本科論文--LabVIEW測(cè)頻率論文頻率本科論文頻率測(cè)量LabVIEW

1、采用虛擬儀器技術(shù)對(duì)高精度的頻率源進(jìn)行測(cè)量，具有簡(jiǎn)單、易行、精度高的特點(diǎn)。 這與以往利用實(shí)際儀器儀表對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)量在方法上有著很大的不同。labview就是基于虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境，本文闡述了基于虛擬儀器技術(shù)在頻率測(cè)量 中的實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)電了測(cè)量的基木原理、計(jì)算方法和流程，實(shí)驗(yàn)利用了labview的特 有語(yǔ)言一g語(yǔ)言一對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行程序編譯、運(yùn)行、修改并最終顯示運(yùn)行結(jié)果。在實(shí)現(xiàn) 頻率測(cè)量的過(guò)程屮，利用聲卡代替了數(shù)據(jù)采集卡，把聲音數(shù)據(jù)釆集上來(lái)作為信號(hào)源，通 過(guò)測(cè)量聲咅的頻率，對(duì)外界聲咅信號(hào)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最后給出了被測(cè)信號(hào)頻率的仿真結(jié) 果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以圖形顯示和數(shù)據(jù)顯示的方式，對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行了準(zhǔn)確地測(cè)量

2、。通過(guò)實(shí)驗(yàn), 實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器對(duì)信號(hào)頻率的測(cè)量。虛擬儀器是電了測(cè)量中的新技術(shù)，有著廣闊的發(fā)展前景，是實(shí)驗(yàn)、教學(xué)及檢測(cè)領(lǐng)域 的重要技術(shù)。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；電子測(cè)量；頻率測(cè)量abstractadopting virtual instrument technique in the frequency source that high accuracy has characteristics of simplify、easy operation and high accuracy .this has the very big difference with the former frequency me

3、asurement methodlabview was based on the virtual instrument development environment, and this article elaborates the practical application of virtual instrument technology in the frequency measurement. according to the basic theories x the computational method and the flow of electronic measurement,

4、 the experiment used the labview unique language (g language) to compile, run, correct the measured subject and eventually display the result. during the process of realizing the frequency measurement, there arc some steps including using the sound card instead of data acquisition card as the signal

5、 source, measuring the frequency of sound, carrying out simulation experiment for outside voice acquisition and finally giving out the simulation results of the frequency of the measured signals. the result of experiment has measured the subject accurately by the means of displaying graph and data.

6、the experiment has realized the measurement of signal frequency in the virtual instrumentvirtual instrument is a new technique in electronic measurement, having vast development foreground, and is the important technique of experiment, teaching and in the field of detection.keywords: virtual instrum

7、ent; electronic measurement; frequency measurement引言11 電子測(cè)量21測(cè)量概述21.1.1 測(cè)量的基木概念21.1.2 測(cè)量的重要意義21.2 電了測(cè)量的特點(diǎn)和應(yīng)用32 虛擬儀器及l(fā)abview基礎(chǔ)62虛擬儀器概述62.1.1 定義62.1.2 比較與差異62.1.3 虛擬儀器對(duì)電了測(cè)量的影響82.2 labview概述82.1.1 labview簡(jiǎn)介82.1.2 labview的體系結(jié)構(gòu)93時(shí)間與頻率的測(cè)量113.1 概述113.1.1時(shí)間、頻率的基本概念113.2數(shù)據(jù)采集113.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成113.2.2 數(shù)據(jù)采集卡簡(jiǎn)介124

8、設(shè)計(jì)方法154.1可行性研究及需求分析154.1.1開發(fā)背景154.1.2 需求分析154.1.3 設(shè)計(jì)思想224.2 設(shè)計(jì)方法在labview中的實(shí)現(xiàn)224.2.1總設(shè)計(jì)的程序圖224.2.2程序框圖分解分析244.2.3設(shè)計(jì)圖的前面板演示及結(jié)果294.2.4 程序中一些模塊的功能355虛擬儀器的發(fā)展前景37結(jié)論39致謝40參考文獻(xiàn)41附錄a英文原文42附錄b漢語(yǔ)翻譯51現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是建立在精密測(cè)量基礎(chǔ)上的，目前人們所涉及到的物理量和物 理常數(shù)中，頻率時(shí)間是最精密、準(zhǔn)確的計(jì)量單位，其他許多測(cè)量可以轉(zhuǎn)化為頻率時(shí)間的 測(cè)量。頻率時(shí)間測(cè)量在測(cè)量和計(jì)量領(lǐng)域中起著重要的作用，它的準(zhǔn)確與否決定著其

9、它許 多物理量及基木物理常數(shù)的精度和定義。測(cè)量精度的提高，不僅為人們更精確的認(rèn)識(shí)和 發(fā)現(xiàn)物質(zhì)世界提供了機(jī)會(huì)，而凡也是一個(gè)國(guó)家戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志之一。在信息科技 日益發(fā)達(dá)的今天，高精度頻率測(cè)量的研究是關(guān)系經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技創(chuàng)新和國(guó)家安全的重要 內(nèi)容。由于社會(huì)發(fā)展和科技發(fā)展的需要，信息傳輸和處理要求的提高，對(duì)頻率的測(cè)量精度 也提出了更高的要求。頻率測(cè)量所能達(dá)到的精度，主要取決于標(biāo)準(zhǔn)頻率源的精度以及所 使用的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法。目前，國(guó)內(nèi)外使用的測(cè)頻方法有很多，有直接測(cè)頻法、內(nèi) 插法、游標(biāo)法、時(shí)間電壓變化法、多周期同步法、頻率倍增法、頻茅倍增法以及和 位比較法等。直接測(cè)頻的方法較簡(jiǎn)單，但精度不高。內(nèi)插

10、法和游標(biāo)法都是采用模擬的方 法，雖然精度提高了，但是線路設(shè)計(jì)卻很復(fù)雜。時(shí)間電壓變化法是利用電容的充放 電時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，由于經(jīng)過(guò)a/d轉(zhuǎn)換，速度較慢，且抗干擾能力較弱。多周期同步法是 精度較高的一種。為了進(jìn)一步提高精度，通常采用模擬內(nèi)插法或游標(biāo)法與多周期同步法 結(jié)合使用，雖然精度有了進(jìn)一步的提高，但最終未能解決±1個(gè)數(shù)字的誤茅這個(gè)根木問(wèn)題, 而且這些方法設(shè)備復(fù)雜，不利于推廣。頻率誤并倍增法可以減小計(jì)數(shù)器的±1個(gè)字的誤茅, 提高測(cè)量精度，但用這種方法來(lái)提高測(cè)量精度是很有限的，因?yàn)槿缫玫?x102/$的 測(cè)量精度，就要把被測(cè)頻率.九倍頻到/?i/v = l/2xlo-,1=5o

