电子测量与虚拟仪器综合训练课程设计

电子测量与虚拟仪器综合训练课程设计报告设计题目： 电子测量仪器虚拟化设计 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩： 江 苏 理 工 学 院电 气 信 息 工 程 学 院2015 年 11 月 16 日至 2015 年 12 月 4 日目 录前 言 .1第 1 章 虚拟信号发生器设计 .21.1 设计要求 .21.2 设计思路与预期功能 .21.3 系统设计介绍 .31.3.1 虚拟信号发生器的前面板设计 .31.3.2 虚拟信号发生器的程序框图设计 .41.4 虚拟信号发生器的各子模块设计 .41.4.1 波形选择模块 .41.4.2 波形生成模块 .51.5 测试与结果 .51.5.1 正弦波运行结果 .51.5.2 三角波运行结果 .61.5.3 方波运行结果 .61.5.4 锯齿波运行结果 .71.5.5 扫描信号波形运行结果 .71.6 性能分析 .8第 2 章 虚拟双踪示波器设计 .92.1 设计要求 .92.2 设计思路与预期功能 .92.3 系统设计介绍 .102.3.1 整体设计方案 .102.3.2 设计步骤 .112.4 测试与结果 .132.4.1 A 通道（B 通道）单独显示波形 .132.4.2 A、B 两通道同时显示波形 .142.4.3 A、B 两通道叠加显示波形 .152.4.4 A-B 两通道显示波形 .152.5 性能分析 .162.6 数据采集卡应用 .162.6.1 采集卡 NI PCI-6221 .162.6.2 数采卡驱动 .172.6.3 数采卡整体设计 .192.6.4 数采卡采集 .20第 3 章 虚拟数字频率计设计 .243.1 设计要求 .243.2 设计思路与预期功能 .243.3 系统设计介绍 .243.3.1 前面板 .253.3.2 程序框图 .253.4 测试与结果 .263.4.1 正弦波测试结果 .263.4.2 三角波测试结果 .263.4.3 方波测试结果 .273.4.4 锯齿波测试结果 .27训练总结 .28参考文献 .29第 1 页前 言虚拟仪器技术的发展及其在国民经济发展中的重要作用现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物。随着微电子技 术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方法、测试 领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。在此背景下，1986 年美国国家仪器公司(National Instruments, NI)提出了虚拟仪器(Virtual Instrument, VI)的概念。尽管迄今为止虚拟仪器还没有一个统一的定义，但是一般认为：虚拟仪器是在 PC 基础上通过增加相关硬 件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统。本次综合训练包含三个项目，分别是虚拟信号发生器设计，虚拟双踪示波器设计和虚拟数字频率计设计。（1）虚拟信号发生器设计中，信号源波形应该有正弦波、方波、三角波、锯齿波、扫频信号等不同的波形选择。信号的频率、幅值、和占空比等波形参数可按需要进行调节，并了解和掌握各功能模块对信号发生器性能的影响。（2）虚拟双踪示波器设计中，要求可以对两路信号进行观察和测量。（3）虚拟数字频率计设计中，要求完成频率/周期测量，测频时，闸门需分为四挡可选（分别为 10ms，0.1s，1s，10s ） ；另外，测周期时，可实现周期倍乘，需分为四挡可选，分别为 。3210，第 2 页第 1 章 虚拟信号发生器设计1.1 设计要求（1）编写 LABVIEW 仿真信号发生器实验程序，要求可以产生方波（占空比可调） 、 正弦波、三角波、锯齿波等多种波形，而且要求各种波形的参数可调、可控。频率调节范围不小于 10Hz1MHz；信号相位 可调；方波占360空比可调；幅度 030v 可调；扫频信号（信号幅度不变，频率线性变化10Hz1MHz） 。（2）编写程序对各种波形的有效值、全波平均值、峰值等进行测量，在全波平均值测量时要注意程序编写过程。