虚拟仪器实习报告

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1虚拟仪器的概述 -1-1.1虚拟仪器的产生 -1-1.2虚拟仪器的构成 -2-1.3虚拟仪器的发展趋势 -3-2虚拟示波器的原理 -4-2.1示波器的基本原理 -4-2.2数字示波器的基本原理 -5-2.3虚拟示波器的工作原理 -6-3总体方案设计 -6-4虚拟示波器各部分电路的设计 -7-4.1模拟信号输入模块 -7-4.2数字滤波模块 -9-4.3波形显示模块 -10-4.4参数测量模块 -11-5波形显示 -13-6总结 -18-附录基于LabVIEW的虚拟示波器整体程序框图 -19-1虚拟仪器的概述1.1虚拟仪器的产生虚拟仪器技术是目前计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推进着老式仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能一起和虚拟仪器。第一代模拟仪器，此类仪器在某些试验室里还能看到，它是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、晶体管电压表、指针式电流表等。第二代数字化仪器，此类仪器目前相称普遍，此类仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号，并以数字方式输出最终止果，合用于迅速响应和较高精确度的测量，如数字万用表、数字频率计等。第三代智能仪器，此类仪器内置微处理器，可以进行自动测试和数据处理功能，也许替代部分脑力老公，习惯上称为智能仪器。它的功能模块所有都是以硬件或固定软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器，它是目前计算机软件技术、通信技术和测试技术高速发展孕育出的一项革命性技术，其导致了老式仪器的构造、概念和设计观点都发生了巨大的变革，它的出现使得人类的测试技术进入了一种新的发展纪元。虚拟仪器（VirtualInstruments.简称VI）的概念，是美国国家仪器企业（NationalInstrumentsCorp.简称NI）于1986年提出的。NI企业同步也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了老式仪器只能由厂家定义，顾客无法变化的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。伴随目前硬件和软件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化成为各级试验室以及研究机构发展的方向。虚拟仪器，它既具有老式仪器的功能，又有别于其他老式仪器。它可以充足运用和发挥既有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常以便和快捷。虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，顾客可以通过友好的图形界面（一般叫做虚拟前面板，简称前面板）来操作这台计算机就像在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器同样，从而完毕对被测信号的采集、分析、判断、显示、数字存储等。虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据的分析处理、体现以及图形化顾客接口，把计算机资源（如微处理器、显示屏等）和仪器硬件（如A/D、D/A、数字I/O、定期器、信号调理等）的测试能力和控制能力结合起来。虚拟一起突破了老式仪器以硬件为主体的模式，实际上使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，如同操作一台虚设的电子仪器。1.2虚拟仪器的构成虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成分式上讲则由以DAQ板和信号调理为仪器硬件而构成的PC-DAQ测试系统，或已GPIB，VXI，Serial和Fieldbus等原则总线仪器为硬件构成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图1-1所示。显示屏信号分析及处理器显示屏信号分析及处理器入机接口各类接口A/D转换器数据发生器信号调理器信号调理器输入信号D/A转换器信号调理器信号输出图1-1虚拟仪器的构造目前，虚拟仪器的构成方式有如下几种：PC-DAQ插卡式的VI并行口式的VIGPIB总线方式的VIVXI总线方式的VIPXI总线形式的VI网络接口方式的VIUSB接口方式的VI无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑，台式微机和工作站等多种计算机平台加上应用软件而构成的。1.3虚拟仪器的发展趋势虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术在老式领域的各类仪器。虚拟仪器在构成和变化仪器的功能和技术性能方面具有灵活性和经济性，因而尤其适应于现代科学技术迅速发展和科学研究不停深化所提出的更高跟新的测量课题和测量需要。