11、oom/7z ,這無(wú)論是對(duì)倍頻技術(shù), 還是對(duì)目前的計(jì)數(shù)器都是很難實(shí)現(xiàn)的。頻差倍增多周期法是一種頻并倍增法和并拍 法相結(jié)合的測(cè)量方法。這種方法是將被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)經(jīng)頻差倍增使被測(cè)信號(hào)的相位 起伏擴(kuò)大，再通過(guò)混頻器獲得并拍信號(hào)，用電了計(jì)數(shù)器在低頻下進(jìn)行多周期測(cè)量，能在 較少的倍增次數(shù)和同樣的取樣時(shí)間情況下，得到比測(cè)頻法更高的系統(tǒng)分辨率測(cè)量精度。 但是仍存在著時(shí)標(biāo)不穩(wěn)定而引入的誤差和一定的觸發(fā)誤差。所以頻率測(cè)量技術(shù)需要進(jìn)一步的改善和提高。更應(yīng)該利用計(jì)算機(jī)的大量資源和技術(shù) 來(lái)提高電了測(cè)量的精度。1電子測(cè)量1.1測(cè)量概述1測(cè)量的基本概念測(cè)量是為確定被測(cè)對(duì)象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程屮常借助專門

12、的設(shè) 備，把被測(cè)對(duì)象直接或間接的與同類已知單位進(jìn)行比較，取得用數(shù)值和單位共同表示的 測(cè)量結(jié)果。它根據(jù)一定的法則，對(duì)事物屬性用數(shù)字進(jìn)行描述。測(cè)量的基本特征是將事物 進(jìn)行區(qū)分，本質(zhì)上是一種比較的活動(dòng)，在對(duì)事物進(jìn)行區(qū)分比較的過(guò)程屮，按照一定的法 則，把區(qū)分的結(jié)果用數(shù)字的形式表現(xiàn)岀來(lái)。根據(jù)測(cè)量的定義，一般測(cè)量可包括3個(gè)內(nèi)容：1, 測(cè)量對(duì)象即事物的屬性；2, 測(cè)量工具即某些法則；3, 測(cè)量結(jié)果即某數(shù)字表示形式。測(cè)量分為兩種情況。第一種，測(cè)量誤差遠(yuǎn)大于被測(cè)量值的變化，這種情況被典型化 為“量值本身不變而測(cè)量有誤差”，稱常規(guī)測(cè)量，其理論稱經(jīng)典測(cè)量理論；笫二種，被 測(cè)量值本身的變化遠(yuǎn)大于測(cè)量誤差，這種情況被典

13、型化為“測(cè)得值是被測(cè)量的實(shí)際值， 求量值及其變化”，這種測(cè)量稱為統(tǒng)計(jì)測(cè)量。當(dāng)今，測(cè)量可分為四種類型山： 常規(guī)測(cè)量：得到多個(gè)測(cè)得值，存在期槊值，貝塞爾公式成立；用測(cè)得值的平均 值代表真值，用平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差（常取其3倍）表示隨機(jī)誤差范圍；存在唯一真值， 講究準(zhǔn)確度。 常規(guī)統(tǒng)計(jì)測(cè)量：測(cè)得到的多個(gè)值，每個(gè)值都是被測(cè)量的實(shí)際值；存在期槊值， 貝塞爾公式成立；用單個(gè)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差；有標(biāo)稱值（目標(biāo)值），講究準(zhǔn)確度。 一般發(fā)散型統(tǒng)計(jì)：測(cè)得到的多個(gè)值，毎個(gè)值都是真值；存在發(fā)散困難，無(wú)數(shù)學(xué) 期槊，貝塞爾公式不成立；有標(biāo)稱值（目標(biāo)值），講究準(zhǔn)確度。 特種發(fā)散型統(tǒng)計(jì)：得到的多個(gè)值，每個(gè)都是真值；存在發(fā)散困難，無(wú)數(shù)學(xué)期

14、槊， 貝塞爾公式不成立；無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，用不確定度。1.1.2測(cè)量的重要意義測(cè)量是揭示客觀世界規(guī)律，用數(shù)字語(yǔ)言描述周圍世界，進(jìn)而改造世界的重要手段。 廣義的說(shuō)，任何實(shí)驗(yàn)科學(xué)的結(jié)論，都是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)推斷的結(jié)果。而數(shù)拯的取得，就 要靠測(cè)量。近代口然科學(xué)是從有了實(shí)驗(yàn)科學(xué)之后才真正形成的。許多重大科學(xué)成果的獲 得，首先因?yàn)橛辛诵碌膶?shí)驗(yàn)手段。在科學(xué)發(fā)展史上，重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以假說(shuō)上升為理 論，成為驗(yàn)證理論的客觀標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，很多實(shí)驗(yàn)數(shù)拯還成為發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，提岀新理論的 線索和依據(jù)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)和國(guó)防的重要特點(diǎn)之一，就是要進(jìn)行大量的觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)?，F(xiàn)代 工業(yè)大生產(chǎn)，用到測(cè)量上的工時(shí)和費(fèi)用約占整個(gè)生產(chǎn)所用的20%3

15、0%。提高測(cè)量水平, 降低測(cè)量成本，減少測(cè)量誤差，提高測(cè)量效率，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域都是至關(guān)重要的。 因此，測(cè)量手段的現(xiàn)代化，已被公認(rèn)為是科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要條件和明顯標(biāo)志。1.2電子測(cè)量的特點(diǎn)和應(yīng)用從廣義來(lái)說(shuō)，凡是利用電子技術(shù)來(lái)進(jìn)行的測(cè)量都是可以說(shuō)是電子測(cè)量。隨著電子科 學(xué)技術(shù)的發(fā)展，由于電子測(cè)量的一系列優(yōu)點(diǎn)，許多物理量都設(shè)法通過(guò)一定的傳感器變換 成電信號(hào)，然后利用一整套比較成熟的電子學(xué)方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量。在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的 今天，尖端技術(shù)和現(xiàn)代化的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都離不開精密和準(zhǔn)確的測(cè)量?，F(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)和 現(xiàn)代化大生產(chǎn)屮那些要求精密和準(zhǔn)確測(cè)量的內(nèi)容通常都是運(yùn)用了電子測(cè)量的方法來(lái)實(shí) 現(xiàn)的。從狹義

16、來(lái)說(shuō)，電子測(cè)量是在電子學(xué)中測(cè)量有關(guān)電的量值。即使在這個(gè)范圍內(nèi)，內(nèi)容 也是相當(dāng)廣泛的。通常包括下面兒個(gè)方面：（1）電能量的測(cè)量，即測(cè)量電流、電壓、電功率等；（2）信號(hào)的特性及所受干擾的測(cè)量，例如信號(hào)的波形和失真度、頻率、相位、脈 沖參數(shù)、調(diào)制度、信號(hào)頻譜、信/噪比等；（3）元件和電路參數(shù)的測(cè)量，例如電阻、電感、電容、電子器件（電子管、晶休 管、場(chǎng)效應(yīng)管等）、集成電路的測(cè)量。電路頻率響應(yīng)、通帶寬度、品質(zhì)因數(shù)、 相位移、延時(shí)、衰減和增益的測(cè)量等等。與其它的一些測(cè)量相比，電子測(cè)量具有以下兒個(gè)明顯的特點(diǎn)：（1）測(cè)量頻率范圍極寬，低端除測(cè)直流外可測(cè)低至10"lo-fz,高端可至100ghz 左右

