虛擬儀器在高職院校模擬電子.doc

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虛擬儀器具有高效、易用、開(kāi)放、靈活、更新快、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、用戶定義等諸多優(yōu)點(diǎn)，本文結(jié)合“實(shí)驗(yàn)室教學(xué)用虛擬儀器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課題研究對(duì)象，從虛擬儀器這一新的設(shè)計(jì)思想角度出發(fā)，敘述了虛擬儀器的概念、基本構(gòu)成、軟硬件體系結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和應(yīng)用，以及應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初步嘗試和設(shè)計(jì)思路。在此基礎(chǔ)上，本文還對(duì)構(gòu)建基于虛擬儀器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室作了進(jìn)一步的探討。 關(guān)鍵詞:傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器，數(shù)據(jù)采集 ，labviewabstractnowadays the vocational and technical education has become one of the most important parts of the high education in china. the aim of vocational and technical education is training higher technically application talents, so experimental instructions appears essential importance. traditional laboratories need various instruments while different experiment uses instruments. for this reason, to make synthesis experiments will use a large number of instruments, which causes not only the cost increasing but also more space occupied. in order to solve this problem and to reasonably structure educational resources of high school, applying virtual instruments in experimental instruction makes its way. with the help of virtual instruments in laboratory, we can accomplish experiments involved in fundamental courses such as electric technology, electronic technology and electrical measurement. it not only broaden the space of developing cdt experimental instruction but also presents the advantage of virtual instrument technology, that is software is instrument and a computer is a laboratory. in this paper we take the idea of using of the virtual instrument system in experimental instruction as research object, set forth the concept of virtual instrument, the basic construction of its software and hardware, its characteristics, a preliminary attempt and design method of applying virtual instrument in experimental instruction. in addition, this paper further study how to construct virtual network laboratory system based on the virtual instrument system.key words: traditional instrument: virtual instrument collecting data signal processing labview目 錄中文摘要英文摘要第一章.緒論11.1課題背景11.2課題研究的意義21.3研究?jī)?nèi)容5第二章 虛擬儀器及其開(kāi)發(fā)軟件62.1虛擬儀器的結(jié)構(gòu)62.2 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件82.3 labview設(shè)計(jì)虛擬儀器的方法10第三章 基于labview虛擬儀器的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用123.1軟件的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用12第四章 模電實(shí)驗(yàn)室教學(xué)用虛擬儀器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)示例224.1虛擬信號(hào)發(fā)生器及頻譜分析儀功能描述224.2儀器前面板和框圖程序224.3實(shí)驗(yàn)總結(jié)與編程技巧25致謝參考文獻(xiàn)第一章.緒論1.1課題背景l(fā)abview 程序被稱為虛擬儀器，是因?yàn)樗鼈兊耐庥^和操作能模仿實(shí)際的儀器。labview (laboratory virtual instrument engineering workbench實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))是一個(gè)程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。類(lèi)似于c、basic。但labview的特點(diǎn)在于，它使用圖形化編程語(yǔ)言g在流程圖中創(chuàng)建源程序，而非使用基于文本的語(yǔ)言來(lái)產(chǎn)生源程序代碼。labview 還整合了滿足gpib、 vxi、 rs-232和rs-485以及數(shù)據(jù)采集卡等硬件通訊的全部功能。內(nèi)置了便于tcp/ip,active.x 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。雖然labvlew是一個(gè)通用編程系統(tǒng)， 但是它也包含為數(shù)據(jù)采集和儀器控制特別設(shè)計(jì)的函數(shù)庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具。 虛擬儀器的突出成就是不僅可以利用pc機(jī)組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過(guò)各種不同的接口總線，組建不同規(guī)模的自測(cè)試系統(tǒng)。它可以借不同的接口總線的溝通，將虛擬儀器、帶接口總線的各種電子儀器或各種插件單元，調(diào)配并組建成為中小型甚至大型的自動(dòng)調(diào)試系統(tǒng);虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最重要的區(qū)別在于:虛擬儀器的功能由用戶使用時(shí)自己定義，而傳統(tǒng)儀器的功能是由廠商事先定義好的。由于諸多的優(yōu)勢(shì)，今天， 虛擬儀器系統(tǒng)已成為儀器領(lǐng)域的一個(gè)基本方案，它的應(yīng)用已經(jīng)遍及各行各業(yè)。