本科論文--LabVIEW測頻率

學士學位論文 I 摘 要 采用虛擬儀器技術(shù)對高精度的頻率源進行測量，具有簡單、易行、精度高的特點。這與以往利用實際儀器儀表對頻率進行測量在方法上有著很大的不同。 LabVIEW就是基于虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境，本文闡述了基于虛擬儀器技術(shù)在頻率測量中的實際應(yīng)用，根據(jù)電子測量的基本原理、計算方法和流程， 實驗利用了 LabVIEW的特有語言 G語言 對被測對象進行程序編譯、運行、修改并最終顯示運行結(jié)果。 在實現(xiàn)頻率測量的過程中， 利用聲卡代替了數(shù)據(jù)采集卡，把聲音數(shù)據(jù)采集上來作為信號源，通過測量聲音的頻率， 對外界聲音信號進行仿真實驗， 最后給出了被測信號頻率的仿真結(jié)果。 實驗結(jié)果以圖形顯示和數(shù)據(jù)顯示 的 方式，對被測對象進行了準確地測量。通過實驗，實現(xiàn)了虛擬儀器對 信號頻率的 測量 。 虛擬儀器是電子測量中的新技術(shù)，有著廣闊的發(fā)展前景，是實驗、教學及檢測領(lǐng)域的重要技術(shù)。 關(guān)鍵詞 : 虛擬儀器；電子測量；頻率測量 學士學位論文 II ABSTRACT Adopting virtual instrument technique in the frequency source that high accuracy has characteristics of simplify、 easy operation and high accuracy .This has the very big difference with the former frequency measurement method. LabVIEW was based on the virtual instrument development environment, and this article elaborates the practical application of virtual instrument technology in the frequency measurement. According to the basic theories、 the computational method and the flow of electronic measurement, the experiment used the LabVIEW unique language (G language) to compile, run, correct the measured subject and eventually display the result. During the process of realizing the frequency measurement, there are some steps including using the sound card instead of data acquisition card as the signal source, measuring the frequency of sound, carrying out simulation experiment for outside voice acquisition and finally giving out the simulation results of the frequency of the measured signals. The result of experiment has measured the subject accurately by the means of displaying graph and data. The experiment has realized the measurement of signal frequency in the virtual instrument. Virtual instrument is a new technique in electronic measurement, having vast development foreground, and is the important technique of experiment, teaching and in the field of detection. Keywords: Virtual instrument； Electronic measurement； Frequency measurement 學士學位論文 III 目 錄 引 言 . 1 1 電子測量 . 2 1.1 測量概述 . 2 1.1.1 測量的基本概念 . 2 1.1.2 測量的重要意義 . 2 1.2 電子測量的特點和應(yīng)用 . 3 2 虛擬儀器及 LabVIEW 基礎(chǔ) . 6 2.1 虛擬儀器概述 . 6 2.1.1 定義 . 6 2.1.2 比較與差異 . 6 2.1.3 虛擬儀器對電子測量的影響 . 8 2.2 LabVIEW 概述 . 8 2.1.1 LabVIEW 簡介 . 8 2.1.2 LabVIEW 的體系結(jié)構(gòu) . 