17、（在有些測(cè)量方面甚至更高）。電子測(cè)量能工作在這樣寬的頻率范圍，這 就使它應(yīng)用范圍很廣。但是即使測(cè)量同一電量，在不同的頻段中所依據(jù)的原 理、采用的方法、使用的元器件等都可能相差很遠(yuǎn)。所以有時(shí)把測(cè)量或低頻信號(hào)發(fā)生器、音頻信號(hào)發(fā)生器、高頻信號(hào)發(fā)生器等等。當(dāng)然這給使用帶來(lái)很 多不便。近年來(lái)研制了很多寬頻設(shè)備，使一臺(tái)儀器能在很寬的頻率范圍內(nèi)工 作。（2）量程很廣。由于所測(cè)量電量的大小相差極大，要求測(cè)量?jī)x器的量程也極寬。 同一臺(tái)電子儀器，經(jīng)常能作到量程寬達(dá)很多數(shù)量級(jí)。（3）測(cè)量準(zhǔn)確度高。電子儀器的正確度通?？杀绕渌麥y(cè)量?jī)x器高很多。特別是對(duì) 頻率和時(shí)間的測(cè)量，由于采用了原子頻標(biāo)和原子秒作為基準(zhǔn)，使誤差減小到

18、 io-13io-量級(jí)，這是目前人類在測(cè)量準(zhǔn)確度方面達(dá)到的最高標(biāo)準(zhǔn)。人們也往往 把其它參數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率再進(jìn)行測(cè)量，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度.電子測(cè)量準(zhǔn)確度高, 正是它在現(xiàn)代科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的重要原因。（4）測(cè)量速度快。電子測(cè)量由于是通過(guò)電子運(yùn)動(dòng)和電磁波的傳播來(lái)進(jìn)行工作的， 因此具有其它測(cè)量方法通常無(wú)法類比的高速度。這也是它在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng) 域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)測(cè)量過(guò)程和測(cè)量 數(shù)據(jù)處理的速度都提岀了越來(lái)越高的要求。因此，不斷提高測(cè)量速度也是電子 測(cè)量發(fā)展的一個(gè)重要方向。（5）易于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和氏期不間斷的測(cè)量，顯示方式乂可以做到清晰直觀。由于可以 把電子儀器或與它連接的

19、傳感器防到人類不便長(zhǎng)期停留或無(wú)法到達(dá)的區(qū)域去 進(jìn)行遙測(cè)，而且可以在被測(cè)對(duì)象正常工作的情況下進(jìn)行測(cè)量這就擴(kuò)大了人類 用測(cè)量的方法定量的認(rèn)識(shí)世界的范圍。對(duì)于測(cè)量結(jié)果，電子測(cè)量的顯示方法也比較清晰直觀，易于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和長(zhǎng)期不 間斷測(cè)量和它在顯示測(cè)量結(jié)果方面的優(yōu)點(diǎn)，也促進(jìn)了它在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng) 用。（6）易于利用計(jì)算機(jī)，形成電子測(cè)量與計(jì)算技術(shù)的緊密結(jié)合。電子測(cè)量的測(cè)量結(jié)果 和它所需的控制信號(hào)都是電信號(hào)，這非常有利于它直接或通過(guò)a/d, d/a變 換與計(jì)算機(jī)連接。由于以上電子測(cè)量技術(shù)的一系列特點(diǎn)，使它廣泛應(yīng)用于口然科學(xué)的一切領(lǐng)域。在現(xiàn) 代，兒乎找不到哪一個(gè)科技領(lǐng)域沒(méi)有運(yùn)用電子測(cè)量技術(shù)。大到天文觀測(cè)、宇宙航

20、天，小 到物質(zhì)結(jié)構(gòu)、基本粒子；從復(fù)雜深?yuàn)W的生命、細(xì)胞、遺傳問(wèn)題到日常的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī) 學(xué)、商業(yè)各部門，都越來(lái)越的采用了電子測(cè)量技術(shù)和設(shè)備。電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展是與自然科學(xué)特別是電子技術(shù)的發(fā)展互相促進(jìn)、互相推動(dòng)的。一方面電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展為自然科學(xué)特別是電子學(xué)的研究、實(shí)驗(yàn)、分析和檢驗(yàn)提供了 條件，另一方面自然科學(xué)的發(fā)展特別是電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展向電子測(cè)量技術(shù)不斷提出新 問(wèn)題。同時(shí)，近代電子學(xué)、計(jì)算科學(xué)、物理學(xué)和材料學(xué)等的發(fā)展乂反過(guò)來(lái)為電子測(cè)量提 供了新理論、新技術(shù)、新工藝、新材料、新器件，形成了相輔相成不可分割的關(guān)系。由于電子測(cè)量的廣泛應(yīng)用和它與口然科學(xué)的密切關(guān)系，電子測(cè)量科學(xué)的發(fā)展永遠(yuǎn) 和自然科學(xué)

21、的最新發(fā)展緊密聯(lián)系著。電子測(cè)量技術(shù)的最新水平往往是科學(xué)技術(shù)最新成果 的反映，這就使這門科學(xué)充滿生命力。目前電子測(cè)量設(shè)備在性能、測(cè)試功能、工藝結(jié)構(gòu) 等各方面都取得了很大的進(jìn)展。其研制和生產(chǎn)正向著自動(dòng)化、系統(tǒng)化、數(shù)字化、高性能、 多功能、快速、小型等方面發(fā)展。2虛擬儀器及l(fā)abview基礎(chǔ)2.1虛擬儀器概述2.1定義虛擬儀器是指在通用計(jì)算機(jī)上添加一層軟件和/或必要的儀器硬件模塊，使用戶操 作這臺(tái)通用計(jì)算機(jī)就象操作一臺(tái)自己專門設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)電子儀器一樣。虛擬儀器技術(shù)強(qiáng)調(diào) 軟件的作用，提出了“軟件就是儀器”的概念，這個(gè)概念克服了傳統(tǒng)儀器的功能在制造時(shí) 就被限定而不能變動(dòng)的缺陷，擺脫了由傳統(tǒng)硬件構(gòu)成一件件儀

22、器再連成系統(tǒng)的模式，而 變?yōu)橛捎脩舾约旱男枰ㄟ^(guò)編制不同的測(cè)試軟件來(lái)組合構(gòu)成各種虛擬儀器，其中許 多功能直接就由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，打破了儀器功能只能由廠家定義，用戶無(wú)法改變的模式， 虛擬儀器還可以很快地跟上計(jì)算機(jī)的發(fā)展，升級(jí)重建口己的功能。這尤其適合科研與生 產(chǎn)制造部門。2.1.2 比較與差異考察任何一臺(tái)傳統(tǒng)的智能儀器，都可以將其分解成以下三個(gè)部分：(1) 數(shù)據(jù)的采集:將輸入的模擬信號(hào)波形進(jìn)行調(diào)理，并經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以待處 理。(2) 數(shù)據(jù)的分析與處理:由微處理器按照功能要求對(duì)采集的數(shù)據(jù)作必要的分析和處 理。(3) 存儲(chǔ)、顯示或輸出:將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示或經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。傳

23、統(tǒng)智能儀器是由廠家將上述二種功能的部件根據(jù)儀器功能按固定的方式組建，一 般一種儀器只有一種功能或數(shù)種功能。而虛擬儀器是將具有上述一種或多種功能的通用 模塊組合起來(lái)，通過(guò)編制不同的測(cè)試軟件來(lái)構(gòu)成任何一種儀器，而不是某兒種儀器。例 如激勵(lì)信號(hào)可先由微機(jī)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)d/a變換產(chǎn)生所需的各種模擬信號(hào)，這相 當(dāng)于一臺(tái)任意波形發(fā)生器。大量的測(cè)試功能都可通過(guò)對(duì)被測(cè)信號(hào)的采樣，a/d變換成數(shù) 字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)處理即可，或者直接用數(shù)字顯示而形成數(shù)字電壓表類儀器，或用圖形顯 示而形成示波器類儀器，或者再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析即可形成頻譜分析儀類儀器。其中， 數(shù)拯分析與處理以及顯示等功能可以直接由軟件完成鐵這樣就擺脫