很多測(cè)量工程師現(xiàn)在都在使用虛擬儀器。 由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚?、新的測(cè)試方法、新的測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用己經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。在這種背景下，八十年代末美國(guó)率先研制成功虛擬儀器(virtual instrument)， 虛擬儀器就是利用現(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。 國(guó)際上從1988年陸續(xù)有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當(dāng)時(shí)有五家制造商推出30種產(chǎn)品。此后，虛擬儀器產(chǎn)品每年成倍增加，到1994年底，虛擬儀器制造廠己達(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%。 美國(guó)是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大的虛擬儀器制造國(guó)，生產(chǎn)虛擬儀器的主要廠家有hp公司(目前生產(chǎn)100多種型號(hào)的虛擬儀器)，tektronix公司目前生產(chǎn)約8多種型號(hào)的虛擬儀器)，此外還有nt公司、keitheiy公司、lotech公司等。 而對(duì)于理工學(xué)科體系的一些學(xué)科，實(shí)驗(yàn)是教學(xué)活動(dòng)中一個(gè)必不可少的過(guò)程。學(xué)生只有通過(guò)足夠的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和一定數(shù)量的綜合性實(shí)驗(yàn)，才能真正理解和掌握該學(xué)科的理論知識(shí)，獲得一定的綜合測(cè)試技能和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，并初步具有處理?shí)際測(cè)試工作的能力。眾所周知，儀器是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，要保證這些綜合性測(cè)試實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)質(zhì)量，就要同時(shí)購(gòu)置多套先進(jìn)而昂貴的儀器。由此出現(xiàn)了資金投入與人才培養(yǎng)之間的矛盾，而將虛擬儀器引入高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不但可以提高測(cè)試效率和教學(xué)科研的質(zhì)量，而且為降低測(cè)試儀器成本提供了有效的途徑和方法。 本課題所開(kāi)發(fā)的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬儀器是在信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)高速發(fā)展的背景下，利用美國(guó)ni公司的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái) labview自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。它可用于信號(hào)的采集、分析、存儲(chǔ)、回放和讀取。利用其信號(hào)處理功能可將之應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。本課題背景知識(shí)包括:信號(hào)分析與處理技術(shù)、教學(xué)儀器儀表技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、labview軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)等。1.2課題研究的意義1.2.1目前高職院校教學(xué)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀 對(duì)高職層次的學(xué)生而言，實(shí)踐教學(xué)更為重要。所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的高低就成為教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。而有些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不同于一般的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，需要多類(lèi)、多臺(tái)價(jià)格昂貴的儀器作為支持。如一臺(tái)hp3562a動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，價(jià)值人民幣近20萬(wàn)元，一臺(tái)b&k的2010b 頻率分析儀，價(jià)值人民幣16萬(wàn)元。既要開(kāi)好實(shí)驗(yàn)，又不可能投入超常的資余，這是一個(gè)十分突出的矛盾。隨著教學(xué)儀器的發(fā)展和高職院校新時(shí)期實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的新要求，將虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)將成為高職院校未來(lái)教學(xué)科研的重要方法和手段。 （1）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。對(duì)于高職院校，實(shí)驗(yàn)是教學(xué)活動(dòng)中一個(gè)必不可少的過(guò)程，在電工電子實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中，教師普遍反映實(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，根本不能保證學(xué)生來(lái)做足夠的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和一定數(shù)量的綜合性實(shí)驗(yàn)。因此，充實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增開(kāi)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，不斷改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)是十分必要的。 (2) 學(xué)校經(jīng)費(fèi)緊張，制約實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費(fèi)較少的情況下，如果配置常規(guī)儀器、儀表，學(xué)校財(cái)力難以支付，也不符合目前學(xué)校的實(shí)際。眾所周知，儀器是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，要保證這些綜合性測(cè)試實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)質(zhì)量，就要同時(shí)購(gòu)置多套先進(jìn)而昂貴的儀器。一個(gè)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要使用多種儀器，而且不同實(shí)驗(yàn)所用的儀器也不盡相同，如果開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)所需儀器更多，這么多的儀器不僅價(jià)值昂貴，體積大，占用空間多，而且相互連接也十分麻煩。如何更合理地配置教育資源，解決好資金投入與人才培養(yǎng)之間的矛盾，是學(xué)校開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教育經(jīng)常需要考慮而又是傷腦筋的問(wèn)題。 (3)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)限制了教師和學(xué)生的積極性。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是讓學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)際的操作，隨之而來(lái)的問(wèn)題是教師的工作量很大卻很難對(duì)所有學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，既影響教學(xué)效果又容易造成儀器損壞。運(yùn)用cai教學(xué)軟件輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能較好克服存在的部分困難。但是，由于電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的cai軟件還很少，而且功能不強(qiáng)，交互性、操作性和界面的真實(shí)程度較差，適應(yīng)范圍窄，在一定程度上限制了教師和學(xué)生使用的積極性。1.2.2虛擬儀器系統(tǒng)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義如果將虛擬儀器系統(tǒng)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建立虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，情況就大為改觀。不僅可完成電工、電子學(xué)、電氣測(cè)量等基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)，還真正體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)“軟件就是儀器”， “一臺(tái)計(jì)算機(jī)就是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室”的特殊優(yōu)勢(shì)。具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn): (1) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資降低，提高利用率。如果運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，以微機(jī)為基礎(chǔ)(我國(guó)普通高校實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)己經(jīng)普及)，構(gòu)建集成化測(cè)試平臺(tái)，代替常規(guī)儀器、儀表，不但滿足電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，而且將這批微機(jī)可做為其他有關(guān)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)用機(jī)，大大提高了設(shè)備利用率，可以節(jié)約大量?jī)x器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入，降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成本。 (2) 提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量與效果。用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)如labv工ew開(kāi)發(fā)各種不帶相關(guān)功能硬件的“虛擬儀器”(真正的虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)、軟件、功能硬件組成的，為了與之區(qū)分，故用引號(hào))，不但簡(jiǎn)單易行，且交互性、可操作性和真實(shí)感與實(shí)際的虛擬儀器基本相同。由它們組成一個(gè)個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生先在虛擬實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)“虛擬儀器”的模擬操作使用，全面了解和掌握各種虛擬儀器的使用方法和操作要點(diǎn)，為實(shí)際使用虛擬儀器設(shè)備和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備打下較好的基礎(chǔ)，既可降低教師的勞動(dòng)強(qiáng)度。減少儀器設(shè)備的損壞，又可以使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更豐富，更生動(dòng)，更易于理解，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與效果。以儀器的學(xué)習(xí)與使用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，根據(jù)實(shí)際使用的虛擬儀器設(shè)備，將各種虛擬儀器及工作原理、操作使用方法設(shè)計(jì)成獨(dú)立的教學(xué)模塊，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量與效率。 (3 )提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣、實(shí)驗(yàn)效果和效率。由于高職層次學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和教學(xué)時(shí)數(shù)的限定，學(xué)生對(duì)諸如相關(guān)分析、濾波器、概率統(tǒng)計(jì)、曲線擬合等數(shù)學(xué)分析方法很難理解。 但是借助虛擬儀器的功能，就生動(dòng)直觀地展示了其物理實(shí)質(zhì)。在教師的指導(dǎo)下，就比較容易理解了，這是課堂講授很難作到的。 虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中最簡(jiǎn)單的應(yīng)用就是代替常規(guī)的儀器，如函數(shù)發(fā)生器、示波器、萬(wàn)用表等。比如實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)中采用虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生及波形記錄，可取得較好的效果。用計(jì)算機(jī)虛擬出的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的激勵(lì)信號(hào)，其波形、頻率、幅值等完全能代替常規(guī)的儀器使用。而用計(jì)算機(jī)虛擬出的示波器，不僅具有常規(guī)示波器的功能(如測(cè)量實(shí)驗(yàn)電路對(duì)激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng))，還可同時(shí)顯示、記錄、存儲(chǔ)和打印多通道輸入的波形， 對(duì)存儲(chǔ)的曲線可通過(guò)“回放”功能顯示在屏幕上，“回放”速度可調(diào)，“回放”過(guò)程可暫停波形掃描，以便能更清楚地觀察波形的變化，所存儲(chǔ)的曲線可以在任何時(shí)間打印輸出，學(xué)生可以及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，觀察和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣、實(shí)驗(yàn)效果和效率。 （4 )豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，通過(guò)操作者的不同的定義，可以虛擬出不同的儀器，各儀器之間還可以通過(guò)不同的窗口進(jìn)行切換，因此實(shí)驗(yàn)室無(wú)需耗費(fèi)大量資金配備各種傳統(tǒng)儀器，只需通過(guò)軟件設(shè)計(jì)就可使虛擬儀器和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不斷更新。