电子测量与虚拟仪器综合训练课程设计报告

1、电子测量和虚拟仪器的综合训练课程设计报告设计主题：电子仪表的虚拟化设计班级：名字：学位：导师：成绩：江苏理工学院电气信息工程学院2015年11月16日至2015年12月4日目录前言1第一章虚拟信号发生器设计21.1设计要求21.2设计构想和期待功能21.3系统设计的介绍31.3.1虚拟信号发生器的前面板设计31.3.2虚拟信号发生器的程序框图设计41.4虚拟信号发生器的每个子模块设计41.4.1波形选择模块41.4.2波形生成模块51.5测试和结果51.5.1正弦波运行结果51.5.2三角波运行结果61.5.3方波运行结果61.5.4锯齿波运行结果71.5.5扫描信号波形的运行结果71.6轮廓

2、8第二章虚拟双跟踪示波器设计92.1设计要求92.2设计构想和期待功能92.3系统设计介绍102.3.1整体设计方案102.3.2设计步骤112.4测试和结果132.4.1 A通道(b通道)单独显示波形132.4.2 A、b两个信道同时显示波形142.4.3 A、b两通道重叠显示波形152.4.4 A-B两通道显示波形152.5轮廓162.6数据采集卡应用程序162.6.1收集卡NI PCI-6221162.6.2数采卡驱动部172.6.3数采卡整体设计192.6.4数采卡采集20第三章虚拟数字频率计设计243.1设计要求243.2设计构想和期待功能243.3系统设计介绍243.3.1前面板2

3、53.3.2程序框图图253.4测试和结果263.4.1正弦波测试结果263.4.2三角波试验结果263.4.3方波试验结果273.4.4锯齿波试验结果27培训总结28参考文献29前言虚拟仪器技术的发展和国民经济发展中的重要作用现代仪器仪表技术是计算机技术和许多基础学科紧密结合的产物。 随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的迅速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域和新的设备结构陆续出现，在许多方面突破了传统设备的概念，电子测量设备的功能和作用发生了质量变化。在此背景下，1986年美国国家仪器公司(National Instruments，NI )提出了虚拟仪器(Virtual In

4、strument，VI )的概念。 迄今为止，虽然虚拟机器没有统一的定义，但是虚拟机器是追加PC相关的硬件和软件构筑的，被认为是具有可视化接口的可再利用的测试机器系统。本次综合训练包括三项，分别是虚拟信号发生器设计、虚拟双跟踪示波器设计和虚拟数字频率计设计。(1)在伪信号发生器的设计中，信号源波形需要正弦波、方形波、三角波、锯齿波、扫描信号等不同的波形选择。 可根据需要调整信号的频率、振幅、占空比等波形参数，从而理解并掌握各功能模块对信号发生器的性能的影响。(2)虚拟双跟踪示波器设计要求能进行双向信号的观察和测量。(3)虚拟数字频率计的设计要求完成频率/周期的测量，并且当测量频率时，快门要分四

5、个阶段进行选择(分别为10ms、0.1s、1s和10s )。 另外，测量周期时，周期加倍是可能的，需要分四个阶段进行选择。第一章虚拟信号发生器设计1.1设计要求(1)制作1)LabVIEWEW模拟信号发生器的实验程序，要求能产生方波(占空比调整)、正弦波、三角波、锯齿波等多个波形，并要求各种波形的参数调整、控制。 频率调整范围在10Hz1MHz以上信号的相位调整方波占空比调整幅度030v下可调整扫描信号(信号宽度不变化，频率在10Hz1MHz下线性变化)。(2)编程程序测量各种波形的有效值、全波平均值、峰值等，在测量全波平均值时注意编程过程。 同时记录和说明各种重要的实验程序和实验波形。(3)

6、接口要求：参数控制、控制按钮、波形显示。(4)观察和分析模拟结果。(5)对该虚拟信号源进行性能评价。1.2设计构想和期待功能这次训练主要阐述虚拟信号发生器的前面板和程序框图的设计。 设计的信号发生器的功能，可以通过前面板实时调整能产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波4种信号波形的波形频率、振幅、相位、偏移、占空比等参数。虚拟信号发生器是基于LabVIEW软件编程的，使用图形编程语言。 为了完成虚拟信号发生器，首先进行前面板的设计，根据信号发生器实现的功能，在控制面板中选择控制，放置在前面板的适当位置，使前面板看起来协调。 最重要的是程序框图的设计。 程序框图的设计主要使用函数调色板，根据本程序实