9 3 時間與頻率的測量 .11 3.1 概述 . 11 3.1.1 時間、頻率的基本概念 . 11 3.2 數(shù)據(jù)采集 . 11 3.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 . 11 3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡簡介 . 12 4 設(shè)計方法 . 15 4.1 可行性研究及需求分析 . 15 4.1.1 開發(fā)背景 . 15 4.1.2 需求分析 . 15 4.1.3 設(shè)計思想 . 22 4.2 設(shè)計方法在 Labview 中的實現(xiàn) . 22 4.2.1 總設(shè)計的程序圖 . 22 4.2.2 程序框圖分解分析 . 24 4.2.3 設(shè)計圖的前面板演示及結(jié)果 . 29 4.2.4 程序中一些模塊的功能 . 35 5 虛擬儀器的發(fā)展前景 . 37 結(jié) 論 . 39 致 謝 . 40 參考文獻 . 41 附錄 A 英文原文 . 42 附錄 B 漢語翻譯 . 51 學士學位論文 1 引 言 現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展是建立在精密測量基礎(chǔ)上的，目前人們所涉及到的 物理量和物理常數(shù)中，頻率時間是最精密、準確的計量單位，其他許多測量 可以轉(zhuǎn)化為頻率時間的測量。頻率時間測量在測量和計量領(lǐng)域中起著重要的 作用，它的準確與否決定著其它許多物理量及基本物理常數(shù)的精度和定義。 測量精度的提高，不僅為人們更精確的認識和發(fā)現(xiàn)物質(zhì)世界提供了機會，而 且也是一個國家戰(zhàn)略競爭力的重要標志之一。在信息科技日益發(fā)達的今天，高精度頻率測量的研究是關(guān)系經(jīng)濟發(fā)展、科技創(chuàng)新和國家安全的重要內(nèi)容。 由于社會發(fā)展和科技發(fā)展的需要，信息傳輸和處理要求的提高，對頻 率的測量精度也提出了更高的要求 。 頻率測量所能達到的精度，主要取決于標準頻率源的精度 以及所使用的測量設(shè)備和測量方法。目前，國內(nèi)外使用的測頻方法 有很多， 有直接測頻法、內(nèi)插法、游標法、時間 電壓變化法、多周期同步法、頻率 倍增法、頻差倍增法以及相位比較法等。直接測頻的方法較簡單，但精度 不高。內(nèi)插法和游標法都是采用模擬的方法，雖然精度提高了，但是線路設(shè) 計卻很復雜。時間 電壓變化法是利用電容的充放電時間進行測量，由于經(jīng) 過 A/D轉(zhuǎn)換，速度較慢，且抗干擾能力較弱。多周期同步法是精度較高的 一種。為了進一步提高精度，通常采用模擬內(nèi)插法或游標法與多周期同步法結(jié)合使用，雖然精度有了進一步的提高，但最終未能解決 1 個 數(shù)字的誤差這個根本問題，而且這些方法設(shè)備復雜，不利于推廣。頻率誤差倍增法可以 減小計數(shù)器的 1 個字的誤差，提高測量精度，但用這種方法來提高測量精 度是很有限的，因為如要得到 132 10 / s 的測量精度，就要把被測頻率xf倍 頻到 111 / 2 1 0 5 0 0 0xm f M H z ，這無論是對倍頻技術(shù)，還是對目前的計數(shù) 器都是很難實現(xiàn)的。頻差倍增 多周期法是一種頻差倍增法和差拍法 相結(jié)合的測量方法。這種方法是將被測信號和參考信號經(jīng)頻差倍增使被測信號的 相位起伏擴大，再通過混頻器獲得差拍信號，用電子計數(shù)器在低頻下進行多 周期測量，能在較少的倍增次數(shù)和同樣的取樣時間情況下，得到比測頻法更 高的系統(tǒng)分辨率測量精度。但是仍存在著時標不穩(wěn)定而引入的誤差和一 定的觸發(fā)誤差。 所以頻率測量技術(shù)需要進一步的改善和提高。更應(yīng)該利用計算機的大量資源和技術(shù)來提高電子測量的精度。 學士學位論文 2 1 電子測量 1.1 測量概述 1.1.1 測量的基 本概念 測量是為確定被測對象的量值而進行的實驗過程。在這個過程中常借助專門的設(shè)備，把被測對象直接或間接的與同類已知單位進行比較，取得用數(shù)值和單位共同表示的測量結(jié)果。 它根據(jù)一定的法則，對事物屬性用數(shù)字進行描述。測量的基本特征是將事物進行區(qū)分，本質(zhì)上是一種比較的活動，在對事物進行區(qū)分比較的過程中，按照一定的法則，把區(qū)分的結(jié)果用數(shù)字的形式表現(xiàn)出來。 根據(jù)測量的定義，一般測量可包括 3個內(nèi)容： 1， 測量對象即事物的屬性； 2， 測量工具即某些法則； 3， 測量結(jié)果即某數(shù)字表示形式。 測量分為兩種情況。第一種，測量誤差遠大于被測量值的 變化，這種情況被典型化為“量值本身不變而測量有誤差”，稱常規(guī)測量，其理論稱經(jīng)典測量理論；第二種，被測量值本身的變化遠大于測量誤差，這種情況被典型化為“測得值是被測量的實際值，求量值及其變化”，這種測量稱為統(tǒng)計測量。 