labview课程设计报告

摘要发展，以在测量领域中的广泛应用，新的测试理论、测试方法以及器的不断出现。仪器的概念及其设计理论正在发生着巨大，虚拟仪器受到越来越多的关注。虚拟仪器是由计算机硬、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系要由通用的计算机资源、应用软件和仪器硬件等构成。它是按照信号的处理与采集，结果的输出及显示的结构模式来建立个通用信号处理硬件平台上，进行了基于LabVIEW的虚拟函数发生器的设计，设计基于LabVIEW软件的虚拟函数信号发生器(能够产生实验室常用的正弦波、三角波、方波、锯齿波信号)，在函数信号的输出中加入相应的噪声信号，已设计好的虚拟信号发生器的基础上对产生的信号做相应的 1.2函数信号发生器发展概况 3 2虚拟仪器技术 72.1虚拟仪器的概念 7 LabVIEW 143.1LabVIEW简介 143.2LabVIEW的优点 153.3LabVIEW编程模块 174虚拟函数发生器与虚拟频谱分析仪的设计 19基本原理 19 20系统设计 204运行结果 224.4.1正弦波运行结果图 224.4.2三角形波运行结果图 234.4.3锯齿波运行结果图 244.4.4方波运行结果图 244.4.5正弦波加噪后运行结果图 254.4.6方波加噪后运行结果图 26 献 28致谢 291.1课题背景调了软件在这类仪器中的作用，体现了虚拟仪器与主要通语言和开发环境，它面向的是广大的普通工程师而非编程专家。自美国国家仪器公司于1986年正式推出以来，目前LabVIEW在测控领域的影响越来越大，逐步奠定了NI在虚拟仪汽车、电子半导体、生物医学等众多领域。一些著名高校许多学校不仅建立了基于虚拟仪器的实验室，而且还开设了LabVIEW编程的课程。例如清华大学汽车系利用虚拟仪器技的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验，主发动机的功率特性、负荷特性等华中理工大学机械学院工实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台合测试仪”，将台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统复暨南大学等一批高校，也开发了一作为现代仪器仪表发展的方向,虚拟仪器已迅速发展成为一制造国.到1994年底,虚拟仪器制造厂已达95家,共生产1000多种虚拟仪器产品,销售额达2.93亿美元,占整个仪器销售额73亿美元的4%。到1996年,虚拟仪器已在仪器仪表市场仪器产品.这些产品在国际市场上有较强的竞争力,已进入中国市场.国内虚拟仪器研究的起步较晚,最早的研究也是从引进消化NI的产品开始.但经过多年研究,我经在虚拟仪器开发方面形成了自己的特色，国家自然科学基金委员会已将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一,加快了企业的技术升级步伐,先进仪器设备的需求更加强劲;虚拟仪器赖以生存的个人计算机最近几年以极高的速度在中国发展,这些都为虚拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础.据专家预测，世纪初我国将有的仪器为虚拟仪器。发达国家虽然在此领域比我国起步较早，但差距并不是很大，我们应当充分把握时机，习国外先进经验，将我国的虚拟仪器产业水平逐渐1.2函数信号发生器发展概况测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从测试仪器发展成定量分析的测量仪器。同时还出现了脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简时期的信号发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或锯齿波和三角波等几种简单波形，路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础反馈而形成的它是各类波形发生器和信号源的核心电路方波是通过电压比较器产生的，比较电压信号(被测试信号与标准号)大小，方波电压作为积分运算电路的输入，积分运算电路的输出得到三角波电压，直接数字合成(DDS)技术信号源的任意变频速度，变频相位连续，相位噪声低，易于功能扩形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。自从70年代微处理器出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器，和软件使信号发生器的功能扩大，产生比较复杂的波形。这控制，就可以得到各种简单的波形。