所示，数据采集显示界面如图58所示，频率响应显示界面如图59所示。操作步骤如下1程序运行后，点击“进入系统”按钮，会自动跳转入采集显示界面。2在数据采集显示界面上选择通道总数、采样频率和采集方式。通道数可以在132之间选择，本设计仅使用2个通道即可。采样频率的值可以扳动旋钮，也可以直接输入。3采集数据设置好后，单击“进入显示”按钮，进入频率响应显示界面。4单击“开始”，频率响应曲线开始动态显示，同时“开始”按钮自动变为“运行中”按钮，如需停止可按下“运行中”按钮。这时可以根据需要点击按钮。可按下“仿真信号”、“外部信号”进行信号选择。当选择外部信号时，使用采集卡的两个通道将激励信号和网络输出信号同时采集到计算机中，经处理后构成幅频和相频特性曲线，并显示在屏幕上。在“滤波项选择”中设置滤波器参数。修改“阶数”，则绿色曲线会跟着改变，并且有红色和绿色指示灯是否与期望值相一致。红色表示异常，绿色表示未超过允许值，是正常的。点击“数据保存”，会弹出保存对话框，如图61所示，随意选择保存路径，其会自动生成一个文件存储数据。河南科技大学毕业设计（论文）21图61数据存储对话框点击“打印结果”按钮，会自动弹出提示框，如图62所示。图62打印结果对话框5单击“返回主界面”，会自动跳转至主界面。6单击“退出系统”，会自动弹出提示对话框，如图63所示。河南科技大学毕业设计（论文）22图63退出系统对话框使用该测量系统，应该特别注意“开始”、“运行中”和“退出系统”按钮。LABVIEW开始运行后，并没有启动程序。单击“开始”，程序才开始运行。单击“运行中”，程序停止运行。单击“退出系统”，LABVIEW文件自动关闭。河南科技大学毕业设计（论文）23第7章软件测试分析报告71仿真调试用LABVIEW实现频率特性测试仪的原理前面的章节已经进行了阐述。这里我们为了证实软件的可行性，特增加了模拟仿真这一部分。这里我们使用已知的滤波器来完成验证。在未运行软件时我们可以粗略的对其进行验证，LABVIEW软件中是自带了调试工具的。在查看菜单中点击错误列表将出现图71所示的界面。图71调试程序结果这代表程序无错误。下面我们进行项目验证。由于我们选择用滤波函数代替被测信号，所以基本上不存在毛刺和杂波，也就用不到第5章中的中值滤波和移动平均。前面板中我们在滤波项中我们选择LOWPASS即低通再点击扫频键可得到图72所示的结果。河南科技大学毕业设计（论文）24A幅频响应B相频响应C相关性图72低通滤波显示河南科技大学毕业设计（论文）25波形显示窗口描绘的低通波形即已经证明程序的正确性。因为显示出来的波形正与我们选择的方式一样。同样我们选择HIGHPASS即可得到图73所示的高通滤波器波形。A幅频响应B相频响应河南科技大学毕业设计（论文）26C相关性图73高通滤波显示选择BANDPASS能得到图74所示的带通滤波器的波形。A幅频响应B相频响应河南科技大学毕业设计（论文）27C相关性图74带通滤波显示选择BANDSTOP能得到图75所示的带阻滤波器的波形。A幅频响应河南科技大学毕业设计（论文）28B相频响应C相关性图75带阻滤波显示经过以上的模拟仿真我们已经可以确定软件的正确性，上文是在选择巴特沃斯滤波器的情况下得的诸多结果，同样我们可以选择在切比雪夫滤波器和贝赛尔滤波器下设置高通、低通、带通和带阻四种模式10。72硬件调试本设计使用搭建的压控电压源型巴特沃斯高通滤波电路作为外部系统进行调试，调试结果如图76所示。河南科技大学毕业设计（论文）29A激励信号与响应信号B幅频响应C相频响应河南科技大学毕业设计（论文）30D相关性E互功率谱图76外部调试结果河南科技大学毕业设计（论文）31第8章项目开发总结随着科技时代的飞速发展，以计算机软件设计来实现一些硬件设备测量功能的事例已越来越普遍。传统硬件设备测量功能的固有缺点（如封闭性、缺乏灵活性、响应速度慢等）已越来越不能满足现实的要求。因此，开发软件系统测量功能的前景很大。本次设计就是用软件来取代硬件设备实现对某一系统的频率响应的测量。此软件系统是建立在LABVIEW平台上设计的测试程序，该系统可对采集到的信号进行处理分析，把一些数学上的公式、定理用软件中的循环、局部变量、移位寄存器等功能表达出来，并且取得较好的成果。有效地体现了软件的优点，具有灵活性高、响应速度快，其检测结果能更直观、更准确地显示在界面上，方便与用户沟通。另外，本次开发项目采用的技术方案简单，并且不是很难实现，能较好的实现功能需求。不过由于开发时间仓促，所以使得开发完成的程序并不是尽善尽美。经过这次开发任务的磨练，在团队合作和与人沟通方面已经有了很大的提高，相信这些能力提高将在以后的工作和学习生活中能给我提供更多的成功筹码。河南科技大学毕业设计（论文）32结论虚拟仪器是电子仪器与计算机技术更深层次的结合而产生的一种新的仪器模式。它是电子测试与仪器领域中发展方兴未艾的技术，特别适用于现代越来越复杂的测试系统。虚拟仪器技术的出现使得一些实时性要求很高，原本由硬件完成的功能，可以通过软件来实现。甚至许多原来用硬件电路难以解诀或根本无法解决的问题，也可以采用软件技术很好地加以解决。频率特性分析主要考虑的是幅频特性和相频特性。使用CROSSSPECTRUMVI得到激励信号与响应信号的互功率谱，同时使用FFTPOWERSPECTRUMVI得到激励信号的自功率谱，根据相应原理可将幅频特性和相频特性在前面板上显示其结果。在显示结果之前我们又不可避免的运用滤波处理部分，进行中值滤波后做移动平均处理就可以去除其中的毛刺，得到平滑信号便于观测和处理。此测试仪有较强的可扩展性。