學(xué)生在計(jì)算機(jī)上操縱各種虛擬儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就如同是在操作傳統(tǒng)儀器一樣有效，與在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室做出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一樣。這樣，使用虛擬儀器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，能很好地解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)的矛盾，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容;而且學(xué)生可自己設(shè)計(jì)軟件來(lái)驗(yàn)證，也會(huì)提高自身的創(chuàng)新能力。 (5) 便于教學(xué)研究。將虛擬儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)交換共享結(jié)合起來(lái)建成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，對(duì)一些科學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，能夠代替部分實(shí)際實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供教師和學(xué)生進(jìn)行教學(xué)與研究。學(xué)生利用計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬仿真，仿真的結(jié)果通過(guò)虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行觀察、分析、處理。由于仿真軟件和虛擬儀器均具有人機(jī)交互能力，這樣在這個(gè)虛擬的交互式仿真世界，給人創(chuàng)造一種近乎進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)的感覺(jué)。 (6) 提供發(fā)明、創(chuàng)造的新途徑。通過(guò)使用虛擬儀器，學(xué)生可以在相同課時(shí)內(nèi)同時(shí)學(xué)習(xí)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的使用技巧。不但掌握了通用電路的測(cè)試技巧，加強(qiáng)對(duì)電路原理的理解，同時(shí)還接觸了先進(jìn)的技術(shù)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)后，有無(wú)限的發(fā)展空間，有助于開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生從一個(gè)更高的起點(diǎn)面對(duì)明天的世界。 (7) 可利用計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)。利用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)距離教學(xué)等，可使學(xué)生和教師在不同地點(diǎn)做同一個(gè)實(shí)驗(yàn)。目前，我國(guó)正處于科學(xué)技術(shù)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。虛擬儀器賴以生存的pc計(jì)算機(jī)近幾年已基本普及全國(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)專家預(yù)測(cè)，到下世紀(jì)初我國(guó)將有5096的儀器為虛擬儀器。發(fā)達(dá)國(guó)家雖然在此領(lǐng)域比我國(guó)起步較早，但差距并不是很大，我們應(yīng)當(dāng)充分把握時(shí)機(jī)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，將我國(guó)的虛擬儀器產(chǎn)業(yè)水平逐漸向先進(jìn)國(guó)家靠攏。 labview作為虛擬儀器開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的杰出代表，在我國(guó)由于引進(jìn)的時(shí)間不長(zhǎng)，了解和熟悉它的人還不多，還沒(méi)有被充分認(rèn)識(shí)和推廣應(yīng)用。本課題就labview在開(kāi)發(fā)虛擬儀器過(guò)程中的應(yīng)用做初步的探討。1.3研究?jī)?nèi)容本課題主要闡述如何在labview環(huán)境下設(shè)計(jì)虛擬教學(xué)儀器，并通過(guò)虛擬示波器、虛擬信號(hào)發(fā)生器、虛擬函數(shù)發(fā)生器的開(kāi)發(fā)說(shuō)明使用虛擬儀器的基本方法。 第一部分 主要介紹虛擬儀器開(kāi)發(fā)的環(huán)境、理論背景和當(dāng)今的發(fā)展?fàn)顩r，說(shuō)明本課題的背景、意義及主要工作。 第三部分 介紹用于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的集成軟件包labview. 第四部分 詳細(xì)闡述基于labview虛擬示波器、虛擬信號(hào)發(fā)生器、虛擬函數(shù)發(fā)生器的開(kāi)發(fā)過(guò)程，并以兩級(jí)阻容禍合放大電路的靜態(tài)調(diào)試實(shí)驗(yàn)為例，分別用虛擬儀器及傳統(tǒng)儀器做實(shí)驗(yàn)，分析兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。 第五部分 結(jié)合教學(xué)實(shí)際，設(shè)計(jì)虛擬信號(hào)發(fā)生器及頻譜分析儀，并分析在應(yīng)用labview 進(jìn)行虛擬儀器開(kāi)發(fā)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題及解決辦法。 第六部分 簡(jiǎn)要介紹網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)想及發(fā)展前景。第二章 虛擬儀器及其開(kāi)發(fā)軟件labview是一個(gè)工程軟件包，八十年代末美國(guó)率先研制成功虛擬儀器，虛擬儀器就是利用現(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。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命，代表著發(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。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，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器。虛擬儀器廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量，電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷和科研教學(xué)等諸多領(lǐng)域。2.1虛擬儀器的結(jié)構(gòu)虛擬儀器（virtual instrument）是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器系統(tǒng)結(jié)合的產(chǎn)物。它把計(jì)算機(jī)、傳感器、儀器儀表等硬件與計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合起來(lái)。除繼承傳統(tǒng)儀器的已有功能外，還增加了許多傳統(tǒng)儀器所不能及的先進(jìn)功能。