虛擬儀器實(shí)習(xí)報(bào)告

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1虛擬儀器的概述 -1-1.1虛擬儀器的產(chǎn)生 -1-1.2虛擬儀器的構(gòu)成 -2-1.3虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì) -3-2虛擬示波器的原理 -4-2.1示波器的基本原理 -4-2.2數(shù)字示波器的基本原理 -5-2.3虛擬示波器的工作原理 -6-3總體方案設(shè)計(jì) -6-4虛擬示波器各部分電路的設(shè)計(jì) -7-4.1模擬信號(hào)輸入模塊 -7-4.2數(shù)字濾波模塊 -9-4.3波形顯示模塊 -10-4.4參數(shù)測(cè)量模塊 -11-5波形顯示 -13-6總結(jié) -18-附錄基于LabVIEW的虛擬示波器整體程序框圖 -19-1虛擬儀器的概述1.1虛擬儀器的產(chǎn)生虛擬儀器技術(shù)是目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。它推進(jìn)著老式儀器朝著數(shù)字化，智能化，模塊化，網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。電子測(cè)量儀器發(fā)展至今，大體上可以分為四代：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能一起和虛擬儀器。第一代模擬儀器，此類儀器在某些試驗(yàn)室里還能看到，它是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器，如指針式萬用表、晶體管電壓表、指針式電流表等。第二代數(shù)字化儀器，此類儀器目前相稱普遍，此類儀器將模擬信號(hào)的測(cè)量值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并以數(shù)字方式輸出最終止果，合用于迅速響應(yīng)和較高精確度的測(cè)量，如數(shù)字萬用表、數(shù)字頻率計(jì)等。第三代智能儀器，此類儀器內(nèi)置微處理器，可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試和數(shù)據(jù)處理功能，也許替代部分腦力老公，習(xí)慣上稱為智能儀器。它的功能模塊所有都是以硬件或固定軟件的形式存在，無論是開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。第四代虛擬儀器，它是目前計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)試技術(shù)高速發(fā)展孕育出的一項(xiàng)革命性技術(shù)，其導(dǎo)致了老式儀器的構(gòu)造、概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)都發(fā)生了巨大的變革，它的出現(xiàn)使得人類的測(cè)試技術(shù)進(jìn)入了一種新的發(fā)展紀(jì)元。虛擬儀器（VirtualInstruments.簡稱VI）的概念，是美國國家儀器企業(yè)（NationalInstrumentsCorp.簡稱NI）于1986年提出的。NI企業(yè)同步也提出了“軟件即儀器”的口號(hào)，徹底打破了老式儀器只能由廠家定義，顧客無法變化的局面，從而引起了儀器和自動(dòng)化工業(yè)的一場(chǎng)革命。伴隨目前硬件和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器的智能化和虛擬化成為各級(jí)試驗(yàn)室以及研究機(jī)構(gòu)發(fā)展的方向。虛擬儀器，它既具有老式儀器的功能，又有別于其他老式儀器。它可以充足運(yùn)用和發(fā)揮既有計(jì)算機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，使儀器的測(cè)試和測(cè)量及自動(dòng)化工業(yè)的系統(tǒng)測(cè)試和監(jiān)控變得異常以便和快捷。虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)、軟件的功能模塊和儀器硬件結(jié)合起來，顧客可以通過友好的圖形界面（一般叫做虛擬前面板，簡稱前面板）來操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)個(gè)人儀器同樣，從而完畢對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)字存儲(chǔ)等。