畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于LabVIEW的頻率特性測(cè)試儀設(shè)計(jì)

1、基于labview的頻率特性測(cè)試儀設(shè)計(jì)摘 要在電子測(cè)量中，信號(hào)頻率方面的測(cè)試占很重要的地位。會(huì)經(jīng)常遇到對(duì)網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性和傳輸特性進(jìn)行測(cè)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(cè)量上述特性的儀器稱為頻率特性測(cè)試儀。本設(shè)計(jì)基于labview的頻率特性測(cè)試儀就是完成對(duì)上述參量的檢測(cè)。本文首先從系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的基本功能出發(fā)，介紹了總體方案及相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，論述了掃頻測(cè)量的基本原理，包括系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的函數(shù)表征、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法、激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生與控制等。本設(shè)計(jì)基于虛擬儀器思想和頻率特性分析相關(guān)理論，提出了用虛擬儀器方式開發(fā)頻率特性測(cè)試儀的新思路。設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是用美國(guó)國(guó)家儀器

2、公司提供的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)labview，并結(jié)合相應(yīng)的硬件環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)用性較強(qiáng)的虛擬頻率特性測(cè)試儀。設(shè)計(jì)的頻率特性測(cè)試儀包括三部分：（1）數(shù)據(jù)采集；（2）數(shù)據(jù)分析與處理；（3）存儲(chǔ)、顯示和打印。設(shè)計(jì)的內(nèi)容從仿真和硬件兩方面都調(diào)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(shí)現(xiàn)的。關(guān)鍵詞：虛擬儀器，leabiew，掃頻測(cè)量，頻率特性design of frequency characteristic test instrument based on labviewabstractin electronic measurement, the frequency of measuremen

3、t is a very important part. we will often encounter the network impedance characteristics and transmission characteristics of the measurement.the transmission characteristics include the gain and attenuation characteristics, amplitude and frequency characteristics of phase frequency characteristics.

4、 the apparatus used to measure the characteristics are known as the frequency characteristics of testing equipment. here aim of the frequency characteristics test instrument we design based on labview is the completion of previous parametric testing. this paper firstly realizes the basic functions,

5、then on the hardware platforms of construction. the software system design and implementation are paid attention in this paper. we discuss the basic principle of the sweep check, including the dynamic characteristics of the function characterization, the dynamic characteristics test methods, and exc

6、itation signal for the selection and control. based on virtual machines defination and frequency analysis of the relevant theories, frequency characteristics test virtual instruments is introduced. the objective is to by use of labview the united states state equipment companies provide the platform

7、 for the development of virtual instruments, and combine with hardware environment, a strong frequency characteristic of virtual instrument system is realized. test frequency design can be decomposed into three parts: (1) data collection; (2) data analysis and processing; (3) storage, display and pr

8、int. respectively, from the design of both simulation and hardware debugging through. among them, the hardware is set up through the filter circuit implemented as an external system.key words：virtual instrument, leabiew, sweep check,frequency characteristic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(jié)構(gòu)及分類2

9、1.3 虛擬儀器的特點(diǎn)31.4 研究設(shè)計(jì)虛擬頻率特性測(cè)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(shí)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(shè)計(jì)63.1 虛擬頻率特性測(cè)試儀的總體結(jié)構(gòu)63.2 掃頻儀測(cè)量原理63.3 用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)的掃頻儀的測(cè)量原理7第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)84.1 數(shù)據(jù)采集卡84.1.1 數(shù)據(jù)采集卡介紹84.1.2 對(duì)數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換盒的改裝84.2 濾波電路的設(shè)計(jì)與搭建10第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)125.1 軟件模塊總體結(jié)構(gòu)125.2 數(shù)據(jù)采集模塊125.3 激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生模塊145.4 信號(hào)譜分析模塊145.5 濾波處理模塊155.6