24、由傳統(tǒng)碩件構(gòu)成一 件件儀器然后再連成系統(tǒng)的模式，而變成由計(jì)算機(jī)、a/d及d/a等帶共性硬件資源和應(yīng)用軟件共同組成的虛擬儀器系統(tǒng)新的概念。許多廠家目前己研制出了多種用于構(gòu)建虛 擬儀器的數(shù)據(jù)采集(daq)卡。一塊(daq)卡可以完成a/d轉(zhuǎn)換、d/a轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸入輸 出、記數(shù)器/定時(shí)器等多種功能，再配以相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路組件，即可構(gòu)成能生成各 種虛擬儀器的碩件平臺(tái)。總之，虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大的不同之處，就在于應(yīng)用的靈活性上。虛擬儀器是 用戶自己定義的，用戶可以將各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)、硬件、軟件和附備件結(jié)合起來(lái)，組裝成 所需要的應(yīng)用設(shè)備。而一般由生產(chǎn)廠商所定義的、具有固定功能的單個(gè)設(shè)備，例如電壓 表、示

25、波器和數(shù)據(jù)記錄儀等，則不具有這樣的靈活性。因此利用虛擬儀器來(lái)取代傳統(tǒng)儀 器之后，用戶將大大受益。表2.1屮更加簡(jiǎn)潔明了地對(duì)虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器進(jìn)行了比較。表2.1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器軟件使得開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低關(guān)鍵是軟件價(jià)格低，可重復(fù)用，可重配置性強(qiáng)用戶定義儀器功能技術(shù)更新周期短(12年)開放，靈活，與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展 與網(wǎng)絡(luò)及外設(shè)互聯(lián)方便開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高關(guān)鍵是硬件價(jià)格昂貴廠商定義儀器功能技術(shù)更新周期長(zhǎng)(510年)封閉、固定功能固定、互聯(lián)有限圖2.1和圖2.2分別反映了常見的虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成和虛擬儀器內(nèi)部的劃分:圖2虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成圖2. 2虛擬儀器內(nèi)部的劃分daq卡2.1.3

26、虛擬儀器對(duì)電子測(cè)量的影響ptr彳寸 刁旻由于虛擬儀器的特點(diǎn)，將使它在電子測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛尿狂ix侖在功能配置上，表現(xiàn)出了更高的靈活性。改變了過(guò)去傳統(tǒng)耕淤您棧關(guān)q量的 弊病，集多種儀器功能幾一體，使儀器向多功能集成化方向礬。例”可舒臺(tái)虛 擬儀器上同時(shí)完成信號(hào)發(fā)生、波形顯示、交直流電壓/電流測(cè)謂s儀器虛擬儀器的岀現(xiàn)，擴(kuò)展了電子測(cè)量的概念。使得在測(cè)量的同時(shí)完成了對(duì)被測(cè)量的分 析與處理。隨著新技術(shù)的發(fā)展，許多領(lǐng)域?qū)﹄娮訙y(cè)量捉出了更高的耍求。例如在通訊領(lǐng) 域，對(duì)信道的測(cè)量要求在頻域進(jìn)行指標(biāo)分析。應(yīng)用虛擬儀器可闕|留齋霍予通薔軟 件進(jìn)行多種分析處理，完成時(shí)/頻轉(zhuǎn)換、能譜分析、提取信號(hào)驀霜譙型可 以進(jìn)行存儲(chǔ)

27、、打印、局部放大等。虛擬儀器在電子測(cè)量領(lǐng)域的使用，可以大大降低測(cè)量成木，提高儀器的利用率。通 過(guò)通用碩件平臺(tái)，調(diào)用不同的軟件模塊，就可以完成多種儀器的測(cè)量功能。對(duì)于用戶而 言，開發(fā)軟件的成木比購(gòu)買新儀器的成本低廉，并月這種開發(fā)方式也便于儀器的維護(hù)與 使用，并能縮短儀器的開發(fā)周期。2.2 labview 概述2labview簡(jiǎn)介labview是1986年，由美國(guó)國(guó)家儀器公司一vi公司(national instruments cor-poration)設(shè)計(jì)的，它是一種基于圖形的開發(fā)，調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境，實(shí) 現(xiàn)了虛擬儀器的概念。n1公司的labview是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析

28、 和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件。它增強(qiáng)了用戶在標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)上配以高效經(jīng)濟(jì)的碩件設(shè)備來(lái)構(gòu)建自己的儀器系統(tǒng)的能力。將labview與一般的數(shù)據(jù)采集以及儀器設(shè)備加 以組合，就可以設(shè)計(jì)出虛擬儀器，并將其應(yīng)用于許多領(lǐng)域。labview (laboratory vietual instrument engineering workbench)是一種圖形化的編程 語(yǔ)言和開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的 數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。labview不僅提供了與遵從gpib, vxi, rs-232和rs-485 協(xié)議的碩件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，還內(nèi)置了支持tcp/ip

29、, activex等軟件標(biāo)準(zhǔn) 的庫(kù)函數(shù)，而且其圖形化的編程界面使編程過(guò)程變得生動(dòng)有趣。labview是一個(gè)功能 強(qiáng)大且靈活的軟件，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器。labview是一個(gè)完全的、開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，利用它組建儀器測(cè) 試 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以大大簡(jiǎn)化程序的設(shè)計(jì)。labview與visualc+、 visualbasic. labwindows/cvi等編程語(yǔ)言不同，后者采用的是基于文本語(yǔ)言的程 序代碼(code), jfij labview則是使用圖形化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言g (graphic),用框圖代 替了傳統(tǒng)的程序代碼。lab view所運(yùn)用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程

30、師們習(xí)慣的大部 分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過(guò)程 和思維過(guò)程非常的相似。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不需要編寫程序代碼，而是“繪制”程序流程圖。 labview盡可能利用工程技術(shù)人員所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因而它是一種面向最 終用戶的開發(fā)工具，可以增強(qiáng)工程人員構(gòu)建口己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，可謂實(shí)現(xiàn)儀 器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供便捷途徑。利用labview, nj產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。 labview是真正的32位編譯器。像其他軟件一樣，labview提供了 windows, unix, linux和macintosh等多種版本。目前，labview的最新版本是labview7.1。2.1.2

31、 labview的體系結(jié)構(gòu)圖2.2是labview的軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu).其屮儀器驅(qū)動(dòng)程)子主要是完成儀器碩件接 口功能的控制程序。nt公司提供了各制造廠家數(shù)百種gp- ib, daq, vxt和rs- 232等 儀器的張動(dòng)程序.有了儀器駆動(dòng)程序用戶就不必精通這些儀器的碩件接口。而只要把儀 器的用戶接口代碼及數(shù)據(jù)處理與分析軟件組合在一起。就可以迅速而方便地構(gòu)建一臺(tái)新 的虛擬儀器。labview具有三種用來(lái)創(chuàng)建和運(yùn)行程序的圖形化可移動(dòng)模板:工具(tools)模板，控 制(controls)模板和功能(functions)模板。工具模板包括了程序的創(chuàng)建，修改和調(diào)試 時(shí)使用的工具?？刂颇０逯饕糜谇懊姘?/p>

