畢業(yè)設計（論文）-基于LabVIEW的頻率特性測試儀設計.doc

焦作大學機電工程學院頻率特性測試儀設計摘 要在電子測量中，信號頻率方面的測試占很重要的地位。會經常遇到對網絡的阻抗特性和傳輸特性進行測量的問題，其中傳輸特性包括增益特性、衰減特性、幅頻特性、相頻特性等。用來測量上述特性的儀器稱為頻率特性測試儀。本設計基于LabVIEW的頻率特性測試儀就是完成對上述參量的檢測。本文首先從系統(tǒng)所要實現(xiàn)的基本功能出發(fā)，介紹了總體方案及相應技術指標，論述了掃頻測量的基本原理，包括系統(tǒng)動態(tài)特性的函數表征、系統(tǒng)動態(tài)特性測試方法、激勵信號的產生與控制等。本設計基于虛擬儀器思想和頻率特性分析相關理論，提出了用虛擬儀器方式開發(fā)頻率特性測試儀的新思路。設計的目標就是用美國國家儀器公司提供的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW，并結合相應的硬件環(huán)境，實現(xiàn)一個實用性較強的虛擬頻率特性測試儀。設計的頻率特性測試儀包括三部分：（1）數據采集；（2）數據分析與處理；（3）存儲、顯示和打印。設計的內容從仿真和硬件兩方面都調試通過。其中，硬件方面是通過搭建濾波電路作為外部系統(tǒng)實現(xiàn)的。關鍵詞：虛擬儀器，LeaBIEW，掃頻測量，頻率特性目 錄前 言1第1章 概述21.1 虛擬儀器的基本概念21.2 虛擬儀器的結構及分類21.3 虛擬儀器的特點31.4 研究設計虛擬頻率特性測試儀的意義3第2章 頻率特性分析42.1 頻率特性的基本概念42.2 頻率特性的時域分析42.3 頻率特性的頻域分析5第3章 系統(tǒng)總體方案設計63.1 虛擬頻率特性測試儀的總體結構63.2 掃頻儀測量原理63.3 用虛擬儀器實現(xiàn)的掃頻儀的測量原理7第4章 系統(tǒng)硬件設計84.1 數據采集卡84.1.1 數據采集卡介紹84.1.2 對數據采集轉換盒的改裝84.2 濾波電路的設計與搭建10第5章 系統(tǒng)軟件設計125.1 軟件模塊總體結構125.2 數據采集模塊125.3 激勵信號產生模塊145.4 信號譜分析模塊145.5 濾波處理模塊155.6 數據保存模塊165.7打印結果模塊165.8 前面板設計17第6章 軟件使用說明書20第7章 軟件測試分析報告237.1 仿真調試237.2 硬件調試28第8章 項目開發(fā)總結- 31 -結 論- 32 -參考文獻33致 謝35附錄3634焦作大學機電工程學院前 言頻率特性測量在現(xiàn)代電子測量中占有重要位置，其原理就是將網絡的響應信號與激勵信號在頻率上的對應幅值相比，對應相位相減。運用掃頻技術的頻率特性測試儀(簡稱掃頻儀)可以對被測網絡進行快速的動態(tài)測試，得出被測網絡的阻抗和傳輸特性的實時測量結果。電子測試與測量儀的發(fā)展大至經歷了模擬儀器、分立元件式儀器、數字化儀器和智能儀器等幾個過程。電子科技的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的頻率特性測試儀已經無法完全滿足科研人員的需要。對于數字化、智能化高性能頻率特性測試儀的需求量日益增大。隨著微電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，測試技術與計算機深層次的結合使得測試儀器領域出現(xiàn)了一種全新的儀器結構即虛擬儀器(VI-virtual instrument)。近年來，虛擬儀器技術發(fā)展很快，基于虛擬儀器技術的各種測試設備不斷涌現(xiàn)。掃頻信號源(頻率源)是掃頻儀的重要部件，主要用于產生正弦掃頻信號，其掃頻范圍是可調的，掃頻規(guī)律是線性的或對數的，輸出掃頻信號的幅度應是等幅的。