软件控制波形的一个最主要是由CPU的工作速度决定如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期时间或提高CPU的时钟周期，但这些办法是有限度的，根本的办法还是要极大促进术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处的应用非常广泛，种类繁多。首先，信号发生器通用和专用两大类，专用信号发生器主要为了某种特殊的生器的特性是受测量对象的要求所制约的。其次，信号发生器和任意波发生器等。再次，按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。一般传统的信号发生器都采用谐振法，1.3频谱分析仪发展概况纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫以到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器内部电路和微处理器，具有存储和运算功能；配置标准接析仪架构犹如时域用途的示波器，面板上布建许多功制按键，作为系统功能之调整与控制，实时频谱分析仪与扫谐频谱分析仪。实时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器，再经由同步的多任务扫瞄器将信号传送到CRT上，其优点是能显示周期性杂散波的瞬间反应，其缺点是价性能受限于频宽范围、滤波器的任务与最大的多任务交换时信号时，外差式的频谱分析仪混波以后的中频因地改变频率的分辨率，但由于超外差式的频谱分析仪是在扫瞄之故，因此，除非使扫瞄时间趋近于零，无法得到输的实时反应，故欲得到与实时分析仪的性能一样的超外差分析仪，其扫瞄速度要非常之快，若用比中频滤波器之时间常数小的扫瞄时间来扫瞄的话，则无法得到信号正确的振幅，因此欲提高频谱分析仪之频率分辨率，且要能得到准确之响应，当的扫瞄速度。由以上之叙述，可以得知超外差式频谱分瞬时信号或脉冲信号的频谱，而其主要应用则在测2.1虚拟仪器的概念硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作仪器的出现使测量仪器与个人计算机的界限模糊了。虚质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用I/O接口设备完的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算传信数数感号据据器调板卡理板卡图2-1常见虚拟仪器的组建方案功能是相同的。如各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的“通”、“断”，测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是实物,而且是用手动和触摸进行操虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的图标，设计虚拟计窗口中摆放所需的控件，然后编写相程序。大多数初学者可以利用虚拟仪器的软件开发工具，如板的设计；由软件编程来实现的虚拟仪过软件编程设计来实现仪器的测试功能，而且可以通过试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。因此在硬确定后有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术器是自封闭的系统，它具有信号输入、输出的，并有固定的用户界面，比如：输入、输出信号接插件、旋按钮、显示仪表、显示面板等。一个仪器包括传感器、信号。通过这些电路来转换、测量、分析实际信号，并将结果以方式显示。但是传统的仪器功能是由制造商决定的，用户不意更改，现在的虚拟仪器有更多的优点，以下是传统测试仪器和虚拟仪器的一个比较：表2-1传统仪器与虚拟仪器对照表仪器用自己定义可以方便高厂商定义的连接十分有设、网络或其他应用连接编辑、存储、打印分价格低廉(是传统价格的五至十分之一)技术更新快(一般1—2年)技术开发的功能模块器限法编辑数是关键部分贵技术更新慢(5—10年)、功能固定、扩展性低2.2虚拟仪器的硬件系统仪器的硬件系统主要由传感器、信号调理电路、数据采以及计算机组成。其中，计算机是虚拟仪器硬件平台的核感器是虚拟仪器系统的前置部件，将被测的非电量转换为信号调理电路的主要功能是对传感器输出的模拟信号进行滤波和隔离；数据采集设备的主要作用是对被测信号进行仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型： PCI总线——插卡型虚拟仪器 (2)并行口式虚拟仪器器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以 (3)GPIB总线方式的虚拟仪器GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现是电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要 (4)VXI总线方式虚拟仪器VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机 (5)PXI总线方式虚拟仪器PXIPCI成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，2.3虚拟仪器的软件系统与虚拟仪器的硬件模块在世界范围内的开放与标准化相适应，仪器的软件结构也要求具有开放的、统一的格式与标准。