虛擬儀器以透明的方式，通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理、體現(xiàn)以及圖形化顧客接口，把計(jì)算機(jī)資源（如微處理器、顯示屏等）和儀器硬件（如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定期器、信號(hào)調(diào)理等）的測(cè)試能力和控制能力結(jié)合起來。虛擬一起突破了老式儀器以硬件為主體的模式，實(shí)際上使用者是在操作具有測(cè)試軟件的電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量，如同操作一臺(tái)虛設(shè)的電子儀器。1.2虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器從構(gòu)成要素上講，由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成；從構(gòu)成分式上講則由以DAQ板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而構(gòu)成的PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)，或已GPIB，VXI，Serial和Fieldbus等原則總線儀器為硬件構(gòu)成的GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式。虛擬儀器的構(gòu)成如圖1-1所示。顯示屏信號(hào)分析及處理器顯示屏信號(hào)分析及處理器入機(jī)接口各類接口A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)發(fā)生器信號(hào)調(diào)理器信號(hào)調(diào)理器輸入信號(hào)D/A轉(zhuǎn)換器信號(hào)調(diào)理器信號(hào)輸出圖1-1虛擬儀器的構(gòu)造目前，虛擬儀器的構(gòu)成方式有如下幾種：PC-DAQ插卡式的VI并行口式的VIGPIB總線方式的VIVXI總線方式的VIPXI總線形式的VI網(wǎng)絡(luò)接口方式的VIUSB接口方式的VI無論哪種VI系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦，臺(tái)式微機(jī)和工作站等多種計(jì)算機(jī)平臺(tái)加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。1.3虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì)虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。它可以取代測(cè)量技術(shù)在老式領(lǐng)域的各類儀器。虛擬儀器在構(gòu)成和變化儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性和經(jīng)濟(jì)性，因而尤其適應(yīng)于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不停深化所提出的更高跟新的測(cè)量課題和測(cè)量需要?！皼]有測(cè)量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)?！碧摂M儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。圖形化編程平臺(tái)的深入發(fā)展和完善是虛擬儀器發(fā)展的一種重要方向。怎樣使顧客進(jìn)行少許的學(xué)習(xí)甚至不需要學(xué)習(xí)就可使用功能強(qiáng)大的虛擬儀器，怎樣使用構(gòu)成簡樸的虛擬儀器系統(tǒng)并完畢復(fù)雜的測(cè)試內(nèi)容，怎樣協(xié)助顧客對(duì)測(cè)試成果進(jìn)行分析和判斷等內(nèi)容，是虛擬儀器技術(shù)努力的方向。我國還基本處在老式儀器與計(jì)算機(jī)化儀器互相分離的狀態(tài)，世界各大有關(guān)的產(chǎn)品商家都在向中國這個(gè)巨大的市場(chǎng)進(jìn)軍。結(jié)合我國的實(shí)際狀況，我們必須走引進(jìn)與自行開發(fā)相結(jié)合的道路。首先，大力引進(jìn)國外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術(shù)；另首先，發(fā)展基于計(jì)算機(jī)的插卡式硬件模塊為主的測(cè)控技術(shù)，發(fā)展圖形化平臺(tái)的軟件產(chǎn)品，充足運(yùn)用我們既有的計(jì)算機(jī)及測(cè)控技術(shù)硬件，縮短與國際先進(jìn)水平的差距。VXI總線將成為未來虛擬儀器的理想硬件平臺(tái)，這是由VXI總線的性能決定的；另首先，基于PCI-DAQ的虛擬儀器系統(tǒng)由于性價(jià)比高、靈活性好而受到大多數(shù)顧客的青睞，將得到高速的發(fā)展。