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进。”虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛的应用。图形化编程平台的深入发展和完善是虚拟仪器发展的一种重要方向。怎样使顾客进行少许的学习甚至不需要学习就可使用功能强大的虚拟仪器，怎样使用构成简朴的虚拟仪器系统并完毕复杂的测试内容，怎样协助顾客对测试成果进行分析和判断等内容，是虚拟仪器技术努力的方向。我国还基本处在老式仪器与计算机化仪器互相分离的状态，世界各大有关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结合我国的实际状况，我们必须走引进与自行开发相结合的道路。首先，大力引进国外虚拟仪器方面的生产技术；另首先，发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术，发展图形化平台的软件产品，充足运用我们既有的计算机及测控技术硬件，缩短与国际先进水平的差距。VXI总线将成为未来虚拟仪器的理想硬件平台，这是由VXI总线的性能决定的；另首先，基于PCI-DAQ的虚拟仪器系统由于性价比高、灵活性好而受到大多数顾客的青睐，将得到高速的发展。伴随计算机硬件、软件技术的迅速发展，虚拟仪器将向高性能、多功能、集成化、网络化方向发展。2虚拟示波器的原理2.1示波器的基本原理示波器是运用电子射线的偏转，来显示电信号瞬时值图象（常成为时间波形）的一种仪器。它能迅速的把肉眼不能直接看见的电信号的时变规律，以可见的形式，形象的显示出来。目前，示波器在信号测试、信号比较、逻辑分析等领域得到了广泛的应用。在示波器的荧光屏上，显示电压波形的原理如下：被测电压是时间的函数，在直角坐标系统中，可以用的曲线表达。示波器的两副偏转板使电子束在两个互相垂直的方向偏转，这两个方向可以当作是坐标轴。因此，要在管子的荧光屏上显示被测电压的波形，就必须使射线沿水平方向的偏转同步间成正比，而在垂直方向同被测电压成正比（每一瞬间）。因此，锯齿波电压加到水平偏转板上，它迫使射线以恒定的速度从左向右沿水平方向偏转。并且很快的返回到起始位置。射线沿水平轴通过的距离跟时间成正比。被测电压加到垂直偏转板上，因而，每一瞬间射线的位置单值的对应于这一瞬间被测信号的值。在锯齿波电压作用期间，射线就绘出了被测信号的曲线，示波器波形显示原理如图2-1所示。图2-1示波器波形显示原理以上图形是锯齿波的反复周期等于输入信号周期整数倍的状况（一倍），荧光屏上显示出的信号图形是稳定不动的。假如不是整数倍，则每次出现的信号波形就不会重叠，图形将不停移动，不利于观测。为了保证锯齿波的周期等于输入信号的整数倍，示波器必须具有同步或触发电路。2.2数字示波器的基本原理数字示波器用A/D变换器把模拟波形转换成数字信号，然后存储在半导体存储器RAM中，需要时，将RAM中存储内容调出，通过对应的D/A转换器，再恢复成模拟量显示在示波管屏幕上。在这种示波器中，信号处理功能和信号显示功能是分开的。其性能，包括精度和速度，完毕取决于进行信号处理的A/D、D/A变换器和半导体存储器。在数字示波器中，把输入的被测模拟信号先送至A/D转化器进行取样，量化和编码，成为数字“1”、“0”码，存储到RAM中，这个过程称为存储器的“写过程”。然后，再将这些“1”、“0”码从RAM中依次取出按次序排列起来，通过D/A转换使其包络重现输入模拟信号，这就是“读过程”。在数字存储示波器中，采用适时取样方式，可观测单次信号；采用次序取样或者随即取样方式，可观测反复信号。理论分析指出，为了对的的观测信号波形，只有恰当的选择取样频率才能用所得的样值脉冲序列恢复出原信号波形。取样频率过低会产生频谱重叠效应，导致波形失真，使示波器测量成果出现明显误差。取样定律证明，对于一种最高频率为的信号，当取样频率时，其取样后所得到的脉冲序列将包括原信号的所有信息。称为奈奎斯特频率。当取样频率等于输入信号频率时，显示波形的频率信息还能保留，不过幅度信息将大量损失。通过计算可以得到，当一种周期中取样点数N为4时，即取样频率时，失真波形的最大值是波形幅度的0.707，故数字示波器的等效带宽为。若采用正弦内插显示，等效带宽可达。2.3虚拟示波器的工作原理模拟信号经同轴电缆进入采集卡的输入通道，通过前置滤波电路、衰减电路、可变增益的放大电路，将信号处理成A/D转换器可以处理的原则电平，通过A/D采样量化转化成计算机可以处理的数字信号并缓存到卡上的存储器。其支持软件通过PC机的PCI总线接口控制模拟通道的阻抗匹配、放大器的增益选择、启动A/D转换及转换结束的识别，并将采集数据以DMA的方式传播到计算机内存，同步对数据信号进行分析处理、显示、存储及打印传播等。虚拟示波器是采用基于计算机的虚拟技术，用以模拟通用示波器的面板操作和处理功能，也就是使用个人计算机及接口电路来采集现场或试验室信号，并通过图形顾客界面（GUI）来模仿示波器的操作面板，完毕信号采集、调理、分析处理和显示输出等功能。3总体方案设计本文设计的是一种基于LabVIEW的虚拟示波器系统，重要由两路模拟信号输入模块、信号滤波模块、波形测量模块等构成。通过通道按钮的选择，可实现两个通道的分别采集。其构造框图如图3-1所示。模拟信号输入模拟信号输入通道选择参数测量信号调整波形的实时显示信号滤波图3-1基于LabVIEW的虚拟示波器的构造框图4虚拟示波器各部分电路的设计4.1模拟信号输入模块由于DAQ数据采集模块是建立在数据采集卡的基础上，因此，本设计采用一种模拟信号输入模块替代DAQ数据采集模块。