10、 數(shù)據(jù)保存模塊165.7打印結(jié)果模塊165.8 前面板設(shè)計(jì)17第6章 軟件使用說明書20第7章 軟件測(cè)試分析報(bào)告237.1 仿真調(diào)試237.2 硬件調(diào)試28第8章 項(xiàng)目開發(fā)總結(jié)- 31 -結(jié) 論- 32 -參考文獻(xiàn)33致 謝35附錄36前 言頻率特性測(cè)量在現(xiàn)代電子測(cè)量中占有重要位置，其原理就是將網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)在頻率上的對(duì)應(yīng)幅值相比，對(duì)應(yīng)相位相減。運(yùn)用掃頻技術(shù)的頻率特性測(cè)試儀(簡(jiǎn)稱掃頻儀)可以對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)測(cè)試，得出被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的阻抗和傳輸特性的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果。電子測(cè)試與測(cè)量?jī)x的發(fā)展大至經(jīng)歷了模擬儀器、分立元件式儀器、數(shù)字化儀器和智能儀器等幾個(gè)過程。電子科技的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的頻率特

11、性測(cè)試儀已經(jīng)無法完全滿足科研人員的需要。對(duì)于數(shù)字化、智能化高性能頻率特性測(cè)試儀的需求量日益增大。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)深層次的結(jié)合使得測(cè)試儀器領(lǐng)域出現(xiàn)了一種全新的儀器結(jié)構(gòu)即虛擬儀器(vi-virtual instrument)。近年來，虛擬儀器技術(shù)發(fā)展很快，基于虛擬儀器技術(shù)的各種測(cè)試設(shè)備不斷涌現(xiàn)。掃頻信號(hào)源(頻率源)是掃頻儀的重要部件，主要用于產(chǎn)生正弦掃頻信號(hào)，其掃頻范圍是可調(diào)的，掃頻規(guī)律是線性的或?qū)?shù)的，輸出掃頻信號(hào)的幅度應(yīng)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(shù)的進(jìn)步而發(fā)展的。從早期的直接式頻

12、率合成技術(shù)到第二代鎖相式頻率合成技術(shù)，直到目前較先進(jìn)的直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)(dds-direct digital synthesis)，經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。dds較之以前的頻率合成技術(shù)具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短、頻率分辨率極高、輸出相位連續(xù)、可編程、全數(shù)字化、易于集成等突出優(yōu)點(diǎn)。因此，它得到越來越廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)今現(xiàn)代電子系統(tǒng)及設(shè)備中頻率源的首選。本設(shè)計(jì)應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展的虛擬儀器技術(shù)，即利用微型計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能和環(huán)境進(jìn)行頻率特性測(cè)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(tái)labview上，研制一種新型的基于虛擬儀器技術(shù)的頻率特性測(cè)試儀，這種新型儀器將充分利用計(jì)算機(jī)軟、硬件資源，

13、一臺(tái)儀器可代替原來的頻率特性儀和示波器兩臺(tái)儀器，具有強(qiáng)大的處理能力，及其新穎、清晰的圖形曲線顯示，方便的數(shù)據(jù)輸出、打印功能等，具有操作方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，可以更好地滿足科研和工程設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)需求定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，使得使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，就像在操作一臺(tái)自己設(shè)計(jì)的測(cè)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(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器?！败浖褪莾x器”是虛擬儀器技術(shù)最核心的思想，其目標(biāo)是：在測(cè)試系統(tǒng)和儀器設(shè)計(jì)

14、中盡量用軟件代替硬件，充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)與儀器的功能。vi技術(shù)以pc機(jī)為基礎(chǔ)，和其他傳統(tǒng)儀器相比，具有通用性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性和自動(dòng)化程度高，以及數(shù)據(jù)表達(dá)方便靈活等優(yōu)點(diǎn)1。1.2 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)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(tái)和應(yīng)用軟件兩部分組成。結(jié)構(gòu)組成由圖可知是包含數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果表達(dá)三個(gè)功能模塊組成。采集與控制數(shù)據(jù)處理和分析結(jié)果表達(dá)圖1-1 虛擬儀器的內(nèi)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

15、是美國(guó)國(guó)家儀器公司（簡(jiǎn)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(tái)，在測(cè)控領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，利用ni虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)者可以象搭積木一樣輕松快速組建自己的測(cè)試系統(tǒng)2。1.3 虛擬儀器的特點(diǎn)虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè)，其上布置過多的顯示和操作部件，易于導(dǎo)致誤操作。虛擬儀器則不同，它可以通過幾個(gè)分面板來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。因此，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能的單純化與面板的簡(jiǎn)潔化，從而提高操作的正確性與便捷性。（2）在通用硬件平臺(tái)確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的測(cè)試功能。（3）儀器功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義