32、屮輸人和輸出指示器的添加。而功能模板則用于框圖程序的創(chuàng)建。熟悉了開發(fā)環(huán)境之后，就可以進(jìn)行編程了。下面就簡(jiǎn)單概括一下labview的程序設(shè)計(jì)的一般過(guò)程。圖2.3 labview軟件體系結(jié)構(gòu)3時(shí)間與頻率的測(cè)量3.1.1時(shí)間、頻率的基本概念1 吋間和頻率的定義“時(shí)間”的含義有兩個(gè)：一個(gè)是指“時(shí)刻”，即某個(gè)事件何時(shí)發(fā)生；另一個(gè)是指“時(shí) 間間隔”，即某個(gè)事件和對(duì)于一開始時(shí)刻持續(xù)了多久。所謂頻率就是指周期信號(hào)在單位吋間（1秒）內(nèi)變化的次數(shù)。如果在一定吋間間隔 t內(nèi)周期信號(hào)重復(fù)變化了 n次，則其頻率可表達(dá)為：匸 n/t（31）由于周期和頻率呈現(xiàn)上式所示的關(guān)系，所以對(duì)周期（吋間間隔）的測(cè)量可轉(zhuǎn)化為對(duì) 頻率的測(cè)

33、量，然后再取倒數(shù)即可。2.時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)（1）.測(cè)量精度高在電子技術(shù)各參數(shù)屮，頻率測(cè)量的精確度是最高的（10-14）,因而可以利用某種確定的函數(shù)關(guān)系把其他電參數(shù)的精確測(cè)量轉(zhuǎn)換誠(chéng)頻率的測(cè)量。應(yīng)用范圍廣 現(xiàn)代科技所涉及的頻率范圍是極其寬廣的，從百分z赫茲甚至更 低頻率開始，一直到io"赫茲以上。因此電子學(xué)和其他領(lǐng)域的研究工作都離不開頻率測(cè) 量。.口動(dòng)化程度高時(shí)頻測(cè)量極易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。電了計(jì)數(shù)器利用數(shù)字電路的各種邏輯功能很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重復(fù)測(cè)量、自動(dòng)選擇量程、測(cè)量結(jié)果自動(dòng)顯示等。測(cè)量速度快由于數(shù)字式儀器實(shí)現(xiàn)了測(cè)量口動(dòng)化，因此不但操作簡(jiǎn)便，而且大大加快了測(cè)量速度。3.2數(shù)據(jù)采集3.2.1數(shù)據(jù)采集

34、系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集是labview的核心技術(shù)z-o labview提供了與ni公司的數(shù)據(jù)次采集碩件相配合的豐富的軟件資源，使得它能夠方便地將實(shí)現(xiàn)世界中各種物理量數(shù)據(jù)采集到 計(jì)算機(jī)屮，從而為計(jì)算機(jī)在測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮其強(qiáng)大的功能奠定了基礎(chǔ)。要將數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)里，并對(duì)其進(jìn)行合理的組織，需要構(gòu)建一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集（data acquisition, daq）系統(tǒng)。它包抓傳感器和變換器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采 集卡（或裝置）、驅(qū)動(dòng)程序、硬件配置管理軟件、應(yīng)用軟件和計(jì)算機(jī)等。使用不同的傳 感器和變換器可以測(cè)量各種不同的物理量，并將它們轉(zhuǎn)化成電信號(hào)；信號(hào)調(diào)理設(shè)備可對(duì) 采集到的電信號(hào)進(jìn)行加工，使它們適合數(shù)據(jù)采集卡

35、等設(shè)備的需求；計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集 卡等獲得測(cè)量數(shù)據(jù)；軟件則控制著整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，它告訴采集設(shè)備什么時(shí)候從哪個(gè)通道 獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)還對(duì)原始數(shù)據(jù)作分析處理，并將最后結(jié)果表示成容易理解的方式，例如 圖表和文件等。3.2.2數(shù)據(jù)采集卡簡(jiǎn)介一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入（簡(jiǎn)稱“模入"）、模擬輸出（簡(jiǎn)稱“模 出”）、數(shù)字i/o、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等。模擬輸入是采集卡最基本的功能。它一般由多路開關(guān)（mux）、放大器（amplifier）、 采樣保持電路（s/h）以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)模擬信號(hào)通過(guò)上述各部分 后可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。adc的性能和參數(shù)直接影響著采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)實(shí)際

36、測(cè)量所需要的精度來(lái)選擇合適的adco模擬輸出通常是為采集系統(tǒng)提供激勵(lì)信號(hào)。輸出信號(hào)受數(shù)模轉(zhuǎn)換器（dac）的建立 時(shí)間、分辨率等因素影響。建立時(shí)間反映了輸出信號(hào)幅值改變的快慢，例如建立時(shí)間短 的dac可以提供頻率較高的信號(hào)。應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要考慮dac的參數(shù)指標(biāo)。通用采集卡一般都有多個(gè)模入通道，但是多數(shù)采集卡并菲每個(gè)通道配置一個(gè)adc, 而是各通道共用一個(gè)adc；在adc之前一般有多路開關(guān)、儀用放大器和采樣保持器。 通過(guò)采樣保持和多路開關(guān)的切換，可以實(shí)現(xiàn)多通道的采樣。多通道的采樣方式有3種：循環(huán)采樣、同步采樣和間隔采樣。下面主要以框圖的方 式對(duì)這三種采樣進(jìn)行說(shuō)明：1 循環(huán)采樣圖3是兩通道循環(huán)采樣示

37、意圖。其屮，所有的通道共用一個(gè)s/h和adc設(shè)備。channellchannel2analog luxinst圖3兩通道循環(huán)采樣示意圖2 同步采樣圖3.2為兩通道同步采樣的示意圖。當(dāng)通道間的關(guān)系很垂耍時(shí)，就需要用到同步采 樣方式。channelchanneladc >channelchannel圖3.2兩通道同步采樣示意圖3 間隔采樣圖3.3為通道10間隔采樣示意圖，設(shè)置相鄰?fù)ǖ篱g的掃描間隔為則通道1 和通道10掃描間隔是45“$。間隔采樣吋性價(jià)比較高的一種采樣方式。圖3.3通道10間隔米樣喬意圖4設(shè)計(jì)方法4.1可行性研究及需求分析4開發(fā)背景所謂“頻率”，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間（一秒）

38、內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間 間隔t內(nèi)計(jì)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)n,則其頻率可為：f 二 n/t在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，頻率是一個(gè)最基本的參數(shù)，頻率與其它許多電參量的測(cè)量方案、 測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系。因此，頻率的測(cè)量就顯得更為重要，而且，目前在電子 測(cè)量屮，頻率測(cè)量精度是最高的。4.1.2需求分析頻率是周期性信號(hào)參數(shù)的基本參量之一。目前普遍采用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量各種頻率。 使用電了計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率具有顯示直觀、操作方便以及精度較高的特點(diǎn)。1 測(cè)量頻率雙穩(wěn)態(tài)電路是各種數(shù)字式儀器最基本、應(yīng)用最廣泛的二進(jìn)制計(jì)數(shù)電路。將這種觸 發(fā)電路依次串連起來(lái)，就構(gòu)成了電了計(jì)算機(jī)中常用的二進(jìn)制計(jì)數(shù)電路。再利用反饋電路