7、现的功能，在函数调色板中选择相应的函数，由多次执行程序，所以要使用循环结构。 调试器可以得到信号发生器。1.3系统设计介绍1.3.1虚拟信号发生器的前面板设计首先，前面板上需要添加两个波形显示窗口，以显示生成的信号。 因为可以调整生成的信号的频率、频率范围的选择、振幅、相位、偏移、波形为矩形波时的占空比，所以在前面板中添加了4个旋钮控制。为了更准确地输入这四个旋钮控件的特定数值并实时显示，必须打开控件的数值显示项目。 因为所有的信号波形都是可调整的，所以我们将添加一个枚举来选择各种信号类型，包括正弦波、矩形波、三角波和锯齿波。 因为程序还需要调整占空比，所以前面板还需要控制和信号复位开关。 这

8、样获得的信号发生器的前面板在图1.1中示出。图1.1信号发生器的前面板分析：通过信号选择，虚拟信号发生器可以实现正弦波、矩形波、三角波、锯齿波信号的输出，调整旋钮可以改变所选输出波形的振幅、频率、相位，可以控制输入控制的调整偏移和占空比(仅选择矩形波时可以调整)1.3.2虚拟信号发生器的程序框图设计LabVIEW软件包含许多函数，用户可以从软件中调用任何函数。 本实验涉及正弦波形、方波、三角波形、锯齿波、环结构、条件结构、延迟等函数。 信号发生器的程序框图设计如图1.2所示。图1.2信号发生器的程序框图分析：首先，必须设置前面板的“信号类型”输入控件的属性，然后从控件下拉列表中选择“正弦波”、

9、“矩形波”、“三角波”和“锯齿波”，以在程序面板中添加条件结构，并连接“信号选择”控件。根据属性的设定，在条件结构的值为0的情况下，向条件结构添加正弦波形函数；在条件结构的值为1的情况下，添加三角波形函数；在条件结构的值为2的情况下，添加矩形波形函数；在条件结构的值为3的情况下，添加锯齿波形函数；频率、振幅、相位、偏移、占空比输入控制添加时间延迟函数，以便更容易看到波形的变化。 添加while循环结构以实现程序的连续运行。 最后，设计的信号发生器的程序框图如图所示。1.4虚拟信号发生器的各子模块设计1.4.1波形选择模块该信号发生器的波形选择功能是通过前面板上的“下文列表”输入控件实现的，并将

10、其命名为“信号选择”。 首先，有必要设定其属性，其设定状况如图1.3所示。图1.3信号选择输入控件的属性设定1.4.2波形生成模块本设计中使用的波形生成模块，如图1.4所示，是正弦波形、方形波波形、三角波形、锯齿波形。图1.4波形函数1.5测试和结果1.5.1正弦波运行结果正弦波的运转结果如图1.5所示。图1.5正弦波信号发生器的前面板分析：在前面板的“波形选择”中选择正弦波，改变频率，调节各旋钮的数值，观察正弦波的变化。 上图表示正弦波的显示。1.5.2三角波运行结果三角波的运行结果如图1.6所示。图1.6三角信号发生器的前面板分析：在前面板的“波形选择”中选择三角波，改变频率，调节各旋钮的

11、数值，观察三角波的变化。 上图表示三角波的显示。1.5.3方形波运行结果方波运行结果如图1.7所示。图1.7方波信号发生器的前面板分析：在前面板上的“波形选择”中选择方波，改变频率，调整各旋钮的数值，调整占空比，观察方波的变化。 上图表示方形波的显示。1.5.4锯齿波的运行结果锯齿波的运行结果如图1.8所示。图1.8锯齿信号发生器的前面板分析：通过前面板“波形选择”选择锯齿波，改变频率，调节各旋钮的数值，观察锯齿波的变化。 上图显示的是锯齿波的显示。1.5.5扫描信号波形的运行结果扫描信号波形如图1.9所示。图1.9扫描信号波形前面板分析：在前面板的“波形选择”中选择扫描波形，改变频率，调节各

