火車車輪測試論文(本科設(shè)計論文)基于LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計

1、本科生畢業(yè)論文1基于基于 labview 的虛擬示波器設(shè)計的虛擬示波器設(shè)計第一章：緒論第一章：緒論.311 虛擬儀器概述.3111 虛擬儀器的產(chǎn)生.3112 虛擬儀器的概念.3113 虛擬儀器的構(gòu)成.41.1.4 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn).612 虛擬儀器的現(xiàn)狀.7121 國外現(xiàn)狀.7122 國內(nèi)現(xiàn)狀.8123 發(fā)展趨勢.91.3 課題背景和課題目的.101.4 本文的研究內(nèi)容.10第二章第二章 方案及關(guān)鍵技術(shù)方案及關(guān)鍵技術(shù).1221 虛擬儀器創(chuàng)建過程.122.2 數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識.132.2.1 采樣定理.132.2.2 模擬信號與數(shù)字信號.162.2.3 a/d轉(zhuǎn)換技術(shù).162.2.4 d/a轉(zhuǎn)化技

2、術(shù).212.3 pci6221 數(shù)據(jù)采集卡慨述.252.4 安裝與測試.272.4.1 硬件的安裝.282.4.2 測試.292.5 信號連接.302.5.1 管腳圖.30基于 labview 的虛擬示波器設(shè)計22.5.2輸入連接.312.5.3 模擬信號輸出連接及外圍電路.332.6 設(shè)計軟件比較.332.7 總體設(shè)計.35第三章第三章 軟件模塊的設(shè)計軟件模塊的設(shè)計.363.1 程序的流程圖.3632 程序的結(jié)構(gòu)圖.3633 labview 簡介.37331 g語言簡介.38332 labview 程序組成.3834 數(shù)據(jù)采集.393.4.1 daqmx介紹.393.4.2 程序整體設(shè)計.4

3、03.4.3 程序框圖.403.5 濾波及分析.423.5.1 濾波分析.423.5.2 數(shù)據(jù)分析.433.6 多線程技術(shù).443.6.1 windows的多線程機(jī)制.443.6.2 labview與多線程.453.6.3 多線程技術(shù)在本設(shè)計中的應(yīng)用.453.6.4并行處理.4637 小結(jié).47第四章第四章 程序設(shè)計顯示程序設(shè)計顯示.4841 前面板設(shè)計.4842 程序的總框圖.4843 程序?qū)傩栽O(shè)置及調(diào)試結(jié)果.4944 小結(jié).51第五章第五章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.52謝謝 辭辭.53本科生畢業(yè)論文3參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).54致致 謝謝.56基于 labview 的虛擬示波器設(shè)計4第一章：緒論第

4、一章：緒論11 虛擬儀器概述1 11 11 1 虛擬儀器的產(chǎn)生虛擬儀器的產(chǎn)生虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)在計算機(jī)系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計算機(jī)輔助測試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。它推動著傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化，智能化，模塊化，網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。電子測量儀器發(fā)展至今，大體上可以分為四代：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能一起和虛擬儀器。第一代模擬儀器，這類儀器在某些實(shí)驗(yàn)室里還能看到，它是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器，如指針式萬用表、晶體管電壓表、指針式電流表等。第二代數(shù)字化儀器，這類儀器現(xiàn)在相當(dāng)普遍，這類儀器將模擬信號的測量值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果，適用于快速響應(yīng)和較高準(zhǔn)確度的測量，如數(shù)字萬

5、用表、數(shù)字頻率計等。第三代智能儀器，這類儀器內(nèi)置微處理器，可以進(jìn)行自動測試和數(shù)據(jù)處理功能，可能代替部分腦力老公，習(xí)慣上稱為智能儀器。它的功能模塊全部都是以硬件或固定軟件的形式存在，無論是開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。第四代虛擬儀器，它是現(xiàn)在計算機(jī)軟件技術(shù)、通信技術(shù)和測試技術(shù)高速發(fā)展孕育出的一項(xiàng)革命性技術(shù)，其導(dǎo)致了傳統(tǒng)儀器的結(jié)構(gòu)、概念和設(shè)計觀點(diǎn)都發(fā)生了巨大的變革，它的出現(xiàn)使得人類的測試技術(shù)進(jìn)入了一個新的發(fā)展紀(jì)元。虛擬儀器（virtual instruments.簡稱 vi）的概念，是美國國家儀器公司（national instruments corp.簡稱 ni）于 1986 年提出的。ni 公司