39、 進(jìn)行邏輯控制，可將十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制。計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)目多少，決定于串接的十進(jìn) 制計(jì)數(shù)單元的個(gè)數(shù)。如在十進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)中，加入兩個(gè)附加機(jī)構(gòu)，就可以構(gòu)成數(shù)字式計(jì)數(shù)器。圖4.1是 其簡(jiǎn)化示意圖。圖4數(shù)字式計(jì)數(shù)器從圖4中可以看出，圖中附加了一個(gè)信號(hào)放大器（包括整形電路）和一個(gè)時(shí)間閘門電路。時(shí)間閘門是用來(lái)控制被測(cè)信號(hào)進(jìn)入十進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)輸入端的時(shí)間，因此齊=十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的讀數(shù)/閘門時(shí)間=n/t=輸入信號(hào)的頻率(4.1)式屮，n為計(jì)數(shù)器讀數(shù)，t為閘門時(shí)間。時(shí)間閘門由被定時(shí)脈沖控制的二極管或晶體管門電路組成，可以口動(dòng)的或手動(dòng)進(jìn)行控 制。當(dāng)閘門閉合時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，所以計(jì)數(shù)數(shù)目的多少，由閘門時(shí)間和輸入信號(hào)的

40、頻率決定。閘門斷開時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。所以結(jié)果被寄存器記憶，并顯示在儀器面板 的數(shù)碼指示器上，直到“復(fù)零”脈沖作用后，電路全部恢復(fù)原來(lái)零狀態(tài)，為下次計(jì)數(shù)作 好準(zhǔn)備。這樣周而復(fù)始的進(jìn)行下去。通常控制閘門的開始和關(guān)閉是由內(nèi)部準(zhǔn)確的時(shí)基信號(hào)發(fā)生器(即晶體振蕩器)和一組分 頻電路組成。長(zhǎng)期穩(wěn)定度一般可達(dá)5xlo_,0/天，短期穩(wěn)定度達(dá)lxlof秒左右。通過(guò)一組 f10分頻器，將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)按10的幕次向下分頻，可以獲得一組不同的閘門時(shí)間。 由施密特觸發(fā)電路形成寬度等于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的閘門脈沖，如圖4.2所示。圖4.2產(chǎn)生閘門時(shí)間的電路從圖中可以看岀，實(shí)際上它也是一組十進(jìn)制計(jì)數(shù)單元。每經(jīng)過(guò)一個(gè)十進(jìn)計(jì)數(shù)單元，時(shí)

41、基 頻率就降為十分么一。根據(jù)串接的十進(jìn)計(jì)數(shù)單元級(jí)數(shù)的不同，可以獲得不同的閘門時(shí)間。 圖4.2給出了 10乞10“、10'、102、10 |及10°秒的各種閘門時(shí)間。它們均具有與時(shí) 基信號(hào)相同的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。如將圖3.1和圖3.2組合起來(lái)就構(gòu)成了一個(gè)完整的電了計(jì)數(shù)式頻率測(cè)量?jī)x器。時(shí)間閘門的選擇開關(guān)k,在計(jì)數(shù)式頻率計(jì)上有三個(gè)不同的作用。(1)選擇所需的閘門時(shí) 間，(2)選擇與閘門時(shí)間相適應(yīng)的十進(jìn)位小數(shù)點(diǎn)的位置，(3)選擇與閘門時(shí)間相適應(yīng) 的測(cè)量單位(如hz、khz及mhz等)。2 測(cè)量周期周期t是頻率f的倒數(shù)，圖3.3是用電子計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測(cè)量信號(hào)周期t的方框圖。圖4.3周期測(cè)量

42、原理此時(shí)被測(cè)信號(hào)作為時(shí)間閘門的控制信號(hào)，時(shí)基信號(hào)(1mhz)的頻率則作為加到 進(jìn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。通常時(shí)基信號(hào)經(jīng)k次分頻后，送入時(shí)間閘門，其周期t； = kt.，則(4.2)因此，顯示器的讀數(shù)(n),可直接確定被測(cè)信號(hào)的周期7；。在測(cè)量比較低的頻率時(shí)，用 測(cè)量周期的方法比直觀測(cè)量頻率的方法有更高的準(zhǔn)確度和分辨力。測(cè)量的頻率愈低，周 期測(cè)量法的準(zhǔn)確度就越高，這點(diǎn)在分析網(wǎng)種方法測(cè)量誤差時(shí)，特別明顯。但是在測(cè)量中，人們?cè)谕ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)求被測(cè)量的真值時(shí)，由于對(duì)客觀規(guī)律認(rèn)識(shí)的 局限性、測(cè)量器具不準(zhǔn)確、測(cè)量手段不完善、測(cè)量條件發(fā)生變化及測(cè)量工作中的疏忽或 錯(cuò)誤等原因，都會(huì)使測(cè)量結(jié)果于真值不同，這個(gè)差別就是

43、測(cè)量誤差。(-)頻率測(cè)量誤差:根據(jù)式(4.1), £為£=n/t,因此嗽 _n at亍亍v式中，第一項(xiàng)dv/n稱為量化誤差，這是數(shù)字化測(cè)量?jī)x器所特有的誤差。第二項(xiàng) a7/t是閘門時(shí)間的相對(duì)誤差，這項(xiàng)誤差決定于晶體振蕩器（即時(shí)基信號(hào)）提供的標(biāo) 準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度。以上兩項(xiàng)即為頻率測(cè)量的總誤差，稱為測(cè)頻誤差。1.量化誤差或±1個(gè)字誤差在測(cè)量頻率時(shí)，時(shí)間閘門和計(jì)數(shù)頻率信號(hào)之間是不同步的。這種閘門的啟動(dòng)和停止 時(shí)刻與計(jì)數(shù)頻率信號(hào)的相位關(guān)系是隨機(jī)的，由此造成不可避免的“ ±1個(gè)字誤差”或“量 化誤差”。圖3.4是此種誤差形成的原理圖。圖4.4量化誤差或±1個(gè)

44、字誤差設(shè)時(shí)間閘門第一次測(cè)量是從g到斤，則丁=（人一i。）。它包含了從“1”到“10”共十個(gè) 計(jì)數(shù)頻率的周期。因此，計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)10個(gè)脈沖。第二次測(cè)量時(shí)，時(shí)間閘門寬度保持不變，但由于相位上的隨機(jī)性，使閘門從（r° + d）到（斤 + d）,包含了從“1”到 “11”個(gè)計(jì)數(shù)頻率的周期。因此，計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)11個(gè)脈沖。當(dāng)然，也可能第一次計(jì)數(shù)11個(gè)脈沖，第二次計(jì)數(shù)10個(gè)脈沖。這樣一來(lái)，計(jì)數(shù)結(jié)果具有±1個(gè)數(shù)字的不準(zhǔn)確性，造成±1個(gè)字誤差或量化誤差。量化誤差的特點(diǎn)是：不管計(jì)數(shù)數(shù)值n為多少，它的最大值a7v = ±1,由此得,(4.4)竺_豈_+1丄n n 一 fj式中

45、，t為閘門時(shí)間，人為被測(cè)信號(hào)的頻率。從式（4.4）矢u,當(dāng)犬為一定值時(shí)，增大閘門時(shí)間就可以減少量化誤丼。如果閘 門時(shí)間一定時(shí)，被測(cè)頻率£愈低，量化誤并就越大。因此，量化誤并對(duì)低頻測(cè)量影響 很大。例如：測(cè)量1hz的信號(hào)，當(dāng)取閘門時(shí)間為1秒時(shí)，顯示器讀數(shù)可能為1,也可能所以t /0(4.7)為2,量化誤差達(dá)100%。2.時(shí)基信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差在測(cè)量頻率或周期時(shí)，都需要應(yīng)用內(nèi)部的或外部的時(shí)基信號(hào)來(lái)產(chǎn)生準(zhǔn)確度較高的 閘門時(shí)間或計(jì)數(shù)頻率脈沖。它們一般由晶體振蕩器組成，輸出頻率人常被稱為標(biāo)準(zhǔn)頻率。 如分頻系數(shù)為k (設(shè)/0 = lmhz,為獲得閘門時(shí)間t為1秒，則k應(yīng)為106),則t = kt.