12、旋钮的数值，调整占空比，观察扫描波形的变化。 上图表示扫描波形的显示。1.6配置文件(1)本程序界面清晰，基本与实物图一致，有生动的形象，波形输出具有实时动态效果。(2)如果样品数过大，由于界面有限，产生的波形密集，无法判别波形。(3)本程序对信号的频率有要求，信号输入是拨号输入，所以频率小时，信号无法正常显示在示波器上，但是频率过大时，需要调整频率输入的范围。第二章虚拟双跟踪示波器设计2.1设计要求(编制LabVIEW虚拟示波器的实验程序，要求可以观察和测量双向信号。(2)接口要求：参数控制、控制按钮、波形显示。前面板的设计控制中有信道选择控制、垂直偏转灵敏度、定时控制、波形显示控制等，信道

13、选择主要控制单信道/双信道，定时控制主要控制采集卡的扫描率、各信道的扫描次数(采样数a、b、AB模式：显示频道选择按钮a和b，可以任意地显示某频道或两频道的输入信号的波形。AB、A-B模式：如果选择了两频道，使用该模式，可以选择两频道的信号代数(3)观察和分析模拟结果。(4)进行该虚拟示波器的性能评价。2.2设计构想和期待功能本设计的思路是尽量与现实面板相匹配，实现示波器最基本的显示和调节功能。 因此，本设计设计了包含CH A和CH B的双通道示波器，即双通道示波器。 设计时考虑的是以下部分：(1)CH A和CH B通道的设计和选择。 设置两个控制CH A和CH B的闸门状况的控件，输入正弦波

14、、三角波、方形波和锯齿波。(2)波形发生。 因为没有外部信号输入设备，不能用外部数据采集的方法输入信号波形的情况下，独自设计信号发生器，使两条通道能够实现基本模拟信号正弦波、三角波、方形波、锯齿波的输入。(3)波形显示。 采用波形图控制。(4)波形控制部。 包括CH A信号的幅度调整和幅度移位、CHB信号的幅度调整和幅度移位、同时接通时的两个信号叠加开关。(5)停止示波器。 用while循环的停止按钮设置示波器来停止动作。2.3系统设计介绍2.3.1整体设计方案本设计的VI在制作过程中，首先制作前面板，然后进行程序框图的制作。 程序的编写使用条件结构、while循环结构和常用的数据处理函数，同

15、时还用于信号生成控制VI、旋钮控制VI等多个labVIEW控制。 在程序框图的制作过程中，制作了多个labVIEW子VI，用于实现双通道示波器的部分功能，而完整的设计框图如图2.1、图2.2所示。图2.1虚拟双跟踪示波器的前面板图2.2虚拟双跟踪示波器的程序框图2.3.2设计步骤1 .信道a、b的选择和波形发生在程序框图面板中调用子VI，程序框图如图2.3所示。图2.3子VI程序框图2 .波形控制和调整部该部分被设计为获得显示波形的详细信息，其结构如图2.4和2.5所示。图2.4信息显示控件图2.5延迟时间分析：图2.5是为了更清晰的观测而设置的，运行期间信号变化快，不利于详细的观测比较，解决

16、这一问题的方法是设置延迟时间模块。3. A、b两通道波形显示的程序框图设计(1)A通道单独显示波形如图2.6所示。图2.6 A通道单独显示波形分析：利用一个条件选择结构，显示方式选择a时，前面面板上显示的只是a通道的波形，显示方式选择b的情况下，前面面板上显示的是仅b通道的波形。显示方式选择AB时，前面面板上显示的是ab2通道的波形(2)A、b两通道的显示波形的程序框图在图2.7中示出。图2.7 A、b双通道显示波形方式程序框图分析：上图是a、b双通道显示波形方式的程序框图，在这种情况下，前面板枚举型输入控件可以选择显示方式，并选择不同的显示方式，例如A B、A-B、A B。 可以更好地观察波形显示的情况