當今，測量可分為四種類型 1： 常規(guī)測量：得到多個測得值，存在期望值，貝塞爾公式成立；用測得值的平均值代表真值，用平均值的標準誤差（常取其 3 倍）表示隨機誤差范圍；存在唯一真值，講究準確度。 常規(guī)統(tǒng)計測量：測得到的多個值，每個值都是被測量的實際值；存在期望值，貝塞爾公式成立；用單 個值的標準偏差；有標稱值（目標值），講究準確度。 一般發(fā)散型統(tǒng)計：測得到的多個值，每個值都是真值；存在發(fā)散困難，無數(shù)學期望，貝塞爾公式不成立；有標稱值（目標值），講究準確度。 特種發(fā)散型統(tǒng)計：得到的多個值，每個都是真值；存在發(fā)散困難，無數(shù)學期望，貝塞爾公式不成立；無標準，用不確定度。 1.1.2 測量的重要意義 測量是揭示客觀世界規(guī)律，用數(shù)字語言描述周圍世界，進而改造世界的重要手段。學士學位論文 3 廣義的說，任何實驗科學的結(jié)論，都是對實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計推斷的結(jié)果。而數(shù)據(jù)的取得，就要靠測量。近代自然科 學是從有了實驗科學之后才真正形成的。許多重大科學成果的獲得，首先因為有了新的實驗手段。在科學發(fā)展史上，重要的實驗數(shù)據(jù)可以假說上升為理論，成為驗證理論的客觀標準。同時，很多實驗數(shù)據(jù)還成為發(fā)現(xiàn)新問題，提出新理論的線索和依據(jù)。 現(xiàn)代科學技術(shù)、生產(chǎn)和國防的重要特點之一，就是要進行大量的觀測和統(tǒng)計。現(xiàn)代工業(yè)大生產(chǎn)，用到測量上的工時和費用約占整個生產(chǎn)所用的 20%30%。提高測量水平，降低測量成本，減少測量誤差，提高測量效率，對國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域都是至關(guān)重要的。因此，測量手段的現(xiàn)代化，已被公認為是科學技術(shù)和生產(chǎn)現(xiàn)代化的重 要條件和明顯標志。 1.2 電子測量的特點和應(yīng)用 從廣義來說，凡是利用電子技術(shù)來進行的測量都是可以說是電子測量。隨著電子科學技術(shù)的發(fā)展，由于電子測量的一系列優(yōu)點，許多物理量都設(shè)法通過一定的傳感器變換成電信號，然后利用一整套比較成熟的電子學方法來進行測量。在科學技術(shù)高度發(fā)展的今天，尖端技術(shù)和現(xiàn)代化的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都離不開精密和準確的測量?，F(xiàn)代化科學技術(shù)和現(xiàn)代化大生產(chǎn)中那些要求精密和準確測量的內(nèi)容通常都是運用了電子測量的方法來實現(xiàn)的。 從狹義來說，電子測量是在電子學中測量有關(guān)電的量值。即使在這個范圍內(nèi)，內(nèi) 容也是相當廣泛的。通常包括下面幾個方面： （ 1） 電能量的測量，即測量電流、電壓、電功率等； （ 2） 信號的特性及所受干擾的測量，例如信號的波形和失真度、頻率、相位、脈沖參數(shù)、調(diào)制度、信號頻譜、信 /噪比等； （ 3） 元件和電路參數(shù)的測量，例如電阻、電感、電容、電子器件（電子管、晶體管、場效應(yīng)管等）、集成電路的測量。電路頻率響應(yīng)、通帶寬度、品質(zhì)因數(shù)、相位移、延時、衰減和增益的測量等等。 與其它的一些測量相比，電子測量具有以下幾個明顯的特點： （ 1） 測量頻率范圍極寬，低端除測直流外可測低至 410 510 Hz，高端可至 100GHz左右 (在有些測量方面甚至更高 )。電子測量能工作在這樣寬的頻率范圍，這就使它應(yīng)用范圍很廣。但是即使測量同一電量，在不同的頻段中所依據(jù)的原理、采用的方法、使用的元器件等都可能相差很遠。所以有時把測量或低頻學士學位論文 4 信號發(fā)生器、音頻信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器等等。當然這給使用帶來很多不便。近年來研制了很多寬頻設(shè)備，使一臺儀器能在很寬的頻率范圍內(nèi)工作。 （ 2） 量程很廣。由于所測量電量的大小相差極大，要求測量儀器的量程也極寬。同一臺電子儀器，經(jīng)常能作 到量程寬達很多數(shù)量級。 （ 3） 測量準確度高。電子儀器的正確度通?？杀绕渌麥y量儀器高很多。特別是對頻率和時間的測量，由于采用了原子頻標和原子秒作為基準，使誤差減小到1310 1410 量級 ,這是目前人類在測量準確度方面達到的最高標準。人們也往往把其它參數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率再進行測量 ,以提高測量的準確度 .電子測量準確度高 ,正是它在現(xiàn)代科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的重要原因。 （ 4） 測量速度快。電子測量由于是通過電子運動和電磁波的傳播來進行工作的 ,因此 具有其它測量方法通常無法類比的高速度。這也是它在現(xiàn)代科學技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的一個重要原因。