伴隨計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器將向高性能、多功能、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。2虛擬示波器的原理2.1示波器的基本原理示波器是運(yùn)用電子射線的偏轉(zhuǎn)，來顯示電信號(hào)瞬時(shí)值圖象（常成為時(shí)間波形）的一種儀器。它能迅速的把肉眼不能直接看見的電信號(hào)的時(shí)變規(guī)律，以可見的形式，形象的顯示出來。目前，示波器在信號(hào)測(cè)試、信號(hào)比較、邏輯分析等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在示波器的熒光屏上，顯示電壓波形的原理如下：被測(cè)電壓是時(shí)間的函數(shù)，在直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，可以用的曲線表達(dá)。示波器的兩副偏轉(zhuǎn)板使電子束在兩個(gè)互相垂直的方向偏轉(zhuǎn)，這兩個(gè)方向可以當(dāng)作是坐標(biāo)軸。因此，要在管子的熒光屏上顯示被測(cè)電壓的波形，就必須使射線沿水平方向的偏轉(zhuǎn)同步間成正比，而在垂直方向同被測(cè)電壓成正比（每一瞬間）。因此，鋸齒波電壓加到水平偏轉(zhuǎn)板上，它迫使射線以恒定的速度從左向右沿水平方向偏轉(zhuǎn)。并且很快的返回到起始位置。射線沿水平軸通過的距離跟時(shí)間成正比。被測(cè)電壓加到垂直偏轉(zhuǎn)板上，因而，每一瞬間射線的位置單值的對(duì)應(yīng)于這一瞬間被測(cè)信號(hào)的值。在鋸齒波電壓作用期間，射線就繪出了被測(cè)信號(hào)的曲線，示波器波形顯示原理如圖2-1所示。圖2-1示波器波形顯示原理以上圖形是鋸齒波的反復(fù)周期等于輸入信號(hào)周期整數(shù)倍的狀況（一倍），熒光屏上顯示出的信號(hào)圖形是穩(wěn)定不動(dòng)的。假如不是整數(shù)倍，則每次出現(xiàn)的信號(hào)波形就不會(huì)重疊，圖形將不停移動(dòng)，不利于觀測(cè)。為了保證鋸齒波的周期等于輸入信號(hào)的整數(shù)倍，示波器必須具有同步或觸發(fā)電路。2.2數(shù)字示波器的基本原理數(shù)字示波器用A/D變換器把模擬波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后存儲(chǔ)在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器RAM中，需要時(shí)，將RAM中存儲(chǔ)內(nèi)容調(diào)出，通過對(duì)應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換器，再恢復(fù)成模擬量顯示在示波管屏幕上。在這種示波器中，信號(hào)處理功能和信號(hào)顯示功能是分開的。其性能，包括精度和速度，完畢取決于進(jìn)行信號(hào)處理的A/D、D/A變換器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。在數(shù)字示波器中，把輸入的被測(cè)模擬信號(hào)先送至A/D轉(zhuǎn)化器進(jìn)行取樣，量化和編碼，成為數(shù)字“1”、“0”碼，存儲(chǔ)到RAM中，這個(gè)過程稱為存儲(chǔ)器的“寫過程”。然后，再將這些“1”、“0”碼從RAM中依次取出按次序排列起來，通過D/A轉(zhuǎn)換使其包絡(luò)重現(xiàn)輸入模擬信號(hào)，這就是“讀過程”。在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中，采用適時(shí)取樣方式，可觀測(cè)單次信號(hào)；采用次序取樣或者隨即取樣方式，可觀測(cè)反復(fù)信號(hào)。理論分析指出，為了對(duì)的的觀測(cè)信號(hào)波形，只有恰當(dāng)?shù)倪x擇取樣頻率才能用所得的樣值脈沖序列恢復(fù)出原信號(hào)波形。取樣頻率過低會(huì)產(chǎn)生頻譜重疊效應(yīng)，導(dǎo)致波形失真，使示波器測(cè)量成果出現(xiàn)明顯誤差。取樣定律證明，對(duì)于一種最高頻率為的信號(hào)，當(dāng)取樣頻率時(shí)，其取樣后所得到的脈沖序列將包括原信號(hào)的所有信息。稱為奈奎斯特頻率。當(dāng)取樣頻率等于輸入信號(hào)頻率時(shí)，顯示波形的頻率信息還能保留，不過幅度信息將大量損失。通過計(jì)算可以得到，當(dāng)一種周期中取樣點(diǎn)數(shù)N為4時(shí)，即取樣頻率時(shí)，失真波形的最大值是波形幅度的0.707，故數(shù)字示波器的等效帶寬為。若采用正弦內(nèi)插顯示，等效帶寬可達(dá)。