虛擬儀器的最大特點(diǎn)是其靈活性，用戶在使用過(guò)程中可以根據(jù)需要定制儀器功能，以滿足各種需求和各種環(huán)境，并且能充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)方面的限制。由于虛擬儀器系統(tǒng)是基于模塊化軟件標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放系統(tǒng)，當(dāng)用戶測(cè)試要求變化時(shí)可方便地由用戶自己來(lái)增減硬件、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測(cè)試要求。這樣，當(dāng)用戶從一個(gè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，就能簡(jiǎn)單地構(gòu)造出新的vi系統(tǒng)而不丟棄已有的硬件和軟件資源。總之，使用虛擬儀器系統(tǒng)不僅提高了開(kāi)發(fā)效率而且降低了開(kāi)發(fā)成本，在系統(tǒng)測(cè)控方案的選擇中處于優(yōu)勢(shì)地位。2.1.1 虛擬儀器的概念所謂虛擬儀器，就是在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的功能，用戶操作和使用計(jì)算機(jī)的同時(shí)就是在使用一臺(tái)專門(mén)的電子儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，充分利于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形顯示和數(shù)據(jù)處理能力，提供對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和顯示。虛擬儀器通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與模塊化硬件結(jié)合起來(lái)，用戶可以通過(guò)友好的圖形界面操作這臺(tái)儀器，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、處理、分析、顯示、存儲(chǔ)等功能。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器一樣可劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表達(dá)三個(gè)模塊，如圖3-1-1所示。虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件結(jié)合在一起，通過(guò)應(yīng)用程序提供的儀器硬件接口和圖形化用戶界面，用戶可以方便的操作儀器硬件，而不必深入了解gpib(通用接口總線、vix（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)vem總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展）、daq（數(shù)據(jù)采集）等方面的細(xì)節(jié)。采集和控制插卡式數(shù)據(jù)采集板gpib儀器vxi/pxi儀器rs-232儀器數(shù)據(jù)采集和分析數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字濾波統(tǒng)計(jì)分析數(shù)值分析數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸網(wǎng)絡(luò)通信硬件拷貝輸出文件i/o圖形用戶接口圖2-1 虛擬儀器的內(nèi)部功能劃分由于vi的模塊化、開(kāi)放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點(diǎn)，用戶可以大大提高系統(tǒng)的復(fù)用率，低開(kāi)發(fā)成本，通過(guò)表2-1可清楚的看出vi與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別表2-1 vi與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別vi傳統(tǒng)儀器開(kāi)發(fā)費(fèi)用軟件使得開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降至最低開(kāi)發(fā)與維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)高更換周期技術(shù)更新周期短技術(shù)更新周期長(zhǎng)關(guān)鍵部件軟件是關(guān)鍵硬件是關(guān)鍵價(jià)格價(jià)格低、可復(fù)用與可重配置性強(qiáng)價(jià)格昂貴功能用戶定義儀器功能廠商定義儀器功能開(kāi)放性開(kāi)放、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步封閉、固定互聯(lián)性與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備方便互聯(lián)并構(gòu)成面向應(yīng)用的系統(tǒng)功能單一、互聯(lián)有限的獨(dú)立設(shè)備2.1.2 虛擬儀器的基本結(jié)結(jié)構(gòu)和類(lèi)型從構(gòu)成要來(lái)講，虛擬儀器系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的；根據(jù)儀器硬件的不同，則分為以daq板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件組成的pc-daq測(cè)試系統(tǒng)，和以gpib、vxi、串行總線和現(xiàn)場(chǎng)總線等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的gpib系統(tǒng)、vxi系統(tǒng)、串行總線系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等。虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成如圖3-1-2所示。信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡測(cè)控對(duì)象gpib接口設(shè)備gpib接口卡串行接口儀器/plcvxi儀器現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備其它計(jì)算機(jī)硬件labviewlabwindows/cvi及其它應(yīng)用軟件圖2-2 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成2.2 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件軟件是虛擬儀器的核心，通過(guò)編制軟件可以在有限的設(shè)備基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的各種自定義功能。因此有人提出了“軟件就是儀器的觀點(diǎn)”。虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件通?？梢苑譃橥ㄓ密浖蛯I(yè)軟件。通用軟件就是我們常見(jiàn)的高級(jí)編程語(yǔ)言，比如visual c+、vb、delphi、java等。而專用軟件一般是指專業(yè)的圖形化軟件，比如ni公司的labview、labwindows/cvi或者h(yuǎn)p公司的vee等。labview是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(laboratory virtual instrument engineering workbench)的簡(jiǎn)稱，是一種集數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示功能于一體的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，為用戶提供簡(jiǎn)明、直觀、易用的圖形編程方式。