頻率源的性能直接影響著掃頻儀的性能好壞，頻率源主要采用頻率合成的方法，其性能是伴隨著頻率合成技術的進步而發(fā)展的。從早期的直接式頻率合成技術到第二代鎖相式頻率合成技術，直到目前較先進的直接數字式頻率合成技術(DDS-direct digital synthesis)，經歷了三個發(fā)展階段。DDS較之以前的頻率合成技術具有頻率轉換時間極短、頻率分辨率極高、輸出相位連續(xù)、可編程、全數字化、易于集成等突出優(yōu)點。因此，它得到越來越廣泛的應用，成為當今現(xiàn)代電子系統(tǒng)及設備中頻率源的首選。本設計應用正在蓬勃發(fā)展的虛擬儀器技術，即利用微型計算機強大的軟件功能和環(huán)境進行頻率特性測試儀(掃頻儀)的研究與開發(fā)。在NI公司的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW上，研制一種新型的基于虛擬儀器技術的頻率特性測試儀，這種新型儀器將充分利用計算機軟、硬件資源，一臺儀器可代替原來的頻率特性儀和示波器兩臺儀器，具有強大的處理能力，及其新穎、清晰的圖形曲線顯示，方便的數據輸出、打印功能等，具有操作方便、性價比高等優(yōu)點，可以更好地滿足科研和工程設計的需要。第1章 概述1.1 虛擬儀器的基本概念虛擬儀器(Virtural Instrument，VI)是用戶在通用計算機平臺上，根據需求定義和設計儀器的測試功能，使得使用者在操作這臺計算機時，就像在操作一臺自己設計的測試儀器一樣。虛擬儀器概念的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的工作模式，使用戶可以根據自己的需要，設計自己的儀器?！败浖褪莾x器”是虛擬儀器技術最核心的思想，其目標是：在測試系統(tǒng)和儀器設計中盡量用軟件代替硬件，充分利用計算機技術來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)測試系統(tǒng)與儀器的功能。VI技術以PC機為基礎，和其他傳統(tǒng)儀器相比，具有通用性好、可擴展性強、可靠性和自動化程度高，以及數據表達方便靈活等優(yōu)點1。1.2 虛擬儀器的結構及分類在功能上來講虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器是一樣的，但它又是由硬件平臺和應用軟件兩部分組成。結構組成由圖可知是包含數據采集與控制、數據分析和處理、結果表達三個功能模塊組成。采集與控制數據處理和分析結果表達圖1-1 虛擬儀器的內部功能劃分常用的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)有四種，LabVIEW、lab windows、visual c+和vmids等等。本文使用LabVIEW完成。LabVIEW是美國國家儀器公司（簡稱NI）推出的一種圖形化軟件編程環(huán)境，作為世界上最優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，在測控領域應用越來越廣泛，利用NI虛擬儀器技術，設計者可以象搭積木一樣輕松快速組建自己的測試系統(tǒng)2。1.3 虛擬儀器的特點虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，有以下幾個特點：（1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，其上布置過多的顯示和操作部件，易于導致誤操作。虛擬儀器則不同，它可以通過幾個分面板來實現(xiàn)比較復雜的功能。因此，在每個分面板上就可以實現(xiàn)功能的單純化與面板的簡潔化，從而提高操作的正確性與便捷性。（2）在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的測試功能。