虚拟数字频率计设计报告.doc

JIANGSU TEACHERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 电子测量与虚拟仪器综合训练项目三：虚拟数字频率计设计训练学院名称： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2012年9月- 14 -目 录一、 设计要求-（4）二、 设计思路与预期功能-（4）三、 系统设计介绍-（5）1.前面板-（5）2.程序框图-（6）四、 测试与结果-（7）1. 正弦波测试结果-（7）2. 三角波测试结果-（8）3. 方波测试结果-（9）4. 锯齿波测试结果-（9）5.论证分析-（10）五、性能分析-（12）六、课设体会-（13）七、参考文献-（14）摘 要虚拟仪器是现代计算机软件技术、通信技术和测量技术高速发展孕育出的一项革命性的技术，其核心就是用软件来实现硬件的功能。基于G语言的图形化编程环境LabVIEW是美国NI公司的创新软件产品，它是一种功能强大的虚拟仪器开发平台，同时也是目前应用最广、发张最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。本文所涉及的频率计就是基于LabVIEW的虚拟仪器，该频率计具有操作简单、实用性强、可维护性强等诸多优点。关键字：虚拟仪器、LabVIEW、频率计。一、 设计要求（1） 编写LABVIEW虚拟数字频率计实验程序，要求可以对方波、正弦波、三角波、锯齿波等多种周期信号进行频率的测量。频率调节范围可调。（2） 界面要求：参数控制、控制按钮、测量频率显示。（3） 观察仿真结果并进行分析。（4） 对该虚拟数字频率计进行性能评价。二、 设计思路与预期功能（1） 频率计：所谓频率计就是指用来测量输入信号频率的仪器。（2） 测量原理：通过测量多个采样周期的的周期，于是我们可以得到各个周期内信号的频率，然后用多周期求平均值的方法得出所求信号的频率。至于频率的相对误差，我们可以通过数组的前N个周期内的平均频率减去前N-1个周期内的平均频率，然后除以所求得的频率即可。信号的频率计算公式我们用的最常见的为Fs=1/T,其中T是指信号的周期。我们通过波峰检测模块得到各周期波峰所在时刻的数组，然后用循环实现数组内后一项减前一项，得到另外一个数组。将该数组内各元素进行求倒等处理，得到各个周期内的信号频率。为了使测量结果更精确，我们利用多周期平均计算方法计算信号频率。三、 系统设计介绍1.前面板前面板重要组成部分：波形器、函数信号发生器模块、原信号输出频率调节、采样频率调节、信号类型选择、测量频率输出、相对误差输出等。图1 虚拟数字频率计前面板2.程序框图程序框图重要组成部分：基本函数信号发生器模块、波形输出模块、波峰检测模块、数组长度测量及数组索引、条件选择结构、FOR循环结构、FOR循环中移位寄存器等。图2 虚拟数字频率计程序框图程序框图原理说明：我们是采用波峰检测的方法来测量任意波形频率的。通过波峰检测得到每个波峰所在的时间点，形成一个一维数组a(n)。对于正弦波、三角波、锯齿波而言，我们可以直接将数组内的时间点相邻递减（均采用后一项减去前一项，即A(n)=a(n+1)-a(n)。 ）。对重组的数组A(n)进行求倒等变换后输出得到另一个数组B(n), 数组B(n)中的元素为每个采样信号的频率。用FOR循环加移位寄存器对数组B(n)进行求和然后除以数组B(n)的元素个数n，即可得到平均频率，也就是测得频率。值得注意的是在我们测量方波信号的时候，这种方式就不适用了。按照理论分析可知，用波峰检测得到的一组时间点数组即a(n),其中相邻两项的差值仅为一个完整周期的一部分，故我们应采用间隔递减的方式（即A(n)=a(n+1)-a(n-1)）得到数组B(n)，其余步骤同上。四、 测试与结果1.正弦波测试结果图3 正弦波测试结果图3中，采样频率为2000HZ，门限为0.5，可以计算出采样点数20000.5=1000，测得频率为30HZ，相对误差为3.16506E-7。2.三角波测试结果图4 三角波测试结果图4中，采样频率为2000HZ，门限为0.5，可以计算出采样点数20000.5=1000，测得频率为30.0059HZ，相对误差为0.000192511。