16、的，而不是事先由廠家決定。（4）儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展可以通過軟件的更新來實(shí)現(xiàn)，而不需購(gòu)買新的儀器。（5）虛擬儀器具有開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)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(diǎn)的根本原因在于虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件3。1.4 研究設(shè)計(jì)虛擬頻率特性測(cè)試儀的意義傳統(tǒng)的模擬式掃頻儀一般由調(diào)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(fù)雜、體積較大、價(jià)格昂貴，而且使用起來操作程序復(fù)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(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)曲線，給使用者帶來了諸多不便。本設(shè)計(jì)研究的頻率特性測(cè)試儀克服了傳統(tǒng)模擬掃頻儀的缺點(diǎn)，具有體積小、操作簡(jiǎn)便、測(cè)試

17、準(zhǔn)確。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算和顯示功能實(shí)現(xiàn)了模擬式掃頻儀很難實(shí)現(xiàn)的功能，同時(shí)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(cè)網(wǎng)絡(luò)的近似傳遞函數(shù)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(hào)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(duì)于不同頻率的輸入正弦信號(hào)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(duì)于不同頻率的正弦輸入信號(hào)的相位滯后或超前的特性。2.2 頻率特性的時(shí)域分析對(duì)信號(hào)波形的記錄是以時(shí)間一幅度相關(guān)的形式直觀表現(xiàn)出來，稱為時(shí)域分析，通過分析，可得到幅值大小、幅值對(duì)時(shí)間的分布、相位的滯后、

18、波形的畸變等信息。時(shí)域幅值判定是通過對(duì)每個(gè)掃頻信號(hào)的采樣序列直接求算術(shù)平均最大值，即在時(shí)域中直接求出信號(hào)的振幅值來實(shí)現(xiàn)的。其中由采樣的總樣本數(shù)和信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)來決定極值出現(xiàn)的個(gè)數(shù)。時(shí)域判定算法如下：設(shè)總樣本數(shù)為n，第周期采樣點(diǎn)數(shù)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(fù)第1步，否則進(jìn)行第3步。（3）對(duì)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(hào)幅值。這里采用平均值的原因是：在高速數(shù)據(jù)采集板卡中噪聲將影響讀數(shù)的穩(wěn)定

19、性或測(cè)量的重復(fù)性。在算法中通過對(duì)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(bǔ)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(shí)域分析不同，頻域分析指是對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)在頻率域進(jìn)行分析，分析的結(jié)果是以頻率為坐標(biāo)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(shù)。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(gè)重要工具就是傅里葉變換(簡(jiǎn)稱傅氏變換)，它包括了傅里葉級(jí)數(shù)和傅里葉積分。對(duì)于一些己知函數(shù)，通過傅氏級(jí)數(shù)和傅污積分可給出解析解，再進(jìn)行計(jì)算能得出一定精確程度的解答。而根據(jù)實(shí)際信號(hào)曲線一般不能寫出精確的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式。因此，往往要把實(shí)際曲線逐

20、點(diǎn)的讀數(shù)離散化后再進(jìn)行計(jì)算。借助計(jì)算機(jī)處理處理信號(hào)時(shí)，由于計(jì)算機(jī)不能對(duì)連續(xù)曲線進(jìn)行計(jì)算，就需先通過a/d轉(zhuǎn)換器將曲線上各點(diǎn)讀數(shù)離散化后再讀入，也就是以一些斷點(diǎn)來代替曲線后再計(jì)算，因此出現(xiàn)了所謂的“離散”傅氏變換(dft)，是一種數(shù)學(xué)近似算法。在計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)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(shè)計(jì)3.1 虛擬頻率特性測(cè)試儀的總體結(jié)構(gòu)虛擬頻率特性測(cè)試儀由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的軟件（用labview開發(fā)的應(yīng)用軟件）信號(hào)處理部分和存儲(chǔ)部分組成。結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。數(shù)據(jù)采