6、同時也提出了“軟件即儀器”的口號，徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由廠家定義，用戶無法改變的局面，從而引起了儀器和自動化工業(yè)的一場革命。隨著現(xiàn)在硬件和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器的智能化和虛擬化成為各級實(shí)驗(yàn)室以及研究機(jī)構(gòu)發(fā)展的方向。虛擬儀器，它既具有傳統(tǒng)儀器的功能，又有別于其他傳統(tǒng)儀器。它能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計算機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，使儀器的測試和測量及自動化工業(yè)的系統(tǒng)測試和監(jiān)控變得異常方便和快捷。1 11 12 2 虛擬儀器的概念虛擬儀器的概念虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂嬎銠C(jī)、軟件的功能模塊和儀器硬件結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面（通常叫做虛擬前面板，簡稱前面板）來操作這臺計算機(jī)就像在操作自己定義、自己設(shè)

7、計的一臺個人儀器一樣，從而完成對被測信號的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)字存儲等。虛擬儀器以透明的方式，通過軟件對數(shù)據(jù)的分析處本科生畢業(yè)論文5理、表達(dá)以及圖形化用戶接口，把計算機(jī)資源（如微處理器、顯示器等）和儀器硬件（如 a/d、d/a、數(shù)字 i/o、定時器、信號調(diào)理等）的測試能力和控制能力結(jié)合起來。虛擬一起突破了傳統(tǒng)儀器以硬件為主體的模式，實(shí)際上使用者是在操作具有測試軟件的電子計算機(jī)進(jìn)行測量，猶如操作一臺虛設(shè)的電子儀器。虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)是充分利用最新的計算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計

8、自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。利用計算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)的分析、處理、表達(dá)、傳遞、存儲等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。它不僅可以用于電子測量、測試、分析、計量等領(lǐng)域，而且還可以用于進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)控以及工業(yè)過程自動化。虛擬儀器還可以廣泛用于電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等多個方面。1 11 13 3 虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器從構(gòu)成要素上講，由計算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成；從構(gòu)成分式上講則由以 daq 板和信號調(diào)理為儀器硬件而組成的 pc-daq 測試系統(tǒng)，或已gpib，vxi，serial 和 fi

9、eld bus 等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的 gpib 系統(tǒng)、vxi 系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)等多種形式。虛擬儀器的構(gòu)成如圖 1.1 所示。顯示器信號分析及處理器入機(jī)接口各類接口a/d 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)發(fā)生器信號調(diào)理器信號調(diào)理器輸入信號d/a 轉(zhuǎn)換器信號調(diào)理器信號輸出圖 1-1 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)目前，虛擬儀器的構(gòu)成方式有以下幾種：基于 labview 的虛擬示波器設(shè)計6（1） pc-daq 插卡式的 vi這種方式用數(shù)據(jù)采集卡配以計算機(jī)平臺和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器系統(tǒng)。它充分利用了計算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源以及軟件的便利，其關(guān)鍵在于 a/d 轉(zhuǎn)換技術(shù)。這種方式受 pc 機(jī)機(jī)箱、總線

10、限制，存在電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)噪聲電平較高、無屏障，插槽數(shù)目不多、尺寸較小等缺點(diǎn)。隨著基于 pc 的工業(yè)控制計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，pc-daq 方式存在的缺點(diǎn)已經(jīng)和正在被克服。因個人計算機(jī)數(shù)目非常龐大，插卡式儀器價格便宜，因此其用途廣泛，特別適用于工業(yè)測控現(xiàn)場、各種實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)部門使用。（2） 并行口式的 vi最新發(fā)展的可連接到計算機(jī)并行口的測試裝置，其硬件集成在一個采集盒里或探頭上，軟件裝在計算機(jī)上，可以完成各種 vi 功能。它的最大好處是可以與筆記本計算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式 pc 相連，實(shí)現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。（3） gpib 總線方式的 vigpib（general pu