3.方波测试结果图5 方波测试结果图5中，采样频率为2000HZ，门限为0.5，可以计算出采样点数20000.5=1000，测得频率为39.9698HZ，相对误差为0.00235849。4.锯齿波测试结果图6 锯齿波测试结果图6中，采样频率为2000HZ，门限为0.5，可以计算出采样点数20000.5=1000，测得频率为30.0247HZ，相对误差为0.000772499。5.论证分析在调试过程中，我们输入几组不同类型但频率一定的信号，然后根据上面的程序框图测量得到频率和相对误差。例如：如下给出表格为测得的数据，假设被测信号的频率值一定，根据得到的频率和相对误差判断信号的类型、采样点数、采样频率等对测得结果的影响。为了论证我们实验结果的正确性，我们假定信号频率值为58.43HZ。表1 不同类型频率一定的信号的测量结果波形类型采样频率采样点数测得频率相对误差正弦信号1KHZ200058.42991.08998E-6正弦信号1KHZ300058.4303.23566E-7正弦信号1KHZ400058.4302.83983E-7正弦信号2KHZ200058.431.3237E-8正弦信号2KHZ300058.431.43922E-7正弦信号2KHZ400058.431.53546E-7正弦信号3KHZ200058.431.89908E-8正弦信号3KHZ300058.431.3403E-7正弦信号3KHZ400058.437.87927E-8锯齿波信号1KHZ200058.45572.73581E-5锯齿弦信号1KHZ300058.44790.000142611锯齿弦信号1KHZ400058.45111.37338E-5锯齿弦信号2KHZ200058.44025.80445E-5锯齿弦信号2KHZ300058.44460.0001295锯齿弦信号2KHZ400058.44522.81448E-5锯齿弦信号3KHZ200058.43149.06947E-5锯齿弦信号3KHZ300058.43655.86063E-5锯齿弦信号3KHZ400058.43178.32462E-5方波信号1KHZ200062.14080.00147637方波信号1KHZ300062.03380.000767992方波信号1KHZ400062.09330.000323316方波信号2KHZ200059.19720.000972901方波信号2KHZ300059.25840.000316199方波信号2KHZ400059.26820.000540392方波信号3KHZ200058.80420.00145414方波信号3KHZ300058.76730.000479401方波信号3KHZ400058.79890.0004114三角波信号1KHZ200058.42654.54352E-5三角波信号1KHZ300058.43021.21897E-5三角波信号1KHZ400058.42881.10343E-5三角波信号2KHZ200058.42982.70653E-6三角波信号2KHZ300058.43162.2205E-5三角波信号2KHZ400058.43182.51225E-5三角波信号3KHZ200058.43086.28795E-6三角波信号3KHZ300058.434.86417E-5三角波信号3KHZ400058.43252.8549E-5五、性能分析从表格中可以看到当信号频率一定时，采样频率在大于10倍原信号频率范围内越大，相对误差越小（除去一些特殊点以外）。另外，相对误差与采样点数也有一定的误差。当输入信号的频率和采样频率一定时，采样点数越多，测得的频率的相对误差越小。因此，我们在测量信号频率过程中尽可能选择相对大点的采样频率，选择更多的采样点数，这样我们测得的值就会越精确。六、课设体会虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。通过这次的设计，我们对一个工具从理论分析到设计过程及设计中要注意的事项有了一定的了解，这样方便我们以后设计其他的虚拟仪器并将其运用到一些理论分析上。另外，通过这次实践，我们对LabVIEW的各个模块和它们的作用有了更深的认识，同时也夯实了我们的理论基础。虽然此次实训只有三个礼拜，但我会在以后的学习时间里，