21、集設(shè)備計(jì)算機(jī)用labview開發(fā)的應(yīng)軟件處理掃頻激勵(lì)信號(hào)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)信號(hào)存盤圖3-1 虛擬掃頻儀結(jié)構(gòu)圖圖為一般虛擬儀器的結(jié)構(gòu)框圖，在仿真時(shí)，設(shè)計(jì)中由于沒有被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，所以在軟件設(shè)計(jì)中我們用已知的濾波器代替這里的被測(cè)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)接外部信號(hào)演示時(shí)，用搭好的壓控電壓源型濾波電路代替被測(cè)網(wǎng)絡(luò)。3.2 掃頻儀測(cè)量原理對(duì)于一個(gè)電子部件，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或一個(gè)系統(tǒng)的頻率特性是可以用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試。測(cè)試方法有點(diǎn)頻測(cè)量法和掃頻測(cè)量法。點(diǎn)頻測(cè)量法的方框圖如圖3-2所示。測(cè)試時(shí)，信號(hào)源的頻率由低至高逐點(diǎn)調(diào)節(jié)，幅度保持不變，同時(shí)分別讀出電壓表的數(shù)值。然后把信號(hào)頻率的變化定為橫坐標(biāo)，以電壓幅度定為縱坐標(biāo)，逐點(diǎn)畫出各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值，

22、便可以描繪出平滑曲線，即得到被測(cè)系統(tǒng)的幅度頻率特性曲線6。正弦信號(hào)發(fā)生器被測(cè)電路電壓表示 波 器電壓表圖3-2 點(diǎn)頻法測(cè)量的方框圖掃頻測(cè)量法是點(diǎn)頻測(cè)量法的改進(jìn)，其方框圖如圖3-3所示。一方面，改進(jìn)測(cè)試信號(hào)源，用掃頻信號(hào)源把逐點(diǎn)調(diào)節(jié)頻率改為逐點(diǎn)掃動(dòng)頻率；另一方面，改進(jìn)接收信號(hào)的指示器，使信號(hào)隨頻率變動(dòng)的軌跡用示波器直觀地顯示出來，從而直接得到被測(cè)系統(tǒng)的幅度頻率特性曲線7。通常把掃頻信號(hào)發(fā)生器、峰值檢波器、示波器、頻標(biāo)信號(hào)發(fā)生器組成一個(gè)整體，即為頻率特性測(cè)試儀（掃頻儀）。x軸y軸峰值檢波器被測(cè)電路掃頻信號(hào)發(fā)生器示波器圖3-3 掃頻測(cè)量方框圖3.3 用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)的掃頻儀的測(cè)量原理虛擬頻率特性測(cè)試儀

23、的基本測(cè)量原理是使用隨機(jī)信號(hào)正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出功能將激勵(lì)信號(hào)加到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)上，再用兩個(gè)模擬輸入通道將激勵(lì)信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)輸出端的響應(yīng)信號(hào)同時(shí)采集到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算隨機(jī)信號(hào)的自功率譜和隨機(jī)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的互功率譜，根據(jù)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(shè)計(jì)4.1 數(shù)據(jù)采集卡4.1.1 數(shù)據(jù)采集卡介紹pci2006卡分為：pci 局部總線、模擬信號(hào)輸入部分、a/d轉(zhuǎn)換電路部分、d/a轉(zhuǎn)換電路部分、開關(guān)量輸入輸出部分、計(jì)數(shù)器和fifo存儲(chǔ)器（ad的緩存）部分。它是一種基于pci總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接插在ibm-pc/at 或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)的任一pci插

24、槽中，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)。也可構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。pci2006板上裝有14bit分辨率的a/d轉(zhuǎn)換器和12位d/a轉(zhuǎn)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(hào)幅度可以經(jīng)程控增益儀表放大器調(diào)到合適的范圍，保證最佳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器輸入信號(hào)范圍:5v、10v(板上a/d轉(zhuǎn)換器為ad7899-1，pci2006)，05v、02.5v量程(板上a/d轉(zhuǎn)換器為ad7899-2，pci2006a)，d/a轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)

25、范圍:5v、10v、010v9。4.1.2 對(duì)數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換盒的改裝本設(shè)計(jì)采用pcm數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換盒。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的此采集盒只有一個(gè)通道可以用（只有一個(gè)通道內(nèi)帶上拉電阻），而本設(shè)計(jì)在演示時(shí)需同時(shí)采集兩路信號(hào)，所以此采集盒滿足不了需求，需對(duì)其進(jìn)行改裝，再改裝一個(gè)通道，在其上接個(gè)500千歐的上拉電阻。模擬輸入信號(hào)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(hào)，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(duì)通道序列原始通道對(duì)通道序列正端in+負(fù)端in-正端in+負(fù)端in-ch0in00+