11、rpose interface bus）技術(shù)是 ieee488 標(biāo)準(zhǔn)的 vi 早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量由獨(dú)立的單臺的手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展。典型的 gpib 系統(tǒng)由一臺 pc 機(jī)，一塊 gpib 接口卡和若干臺 gpib 儀器通過 gpib 電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊 gpib 接口卡可帶多達(dá) 14 臺的儀器，電纜長度可達(dá) 20m。gpib 技術(shù)可以用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)對儀器的操作和控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作方式，很方便的把多臺機(jī)器組合起來，形成大的自動測試系統(tǒng)。gpib 測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，造價較低，主要市場在臺式儀器市場。適用于精確度要求高，但對計算機(jī)速率要求和總線控

12、制實(shí)時性要求不高的場合應(yīng)用。（4） vxi 總線方式的 vi vxi 總線是 vmebus extension for instrumentation 的縮寫，是高速計算機(jī)總線 vme 在 vi 領(lǐng)域的擴(kuò)展，有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的 rfi/emi 屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過多年的發(fā)展，vxi 系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢，適用于組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合，但 vxi 系統(tǒng)要求有專用的機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較

13、高。（5） pxi 總線形式的 vi本科生畢業(yè)論文7pxi 總線是 pci extension for instrumentation 的縮寫，是 pci 在 vi 領(lǐng)域的擴(kuò)展。這種新型模塊化儀器系統(tǒng)是在 pci 總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，具有多板同步觸發(fā)、精確定時的星形觸發(fā)、相鄰模塊間高速通訊的局部總線以及高度的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，適用于大型高精度集成系統(tǒng)。（6） 網(wǎng)絡(luò)接口方式的 vi盡管 internet 技術(shù)最初并沒有考慮如何將嵌入式智能儀器設(shè)備連接在一起，不過 ni 等公司已經(jīng)開發(fā)了通過 web 瀏覽器觀測這些嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品，使人們可以通過 internet 操

14、作儀器設(shè)備。根據(jù)虛擬儀器的特性，我們能夠方便的將虛擬儀器組成計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分散在不同地理位置不同功能的設(shè)備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資。現(xiàn)在，有關(guān) mcn（measurement and control networks ）方面的標(biāo)準(zhǔn)正在積極進(jìn)行，并取得一定的進(jìn)展。由此可見，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景。（7） usb 接口方式的 viuniversal serial bus（usb）因?yàn)槠湓?pc 機(jī)上的廣泛使用、即插即用的易用性和 usb2.0 高達(dá) 480mbits/s 的傳輸速率，逐漸的成為儀器控制的主流總線技術(shù)。現(xiàn)在計算機(jī)

15、上的 usb 接口越來越多，也使得工程師可以很方便的將基于 usb 的測量儀器連接到整個系統(tǒng)中。但是 usb 在儀器控制方面上亦有一些缺點(diǎn)。比如說 usb 的排線沒有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，在惡劣的環(huán)境下，可能造成數(shù)據(jù)的丟失，此外，usb 對排線的距離也有一定的限制。無論哪種 vi 系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦，臺式微機(jī)和工作站等各種計算機(jī)平臺加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。1.1.41.1.4 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)一臺性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的大部分功能，而且在許多方面有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如使用靈活方便、功能豐富、價格低廉、可一機(jī)多用、可重復(fù)開發(fā)等。與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主

16、要有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：（1）融合了計算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等方面的限制，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。而且高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤等已成為虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)配置。（2）利用計算機(jī)豐富的軟件資源，一方面，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件話，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)的靈活性；一方面，通過軟件技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)值算法、實(shí)時、直接的對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和處理；另一方面，通過圖形用戶界面（graph user 基于 labview 的虛擬示波器設(shè)計8interface）技術(shù)，真正做到界面友好，人機(jī)交互。（3）基于計算機(jī)總線和模塊化儀器總線，使儀器的硬件實(shí)現(xiàn)了模塊化、系列化，