隨著科學技術(shù)的發(fā)展 ,對測量過程和測量數(shù)據(jù)處理的速度都提出了越來越高的要求。因此 ,不斷提高測量速度也是電子測量發(fā)展的一個重要方向。 （ 5） 易于實現(xiàn)遙測和長期不間斷的測量 ,顯示方式又可以做到清晰直觀。由于可以把電子儀器或與它連接的傳感器防到人類不便長期停留或無法到達的區(qū)域去進行遙測 ,而且可以在被測對象正常工作的情況下進行測量 .這就擴大了人類用測量的方法定量的認識世界的范圍。 對于測量結(jié)果 ,電子測量的顯示方法也比較清晰直觀 ,易 于實現(xiàn)遙測和長期不間斷測量和它在顯示測量結(jié)果方面的優(yōu)點 ,也促進了它在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 （ 6） 易于利用計算機 ,形成電子測量與計算技術(shù)的緊密結(jié)合。電子測量的測量結(jié)果和它所需的控制信號都是電信號，這非常有利于它直接或通過 A/D,D/A 變換與計算機連接。 由于以上電子測量技術(shù)的一系列特點，使它廣泛應(yīng)用于自然科學的一切領(lǐng)域。 在現(xiàn)代，幾乎找不到哪一個科技領(lǐng)域沒有運用電子測量技術(shù)。大到天文觀測、宇宙航天，小到物質(zhì)結(jié)構(gòu)、基本粒子；從復雜深奧的生命、細胞、遺傳問題到日常的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學、商業(yè)各部門，都越來越的采用了電子測量技 術(shù)和設(shè)備。 電子測量技術(shù)的發(fā)展是與自然科學特別是電子技術(shù)的發(fā)展互相促進、互相推動的。學士學位論文 5 一方面電子測量技術(shù)的發(fā)展為自然科學特別是電子學的研究、實驗、分析和檢驗提供了條件，另一方面自然科學的發(fā)展特別是電子科學技術(shù)的發(fā)展向電子測量技術(shù)不斷提出新問題。同時，近代電子學、計算科學、物理學和材料學等的發(fā)展又反過來為電子測量提供了新理論、新技術(shù)、新工藝、新材料、新器件，形成了相輔相成不可分割的關(guān)系。 由于電子測量的廣泛應(yīng)用和它與自然科學的密切關(guān)系，電子測量科學的發(fā)展永遠和自然科學的最新發(fā)展緊密聯(lián)系著。電子測量技術(shù)的最新水平 往往是科學技術(shù)最新成果的反映，這就使這門科學充滿生命力。目前電子測量設(shè)備在性能、測試功能、工藝結(jié)構(gòu)等各方面都取得了很大的進展。其研制和生產(chǎn)正向著自動化、系統(tǒng)化、數(shù)字化、高性能、多功能、快速、小型等方面發(fā)展。 學士學位論文 6 2 虛擬儀器及 LabVIEW 基礎(chǔ) 2.1 虛擬儀器概述 2.1.1 定義 虛擬儀器是指在通用計算機上添加一層軟件和 /或必要的儀器硬件模塊，使用戶操作這臺通用計算機就象操作一臺自己專門設(shè)計的傳統(tǒng)電子儀器一樣。虛擬儀器技術(shù)強調(diào)軟件的作用，提出了 軟件就是儀器 的概念，這個概念克服了傳統(tǒng)儀器的功能在制造時就被限定而不能變動的缺陷，擺脫了由傳統(tǒng)硬件構(gòu)成一件件儀器再連成系統(tǒng)的模式，而變?yōu)橛捎脩舾鶕?jù)自己的需要通過編制不同的測試軟件來組合構(gòu)成各種虛擬儀器，其中許多功能直接就由軟件來實現(xiàn)，打破了儀器功能只能由廠家定義，用戶無法改變的模式，虛擬儀器還可以很快地跟上計算機的發(fā)展，升級重建自己的功能。這尤其適合科研與生產(chǎn)制造部門。 2.1.2 比較與差異 考察任何一臺傳統(tǒng)的智能儀器，都可以將其分解成以下三個部分 : (1)數(shù)據(jù)的采集 :將輸入的模擬 信號波形進行調(diào)理，并經(jīng) A /D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以待處理。 (2)數(shù)據(jù)的分析與處理 :由微處理器按照功能要求對采集的數(shù)據(jù)作必要的分析和處理。 (3)存儲、顯示或輸出 :將處理后的數(shù)據(jù)存儲、顯示或經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。 傳統(tǒng)智能儀器是由廠家將上述二種功能的部件根據(jù)儀器功能按固定的方式組建，一般一種儀器只有一種功能或數(shù)種功能。而虛擬儀器是將具有上述一種或多種功能的通用模塊組合起來，通過編制不同的測試軟件來構(gòu)成任何一種儀器，而不是某幾種儀器。例如激勵信號可先由微機產(chǎn)生數(shù)字信號，再經(jīng) D/A 變換 產(chǎn)生所需的各種模擬信號，這相當于一臺任意波形發(fā)生器。大量的測試功能都可通過對被測信號的采樣， A/D 變換成數(shù)字信號，再經(jīng)過處理即可，或者直接用數(shù)字顯示而形成數(shù)字電壓表類儀器，或用圖形顯示而形成示波器類儀器，或者再對數(shù)據(jù)進一步分析即可形成頻譜分析儀類儀器。其中，數(shù)據(jù)分析與處理以及顯示等功能可以直接由軟件完成 2。