26、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-c

27、h7ch15in15+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(hào)，提高采集精度。8路模擬輸入信號(hào)正端接到in00+in15+端，其模擬輸入信號(hào)負(fù)端接到in00-in15-端，并在距離xs1插座近處，在in00-in15-端與agnd端應(yīng)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(nèi)只有0通道接有此上拉電阻，所以準(zhǔn)備對(duì)1通道進(jìn)行改裝，接線法按圖4-1所示。in00+in00_in01+in7_agndin01_現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)模擬輸入端口現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)in7+圖4-1 雙端輸入方式4.2 濾波電路的設(shè)計(jì)與搭建

28、設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(biāo)系數(shù)的計(jì)算 (4-1)由式(4-1)計(jì)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

29、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(shè)計(jì)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(shí)際值的計(jì)算 (4-2)由式(4-2)計(jì)算得：r1=18.21k，r2=13.91k，r3=27.82k，r4=27.82k。（5）電阻、電容標(biāo)稱值的確定r1=18k，r2=14k，r3=28k，r4=28k，c2=c1=0.

30、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(shè)計(jì)5.1 軟件模塊總體結(jié)構(gòu)該虛擬頻率特性測(cè)試儀軟件模塊主要分為參數(shù)設(shè)置模塊、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流圖如圖5-1所示。設(shè)置保存路徑設(shè)置窗函數(shù)設(shè)置采樣率和樣本數(shù)設(shè)置信號(hào)頻率和樣本數(shù)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)開始產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置譜分析濾波處理波形顯示波形保存圖5-1 各模塊數(shù)據(jù)流圖5.2 數(shù)據(jù)采集模塊有了hdevice設(shè)備對(duì)象句柄后，便可用initdeviceproad函數(shù)初始化ad部件。然后用startdeviceproad即可啟動(dòng)ad部件，開始ad采樣，然后便可用read

31、deviceproad_notempty反復(fù)讀取ad數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷采樣。當(dāng)您需要暫停設(shè)備時(shí)，執(zhí)行stopdeviceproad，當(dāng)您需要關(guān)閉ad設(shè)備時(shí)，releasedeviceproad便可幫您實(shí)現(xiàn)（但設(shè)備對(duì)象hdevice依然存在）11。具體執(zhí)行流程如圖5-2所示。創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象createdevice()初始化設(shè)備對(duì)象adinitdeviceproad()啟動(dòng)ad設(shè)備startdeviceproad以非空查詢方式讀取ad數(shù)據(jù)readdeviceproad_notempty()需要再緊接著讀取ad數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集嗎？是釋放ad設(shè)備releasedeviceproad()需要改變通道或

32、頻率或清fifo后再采集嗎？fifo后再采集嗎？否需要釋放設(shè)備對(duì)象releasedevice()不需要開始結(jié) 束接著上次再讀ad數(shù)據(jù)重新初始化ad用戶對(duì)采集到ad數(shù)據(jù)進(jìn)行處理其代碼應(yīng)由用戶根據(jù)需要編寫圖5-2 非空查詢方式ad采集實(shí)現(xiàn)過程5.3 激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生模塊傳統(tǒng)頻率特性測(cè)試儀一般使用lc掃頻振蕩器產(chǎn)生掃頻信號(hào)，即被測(cè)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)（電路）的激勵(lì)信號(hào)，掃頻信號(hào)一般為頻率連續(xù)可調(diào)的交變信號(hào)。而在虛擬儀器環(huán)境下，掃頻所需的激勵(lì)信號(hào)則是在計(jì)算機(jī)中以軟件方法產(chǎn)生、并經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換后得到的，信號(hào)類型更為廣泛12。本設(shè)計(jì)采用均勻白噪聲作為仿真激勵(lì)信號(hào)，之所以選均勻白噪聲信號(hào)，是因?yàn)樘摂M的外部設(shè)備是濾波器，白噪