（3）儀器功能是用戶根據需要由軟件來定義的，而不是事先由廠家決定。（4）儀器性能的改進和功能擴展可以通過軟件的更新來實現(xiàn)，而不需購買新的儀器。（5）虛擬儀器具有開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，與網絡及其它周邊設備互聯(lián)決定了虛擬儀器具有上述傳統(tǒng)儀器不可能具備的優(yōu)點的根本原因在于虛擬儀器的關鍵是軟件3。1.4 研究設計虛擬頻率特性測試儀的意義傳統(tǒng)的模擬式掃頻儀一般由調頻振蕩器、陰極示波管、掃描發(fā)生器等部分組成，因而工藝復雜、體積較大、價格昂貴，而且使用起來操作程序復雜。并且模擬式掃頻儀不能直接得到相頻特性，更不能打印網絡頻率響應曲線，給使用者帶來了諸多不便。本設計研究的頻率特性測試儀克服了傳統(tǒng)模擬掃頻儀的缺點，具有體積小、操作簡便、測試準確。利用計算機強大的運算和顯示功能實現(xiàn)了模擬式掃頻儀很難實現(xiàn)的功能，同時顯示幅頻特性曲線和相頻特性曲線，打印頻率特性曲線，甚至可以通過曲線擬合得到被測網絡的近似傳遞函數4。第2章 頻率特性分析2.1 頻率特性的基本概念頻率特性指系統(tǒng)傳遞不同頻率正弦信號的性能，包括幅度頻率特性和相位頻率特性。幅度頻率特性描述系統(tǒng)對于不同頻率的輸入正弦信號在穩(wěn)態(tài)情況下的衰減或放大特性：相位頻率特性描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出對于不同頻率的正弦輸入信號的相位滯后或超前的特性。2.2 頻率特性的時域分析對信號波形的記錄是以時間一幅度相關的形式直觀表現(xiàn)出來，稱為時域分析，通過分析，可得到幅值大小、幅值對時間的分布、相位的滯后、波形的畸變等信息。時域幅值判定是通過對每個掃頻信號的采樣序列直接求算術平均最大值，即在時域中直接求出信號的振幅值來實現(xiàn)的。其中由采樣的總樣本數和信號一個周期內的采樣點數來決定極值出現(xiàn)的個數。時域判定算法如下：設總樣本數為N，第周期采樣點數為m，采樣序列為Xk，k=0，1，N-1；令p=N/m。（1）求出Xk中的最大值Xmaxi（i=0，1，p-1）。（2）判斷ip是否成立?若成立，從Xk中刪除Xmaxi，重復第1步，否則進行第3步。（3）對求出的所有最大值Xmaxi再求平均值，即 (2-1)所求出的平均最大值即為判定出的信號幅值。這里采用平均值的原因是：在高速數據采集板卡中噪聲將影響讀數的穩(wěn)定性或測量的重復性。在算法中通過對含有噪聲的采樣值取多次平均，可以在某種程序上抑制噪聲，也有助于補償硬件的噪聲抑制能力，以減少噪聲。2.3 頻率特性的頻域分析與時域分析不同，頻域分析指是對動態(tài)信號在頻率域進行分析，分析的結果是以頻率為坐標的各種物理量的譜線和曲線，可得到各種幅值以頻率為變量的頻譜函數。頻域分析中可求幅值譜、相位譜、功率譜及譜密度等。頻域分析中一個重要工具就是傅里葉變換(簡稱傅氏變換)，它包括了傅里葉級數和傅里葉積分。對于一些己知函數，通過傅氏級數和傅污積分可給出解析解，再進行計算能得出一定精確程度的解答。而根據實際信號曲線一般不能寫出精確的數學函數表達式。因此，往往要把實際曲線逐點的讀數離散化后再進行計算。借助計算機處理處理信號時，由于計算機不能對連續(xù)曲線進行計算，就需先通過A/D轉換器將曲線上各點讀數離散化后再讀入，也就是以一些斷點來代替曲線后再計算，因此出現(xiàn)了所謂的“離散”傅氏變換(DFT)，是一種數學近似算法。在計算DFT的各種算法中，快速傅氏變換算法FFT占有非常重要的地位，已成為現(xiàn)代頻譜分析的常規(guī)手段，特別是引入計算機技術后，更是方便快捷而且直觀精確的最佳選擇5。