這樣就擺脫由傳統(tǒng)硬件構(gòu)成一件件儀器然后再連成系統(tǒng)的模式，而變成由計算機、 A/D 及 D/A 等帶共性硬件資源和學士學位論文 7 應(yīng)用軟件共同組成的虛擬儀器系統(tǒng)新的概念。許多廠家目前已研制出了多種用于構(gòu)建虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集 (DAQ)卡。一塊 (DAQ)卡可以完成 A/D 轉(zhuǎn)換、 D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸入輸出、記數(shù)器 /定時器等多種功能，再配以相應(yīng)的信號調(diào)理電路組件，即可構(gòu)成能生成各種虛擬儀器的硬件平臺。 總之，虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大的不同之處，就在于應(yīng)用的靈活性上。虛擬儀器是用戶自己定義的，用戶可以將各種計算機平臺、硬件、軟件和附備件結(jié)合起來，組裝成所需要的應(yīng)用設(shè)備。而一般由生產(chǎn)廠商所定義的、具有固定功能的單個設(shè)備，例如電壓表、示波器和數(shù)據(jù)記錄儀等，則不具有這樣的靈活性。因此利用虛擬儀器來取代傳統(tǒng)儀器之后，用戶將大大受益。 表 2.1 中更加簡潔 明了地對虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器進行了比較。 表 2.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 軟件使得開發(fā)與維護費用低 開發(fā)與維護費用高 關(guān)鍵是軟件 關(guān)鍵是硬件 價格低，可重復用，可重配置性強 價格昂貴 用戶定義儀器功能 廠商定義儀器功能 技術(shù)更新周期短（ 12 年） 技術(shù)更新周期長（ 510 年） 開放，靈活，與計算機同步發(fā)展 封閉、固定 與網(wǎng)絡(luò)及外設(shè)互聯(lián)方便 功能固定、互聯(lián)有限 圖 2.1 和圖 2.2 分別 反映了常見的虛擬儀器 系統(tǒng)的構(gòu)成和虛擬儀器內(nèi)部的劃分： 數(shù) 據(jù) 采 集 卡數(shù) 據(jù) 采 集 卡數(shù) 據(jù) 采 集 卡數(shù) 據(jù) 采 集 卡數(shù) 據(jù) 采 集 卡數(shù) 據(jù) 采 集 卡數(shù) 據(jù) 采 集 卡測控對象裝有V I軟件的計算機圖 2.1 虛擬儀器 系統(tǒng)的構(gòu)成 學士學位論文 8 D A Q 卡G P I B 儀 器V X I 儀 器串 口 儀 器D A Q 卡G P I B 儀 器V X I 儀 器串 口 儀 器D A Q 卡G P I B 儀 器V X I 儀 器串 口 儀 器數(shù) 據(jù) 采 集 處 理數(shù) 據(jù) 表 達數(shù) 據(jù) 分 析圖 2.2 虛擬儀器內(nèi)部的劃分 2.1.3 虛擬儀器對電子測量的影響 由于虛擬儀器的特點，將使它在電子測量領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 : 在功能配置上，表現(xiàn)出了更高的靈活性。改變了過去傳統(tǒng)儀器只能完成中一測量的弊病，集多種儀器功能幾一體，使儀器向多功能集成化方向發(fā)展。例如可以在一臺虛擬儀器上同時完成信號發(fā)生、波形顯示、交直流電壓 /電流測量等功能。 虛擬儀器的出現(xiàn)，擴展了電子測量 的概念。使得在測量的同時完成了對被測量的分析與處理。隨著新技術(shù)的發(fā)展，許多領(lǐng)域?qū)﹄?子 測量提出了更高的要求。例如在通訊領(lǐng)域，對信道的測量要求在頻域進行指標分析。應(yīng)用虛擬儀器可以在數(shù)據(jù)采集后，通過軟件進行多種分析處理，完成時 /頻轉(zhuǎn)換、能譜分析、提取信號特征量等。對被測量還可以進行存儲、打印、局部放大等。 虛擬儀器在電子測量領(lǐng)域的使用，可以大大降低測量成木，提高儀器的利用率。通過通用硬件平臺，調(diào)用不同的軟件模塊，就可以完成多種儀器的測量功能。對于用戶而言，開發(fā)軟件的成木比購買新儀器的成本低廉，并且這種開發(fā)方式也便 于儀器的維護與使用，并能縮短儀器的開發(fā)周期。 2.2 LabVIEW 概述 2.1.1 LabVIEW 簡介 LabVIEW 是 1986 年，由美國 國家儀器公司 VI 公司 (National Instruments Cor-poration)設(shè)計的，它是一種基于圖形的開發(fā)，調(diào)試和運行程序的集成化環(huán)境，實現(xiàn)了虛擬儀器的概念。 NI 公司的 LabVIEW 是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達而設(shè)計的圖形化編程軟件。它增強了用戶在標準的計算機上配以高效經(jīng)濟的學士學位論文 9 硬件設(shè)備來構(gòu)建自己的儀器系統(tǒng)的能力。