46、 = k(4.5)(4.6)式(4.7)明，閘門時(shí)間的準(zhǔn)確度在數(shù)值上等于標(biāo)準(zhǔn)頻率(晶體振蕩器輸出頻率)的準(zhǔn) 確度，僅符號(hào)相反。由于標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度隨著時(shí)間將有變動(dòng)。例如，晶體振蕩器的老化率一般為5xlo-10/天，100天后，頻率偏移達(dá)5xl0-8o因此，對(duì)于數(shù)字式頻率測(cè)量?jī)x內(nèi)部的晶體 振蕩器應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)。直接測(cè)量頻率時(shí)產(chǎn)生的誤差主要有兩項(xiàng)：量化謀差和標(biāo)準(zhǔn)頻率謀差。根據(jù)誤差合成 原理，由于誤差分項(xiàng)不多，可采用線性相加來(lái)表示其總課差。因此，總課差fx/fx應(yīng) 為(4.8)(-)周期測(cè)量誤差(4.9)與測(cè)頻情況類似，測(cè)量周期吋，從式(4.2)可得,tx n根據(jù)測(cè)量周期原理(圖4.3所示)(4.1

47、0)(4.11)竺“止+如= +_£_+如人"vo" t. txf. f.從式（4.11）可以看出，測(cè)量周期的誤差表達(dá)式與測(cè)頻的表達(dá)式相似，包含了量化誤差 a2v/7v和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差紂（）/九。以上討論中并沒(méi)有考慮干擾或噪聲的存在。而在實(shí)際工作中，輸入信號(hào)上往往疊加 冇一定電平噪聲干擾。在測(cè)量周期時(shí)，被測(cè)信號(hào)經(jīng)放犬整形后作為吋間閘門的控制信號(hào) （簡(jiǎn)稱門控信號(hào)）。因此噪聲將影響門控信號(hào)（即人）的準(zhǔn)確性，造成所謂觸發(fā)誤差， 如圖4.5在圖4.5中，若被測(cè)正弦信號(hào)為正常的情況，在過(guò)零吋刻觸發(fā)，則開門吋間為a7；。 若存在噪聲，有可能使觸發(fā)吋間提前4人，也可能使觸發(fā)吋間延

48、遲a7；o若近似考慮， 則得(42)a7；=生tga(4.13)tga式中匕為被測(cè)信號(hào)上疊加的噪聲振幅值。當(dāng)被測(cè)信號(hào)為正弦波，即ux = umsincoxt, h控電路觸發(fā)電平為，則tga = 27rfxum cos coxtp整理，可得(4.15)因?yàn)橐话汩T電路采用過(guò)零觸發(fā)，即q,=o,因此(4.16)在極限情況下，開門的起點(diǎn)將提前a7；,關(guān)門的終點(diǎn)將延遲a7；,或者相反。根據(jù)隨機(jī) 誤差的合成定律，可得總的觸發(fā)誤差47；為：271 um7； = 土 丁岔+辺(4.17)同樣，如門控信號(hào)周期擴(kuò)犬k倍（即標(biāo)準(zhǔn)頻率分頻系數(shù)），則其相對(duì)誤差可降低為(4.18)由上式可看出，測(cè)量周期時(shí)的觸發(fā)誤差與信噪

49、比ujun成反比。因此 信噪比越大， 觸發(fā)誤差就越小。至此可見，用電子計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測(cè)量信號(hào)周期的誤差共冇三項(xiàng)，即量 化誤差，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差以及觸發(fā)誤差。根據(jù)誤差累計(jì)定律，可進(jìn)行絕對(duì)值相加，以求其總誤差，即(4.19)對(duì)于高頻信號(hào)，可用測(cè)頻法獲取較高的測(cè)量精度；對(duì)于低頻信號(hào)，則用測(cè)周法測(cè) 量頻率可獲得較高的精度。當(dāng)使用測(cè)頻法和測(cè)周法測(cè)量頻率時(shí)，要使其誤差相等，則需 要提供一個(gè)測(cè)量頻率和測(cè)量周期的分界點(diǎn)，此分界點(diǎn)的頻率稱為“中界頻率”。由式（4.10）和式（4.19）,在忽略觸發(fā)誤差的情況下，可確定中界頻率九，即(4.20)上式中，k為周期測(cè)量時(shí)時(shí)基信號(hào)（或標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)）增大的倍數(shù)（即辦的分頻系數(shù)）。在

50、 頻率測(cè)量時(shí)，若閘門時(shí)間t擴(kuò)大n倍，則中界頻率九為(4.21)因此，中界頻率九決定于門控時(shí)間的倍數(shù)n、k和電子計(jì)數(shù)器的吋基最高頻率辦以及閘 門時(shí)間t等。4.1.3設(shè)計(jì)思想此次設(shè)計(jì)所要求的內(nèi)容是電了測(cè)量在虛擬儀器中的應(yīng)用其中的頻率部分，為了采集頻 率信號(hào)，需耍用數(shù)據(jù)采集卡來(lái)收集各種頻率，考慮到數(shù)據(jù)采集卡實(shí)際價(jià)格過(guò)高，無(wú)法繼 續(xù)試驗(yàn)，最后決定用聲卡來(lái)采集聲音頻率來(lái)完成整個(gè)頻率的采集過(guò)程，本文所采用的方 式是利用聲卡代替數(shù)據(jù)采集卡把聲音數(shù)據(jù)采集上來(lái)，作為信號(hào)源進(jìn)行測(cè)量.4.2設(shè)計(jì)方法在labview中的實(shí)現(xiàn)4.2.1總設(shè)計(jì)的程序圖圖4.6聲卡采集頻率總程序4.2.2程序框圖分解分析1.關(guān)于聲卡的介紹

51、數(shù)據(jù)采集是信號(hào)分析與處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié),在許多工業(yè)控制與生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控屮，都 需要對(duì)各種物理量進(jìn)行數(shù)拯采集與分析。但是，專用數(shù)拯采集卡的價(jià)格一般比較昂貴， 而我們pc機(jī)的聲卡就是一個(gè)很好的雙通道數(shù)據(jù)采集卡。實(shí)際測(cè)量中，在滿足測(cè)量要求 的前提下，可以充分利用計(jì)算機(jī)自身資源，完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，從而節(jié)省成本。利用聲卡的line in端作為信號(hào)輸入端口，兩路被測(cè)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)左右聲道，a/d 轉(zhuǎn)換進(jìn)入計(jì)算機(jī)，通過(guò)vc編寫的虛擬儀器界面顯示出來(lái)。聲卡一般都具有單、雙聲道 輸入，從而可實(shí)現(xiàn)單雙通道的采集.雙通道采集時(shí)，聲卡采用并行采集，并具有采樣保持功 能，兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)不存在時(shí)間差,第一通道和第二通道數(shù)據(jù)