第3章 系統(tǒng)總體方案設計3.1 虛擬頻率特性測試儀的總體結構虛擬頻率特性測試儀由計算機、數據采集卡和相應的軟件（用LabVIEW開發(fā)的應用軟件）信號處理部分和存儲部分組成。結構如圖3-1所示。數據采集設備計算機用LabVIEW開發(fā)的應軟件處理掃頻激勵信號被測網絡響應信號存盤圖3-1 虛擬掃頻儀結構圖圖為一般虛擬儀器的結構框圖，在仿真時，設計中由于沒有被測網絡，所以在軟件設計中我們用已知的濾波器代替這里的被測網絡。當接外部信號演示時，用搭好的壓控電壓源型濾波電路代替被測網絡。3.2 掃頻儀測量原理對于一個電子部件，一個網絡或一個系統(tǒng)的頻率特性是可以用實驗方法測試。測試方法有點頻測量法和掃頻測量法。點頻測量法的方框圖如圖3-2所示。測試時，信號源的頻率由低至高逐點調節(jié)，幅度保持不變，同時分別讀出電壓表的數值。然后把信號頻率的變化定為橫坐標，以電壓幅度定為縱坐標，逐點畫出各頻率點對應的電壓值，便可以描繪出平滑曲線，即得到被測系統(tǒng)的幅度頻率特性曲線6。正弦信號發(fā)生器被測電路電壓表示 波 器電壓表圖3-2 點頻法測量的方框圖掃頻測量法是點頻測量法的改進，其方框圖如圖3-3所示。一方面，改進測試信號源，用掃頻信號源把逐點調節(jié)頻率改為逐點掃動頻率；另一方面，改進接收信號的指示器，使信號隨頻率變動的軌跡用示波器直觀地顯示出來，從而直接得到被測系統(tǒng)的幅度頻率特性曲線7。通常把掃頻信號發(fā)生器、峰值檢波器、示波器、頻標信號發(fā)生器組成一個整體，即為頻率特性測試儀（掃頻儀）。X軸Y軸峰值檢波器被測電路掃頻信號發(fā)生器示波器圖3-3 掃頻測量方框圖3.3 用虛擬儀器實現(xiàn)的掃頻儀的測量原理虛擬頻率特性測試儀的基本測量原理是使用隨機信號正弦波作為激勵信號，通過數據采集卡的模擬輸出功能將激勵信號加到被測網絡上，再用兩個模擬輸入通道將激勵信號和網絡輸出端的響應信號同時采集到計算機中，計算隨機信號的自功率譜和隨機信號和響應信號的互功率譜，根據系統(tǒng)的特征，得到系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性8。第4章 系統(tǒng)硬件設計4.1 數據采集卡4.1.1 數據采集卡介紹PCI2006卡分為：PCI 局部總線、模擬信號輸入部分、A/D轉換電路部分、D/A轉換電路部分、開關量輸入輸出部分、計數器和FIFO存儲器（AD的緩存）部分。它是一種基于PCI總線的數據采集卡，可直接插在IBM-PC/AT 或與之兼容的計算機內的任一PCI插槽中，構成實驗室、產品質量檢測中心等各種領域的數據采集、波形分析和處理系統(tǒng)。也可構成工業(yè)生產過程監(jiān)控系統(tǒng)。PCI2006板上裝有14Bit分辨率的A/D轉換器和12位D/A轉換器。為用戶提供了16 雙/32單的模擬輸入通道和2 路模擬輸出通道。輸入信號幅度可以經程控增益儀表放大器調到合適的范圍，保證最佳轉換精度。程控增益可選擇1、2、4、8（PGA203）或1、10、100、1000（PGA202）倍，A/D轉換器輸入信號范圍:5V、10V(板上A/D轉換器為AD7899-1，PCI2006)，05V、02.5V量程(板上A/D轉換器為AD7899-2，PCI2006A)，D/A轉換器輸入信號范圍:5V、10V、010V9。4.1.2 對數據采集轉換盒的改裝本設計采用PCM數據采集轉換盒。實驗室現(xiàn)有的此采集盒只有一個通道可以用（只有一個通道內帶上拉電阻），而本設計在演示時需同時采集兩路信號，所以此采集盒滿足不了需求，需對其進行改裝，再改裝一個通道，在其上接個500千歐的上拉電阻。模擬輸入信號的連接方式有單端輸入方式和雙端輸入方式。這里我們使用雙端輸入方式接法，它可以有效抑制共模干擾信號，提高采集精度。在雙端輸入方式下，其所有AD通道的分配情況如表4-1。