33、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(yùn)行時(shí)不斷的手動(dòng)調(diào)節(jié)頻率。激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生程序如圖5-3所示。圖5-3 激勵(lì)信號(hào)發(fā)生程序設(shè)計(jì)框圖5.4 信號(hào)譜分析模塊根據(jù)虛擬頻率特性測(cè)試儀的測(cè)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(lì)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)的互功率譜，同時(shí)使用fft power spectrum vi 得到激勵(lì)信號(hào)的自功率譜，然后根據(jù)式(5-1)和式(5-2)就可以得到系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)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(jī)噪聲作為激勵(lì)信號(hào)求網(wǎng)絡(luò)的頻率特性時(shí)，通常實(shí)驗(yàn)得到的曲線需要做適當(dāng)?shù)奶?/p>

34、理。本虛擬儀器首先使用labview自帶的數(shù)字iir濾波器 vi對(duì)所得到的響應(yīng)頻率做中值濾波，以剔除曲線中較大的毛刺。中值濾波在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用較多，它可用于剔除數(shù)據(jù)曲線上的毛刺。其定義如下：設(shè)濾波窗口的長(zhǎng)度為n=2k+1或n=2k觀測(cè)值個(gè)數(shù)為m(mn)觀測(cè)值為當(dāng)窗口在觀測(cè)序列上移動(dòng)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)n=2k+1（或2k）個(gè)觀測(cè)值中第k個(gè)最大或最小數(shù)值，即k次序統(tǒng)計(jì)。根據(jù)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(guān)系為 (5-5)全中值濾波方法窗口長(zhǎng)度n=2k+1，如果脈沖信號(hào)寬度小于或等于k濾波后該脈沖

35、將被去除。利用中值濾波方法的這個(gè)性質(zhì)，能夠在去除脈沖噪聲的同時(shí)保護(hù)信號(hào)的細(xì)節(jié)。在實(shí)際使用時(shí)，濾波窗口長(zhǎng)度選擇要適當(dāng)，若長(zhǎng)度過小，可能起不到去除干擾的作用；而長(zhǎng)度過大，會(huì)造成采樣數(shù)據(jù)的時(shí)延過大，致使系統(tǒng)性能變差16。激勵(lì)信號(hào)和經(jīng)濾波后的響應(yīng)信號(hào)如圖5-4所示。圖5-4 激勵(lì)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)5.6 數(shù)據(jù)保存模塊完成以上步驟后已經(jīng)可以得出被測(cè)信號(hào)的頻率特性，在此我們添加一個(gè)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序框圖5.7打印結(jié)果模塊程序如圖5-6所示。圖5-6 打印結(jié)果程序5.8 前面板設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的臺(tái)式儀器通常是在前面板設(shè)置一些旋鈕和按鍵，通

36、過人工操縱這些旋鈕和按鍵來調(diào)整測(cè)量參數(shù)。除了這種本地控制方式之外，多數(shù)臺(tái)式儀器還配備有g(shù)pib接口以及一個(gè)內(nèi)置的控制器，以實(shí)現(xiàn)儀器的自動(dòng)遠(yuǎn)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(shù)，在計(jì)算機(jī)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(biāo)或鍵盤操控控件，測(cè)試結(jié)果和儀器狀態(tài)也以與傳統(tǒng)面板類似的方式顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，由于這種面板是以計(jì)算機(jī)軟件的形式實(shí)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(gè)，它的上面布置著種類繁多的顯示和操作元件，由此可能導(dǎo)致許多認(rèn)讀與操作的錯(cuò)誤

37、。虛擬儀器可以通過在幾個(gè)分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)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(biāo)準(zhǔn)件”和“加工工藝”的限制，它們由編程來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)者可以設(shè)計(jì)符合認(rèn)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(xué)會(huì)操作儀器，解決使用時(shí)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(shù)據(jù)的接口，用戶可以直接用鼠標(biāo)或鍵盤輸入數(shù)據(jù)。根據(jù)要求設(shè)計(jì)的頻率特性測(cè)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(shù)據(jù)采集前面板數(shù)據(jù)采集程序可實(shí)現(xiàn)同時(shí)采集32路信號(hào)。數(shù)據(jù)采