为输输入输出接口层仪器驱动程序层应用软件层图2-2虚拟仪器软件框架根据VPP系统规范的定义，虚拟仪器的软件结构如图2-2所从顶层到顶层分别为：输入输出接口层、仪器驱动程序层和3LabVIEW图形化开发环境3.1LabVIEW简介LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写画方式显示数据及其子程序(子VI)的结果、单步执行等等，便LabVIEW[1]提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序3.2LabVIEW的优点 (1)测试测量：LABVIEW最初就是为测试测量而设计的，程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。同时，用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的LabVIEW。这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能，用户在这包的基础上再开发程序就容易多了。有时甚至于只需简单几个工具包中的函数，就可以组成一个完整的测试测量应 (2)控制：控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试拥有专门用于控制领域的模块----LabVIEWDSC。除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的LabVIEW (3)仿真：LabVIEW包含了多种多样的数学运算函数，特 (4)儿童教育：由于图形外观漂亮且容易吸引儿童的注意力，迎。对于没有任何计算机知识的儿童而言，可以把己所需的功能。著名的可编程玩具“乐高积木”使积木搭建成各种车辆模型、机器人等，再使用LabVIEW编写控制其运动和行为的程序。除了应用于玩具， (5)快速开发：根据笔者参与的一些项目统计，完成一个功EW大概只是熟练的C程序员所需时间的1/5左右。所以，如果项目 (6)跨平台：如果同一个程序需要运行于多个硬件设备之上，LabVIEW还支持各种实时操作系统和嵌入式设备，比如常见的3.3LabVIEW编程模块一个完整的LabVIEW开发环境包括基本模块和扩展模块两户界面)、程序流程图(图标代码)和一个接口板组成。接口面板用于上层的VI调用该VI。l件前面板其实是自动化的拓展，它保持了传统直观的视觉完成算术和逻辑运算。图标代码是对具体编程问题的图形得，模块的程序由连线把数据的输入输出端连接用前面板、流程图和图标等，用户就对整个系统，同时，用户也可以随时改变虚拟仪器来满足自4虚拟函数发生器与虚拟频谱分析仪的设计4.1基本原理是数字处理式频谱分析原理，经过采样，使连续时间信号变为离散时间信号，然后利用LabVIEW的强大的数字FT过程中，为了满足采样定理，对不同的频率信号，选用合样速率，从而防止频率混叠。实际中，我们只能对有限长进行分析与处理，而进行傅立叶变换的数据理论上应为无离散数据序列，所以必须对无限长离散序列截断，只取采内有限数据。这样就导致频谱泄漏的存在。所以利用用加法来减少频谱泄漏。由于取样信号中混叠有噪声信号，为FFT换之前，要先进行滤波处理。本设计采用了巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、椭圆(Ellipse)、贝塞尔(Bessel)等滤波器。4.2模型的建立枚举作为信号发生器模块，可产生任意标准周号，包括正弦波、三角形波、方波、锯齿波。其中产生的周号的输入参数如频率、幅值、相位、占空比、噪声幅值、偏处理后，进行时域分析、频域分析以及谐波分析。可以进行数类型选择等。输出信号的平均周期、峰峰值和正峰值。处程如下：首先将信号发生模块产生的测试信号送数字滤波器，滤除干扰噪声，然后分别进行时域分析、频域分析和谐波4.3系统设计如图4-1是系统程序框图的设计图4-1系统程序框图的设计如图4-2是前面板的设计图4-2前面板的设计4.4运行结果4.4.1正弦波运行结果图弦波运行结果图，当给噪声幅值为零时，输入相图4-3正弦波运行结果4.4.2三角形波运行结果图图4-4三角形波运行结果4.4.3锯齿波运行结果图没有加入噪声干扰的情况下锯齿形波的波形显示图4-5锯齿波运行结果4.4.4方波运行结果图图4-6方波运行结果4.4.5正弦波加噪后运行结果图图4-7正弦波加噪后运行结果4.4.6方波加噪后运行结果图图4-8方波加噪后运行结果通过仿真实验说明，基于