52、存儲(chǔ)在同一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中, 且等間隔存儲(chǔ)，奇數(shù)序列是一個(gè)通道數(shù)據(jù)，偶數(shù)序列為另一個(gè)通道數(shù)據(jù)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，將緩 沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部讀入到一個(gè)數(shù)組中，然后對(duì)該數(shù)組數(shù)據(jù)，采用隔一點(diǎn)取一點(diǎn)的方法，將 數(shù)拯分開并分別存到另外的兩個(gè)數(shù)組中，即將兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)分開，從而實(shí)現(xiàn)了雙通道的 采集.單通道采集時(shí)，緩沖區(qū)屮僅僅是一個(gè)通道的數(shù)據(jù)，直接保存到一個(gè)數(shù)組即可。同時(shí)， 信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的波形也可經(jīng)過(guò)line out端輸出。為了保護(hù)聲卡，被測(cè)信號(hào)并不是直接進(jìn)入聲卡，而是先經(jīng)過(guò)一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路，對(duì) 信號(hào)進(jìn)行放大或限幅，濾波等處理，信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。(a)圖是直流電平疊加 模塊：c1代表信號(hào)的輸入，d1代表疊加直流電

53、平后信號(hào)的輸出，電位器r8控制輸入 直流電平的大小；(b)圖是信號(hào)疊加模塊：al、a2代表疊加信號(hào)的輸入，b1代表疊加 后信號(hào)的輸出頻率計(jì)。同時(shí)還可以實(shí)時(shí)地測(cè)量岀采集到的信號(hào)的頻率。在利用程序計(jì)算 頻率時(shí)，一般采用兩種方法。一種是利用快速傅立葉變換，它的優(yōu)點(diǎn)是不僅能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的 周期波形進(jìn)行測(cè)量，而且能夠計(jì)算出各種復(fù)雜波形和信噪比非常低的信號(hào)的頻率值，缺 點(diǎn)是分辨率受到限制。另一種計(jì)算頻率的方法是采用脈沖計(jì)數(shù)法。它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量低頻 信號(hào)時(shí)精度高，但它不適合波形復(fù)雜和信噪比低的信號(hào)頻率測(cè)量。所以在測(cè)量過(guò)程屮， 程序先判斷信號(hào)上述的性質(zhì)，根拯信號(hào)的性質(zhì)，自動(dòng)地采用相應(yīng)的測(cè)量方法。2.設(shè)計(jì)中用到的聲卡:

54、圖4.7頻率過(guò)濾部分程序圖4.7四個(gè)子vi分別為聲卡屮的配置聲音輸入，啟動(dòng)聲音輸入，讀取聲音輸入，聲音 輸入清零，按順序依次對(duì)外界采集來(lái)的聲音進(jìn)行處理。3.關(guān)于頻率過(guò)濾頻率過(guò)濾sampling £rwq：高截止頻率陸截止頻率init/cont (init圖4.8頻率過(guò)濾部分程序上圖即為頻率過(guò)濾的子vi, if框屮的是butterworth濾波器，及其它在設(shè)計(jì) 中的一些參數(shù)，包括高截至頻率，低截止頻率，濾波器類型，階數(shù)，采樣頻率等等。針對(duì)設(shè)計(jì)自身的需要，要求高截至頻率為0.45,低截止頻率為0.125,采樣頻率40.00, 階數(shù)為2,此為帶通濾波器，這些參數(shù)是跟外界聲音包括人所能承受的

55、頻率來(lái)規(guī)定的， 如下有些重要定義供參考：采樣頻率是指將模擬聲音波形進(jìn)行數(shù)字化吋，每秒鐘抽取聲波幅度樣木的次數(shù)。采 樣頻率的選擇應(yīng)該遵循奈奎斯特(hany nyquist)采樣理論：如果對(duì)某一模擬信號(hào)進(jìn)行 采樣，則采樣后可還原的最高信號(hào)頻率只有采樣頻率的一半，或者說(shuō)只要采樣頻率高于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍，就能從采樣信號(hào)系列重構(gòu)原始信號(hào)。正常人聽覺(jué)的頻率范圍 大約在20hz20khz之間，根據(jù)奈奎斯特采樣理論，為了保證聲音不失真，采樣頻率應(yīng) 該在 40khz 左右。常用的音頻采樣頻率有 8khz、11.025khz、22.05khz、16khz、37.8khz、 44.1khz、48khz等，如果

56、采用更高的采樣頻率，還可以達(dá)到dvd的音質(zhì)。音頻采樣解釋數(shù)碼音頻系統(tǒng)是通過(guò)將聲波波形轉(zhuǎn)換成一連串的二進(jìn)制數(shù)據(jù)來(lái)再現(xiàn) 原始聲音的，實(shí)現(xiàn)這個(gè)步驟使用的設(shè)備是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（a/d）它以每秒上萬(wàn)次的速率對(duì) 聲波進(jìn)行采樣，每一次采樣都記錄下了原始模擬聲波在某一時(shí)刻的狀態(tài)，稱之為樣本。 將一串的樣本連接起來(lái)，就可以描述一段聲波了，把每一秒鐘所采樣的數(shù)目稱為采樣頻 率或采率，單位為hz （赫茲）。采樣頻率越高所能描述的聲波頻率就越高。采樣率決定 聲音頻率的范圍（相當(dāng)于音調(diào)），可以用數(shù)字波形表示。以波形表示的頻率范圍通常被 稱為帶寬。要正確理解音頻采樣可以分為采樣的位數(shù)和采樣的頻率。3.1采樣的位數(shù)采樣位數(shù)可

57、以理解為采集卡處理聲音的解析度。這個(gè)數(shù)值越大，解析 度就越高，錄制和回放的聲音就越真實(shí)。我們首先要知道：電腦屮的聲音文件是用數(shù)字 0和1來(lái)表示的。所以在電腦上錄音的本質(zhì)就是把模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。反之, 在播放時(shí)則是把數(shù)字信號(hào)還原成模擬聲音信號(hào)輸出。采集卡的位是指采集卡在采集和播 放聲音文件時(shí)所使用數(shù)字聲音信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)。采集卡的位客觀地反映了數(shù)字聲音信 號(hào)對(duì)輸入聲音信號(hào)描述的準(zhǔn)確程度。8位代表2的8次方-256, 16位則代表2的16次 方64k。比較一下，一段相同的音樂(lè)信息，16位聲卡能把它分為64k個(gè)精度單位進(jìn)行 處理，而8位聲卡只能處理256個(gè)精度單位，造成了較大的信號(hào)損失，最終的采樣效果 自然是無(wú)法相提并論的。如今市面上所有的主流產(chǎn)品都是16位的采集卡，而并非有些無(wú)知商家所鼓吹的64 位乃至128位，他們將采集卡的復(fù)音概念與采樣位數(shù)概念混淆在了一起。如今功能最為 強(qiáng)大的采集卡系列采用的emu 1 o