38、集前面板左半部分可設(shè)置通道總數(shù)和采樣頻率，中間部分設(shè)置采集參數(shù)，右半部分設(shè)置各通道的增益。圖5-9 頻率響應(yīng)顯示前面板這里我們所設(shè)計(jì)的頻率響應(yīng)顯示前面板較為簡(jiǎn)潔，左上半部分為濾波項(xiàng)選擇，左下半部分為運(yùn)行控制按鈕，右上部分為信號(hào)頻率特性的顯示，縱向是信號(hào)波形經(jīng)調(diào)制后的幅度，橫坐標(biāo)是頻率，右下部分是激勵(lì)信號(hào)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(duì)數(shù)按鍵是顯示波形結(jié)果以線性或?qū)?shù)方式來表達(dá)的。結(jié)束后，可按“數(shù)據(jù)保存”鍵進(jìn)行保存。第6章 軟件使用說明書頻率特性測(cè)試儀的測(cè)量系統(tǒng)的前面板有主界面、數(shù)據(jù)采集顯示界面和頻率響應(yīng)顯示界面，在程序運(yùn)行過程中，這三個(gè)界面可以相互切換。只有程序運(yùn)行之

39、后，頻率響應(yīng)顯示界面才有圖形顯示。主界面如圖5-7所示，數(shù)據(jù)采集顯示界面如圖5-8所示，頻率響應(yīng)顯示界面如圖5-9所示。操作步驟如下：1程序運(yùn)行后，點(diǎn)擊“進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕，會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)入采集顯示界面。2在數(shù)據(jù)采集顯示界面上選擇通道總數(shù)、采樣頻率和采集方式。通道數(shù)可以在1-32之間選擇，本設(shè)計(jì)僅使用2個(gè)通道即可。采樣頻率的值可以扳動(dòng)旋鈕，也可以直接輸入。3采集數(shù)據(jù)設(shè)置好后，單擊“進(jìn)入顯示”按鈕，進(jìn)入頻率響應(yīng)顯示界面。4單擊“開始”，頻率響應(yīng)曲線開始動(dòng)態(tài)顯示，同時(shí)“開始”按鈕自動(dòng)變?yōu)椤斑\(yùn)行中”按鈕，如需停止可按下“運(yùn)行中”按鈕。這時(shí)可以根據(jù)需要點(diǎn)擊按鈕?？砂聪隆胺抡嫘盘?hào)”、“外部信號(hào)”進(jìn)行信號(hào)選擇。當(dāng)

40、選擇外部信號(hào)時(shí)，使用采集卡的兩個(gè)通道將激勵(lì)信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)同時(shí)采集到計(jì)算機(jī)中，經(jīng)處理后構(gòu)成幅頻和相頻特性曲線，并顯示在屏幕上。在“濾波項(xiàng)選擇”中設(shè)置濾波器參數(shù)。修改“階數(shù)”，則綠色曲線會(huì)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(diǎn)擊“數(shù)據(jù)保存”，會(huì)彈出保存對(duì)話框，如圖6-1所示，隨意選擇保存路徑，其會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。圖6-1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)話框點(diǎn)擊“打印結(jié)果”按鈕，會(huì)自動(dòng)彈出提示框，如圖6-2所示。圖6-2 打印結(jié)果對(duì)話框5單擊“返回主界面”，會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至主界面。6單擊“退出系統(tǒng)”，會(huì)自動(dòng)彈出提示對(duì)話框，如圖6-3所示。圖6-3

41、退出系統(tǒng)對(duì)話框使用該測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)該特別注意“開始”、“運(yùn)行中”和 “退出系統(tǒng)”按鈕。labview開始運(yùn)行后，并沒有啟動(dòng)程序。單擊“開始”， 程序才開始運(yùn)行。單擊“運(yùn)行中”，程序停止運(yùn)行。單擊“退出系統(tǒng)”，labview文件自動(dòng)關(guān)閉。第7章 軟件測(cè)試分析報(bào)告7.1 仿真調(diào)試用labview實(shí)現(xiàn)頻率特性測(cè)試儀的原理前面的章節(jié)已經(jīng)進(jìn)行了闡述。這里我們?yōu)榱俗C實(shí)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(yàn)證。在未運(yùn)行軟件時(shí)我們可以粗略的對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，labview軟件中是自帶了調(diào)試工具的。在查看菜單中點(diǎn)擊錯(cuò)誤列表將出現(xiàn)圖7-1所示的界面。圖7-1 調(diào)試程序結(jié)果這代表程序無錯(cuò)