表4-1 雙端輸入方式下AD通道的分配原始通道對通道序列原始通道對通道序列正端IN+負端IN-正端IN+負端IN-CH0IN00+CH16IN00-CH0CH8IN08+CH24IN08-CH8CH1IN01+CH17IN01-CH1CH9IN09+CH25IN09-CH9CH2IN02+CH18IN02-CH2CH10IN10+CH26IN10-CH10CH3IN03+CH19IN03-CH3CH11IN11+CH27IN11-CH11CH4IN04+CH20IN04-CH4CH12IN12+CH28IN12-CH12CH5IN05+CH21IN05-CH5CH13IN13+CH29IN13-CH13CH6IN06+CH22IN06-CH6CH14IN14+CH30IN14-CH14CH7IN07+CH23IN07-CH7CH15IN15+CH31IN15-CH15PCI2006板可按圖4-1連接成模擬電壓雙端輸入方式，可以有效抑制共模干擾信號，提高采集精度。8路模擬輸入信號正端接到IN00+IN15+端，其模擬輸入信號負端接到IN00-IN15-端，并在距離XS1插座近處，在IN00-IN15-端與AGND端應各接一只幾十K至幾百K的電阻，為儀表放大器輸入電路提供偏置。而現(xiàn)有的采集盒內只有0通道接有此上拉電阻，所以準備對1通道進行改裝，接線法按圖4-1所示。IN00+IN00_IN01+IN7_AGNDIN01_現(xiàn)場信號現(xiàn)場信號模擬輸入端口現(xiàn)場信號IN7+圖4-1 雙端輸入方式4.2 濾波電路的設計與搭建設計要求：截止頻率fc=2000Hz,紋波幅度Kp=0.5dB,通帶增益Kp=2的二階壓控電壓源型巴特沃斯高通濾波器10，電路如圖4-2所示。C1C2R4R2R1R3UoUiN+。N圖4-2 二階壓控電壓源型高通有源濾波器電路（1）電容C1的確定由fc=2000Hz，查表4-2得：可取C1=0.005F。表4-2 二階有源濾波器設計電容選擇用表fc/Hz100kC1/F100.10.10.010.010.001(1000100)10-6(10010)10-6（2）電阻換標系數的計算 (4-1)由式(4-1)計算得，K=10（其中fc以Hz為單位，C1以F為單位）。（3）歸一化電阻值ri的確定由Kp=2查表4-3得：r1=1.821k，r2=1.391k，r3=2.782k，r4=2.782k。表4-3 二階壓控電壓源型巴特沃斯高通濾波器設計用表Kp1246R1/k1.1251.8212.5923.141R2/ k2.2511.3910.9770.806R3/ k2.7821.3030.968R4/ k02.7823.9104.838C2/C11111（4）電阻實際值的計算 (4-2)由式(4-2)計算得：R1=18.21k，R2=13.91k，R3=27.82k，R4=27.82k。（5）電阻、電容標稱值的確定R1=18k，R2=14k，R3=28k，R4=28k，C2=C1=0.005F。硬件電路如圖4-3所示。圖4-3 濾波電路第5章 系統(tǒng)軟件設計5.1 軟件模塊總體結構該虛擬頻率特性測試儀軟件模塊主要分為參數設置模塊、激勵信號產生、數據采集、譜分析、濾波處理、波形顯示、波形保存模塊。各模塊之間的數據流圖如圖5-1所示。設置保存路徑設置窗函數設置采樣率和樣本數設置信號頻率和樣本數被測網絡開始產生激勵信號數據采集參數設置譜分析濾波處理波形顯示波形保存圖5-1 各模塊數據流圖5.2 數據采集模塊有了hDevice設備對象句柄后，便可用InitDeviceProAD函數初始化AD部件。然后用StartDeviceProAD即可啟動AD部件，開始AD采樣，然后便可用ReadDeviceProAD_NotEmpty反復讀取AD數據以實現(xiàn)連續(xù)不間斷采樣。