同时记录各种关键的实验程序和实验波形并说明。（3）界面要求：参数控制、控制按钮、波形显示。（4）观察仿真结果并进行分析。（5）对该虚拟信号源进行性能评价。1.2 设计思路与预期功能本次训练主要是阐述虚拟信号发生器的前面板和程序框图的设计。设计完的信号发生器的功能包括能够产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波四种信号波形；波形的频率、幅值、相位、偏移量及占空比等参数由前面板控件实时可调。虚拟信号发生器是基于 LabVIEW 软件进行编程的，它使用的是图形化编程语言。要完成一个虚拟信号发生器首先要进行前面板的设计，根据信号发生器所要实现的功能，在控件选板中选择相应的控件，放在前面板相应的位置上，摆放要使前面板看起来比较协调。最为关键的是程序框图的设计。程序框图的设计主要用到函数选板，根据本程序要实现的功能，在函数选板中选择相应的函数，由于程序是多次执行，所以需要用到循环结构。调试程序即可得到一个信号发生器。第 3 页1.3 系统设计介绍1.3.1 虚拟信号发生器的前面板设计首先在前面板需要添加两个波形显示窗口，用于显示产生的信号，由于产生信号的频率、频率档选择、幅值、相位、偏移量以及当波形为矩形波时的占空比可调，所以要在前面板添加四个旋钮控件。为了更准确的输入并实时显示这四个旋钮控件的具体数值，需要打开控件的数字显示项。信号波形均为可调，因此要添加一个枚举来选择不同的信号类型，信号类型包括正弦波、矩形波、三角波、锯齿波。因为程序还需要调占空比，所以前面板上还需要输入控件并且加上信号重置开关。由此得到信号发生器的前面板如图 1.1 所示。图 1.1 信号发生器的前面板分析：通过信号选择，虚拟信号发生器可以实现正弦波、矩形波、三角波、锯齿波信号的输出，调节旋钮可以改变所选输出波形的幅值、频率、相位，控制输入控件可调偏移量和占空比（只有当选择矩形波时可调） ，由此可见，虚拟信号发生器很容易地实现了信号的调节。第 4 页1.3.2 虚拟信号发生器的程序框图设计LabVIEW 软件中包括很多种函数，用户可以从软件中调用任意的函数供用户使用。本实验涉及到正弦波形、方波波形、三角波形、锯齿波形、循环结构、条件结构、延时等函数。信号发生器的程序框图设计如图 1.2 所示。图 1.2 信号发生器的程序框图分析：首先需要对前面板上的“信号类型” 输入控件的属性进行一下设置，使其在控件下拉列表里可以选择“正弦波” 、 “矩形波” 、 “三角波”、 “锯齿波”在程序面板上添加一个条件结构，将“信号选择” 控件与其相连。按照属性的设置，条件结构值为 0 时，在条件结构里加入一个正弦波形函数；条件结构值为 1 时加入一个三角波形函数；条件结构值为 2 时加入一个方波形函数；条件结构值为 3 时加入一个锯齿波形函数，将频率、幅值、相位、偏移量、占空比输入控件分别和这五个波形函数连起来。为了方便观察波形变化，添加一个时间延时函数。为了实现程序的连续运行，添加一个 while 循环结构。最终，所设计的信号发生器的程序框图上图所示。1.4 虚拟信号发生器的各子模块设计1.4.1 波形选择模块该信号发生器的波形选择功能由前面板上的“文本下拉列表” 输入控件实现，现将其命名为“ 信号选择”。首先需要设置一下它的属性，其设置情况如图 1.3第 5 页所示。图 1.3 信号选择输入控件的属性设置1.4.2 波形生成模块本设计中用到的波形生成模块包括正弦波形、方波波形、三角波形、锯齿波形，如图 1.4 所示。图 1.4 波形函数1.5 测试与结果1.5.1 正弦波运行结果正弦波运行结果如图 1.5 所示。第 6 页图 1.5 正弦信号发生器前面板分析：在前面板的“ 波形选择 ”中选择正弦波，改变频率，调节各个旋钮数值，观察正弦波的变化。上图显示的即为正弦波的显示情形。1.5.2 三角波运行结果三角波运行结果如图 1.6 所示。图 1.6 三角信号发生器前面板分析：在前面板的“ 波形选择 ”中选择三角波，改变频率，调节各个旋钮数值，观察三角波的变化。上图显示的即为三角波的显示情形。1.5.3 方波运行结果方波运行结果如图 1.7 所示。第 7 页图 1.7 方波信号发生器前面板分析：在前面板的“ 波形选择 ”中选择方波，改