42、誤。下面我們進(jìn)行項(xiàng)目驗(yàn)證。由于我們選擇用濾波函數(shù)代替被測(cè)信號(hào)，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(dòng)平均。前面板中我們?cè)跒V波項(xiàng)中我們選擇low pass即低通再點(diǎn)擊掃頻鍵可得到圖7-2所示的結(jié)果。(a).幅頻響應(yīng)(b).相頻響應(yīng)(c).相關(guān)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(jīng)證明程序的正確性。因?yàn)轱@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(yīng)(b).相頻響應(yīng)(c).相關(guān)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(yīng)(b).

43、相頻響應(yīng)(c).相關(guān)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(yīng)(b).相頻響應(yīng)(c).相關(guān)性圖7-5 帶阻濾波顯示經(jīng)過以上的模擬仿真我們已經(jīng)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(jié)果，同樣我們可以選擇在切比雪夫?yàn)V波器和貝賽爾濾波器下設(shè)置高通、低通、帶通和帶阻四種模式10。7.2 硬件調(diào)試本設(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果如圖7-6所示。(a).激勵(lì)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)(b).幅頻響應(yīng)(c).相頻響應(yīng)(d).相關(guān)性(e).互功率譜圖7-6 外部調(diào)試結(jié)果第8章 項(xiàng)目開發(fā)總結(jié)隨著

44、科技時(shí)代的飛速發(fā)展，以計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)一些硬件設(shè)備測(cè)量功能的事例已越來越普遍。傳統(tǒng)硬件設(shè)備測(cè)量功能的固有缺點(diǎn)（如封閉性、缺乏靈活性、響應(yīng)速度慢等）已越來越不能滿足現(xiàn)實(shí)的要求。因此，開發(fā)軟件系統(tǒng)測(cè)量功能的前景很大。本次設(shè)計(jì)就是用軟件來取代硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)某一系統(tǒng)的頻率響應(yīng)的測(cè)量。此軟件系統(tǒng)是建立在labview平臺(tái)上設(shè)計(jì)的測(cè)試程序，該系統(tǒng)可對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理分析，把一些數(shù)學(xué)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(dá)出來，并且取得較好的成果。有效地體現(xiàn)了軟件的優(yōu)點(diǎn)，具有靈活性高、響應(yīng)速度快，其檢測(cè)結(jié)果能更直觀、更準(zhǔn)確地顯示在界面上，方便與用戶溝通。另外，本次開發(fā)項(xiàng)目采用的技

45、術(shù)方案簡(jiǎn)單，并且不是很難實(shí)現(xiàn)，能較好的實(shí)現(xiàn)功能需求。不過由于開發(fā)時(shí)間倉(cāng)促，所以使得開發(fā)完成的程序并不是盡善盡美。經(jīng)過這次開發(fā)任務(wù)的磨練，在團(tuán)隊(duì)合作和與人溝通方面已經(jīng)有了很大的提高，相信這些能力提高將在以后的工作和學(xué)習(xí)生活中能給我提供更多的成功籌碼。結(jié) 論虛擬儀器是電子儀器與計(jì)算機(jī)技術(shù)更深層次的結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器模式。它是電子測(cè)試與儀器領(lǐng)域中發(fā)展方興未艾的技術(shù)，特別適用于現(xiàn)代越來越復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)使得一些實(shí)時(shí)性要求很高，原本由硬件完成的功能，可以通過軟件來實(shí)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(shù)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(lì)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)的互功率譜，同時(shí)使用fft power spectrum vi 得到激勵(lì)信號(hào)的自功率譜，根據(jù)相應(yīng)原理可將幅頻特性和相頻特性在前面板上顯示其結(jié)果。在顯示結(jié)果之前我們又不可避免的運(yùn)用濾波處理部分，進(jìn)行中值濾波后做移動(dòng)平均處理就可以去除其中的毛刺，得到平滑信號(hào)便于觀測(cè)和處理。此測(cè)試儀有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。一般的測(cè)試儀器大都