它提供了一種全新的程序編寫(xiě)方法，即對(duì)稱之為“虛擬儀器”（virtual instruments, vis）的軟件對(duì)象進(jìn)行圖形化的組合操作，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來(lái)，這樣開(kāi)發(fā)人員就不再需要使用復(fù)雜的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境即可享用強(qiáng)大的編程語(yǔ)言帶來(lái)的靈活性，在同一環(huán)境下就可以使用廣泛的采集、分析和顯示功能。labview廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。labview集成了滿足gpib、vxi、rs-232和rs-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用tcp/ip、activex等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的測(cè)控軟件，利用它可以方便的建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。 所有l(wèi)abview應(yīng)用程序，即虛擬儀器，它包括前面板、流程圖以及圖標(biāo)/連接器三部分程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（controls），輸出量被稱為顯示（indicators）?？刂坪惋@示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使這得前面板直觀易懂。每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用labview圖形編程語(yǔ)言編寫(xiě)，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來(lái)同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。圖標(biāo)/連接器是子vi被其它vi調(diào)用的接口。圖標(biāo)是子vi在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出口，就象函數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對(duì)應(yīng)。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言比較，labview圖形編程方式能夠節(jié)省85以上的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，其運(yùn)行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出了極高的效率。在labview 中，可以利用旋鈕、開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)盤(pán)、圖表等控制件和顯示件建立用戶界面，即前面板，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的控制面板?？刂萍ㄐo、按鈕等輸入控件，顯示件包括圖表、led 等顯示器件。在完成用戶界面的創(chuàng)建后，通過(guò)vi 和結(jié)構(gòu)添加代碼來(lái)控制前面板上的對(duì)象。這些程序代碼就構(gòu)成了程序框圖。利用labview，可以和諸如數(shù)據(jù)采集設(shè)備、圖像設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備等硬件進(jìn)行通信，也可以和gpib、pxi、vxi、rs-232、rs-485 儀器通信。所以說(shuō)，作為一種圖形化的開(kāi)發(fā)環(huán)境，labview具有以下特點(diǎn)：u 圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需寫(xiě)任何文本格式的代碼，使用“所見(jiàn)即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面u 提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。u 提供了傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行，同時(shí)提供有讀到的高亮度執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫(huà)式執(zhí)行，利于觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開(kāi)發(fā)更為便捷。u 32bit的編譯器編譯生成32bit的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量方案的高速執(zhí)行。u 從底層vxi儀器、數(shù)據(jù)采集板到總線接口硬件和gpib的驅(qū)動(dòng)程序，囊括了daq、gpib、pxi、vxi、rs232/485在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)者也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備和儀器。u 提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如dlls (動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))、dde(共享庫(kù))、activex等。u 支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(dde)和tcp/ip等強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便聯(lián)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開(kāi)發(fā)。 2.3 labview設(shè)計(jì)虛擬儀器的方法 lab vi ew 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)象輸出對(duì)有效。這樣的話，互相在對(duì)象間的數(shù)據(jù)流控制著執(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)的線形順序，它可以不受其限制。用戶能夠通過(guò)連接功能模塊來(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)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)地線形化程序設(shè)計(jì)中可以插入代碼段一樣，可以把圖標(biāo)放在labv工ew圖形結(jié)構(gòu)的界限內(nèi)部。 lab vi ew 有一個(gè)圖形編輯器來(lái)產(chǎn)生最優(yōu)化編輯代碼，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)明集進(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)，用戶可以很方便地建立其前面板接口。為了實(shí)現(xiàn)具體的功能，用戶利用向?qū)О蚜鞒虉D組合在一起。 (2)建立前面板:從控制模塊上選擇你需要的對(duì)象，放在虛擬儀器的前面板上。控制模板上的對(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時(shí)利用前面板去控制整個(gè)系統(tǒng)，如移動(dòng)滑動(dòng)片、在圖像中變向、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)程序設(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)和文件輸入輸出操作。 (4) 數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì):labv工ew用一種精巧的數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)模式把用戶從文本式語(yǔ)言的線形化方式構(gòu)建程序的辦法中解放出來(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)一一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)行速度都是很關(guān)鍵的。labview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)εc時(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。隨著虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，圖形化的編程語(yǔ)言必將成為測(cè)試和控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的發(fā)展趨勢(shì)。 第三章 基于labview虛擬儀器的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用虛擬儀器系統(tǒng)已成為儀器領(lǐng)域的一個(gè)基本方法，是技術(shù)進(jìn)步的必然結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程中有三種情況: 一種情況是用計(jì)算機(jī)控制一臺(tái)gpib或rs-232儀器，通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕上的圖形化前面板操作儀器，這與操作一臺(tái)物理的儀器沒(méi)有區(qū)別。計(jì)算機(jī)能夠模仿遠(yuǎn)處的物理設(shè)備，整個(gè)過(guò)程給你一個(gè)感覺(jué):你不在儀器旁邊，卻在遠(yuǎn)處虛擬地操作著這臺(tái)儀器。 另外的一種情況是將一個(gè)圖形化儀器前置面板放在計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)連接著一塊插入式數(shù)據(jù)采集卡和一個(gè)vxi功能模塊，而不連接gpib儀器。這時(shí)，儀器本身沒(méi)有前置面板， 因而你不能將它作為一臺(tái)獨(dú)立的儀器來(lái)使用。因而，計(jì)算機(jī)成了這個(gè)儀器系統(tǒng)的一個(gè)組件， 計(jì)算機(jī)的前置面板操作成了唯一的操作儀器的方式。 還有一種情況就是沒(méi)有任何功能模塊連接在計(jì)算機(jī)上，雖然計(jì)算機(jī)上同樣有前置軟面板，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)文件和網(wǎng)絡(luò)得到數(shù)據(jù)，對(duì)它進(jìn)行分析處理，或者它不用外部的真實(shí)數(shù)據(jù)，而是計(jì)算處理一些“自己”的數(shù)據(jù)對(duì)一個(gè)物理過(guò)程或某個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行仿真。 本文面向?qū)嶒?yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)了一套虛擬儀器，如虛擬信號(hào)發(fā)生器、虛擬函數(shù)發(fā)生器、虛擬示波器，這些虛擬儀器包括前面板和框圖程序兩個(gè)部分，前面板是跟用戶進(jìn)行信息交換界面，框圖程序相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是透明的。前面板又可以分為兩個(gè)部分:控制部分和顯示部分。前面板編制完成后，在框圖程序中將數(shù)據(jù)發(fā)生模塊、處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊按照儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接起來(lái)，將仿真結(jié)果回放，顯示。同時(shí)以兩級(jí)阻容禍合放大電路的靜態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)為例面向科研也探討了數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)際安裝及應(yīng)用。以下簡(jiǎn)要介紹其軟件開(kāi)發(fā)的思路和過(guò)程。3.1軟件的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用 以兩級(jí)阻容藕合放大電路的靜態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)為例，用labview開(kāi)發(fā)有關(guān)虛擬儀器并分析其在模電實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用。 1、 若用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)做，需用的實(shí)驗(yàn)器材有:直流穩(wěn)壓電源、低頻信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器、毫伏表各一臺(tái)，萬(wàn)用表及實(shí)驗(yàn)電路板(或通用測(cè)試板)各一塊。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且獙W(xué)會(huì)設(shè)置和調(diào)試多級(jí)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。 選取放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的原則是保證輸出波形不產(chǎn)生非線性失真，并使放大器有較大的增益、噪聲低、耗電要少，所以對(duì)輸入為v和mv級(jí)的中、低頻小信號(hào)前置放大器，工作點(diǎn)常常選的比較低，ic常選取0.1-0.5ma, 以減少噪聲對(duì)后面的各級(jí)放大器，工作點(diǎn)逐級(jí)升高，ic可選0.5-5ma范圍；或者根據(jù)外接交流負(fù)載時(shí)所能獲得的最大不失真輸出電壓為依據(jù)進(jìn)行調(diào)試。 在本實(shí)驗(yàn)中，我們以最大不失真輸出電壓（即以盡可能大的輸出動(dòng)態(tài)范圍）為依據(jù)調(diào)試工作點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)電路原理圖如圖3-1：圖3-1 兩級(jí)阻容耦合放大電路放大電路的輸入電流和電壓的波形如圖圖3-2 電流與電壓波形用傳統(tǒng)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，步驟如下：按下圖3-3連接好電路，將兩只電位器調(diào)至中間位置，在放大器的輸入端加入500hz的正弦信號(hào)，輸出電壓u0用示波器監(jiān)視，不斷加大輸入信號(hào)ui的幅度，看著示波器上的波形調(diào)節(jié)rp1、rp2，使 u0波形的失真對(duì)稱，在減少u(mài)i，使波形的上下失真同時(shí)消失，測(cè)試此時(shí)的u0即為電路的最大失真輸出幅度。輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的波形圖如圖3-4所示。圖3-3 基于傳統(tǒng)儀器的兩級(jí)放大電路的接線圖圖3-4 輸入信號(hào)與輸出信號(hào)波形圖 2、若用虛擬儀器來(lái)做此實(shí)驗(yàn)，將會(huì)省去直流穩(wěn)壓電源、低頻信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器等貴重設(shè)備。而用一臺(tái)計(jì)算機(jī)及輸入輸出模塊邊可代替。其連接框圖如圖3-5所示： 圖3-5 基于虛擬儀器的兩級(jí)放大電路連接框圖下面詳細(xì)介紹兩通道虛擬數(shù)字示波器的開(kāi)發(fā)過(guò)程。