2.3虛擬示波器的工作原理模擬信號(hào)經(jīng)同軸電纜進(jìn)入采集卡的輸入通道，通過前置濾波電路、衰減電路、可變?cè)鲆娴姆糯箅娐罚瑢⑿盘?hào)處理成A/D轉(zhuǎn)換器可以處理的原則電平，通過A/D采樣量化轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)并緩存到卡上的存儲(chǔ)器。其支持軟件通過PC機(jī)的PCI總線接口控制模擬通道的阻抗匹配、放大器的增益選擇、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換結(jié)束的識(shí)別，并將采集數(shù)據(jù)以DMA的方式傳播到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，同步對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析處理、顯示、存儲(chǔ)及打印傳播等。虛擬示波器是采用基于計(jì)算機(jī)的虛擬技術(shù)，用以模擬通用示波器的面板操作和處理功能，也就是使用個(gè)人計(jì)算機(jī)及接口電路來采集現(xiàn)場(chǎng)或試驗(yàn)室信號(hào)，并通過圖形顧客界面（GUI）來模仿示波器的操作面板，完畢信號(hào)采集、調(diào)理、分析處理和顯示輸出等功能。3總體方案設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的是一種基于LabVIEW的虛擬示波器系統(tǒng)，重要由兩路模擬信號(hào)輸入模塊、信號(hào)濾波模塊、波形測(cè)量模塊等構(gòu)成。通過通道按鈕的選擇，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道的分別采集。其構(gòu)造框圖如圖3-1所示。模擬信號(hào)輸入模擬信號(hào)輸入通道選擇參數(shù)測(cè)量信號(hào)調(diào)整波形的實(shí)時(shí)顯示信號(hào)濾波圖3-1基于LabVIEW的虛擬示波器的構(gòu)造框圖4虛擬示波器各部分電路的設(shè)計(jì)4.1模擬信號(hào)輸入模塊由于DAQ數(shù)據(jù)采集模塊是建立在數(shù)據(jù)采集卡的基礎(chǔ)上，因此，本設(shè)計(jì)采用一種模擬信號(hào)輸入模塊替代DAQ數(shù)據(jù)采集模塊。為了以便編程，我建立了如下圖4-1所示的輸入子VI模塊。圖4-1輸入子VI該輸入子VI的程序框圖如圖4-2所示。圖4-2輸入子VI的程序框圖該輸入子VI還包括一種單位計(jì)算子VI，其圖標(biāo)及程序框圖如圖4-3和4-4所示。圖4-3單位計(jì)算子VI的圖標(biāo)圖4-4單位計(jì)算子VI的程序框圖該模塊應(yīng)用兩個(gè)基本函數(shù)發(fā)生器來產(chǎn)生兩仿真信號(hào)分別用來模擬通道1、2信號(hào)，其采樣信息通過對(duì)簇sample/pol的掃描率和掃描數(shù)解除捆綁后再捆綁構(gòu)成的新簇輸入。通過前面板還可以調(diào)整仿真信號(hào)的參數(shù)（波形類型、頻率、幅值、周期），最終將這些調(diào)整控件接入之前設(shè)計(jì)的輸入子VI，形成兩路輸入信號(hào)A、B。模塊圖如圖4.5所示。圖4-5輸入子VI的程序框圖4.2數(shù)字濾波模塊采用數(shù)字IIR濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理并實(shí)時(shí)顯示，同步可以任意設(shè)置濾波器的最佳迫近函數(shù)類型、濾波器類型、階次、上下截止頻率等參數(shù)。運(yùn)用濾波技術(shù)可以在被噪聲沉沒的信號(hào)中提取所需要的信號(hào)，克制不需要的干擾信號(hào)。數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計(jì)算的措施來實(shí)現(xiàn)對(duì)離散化信號(hào)的處理，以減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)中所占的比例，從而變化信號(hào)的質(zhì)量，到達(dá)濾波或加工信號(hào)的目的。LabVIEW中列有多種數(shù)字濾波器，這些數(shù)字濾波器都可以直接用而不用考慮它的內(nèi)部設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用數(shù)字IIR濾波器。該濾波器圖標(biāo)如圖4-6所示。圖4-6IIR濾波器該節(jié)點(diǎn)可設(shè)置參數(shù)是采樣頻率、低通截止頻率、高通截止頻率、濾波器階數(shù)以及4種濾波器類型(低通、高通、帶通和帶阻)的選擇。其中低通截止頻率的設(shè)置必須滿足采樣定理規(guī)則，截止頻率不能高于采樣頻率的二分之一。設(shè)計(jì)中還運(yùn)用數(shù)字IIR濾波規(guī)范對(duì)數(shù)字IIR濾波器進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)。