17、大大縮小了系統(tǒng)的尺寸，可方便的構(gòu)建模塊化儀器（instrument on a card） 。（4）基于計算機(jī)數(shù)據(jù)庫及報表技術(shù)和接口技術(shù)，使 vi 系統(tǒng)具有方便、靈活的互聯(lián)能力，廣泛支持諸如 can，field bus，profibus 等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。因此，利用 vi技術(shù)可方便的構(gòu)建自動測試系統(tǒng)（ats，automatic test system） ，實(shí)現(xiàn)測量、控制過程的網(wǎng)絡(luò)化。（5）基于計算機(jī)的開放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。因此，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇不同廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建和維修的時間

18、。下表是虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較。表 1-1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開放、靈活，可與計算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展封閉性、儀器間相互配合較差關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級方便，通過網(wǎng)絡(luò)下載升級程序即可。關(guān)鍵是硬件，升級成本較高，且升級必須上門服務(wù)。價格低廉，儀器間資源可重復(fù)利用率高價格昂貴，儀器間一般無法相互利用用戶可定義儀器功能只有廠家能定義儀器功能可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便互連與其他設(shè)備儀器的連接十分有限軟件使得開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用降至最低開發(fā)和維護(hù)開銷高技術(shù)更新周期短（1-2 年）技術(shù)更新周期長（5-10 年）數(shù)據(jù)可編輯、存儲、打印數(shù)據(jù)無法編輯12 虛擬儀器的現(xiàn)狀1 12 21 1 國外現(xiàn)狀

19、國外現(xiàn)狀虛擬儀器技術(shù)目前在國外發(fā)展很快，以美國國家儀器公司（ni 公司）為代表的一批廠商已經(jīng)在市場上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計的商品化儀器產(chǎn)品。在美國虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語言，已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門必修課程。美國的斯福坦大學(xué)的機(jī)械工程系要求三、四年級的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制。近年來，世界各國的虛擬儀器公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，以便使用本科生畢業(yè)論文9者利用這些公司提供的開發(fā)平臺軟件組建自己的虛擬儀器或測試系統(tǒng)，并編制測試軟件。最早和最具有影響力的開發(fā)軟件，是 ni 公司的 labview 軟件和 lab windows/cvi開發(fā)軟件。labvie

20、w 采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開發(fā)軟件。lab windows/cvi是為熟悉 c 語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的、在 windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ansi c 開發(fā)環(huán)境，除了上述優(yōu)秀的開發(fā)軟件之外，美國 hp 公司的 hp-vee 和 hptig 平臺軟件，美國tektronix 公司的 ez-test 和 tek-tns 軟件，以及美國的 hem data 公司的 snap-master 平臺軟件，也是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺軟件。當(dāng)今虛擬儀器的系統(tǒng)開發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的 rs232 串行總線、gpib 通用接口總線、vxi 總線，以及已經(jīng)被 pc 機(jī)廣泛采用的 usb 串行總線和

21、 ieee1394 總線（即fire wire，也叫做火線） 。世界各國的公司，特別是美國 ni 公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置，開發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件（插件） ，可以靈活的組建不同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動檢測系統(tǒng)。虛擬儀器開發(fā)商不僅注意使虛擬儀器能夠適應(yīng)各種通用計算機(jī)總線系統(tǒng)，使之為虛擬儀器服務(wù)，而且也注意建立各種儀器專用的總線系統(tǒng)。美國 ni 公司在 1997 年 9月 1 日推出模塊化儀器的主流平臺 pxi，這是與 compact pci 完全兼容的系統(tǒng)。這種虛擬儀器模塊化主流平臺 pxi/compact pci 的傳輸速度已經(jīng)達(dá)到 100mb/s。是目前已經(jīng)發(fā)布