圖3-6 兩通道虛擬數(shù)字示波器的框圖程序兩通道虛擬數(shù)字示波器的框圖程序如圖3-6所示：本虛擬數(shù)字示波器主要功能包括：雙通道信號(hào)輸入、觸發(fā)控制、通道控制、時(shí)式控制、波形顯示、參數(shù)自動(dòng)測(cè)量、頻譜分析、波形存儲(chǔ)和回放等。本虛擬數(shù)字示波器還提高網(wǎng)絡(luò)接口，允許通過(guò)tcp/ip協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)儀器共享或遠(yuǎn)程控制。虛擬示波器主要由軟件控制完成信號(hào)的采集、處理和顯示。系統(tǒng)軟件總體上包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、頻譜分析及波形存儲(chǔ)和回放等五大模塊，基本功能結(jié)構(gòu)框圖3-7如圖：圖3-7 功能模塊結(jié)構(gòu)框圖數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，包括觸發(fā)控制、通道選擇控制、時(shí)基控制等。其中：觸發(fā)控制包括觸發(fā)模式、觸發(fā)斜坡、觸筮電平控制： 通道選擇主要控制單通道或雙通道測(cè)量 時(shí)基控制主要控制采集卡掃描率、每一通道掃描次數(shù)(取樣數(shù))。 波形顯示模塊 軟件提供了三被彤顯示模式：a、b、ab模式：通過(guò)顯示通道選擇按鍵”a4和”擴(kuò)，可 以任意顯示某一通道或兩通道輸入信號(hào)的波形。 參數(shù)l量模塊 參數(shù)測(cè)量模塊主要完成包括電壓參數(shù)和頻率、周期等多個(gè)時(shí)間參數(shù)的0量井顯示其測(cè)量結(jié)果， 頻譜分析模塊 頻譜分析模塊采用快速fft算法，完成頻域信號(hào)分析。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放模塊 按鍵寫(xiě)盤(pán)”控制是否進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：按鍵”讀盤(pán)”控制是否從數(shù)據(jù)文件中讀駁數(shù)據(jù)。主面板提供了兩個(gè)文件名輸入框，前一個(gè)為信號(hào)波形數(shù)據(jù)文件名輸入框，后一個(gè)為采樣周期文件名輸入框，這兩個(gè)文件由寫(xiě)盤(pán)功能和讀盤(pán)功能共用。從軟盤(pán)或硬盤(pán)上讀取的數(shù)據(jù)同實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)樣，能夠進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)測(cè)量叭及顯示波形并保留在顯示窗口(顯示模式可以醍置為三種模式中的任意一種)，還可吼根據(jù)需要設(shè)置進(jìn)行頻譜分析。正常顯示、剮z顯示控制結(jié)構(gòu) 由雙功能邏輯驅(qū)動(dòng)鍵“正常配憶“控制缺省為正常顯示。處于正常狀態(tài)時(shí)，最多只能顯示、b兩通道輸入的2個(gè)信號(hào)的波形處于記憶狀態(tài)時(shí)最多可烈記憶顯示a、b兩通道輸入的17個(gè)信號(hào)的波形(通道可記憶顯示16組信號(hào)數(shù)據(jù)。b通道只能記憶顯示1組信號(hào)數(shù)據(jù))。在實(shí)際應(yīng)用中，記憶顯示功能主要用于測(cè)量信號(hào)的抖動(dòng)情況或比較分析兩個(gè)以上的信號(hào)波形。 了解了虛擬數(shù)字示波器的f發(fā)過(guò)程，虛擬正弦波仿真信號(hào)發(fā)生器的開(kāi)發(fā)就更容易了。它的框圈程序如圖4卜8所示。第四章 模電實(shí)驗(yàn)室教學(xué)用虛擬儀器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)示例 虛擬信號(hào)發(fā)生器及頻譜分析儀由于高職層次學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和教學(xué)時(shí)數(shù)的限定，學(xué)生對(duì)諸如相關(guān)分析、濾波器、概率統(tǒng)計(jì)、曲線擬合等數(shù)學(xué)分析方法很難理解，但是借助虛擬儀器的功能，在教師的指導(dǎo)下，生動(dòng)直觀地展示其物理實(shí)質(zhì)，就比較容易理解了，這是課堂講授很難作到的。 結(jié)合電類(lèi)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬信號(hào)發(fā)生器及頻譜分析儀，采用仿真信號(hào)，可方便地檢驗(yàn)測(cè)量軟件設(shè)計(jì)的正確與否?？梢粤私鈱?shí)驗(yàn)室虛擬儀器的一般功能及使用方法。4.1虛擬信號(hào)發(fā)生器及頻譜分析儀功能描述 虛擬信號(hào)發(fā)生器及頻譜分析儀可仿真產(chǎn)生正弦波、方波、三角波三種信號(hào)，它們的信號(hào)頻率、采樣頻率、幅值、相位、采樣點(diǎn)數(shù)均可調(diào),可以用語(yǔ)驗(yàn)證奈奎斯特采樣定理(最高信號(hào)穩(wěn)定頻率等于采樣頻率的一般);還可以觀察三種信號(hào)經(jīng)過(guò)fft后的幅值譜,在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中,可以加入低通巴特沃斯濾波器,觀察幅頻特征。4.2儀器前面板和框圖程序設(shè)計(jì)步驟; （1)前面板設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的虛擬信號(hào)發(fā)生器及頻譜分析儀的前面板如圖4-1所示。圖4-1 虛擬信號(hào)發(fā)生器及頻譜分析儀前面板（2）流程圖設(shè)計(jì) 模擬信號(hào)發(fā)生器及頻譜分析儀的程序框圖如圖4-2所示。圖4-2 虛擬信號(hào)發(fā)生器及頻譜分析儀程序框圖 （3）運(yùn)行檢查圖4-3，圖4-4及圖4-5所顯示的分別是用虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波，方波及三角波。 圖4-3 虛擬信號(hào)發(fā)生器及頻譜分析儀正弦波前面板 圖4-4虛擬信號(hào)發(fā)生器及頻譜分析儀方波前面板 圖4-5 虛擬信號(hào)發(fā)生器及頻譜分析儀三角波前面板4.3實(shí)驗(yàn)總結(jié)與編程技巧labview是一種與其它傳統(tǒng)編程語(yǔ)言不太一樣的圖形化編程語(yǔ)言，所以在編程中應(yīng)該注意一些細(xì)節(jié)問(wèn)題。 1對(duì)待程序總體設(shè)計(jì)的基本方法 任何一個(gè)項(xiàng)目，不管大小，復(fù)雜程度如何，形成過(guò)程都基本一致。 先總體設(shè)計(jì)，再考慮代碼。 在使用一小段代碼前先對(duì)它進(jìn)行驗(yàn)證（包括現(xiàn)成的vi）。 保存各個(gè)子程序。 保證代碼的整潔與清晰。 增加注釋。 對(duì)程序命名時(shí)，盡量用描述性的語(yǔ)言（注意不同平臺(tái)的文件命名方法）。 在完成一個(gè)程序后，盡量在windows-show vi菜單的對(duì)話框中簡(jiǎn)要的解釋程序的功能，這些內(nèi)容可以在help-show help形式中顯示出來(lái)。2圖標(biāo)和連線段 在定義的vi連線時(shí)，最好要定義其連接屬性，包括必選，推薦使用和可 選3種屬性。 如果需要簡(jiǎn)潔明了，直接用文字作圖標(biāo)也是一個(gè)好的辦法。 3框圖程序 提高框圖程序的效率主要有兩個(gè)方面：一是代碼清新，操作方便；二是資源占用少，運(yùn)行效率高。v 為了方便，可以定制自己的功能摸板?？梢詫?dāng)前項(xiàng)目中常用的節(jié)點(diǎn)，函數(shù)等置于一個(gè)自己定制的功摸板中，操作時(shí)就會(huì)很方便一些。v 在數(shù)組操作和字符串操作時(shí)，要高效率地使用內(nèi)存。v 限制局部變量和全局變量的使用。 參數(shù)將所有代碼都放入一個(gè)屏幕內(nèi)，盡量不用滾動(dòng)條，這也是一目了然的表現(xiàn)形式。通過(guò)本人的設(shè)