當您需要暫停設備時，執(zhí)行StopDeviceProAD，當您需要關閉AD設備時，ReleaseDeviceProAD便可幫您實現(xiàn)（但設備對象hDevice依然存在）11。具體執(zhí)行流程如圖5-2所示。創(chuàng)建設備對象CreateDevice()初始化設備對象ADInitDeviceProAD()啟動AD設備StartDeviceProAD以非空查詢方式讀取AD數據ReadDeviceProAD_NotEmpty()需要再緊接著讀取AD數據以實現(xiàn)連續(xù)采集嗎？是釋放AD設備ReleaseDeviceProAD()需要改變通道或頻率或清FIFO后再采集嗎？FIFO后再采集嗎？否需要釋放設備對象ReleaseDevice()不需要開始結 束接著上次再讀AD數據重新初始化AD用戶對采集到AD數據進行處理其代碼應由用戶根據需要編寫圖5-2 非空查詢方式AD采集實現(xiàn)過程5.3 激勵信號產生模塊傳統(tǒng)頻率特性測試儀一般使用LC掃頻振蕩器產生掃頻信號，即被測系統(tǒng)或網絡（電路）的激勵信號，掃頻信號一般為頻率連續(xù)可調的交變信號。而在虛擬儀器環(huán)境下，掃頻所需的激勵信號則是在計算機中以軟件方法產生、并經D/A轉換后得到的，信號類型更為廣泛12。本設計采用均勻白噪聲作為仿真激勵信號，之所以選均勻白噪聲信號，是因為虛擬的外部設備是濾波器，白噪聲的濾波效果比較明顯；而且白噪聲的頻率不定，避免了在運行時不斷的手動調節(jié)頻率。激勵信號的產生程序如圖5-3所示。圖5-3 激勵信號發(fā)生程序設計框圖5.4 信號譜分析模塊根據虛擬頻率特性測試儀的測量原理與算法，采用互功率譜的方法。首先使用Cross Spectrum VI得到激勵信號與響應信號的互功率譜，同時使用FFT Power Spectrum VI 得到激勵信號的自功率譜，然后根據式(5-1)和式(5-2)就可以得到系統(tǒng)的幅頻響應和相頻響應13-15。程序見附錄及附錄。 (5-1) (5-2)5.5 濾波處理模塊在利用隨機噪聲作為激勵信號求網絡的頻率特性時，通常實驗得到的曲線需要做適當的處理。本虛擬儀器首先使用LabVIEW自帶的數字IIR濾波器 VI對所得到的響應頻率做中值濾波，以剔除曲線中較大的毛刺。中值濾波在實驗數據處理中應用較多，它可用于剔除數據曲線上的毛刺。其定義如下：設濾波窗口的長度為n=2k+1或n=2k觀測值個數為M(Mn)觀測值為當窗口在觀測序列上移動時，標準中值濾波器的輸出為 n=2k+1 (5-3) n=2k (5-4)其中，表示窗口內n=2k+1（或2k）個觀測值中第k個最大或最小數值，即k次序統(tǒng)計。根據上述定義，窗口n=2k+1的一維中值濾波方法的輸出與輸入的關系為 (5-5)全中值濾波方法窗口長度n=2k+1，如果脈沖信號寬度小于或等于k濾波后該脈沖將被去除。利用中值濾波方法的這個性質，能夠在去除脈沖噪聲的同時保護信號的細節(jié)。在實際使用時，濾波窗口長度選擇要適當，若長度過小，可能起不到去除干擾的作用；而長度過大，會造成采樣數據的時延過大，致使系統(tǒng)性能變差16。激勵信號和經濾波后的響應信號如圖5-4所示。圖5-4 激勵信號與響應信號5.6 數據保存模塊完成以上步驟后已經可以得出被測信號的頻率特性，在此我們添加一個數據保存模塊是為了更好的完成其功能，方便保存和打印。程序框圖如圖5-5所示。.圖5-5 數據存儲程序框圖5.7打印結果模塊程序如圖5-6所示。圖5-6 打印結果程序5.8 前面板設計傳統(tǒng)的臺式儀器通常是在前面板設置一些旋鈕和按鍵，通過人工操縱這些旋鈕和按鍵來調整測量參數。除了這種本地控制方式之外，多數臺式儀器還配備有GPIB接口以及一個內置的控制器，以實現(xiàn)儀器的自動遠程控制。虛擬儀器的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的儀器控制方式。