將 LabVIEW 與一般的數(shù)據(jù)采集以及儀器設(shè)備加以組合，就可以設(shè)計出虛擬儀器，并將其應(yīng)用于許多領(lǐng)域。 LabVIEW（ laboratory vietual instrument engineering workbench）是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學術(shù)界和研究實驗室所接受，被公認為是標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。 LabVIEW 不僅提供了與遵從 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)置了支持 TCP/IP， ActiveX 等軟件標準的庫函數(shù)，而且其圖形化 的編程界面使編程過程變得生動有趣。 LabVIEW 是一個功能強大且靈活的軟件，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器。 LabVIEW 是一個完全的、開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，利用它組建儀器測試 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以大大簡化程序的設(shè)計。 LabVIEW 與 VisualC+、VisualBasic、 LabWindows/CVI 等編程語言不同，后者采用的是基于文本語言的程序代碼（ Code），而 LabVIEW 則是使用圖形化程序設(shè)計語言 G（ Graphic），用框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。 Lab VIEW 所運用的設(shè)備 圖標與科學家、工程師們習慣的大部分圖標基本一致，這使得編程過程 和思維過程非常的相似 。 使用這種語言編程時，基本上不需要編寫程序代碼，而是 繪制 程序流程圖。LabVIEW 盡可能利用工程技術(shù)人員所熟悉的術(shù)語、圖標和概念 ， 因而它是一種面向最終用戶的開發(fā)工具，可以增強工程人員構(gòu)建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，可謂實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供便捷途徑。利用 LabVIEW，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件。LabVIEW 是真正的 32 位編譯器。像其他軟件一樣， LabVIEW 提供了 Windows, UNIX, Linux 和 Macintosh 等多種版本。目前， LabVIEW 的最新版本是 LabVIEW7.11。 2.1.2 LabVIEW 的體系結(jié)構(gòu) 圖 2.2 是 LabVIEW 的軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) .其中儀器驅(qū)動程 )子主要是完成儀器硬件接口功能的控制程序。 NT公司提供了各制造廠家數(shù)百種 GP- IB, DAQ, VXT 和 RS- 232 等儀器的驅(qū)動程序 .有了儀器驅(qū)動程序 .用戶就不必精通這些儀器的硬件接口。而只要把儀器的用戶接口代碼及數(shù)據(jù)處理與分析軟件組合在一起。就可以迅速而方便地構(gòu)建一臺新的虛擬儀器。 LabVIEW 具有三種用來創(chuàng)建和 運行程序的圖形化可移動模板 :工具 (Tools)模板，控制 (Controls)模板和功能 (Functions)模板。工具模板包括了程序的創(chuàng)建，修改和調(diào)試時使用的工具?？刂颇０逯饕糜谇懊姘逯休斎撕洼敵鲋甘酒鞯奶砑?。而功能模板則用學士學位論文 10 于框圖程序的創(chuàng)建。熟悉了開發(fā)環(huán)境之后，就可以進行編程了。下面就簡單概括一下LabVIEW 的程序設(shè)計的一般過程。 圖 2.3 LabVIEW 軟件體系結(jié)構(gòu) 學士學位論文 11 3 時間與頻率的測量 3.1 概述 3.1.1 時間、頻率的基本概念 1. 時間和頻 率的定義 “時間”的含義有兩個：一個是指“時刻” ,即某個事件何時發(fā)生；另一個是指“時間間隔”，即某個事件相對于一開始時刻持續(xù)了多久。 所謂頻率就是指周期信號在單位時間（ 1 秒）內(nèi)變化的次數(shù)。如果在一定時間間隔T 內(nèi)周期信號重復變化了 N 次，則其頻率可表達為： f=N/T （ 3.1） 由于周期和頻率呈現(xiàn)上式所示的關(guān)系，所以對周期（時間間隔）的測量可轉(zhuǎn)化為對頻率的測量，然后再取倒數(shù)即可。 2. 時頻測量的特點 . 測量精度高 在電子技術(shù)各參數(shù)中，頻率測 量的精確度是最高的（ 10 14），因而可以利用某種確定的函數(shù)關(guān)系把其他電參數(shù)的精確測量轉(zhuǎn)換誠頻率的測量。 應(yīng)用范圍廣 現(xiàn)代科技所涉及的頻率范圍是極其寬廣的，從百分之一赫茲甚至更低頻率開始，一直到 1012 赫茲以上。