該濾波規(guī)范前面板如圖4-7所示。圖4-7IIR濾波器規(guī)范數(shù)字濾波模塊的程序框圖如圖4-8所示。圖4-8數(shù)字濾波模塊4.3波形顯示模塊本設(shè)計(jì)提供了三種波形顯示模式：模式1：在此模式下，通道1顯示信號(hào)A，通道2顯示信號(hào)B。模式2：在此模式下，通道1顯示信號(hào)A，通道2顯示信號(hào)A+B。模式3：在此模式下，通道1顯示信號(hào)B，通道2顯示信號(hào)A+B。本設(shè)計(jì)運(yùn)用條件語句對(duì)三種模式進(jìn)行選擇。圖4-9至4-11為波形顯示程序框圖。圖4-9顯示模式1圖4-10顯示模式2圖4-11顯示模式34.4參數(shù)測(cè)量模塊LabVIEW提供了豐富的波形頻譜分析工具，最經(jīng)典的就是AmplitudeandLevelMeasurement.VI，它的寄存途徑是背面板中Functions->SignalAnalysis，參數(shù)對(duì)話框中共分為4個(gè)區(qū)域，分別是規(guī)定進(jìn)行的幅值特性值求取的項(xiàng)目(AmplitudeMeasurements)、目前信號(hào)幅值求取的成果(Results)、輸入信號(hào)預(yù)覽窗口(InputSignal)和加窗后信號(hào)預(yù)覽窗口(ResultSignal)，其中最重要的是幅值特性值求取項(xiàng)目的設(shè)置，需規(guī)定取哪個(gè)特性值，就在它前面劃勾，AmplitudeandLevelMeasurement.VI自動(dòng)在其圖標(biāo)中添加這一輸出端口。該模塊有3個(gè)輸入引腳和8個(gè)輸出引腳。3個(gè)輸入引腳分別如下："RestartAveraging"引腳標(biāo)識(shí)與否重啟選定的平均處理過程，缺省為False；"Signals"引腳是輸入要分析的信號(hào)；"errorin(noerror)"引腳是對(duì)在執(zhí)行到這個(gè)VI之前若是發(fā)生錯(cuò)誤條件的描述；8個(gè)輸出引腳論述如下："RMS"引腳指信號(hào)均方根值；"PositivePeak"引腳指正向峰值；"errorout"引腳指子VI執(zhí)行錯(cuò)誤時(shí)的輸出信息；"CycleAverage"引腳指一種周期的平均值；"CycleRMS"引腳指一種周期的均方根值；"Mean(DC)"引腳指信號(hào)均值；"NegativePeak"引腳指負(fù)向峰值；"PeaktoPeak"引腳指峰一峰值，即輸入信號(hào)波形的正向和負(fù)向的最大振幅值。本設(shè)計(jì)采用了三種波形測(cè)量模塊，該模塊圖標(biāo)如圖4-12至4-14所示。圖4-12單頻測(cè)量查找具有最高幅值的單頻，或在指定范圍內(nèi)查找具有最高幅值的單頻。也可查找單頻的頻率和相位。圖4-13幅值和電平測(cè)量測(cè)量信號(hào)的電壓。包括下列選項(xiàng)：直流、均方根、加窗、最大峰、最小峰、峰峰值、周期平均、周期均方根。圖4-14信號(hào)的時(shí)間與瞬態(tài)特性測(cè)量測(cè)量信號(hào)（一般是脈沖）的時(shí)間與瞬態(tài)特性（例如，頻率、周期或占空比）。整合后，波形測(cè)量模塊的程序框圖如下圖4-15所示。圖4-15參數(shù)測(cè)量模塊5波形顯示圖5-1模式1下，信號(hào)A、B均為正弦波，頻率均為10KHZ圖5-2模式1下，信號(hào)A、B均為正弦波，頻率均為10MHZ圖5-3模式2下，信號(hào)A、B均為正弦波圖5-4模式2下，信號(hào)A為正弦波，信號(hào)B為三角波圖5-5模式2下，信號(hào)A為正弦波，信號(hào)B為方波圖5-6模式2下，信號(hào)A為正弦波，信號(hào)B為鋸齒波圖5-7模式2下，信號(hào)A為方波，信號(hào)B為三角波圖5-8模式2下，信號(hào)A為鋸齒波，信號(hào)B為三角波圖5-9模式2下，信號(hào)A為鋸齒波，信號(hào)B為方波6總結(jié)課程設(shè)計(jì)是測(cè)控儀器設(shè)計(jì)與LabVIEW課程重要的綜合性與實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過設(shè)計(jì)實(shí)踐不僅可以檢測(cè)我們對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度，更有助于培養(yǎng)我們獨(dú)立學(xué)習(xí)、搜尋所需信息的能力，引導(dǎo)我們樹立對(duì)的的設(shè)計(jì)思想，因此我們要認(rèn)真看待本次課程設(shè)計(jì)。剛拿到設(shè)計(jì)題目時(shí)，感到這個(gè)設(shè)計(jì)很難，由于諸多概念、原理和術(shù)語都不曾見過。因此，做設(shè)計(jì)之前，我花了很長時(shí)間來理解設(shè)計(jì)任務(wù)書