虛擬儀器采用了基于圖形用戶接口（GUI）編程技術，在計算機屏幕上顯示出各種很逼真的各種旋鈕和按鍵等控件，用戶使用鼠標或鍵盤操控控件，測試結果和儀器狀態(tài)也以與傳統(tǒng)面板類似的方式顯示在計算機屏幕上，由于這種面板是以計算機軟件的形式實現(xiàn)的，因此稱之為軟面板。它是傳統(tǒng)儀器的面板和軟件界面的融合，且具有以下特性：（1）多面板性傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，它的上面布置著種類繁多的顯示和操作元件，由此可能導致許多認讀與操作的錯誤。虛擬儀器可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復雜的功能，從而提高操作的正確性與便捷性。（2）工藝的自由性虛擬儀器面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受“標準件”和“加工工藝”的限制，它們由編程來實現(xiàn)。設計者可以設計符合認知要求的顯示元件、操作元件和面板的布局。（3）自助性虛擬儀器中用戶可以借助幫助信息學會操作儀器，解決使用時遇到的問題。面板中包括旋鈕等控件，面板是虛擬儀器輸入和輸出數據的接口，用戶可以直接用鼠標或鍵盤輸入數據。根據要求設計的頻率特性測試儀的前面板如圖5-7、圖5-8、圖5-9所示。圖5-7 主界面前面板圖5-8 數據采集前面板數據采集程序可實現(xiàn)同時采集32路信號。數據采集前面板左半部分可設置通道總數和采樣頻率，中間部分設置采集參數，右半部分設置各通道的增益。圖5-9 頻率響應顯示前面板這里我們所設計的頻率響應顯示前面板較為簡潔，左上半部分為濾波項選擇，左下半部分為運行控制按鈕，右上部分為信號頻率特性的顯示，縱向是信號波形經調制后的幅度，橫坐標是頻率，右下部分是激勵信號輸入和輸出的波形顯示。此外，前面板上還有其他按鍵，線性與對數按鍵是顯示波形結果以線性或對數方式來表達的。結束后，可按“數據保存”鍵進行保存。第6章 軟件使用說明書頻率特性測試儀的測量系統(tǒng)的前面板有主界面、數據采集顯示界面和頻率響應顯示界面，在程序運行過程中，這三個界面可以相互切換。只有程序運行之后，頻率響應顯示界面才有圖形顯示。主界面如圖5-7所示，數據采集顯示界面如圖5-8所示，頻率響應顯示界面如圖5-9所示。操作步驟如下：1程序運行后，點擊“進入系統(tǒng)”按鈕，會自動跳轉入采集顯示界面。2在數據采集顯示界面上選擇通道總數、采樣頻率和采集方式。通道數可以在1-32之間選擇，本設計僅使用2個通道即可。采樣頻率的值可以扳動旋鈕，也可以直接輸入。3采集數據設置好后，單擊“進入顯示”按鈕，進入頻率響應顯示界面。4單擊“開始”，頻率響應曲線開始動態(tài)顯示，同時“開始”按鈕自動變?yōu)椤斑\行中”按鈕，如需停止可按下“運行中”按鈕。這時可以根據需要點擊按鈕。可按下“仿真信號”、“外部信號”進行信號選擇。當選擇外部信號時，使用采集卡的兩個通道將激勵信號和網絡輸出信號同時采集到計算機中，經處理后構成幅頻和相頻特性曲線，并顯示在屏幕上。在“濾波項選擇”中設置濾波器參數。修改“階數”，則綠色曲線會跟著改變，并且有紅色和綠色指示燈是否與期望值相一致。紅色表示異常，綠色表示未超過允許值，是正常的。點擊“數據保存”，會彈出保存對話框，如圖6-1所示，隨意選擇保存路徑，其會自動生成一個文件存儲數據。圖6-1 數據存儲對話框點擊“打印結果”按鈕，會自動彈出提示框，如圖6-2所示。圖6-2 打印結果對話框5單擊“返回主界面”，會自動跳轉至主界面。6單擊“退出系統(tǒng)”，會自動彈出提示對話框，如圖6-3所示。圖6-3 退出系統(tǒng)對話框使用該測量系統(tǒng)，應該特別注意“開始”、“運行中”和 “退出系統(tǒng)”按鈕。Labview開始運行后，并沒有啟動程序。