因此電子學和其他領(lǐng)域的研究工作都離不開頻率測量。 自動化程度高 時頻測量極易實現(xiàn)數(shù)字化。電子計數(shù)器利用數(shù)字電路的各種邏輯功能很容易實現(xiàn)自動重復測量、自動選擇量程、測量結(jié)果自動顯示等。 測量速度快 由于數(shù)字式儀器實現(xiàn)了測量自動化，因此不但操作簡便，而且大大加快了測量速度 。 3.2 數(shù)據(jù)采集 3.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 數(shù)據(jù)采集是 LabVIEW 的核心技術(shù)之一。 LabVIEW 提供了與 NI 公司的數(shù)據(jù)次采集學士學位論文 12 硬件相配合的豐富的軟件資源，使得它能夠方便地將實現(xiàn)世界中各種物理量數(shù)據(jù)采集到計算機中，從而為計算機在測量領(lǐng)域發(fā)揮其強大的功能奠定了基礎(chǔ)。 要將數(shù)據(jù)采集到計算機里，并對其進行合理的組織，需要構(gòu)建一個完整的數(shù)據(jù)采集（ Data AcQuisition， DAQ）系統(tǒng)。它包括：傳感器和變換器、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡（或裝置）、驅(qū)動程序、硬件配置管理軟件、應(yīng)用軟件和計算機等。 使用不同的傳感器和變換器可以測量各種不同的物理量，并將它們轉(zhuǎn)化成電信號；信號調(diào)理設(shè)備可對采集到 的電 信號進行加工，使它們適合數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備的需求；計算機通過數(shù)據(jù)采集卡等獲得測量數(shù)據(jù)；軟件則控制著整個測量系統(tǒng)，它告訴采集設(shè)備什么時候從哪個通道獲取數(shù)據(jù)，同時還對原始數(shù)據(jù)作分析處理，并將最后結(jié)果表示成容易理解的方式，例如圖表和文件等 1。 3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡簡介 一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入（簡稱 模入 ）、模擬輸出（簡稱 模出 ）、數(shù)字 I/O、計數(shù)器 /計時器等。 模擬輸入是采集卡最基本的功能 。它一般由多路開關(guān)（ MUX）、放大器（ Amplifier）、采樣保持電路（ S/H）以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）來實現(xiàn)。一個模擬信號通過上述各部分后可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 ADC 的性能和參數(shù)直接影響著采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)實際測量所需要的精度來選擇合適的 ADC。 模擬輸出通常是為采集系統(tǒng)提供激勵信號。輸出信號受數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ DAC）的建立時間、分辨率等因素影響。建立時間反映了輸出信號幅值改變的快慢，例如建立時間短的 DAC 可以提供頻率較高的信號。應(yīng)該根據(jù)實際需要考慮 DAC 的參數(shù)指標 。 通用采集卡一般都有多個模入通道，但是 多數(shù)采集卡并非每個通道配置一個 ADC，而是各通道共用一個 ADC；在 ADC 之前一般有多路開關(guān)、儀用放大器和采樣保持器。通過采樣保持和多路開關(guān)的切換，可以實現(xiàn)多通道的采樣。 多通道的采樣方式有 3 種：循環(huán)采樣、同步采樣和間隔采樣。下面主要以框圖的方式對這三種采樣進行說明： 1 循環(huán)采樣 圖 3.1 是兩通道循環(huán)采樣示意圖。其中，所有的通道共用一個 S/H 和 ADC 設(shè)備。 學士學位論文 13 圖 3.1 兩通道循環(huán)采樣示意圖 2 同步采樣 圖 3.2 為兩通道同步采樣的示意圖。當通道間的關(guān)系很重要時，就需要用到同步采樣方式。 圖 3.2 兩通道同 步采樣示意圖 3 間隔采樣 圖 3.3 為通道 10 間隔采樣示意圖，設(shè)置相鄰通道間的掃描間隔為 5s ，則通道 1和通道 10 掃描間隔是 45s 。間隔采樣時性價比較高的一種采樣方式。 學士學位論文 14 圖 3.3 通道 10 間隔采樣示意圖 學士學位論文 15 4 設(shè)計方法 4.1 可行性研究及需求分析 4.1.1 開發(fā)背景 所謂“頻率”，就是周 期性信號在單位時間（一秒）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔 T 內(nèi)計得這個周期性信號的重復變化次數(shù) N，則其頻率可為 : F=N/T 在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，頻率是一個最基本的參數(shù)，頻率與其它許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系。