为了以便编程，我建立了如下图4-1所示的输入子VI模块。图4-1输入子VI该输入子VI的程序框图如图4-2所示。图4-2输入子VI的程序框图该输入子VI还包括一种单位计算子VI，其图标及程序框图如图4-3和4-4所示。图4-3单位计算子VI的图标图4-4单位计算子VI的程序框图该模块应用两个基本函数发生器来产生两仿真信号分别用来模拟通道1、2信号，其采样信息通过对簇sample/pol的扫描率和扫描数解除捆绑后再捆绑构成的新簇输入。通过前面板还可以调整仿真信号的参数（波形类型、频率、幅值、周期），最终将这些调整控件接入之前设计的输入子VI，形成两路输入信号A、B。模块图如图4.5所示。图4-5输入子VI的程序框图4.2数字滤波模块采用数字IIR滤波器对信号进行滤波处理并实时显示，同步可以任意设置滤波器的最佳迫近函数类型、滤波器类型、阶次、上下截止频率等参数。运用滤波技术可以在被噪声沉没的信号中提取所需要的信号，克制不需要的干扰信号。数字滤波器即是以数值计算的措施来实现对离散化信号的处理，以减少干扰信号在有用信号中所占的比例，从而变化信号的质量，到达滤波或加工信号的目的。LabVIEW中列有多种数字滤波器，这些数字滤波器都可以直接用而不用考虑它的内部设计。设计中采用数字IIR滤波器。该滤波器图标如图4-6所示。图4-6IIR滤波器该节点可设置参数是采样频率、低通截止频率、高通截止频率、滤波器阶数以及4种滤波器类型(低通、高通、带通和带阻)的选择。其中低通截止频率的设置必须满足采样定理规则，截止频率不能高于采样频率的二分之一。设计中还运用数字IIR滤波规范对数字IIR滤波器进行规范设计。该滤波规范前面板如图4-7所示。图4-7IIR滤波器规范数字滤波模块的程序框图如图4-8所示。图4-8数字滤波模块4.3波形显示模块本设计提供了三种波形显示模式：模式1：在此模式下，通道1显示信号A，通道2显示信号B。模式2：在此模式下，通道1显示信号A，通道2显示信号A+B。模式3：在此模式下，通道1显示信号B，通道2显示信号A+B。本设计运用条件语句对三种模式进行选择。图4-9至4-11为波形显示程序框图。图4-9显示模式1图4-10显示模式2图4-11显示模式34.4参数测量模块LabVIEW提供了丰富的波形频谱分析工具，最经典的就是AmplitudeandLevelMeasurement.VI，它的寄存途径是背面板中Functions->SignalAnalysis，参数对话框中共分为4个区域，分别是规定进行的幅值特性值求取的项目(AmplitudeMeasurements)、目前信号幅值求取的成果(Results)、输入信号预览窗口(InputSignal)和加窗后信号预览窗口(ResultSignal)，其中最重要的是幅值特性值求取项目的设置，需规定取哪个特性值，就在它前面划勾，AmplitudeandLevelMeasurement.VI自动在其图标中添加这一输出端口。该模块有3个输入引脚和8个输出引脚。3个输入引脚分别如下："RestartAveraging"引脚标识与否重启选定的平均处理过程，缺省为False；"Signals"引脚是输入要分析的信号；"errorin(noerror)"引脚是对在执行到这个VI之前若是发生错误条件的描述；8个输出引脚论述如下："RMS"引脚指信号均方根值；"PositivePeak"引脚指正向峰值；"errorout"引脚指子VI执行错误时的输出信息；"CycleAverage"引脚指一种周期的平均值；"CycleRMS"引脚指一种周期的均方根值；"Mean(DC)"引脚指信号均值；"NegativePeak"引脚指负向峰值；"PeaktoPeak"引脚指峰一峰值，即输入信号波形的正向和负向的最大振幅值。本设计采用了三种波形测量模块，该模块图标如图4-12至4-14所示。图4-12单频测量查找具有最高幅值的单频，或在指定范围内查找具有最高幅值的单频。也可查找单频的频率和相位。图4-13幅值和电平测量测量信号的电压。包括下列选项：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。图4-14信号的时间与瞬态特性测量测量信号（一般是脉冲）的时间与瞬态特性（例如，频率、周期或占空比）。整合后，波形测量模块的程序框图如下图4-15所示。图4-15参数测量模块5波形显示图5-1模式1下，信号A、B均为正弦波，频率均为10KHZ图5-2模式1下，信号A、B均为正弦波，频率均为10MHZ图5-3模式2下，信号A、B均为正弦波图5-4模式2下，信号A为正弦波，信号B为三角波图5-5模式2下，信号A为正弦波，信号B为方波图5-6模式2下，信号A为正弦波，信号B为锯齿波图5-7模式2下，信号A为方波，信号B为三角波图5-8模式2下，信号A为锯齿波，信号B为三角波图5-9模式2下，信号A为锯齿波，信号B为方波6总结课程设计是测控仪器设计与LabVIEW课程重要的综合性与实践性教学环节，通过设计实践不仅可以检测我们对所学知识的掌握程度，更有助于培养我们独立学习、搜寻所需信息的能力，引导我们树立对的的设计思想，因此我们要认真看待本次课程设计。刚拿到设计题目时，感到这个设计很难，由于诸多概念、原理和术语都不曾见过。因此，做设计之前，我花了很长时间来理解设计任务书