單擊“開始”， 程序才開始運行。單擊“運行中”，程序停止運行。單擊“退出系統(tǒng)”，Labview文件自動關閉。第7章 軟件測試分析報告7.1 仿真調試用LabVIEW實現(xiàn)頻率特性測試儀的原理前面的章節(jié)已經進行了闡述。這里我們?yōu)榱俗C實軟件的可行性，特增加了模擬仿真這一部分。這里我們使用已知的濾波器來完成驗證。在未運行軟件時我們可以粗略的對其進行驗證，LabVIEW軟件中是自帶了調試工具的。在查看菜單中點擊錯誤列表將出現(xiàn)圖7-1所示的界面。圖7-1 調試程序結果這代表程序無錯誤。下面我們進行項目驗證。由于我們選擇用濾波函數代替被測信號，所以基本上不存在毛刺和雜波，也就用不到第5章中的中值濾波和移動平均。前面板中我們在濾波項中我們選擇Low pass即低通再點擊掃頻鍵可得到圖7-2所示的結果。(a).幅頻響應(b).相頻響應(c).相關性圖7-2 低通濾波顯示波形顯示窗口描繪的低通波形即已經證明程序的正確性。因為顯示出來的波形正與我們選擇的方式一樣。同樣我們選擇High pass即可得到圖7-3所示的高通濾波器波形。(a).幅頻響應(b).相頻響應(c).相關性圖7-3 高通濾波顯示選擇Band pass能得到圖7-4所示的帶通濾波器的波形。(a).幅頻響應(b).相頻響應(c).相關性圖7-4 帶通濾波顯示選擇Band stop能得到圖7-5所示的帶阻濾波器的波形。(a).幅頻響應(b).相頻響應(c).相關性圖7-5 帶阻濾波顯示經過以上的模擬仿真我們已經可以確定軟件的正確性，上文是在選擇巴特沃斯濾波器的情況下得的諸多結果，同樣我們可以選擇在切比雪夫濾波器和貝賽爾濾波器下設置高通、低通、帶通和帶阻四種模式10。7.2 硬件調試本設計使用搭建的壓控電壓源型巴特沃斯高通濾波電路作為外部系統(tǒng)進行調試，調試結果如圖7-6所示。(a).激勵信號與響應信號(b).幅頻響應(c).相頻響應(d).相關性(e).互功率譜圖7-6 外部調試結果第8章 項目開發(fā)總結隨著科技時代的飛速發(fā)展，以計算機軟件設計來實現(xiàn)一些硬件設備測量功能的事例已越來越普遍。傳統(tǒng)硬件設備測量功能的固有缺點（如封閉性、缺乏靈活性、響應速度慢等）已越來越不能滿足現(xiàn)實的要求。因此，開發(fā)軟件系統(tǒng)測量功能的前景很大。本次設計就是用軟件來取代硬件設備實現(xiàn)對某一系統(tǒng)的頻率響應的測量。此軟件系統(tǒng)是建立在LabVIEW平臺上設計的測試程序，該系統(tǒng)可對采集到的信號進行處理分析，把一些數學上的公式、定理用軟件中的循環(huán)、局部變量、移位寄存器等功能表達出來，并且取得較好的成果。有效地體現(xiàn)了軟件的優(yōu)點，具有靈活性高、響應速度快，其檢測結果能更直觀、更準確地顯示在界面上，方便與用戶溝通。另外，本次開發(fā)項目采用的技術方案簡單，并且不是很難實現(xiàn)，能較好的實現(xiàn)功能需求。不過由于開發(fā)時間倉促，所以使得開發(fā)完成的程序并不是盡善盡美。經過這次開發(fā)任務的磨練，在團隊合作和與人溝通方面已經有了很大的提高，相信這些能力提高將在以后的工作和學習生活中能給我提供更多的成功籌碼。結 論虛擬儀器是電子儀器與計算機技術更深層次的結合而產生的一種新的儀器模式。它是電子測試與儀器領域中發(fā)展方興未艾的技術，特別適用于現(xiàn)代越來越復雜的測試系統(tǒng)。虛擬儀器技術的出現(xiàn)使得一些實時性要求很高，原本由硬件完成的功能，可以通過軟件來實現(xiàn)。甚至許多原來用硬件電路難以解訣或根本無法解決的問題，也可以采用軟件技術很好地加以解決。頻率特性分析主要考慮的是幅頻特性和相頻特性。使用Cross Spectrum VI得到激勵信號與響應信號的互功率譜，同時使用FFT Power Spect