因此，頻率的測量就顯得更為重要，而且，目前在電子測量中，頻率測量精度是最高的。 4.1.2 需求分析 頻率是周期性信號參數(shù)的基本參量之一。目前普遍采用電子計數(shù)器測量各種頻率。使用電子計數(shù)器測量頻率具有顯示直觀、操作方便以及精度較高的特點。 1 測量頻率 雙穩(wěn)態(tài)電路是各 種數(shù)字式儀器最基本、應(yīng)用最廣泛的二進制計數(shù)電路 4。將這種觸發(fā)電路依次串連起來，就構(gòu)成了電子計算機中常用的二進制計數(shù)電路。再利用反饋電路進行邏輯控制，可將十六進制轉(zhuǎn)換成十進制。計數(shù)器所計數(shù)目多少，決定于串接的十進制計數(shù)單元的個數(shù)。 如在十進制計數(shù)系統(tǒng)中，加入兩個附加機構(gòu)，就可以構(gòu)成數(shù)字式計數(shù)器。圖 4.1 是其簡化示意圖。 圖 4.1 數(shù)字式計數(shù)器 從圖 4.1 中可以看出，圖中附加了一個信號放大器（包括整形電路）和一個時間閘門電路。時間閘門是用來控制被測信號進入十進制 計數(shù)系統(tǒng)輸入端的時間，因此 學士學位論文 16 xf十進制計數(shù)器的讀數(shù) /閘門時間 N/T=輸入信號的頻率 (4.1) 式中， N 為計數(shù)器讀數(shù)， T 為閘門時間。 時間閘門由被定時脈沖控制的二極管或晶體管門電路組成，可以自動的或手動進行控制。當閘門閉合時，計數(shù)器開始計數(shù)，所以計數(shù)數(shù)目的多少，由閘門時間和輸入信號的頻率決定。閘門斷開時，計數(shù)器停止計數(shù)。所以結(jié)果被寄存器記憶，并顯示在儀器面板的數(shù)碼指示器上，直到“復零”脈沖 作用后，電路全部恢復原來零狀態(tài)，為下次計數(shù)作好準備。這樣周而復始的進行下去。 通常控制閘門的開始和關(guān)閉是由內(nèi)部準確的時基信號發(fā)生器（即晶體振蕩器）和一組分頻電路組成。長期穩(wěn)定度一般可達 105 10 /天，短期穩(wěn)定度達 91 10 /秒左右。通過一組 10 分頻器，將標準時基信號按 10 的冪次向下分頻，可以獲得一組不同的閘門時間。由施密特觸發(fā)電路形成寬度等于標準時間的閘門脈沖，如圖 4.2 所示。 圖 4.2 產(chǎn)生閘門時間的電路 從圖中可以看出，實際上它也是一組十進制計數(shù)單元。每經(jīng)過一個十進計數(shù)單元，時基頻率就降為十分之一。根據(jù)串接的十進計數(shù)單元級數(shù)的不同，可以獲得不同的閘門時間。圖 4.2 給出了 510 、 410 、 310 、 210 、 110 及 010 秒的各種閘門時間。它們均具有與時基信號相同的準確度和穩(wěn)定度。 如將圖 3.1 和圖 3.2 組合起來就構(gòu)成了一個完整的電子計數(shù)式頻率測量儀器。 時間閘門的選擇開關(guān) K，在計數(shù)式頻率計上有三個不同的作用。 (1) 選擇所需的閘門時間，（ 2） 選擇與閘門時間相適應(yīng)的十進位小數(shù)點的位置，（ 3）選擇與閘門時間相適應(yīng)的測量單位（如 Hz、 kHz及 MHz等）。 學士學位論文 17 2 測量周期 周期 T 是頻率 f的倒數(shù)，圖 3.3 是用電子計數(shù)式頻率計測量信號周期 T 的方框圖。 圖 4.3 周期測量原理 此時被測信號作為時間閘門的控制信號，時基信號（ 1MHz）的頻率則作為加到十進計數(shù)器的計數(shù)脈沖。 通常時基信號經(jīng) K 次分頻后，送入時間閘門，其周期0T0kT，則 00xT N T N kT（ 4.2） 因此，顯示器的讀數(shù) (N)，可直接確定被測信號的周期xT。在測量比較低的頻率時，用測量周期的方法 比直觀測量頻率的方法有更高的準確度和分辨力。測量的頻率愈低，周期測量法的準確度就越高，這點在分析兩種方法測量誤差時，特別明顯。 但是在測量中，人們在通過實驗方法來求被測量的真值時，由于對客觀規(guī)律認識的局限性、測量器具不準確、測量手段不完善、測量條件發(fā)生變化及測量工作中的疏忽或錯誤等原因，都會使測量結(jié)果于真值不同，這個差別就是測量誤差。 （一）頻率測量誤差 ： 根據(jù)式（ 4.1），x f為xf N/T，因此 xxf NTf N T （ 4.3） 學士學位論文 18 式中，第一項 /NN 稱為量化誤差，這是數(shù)字化測量儀器所特有的誤差。第二項/TT 是閘門時間的相對誤差，這項誤差決定于晶體振蕩器（即時基信號）提供的標準頻率的準確度。以上兩項即為頻率測量的總誤差，稱為測頻誤差。 1. 量化誤差或 1 個字誤差 在測量頻率時，時間閘門和計數(shù)頻率信號之間是不同步的。這種閘門的啟動和停止時刻與計數(shù)頻率信號的相位關(guān)系是隨機的，由此造成不可避免的“ 1 個字誤差”或“量化誤差”。圖 3.4 是此種誤差形成的原理圖。 圖 4.4 量化誤差或 1 個字誤差 設(shè)時間閘門第一次測量是從0t到1t，則 T=（1t0t）。它包含了從“ 1”到“ 10”共十個計數(shù)頻率的周期。因此，計數(shù)