22、的最高傳輸速度。虛擬儀器的開發(fā)廠家，為擴(kuò)大虛擬儀器的功能，在測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)模塊及其變換方面也做了很多工作，發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級分析庫和開發(fā)工具庫（例如測量結(jié)果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數(shù)據(jù)濾波器、卷積處理和相關(guān)函數(shù)處理、微積分、峰值和閾值檢測、波形發(fā)生噪聲發(fā)生、回歸分析、數(shù)值運(yùn)算、時域和頻域分析等） ，使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)。1 12 22 2 國內(nèi)現(xiàn)狀國內(nèi)現(xiàn)狀在國內(nèi)已有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)、華中理工大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等。近一、兩年來這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了一批新的虛

23、擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。其中，華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測試實(shí)驗(yàn)室將其開發(fā)成果在網(wǎng)上公開展示。四川聯(lián)合大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計思想，研制了“航空電臺二線綜合測試儀”將 8 臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機(jī)的出廠檢驗(yàn)。主要檢測發(fā)動機(jī)的功率特性、負(fù)荷特性等。一臺基于 labview 的虛擬示波器設(shè)計10發(fā)動機(jī)檢測完后，就可打印出完整的檢測報告。此外，國內(nèi)已有幾家企業(yè)在研制 pc虛擬儀器，哈工大儀器王電子有限責(zé)任公司就是其中之一，它的產(chǎn)品已達(dá)到一定的批量。其主要產(chǎn)品有數(shù)字存儲智能火車車輪測試系統(tǒng)系列、任意波形發(fā)生

24、器及頻率計系列、多通道大容量波形記錄系列。國內(nèi)專家預(yù)測：未來幾年內(nèi)，我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。國內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。隨著微型計算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。虛擬儀器技術(shù)的提出和發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動測試與電子測試儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。1 12 23 3 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。它可以取代測量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性和經(jīng)濟(jì)性，因而特別適應(yīng)于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高跟新的測量課題和測量需要。“沒有

25、測量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)。 ”虛擬儀器將會在科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。圖形化編程平臺的進(jìn)一步發(fā)展和完善是虛擬儀器發(fā)展的一個重要方向。如何使用戶進(jìn)行少量的學(xué)習(xí)甚至不需要學(xué)習(xí)就可使用功能強(qiáng)大的虛擬儀器，如何使用構(gòu)成簡單的虛擬儀器系統(tǒng)并完成復(fù)雜的測試內(nèi)容，如何幫助用戶對測試結(jié)果進(jìn)行分析和判斷等內(nèi)容，是虛擬儀器技術(shù)努力的方向。我國還基本處于傳統(tǒng)儀器與計算機(jī)化儀器互相分離的狀態(tài)，世界各大相關(guān)的產(chǎn)品商家都在向中國這個巨大的市場進(jìn)軍。結(jié)合我國的實(shí)際情況，我們必須走引進(jìn)與自行開發(fā)相結(jié)合的道路。一方面，大力引進(jìn)國外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術(shù)；另一方面，發(fā)展基于計算機(jī)的插卡式硬件模塊為主的測控技術(shù)，

26、發(fā)展圖形化平臺的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計算機(jī)及測控技術(shù)硬件，縮短與國際先進(jìn)水平的差距。vxi 總線將成為未來虛擬儀器的理想硬件平臺，這是由 vxi 總線的性能決定的；另一方面，基于 pci-daq 的虛擬儀器系統(tǒng)由于性價比高、靈活性好而受到大多數(shù)用戶的青睞，將得到高速的發(fā)展。隨著計算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器將向高性能、多功能、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。1.31.3 課題背景和課題目的課題背景和課題目的在當(dāng)代信息發(fā)展迅速的情況下,各類通信方式為人們提供著強(qiáng)大的支柱。虛擬儀本科生畢業(yè)論文11器技術(shù)是計算機(jī)和傳統(tǒng)的儀器技術(shù)融合的產(chǎn)物，是現(xiàn)代測試技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器

27、相比，在智能化程序、處理能力、性能價格比、可操作性及功能擴(kuò)展等方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。它的設(shè)計與開發(fā)是利用高效靈活的軟件來完成的，用戶可根據(jù)實(shí)際需要自己構(gòu)建儀器的功能、操作和顯示界面。圖形化編程語言labview 是當(dāng)今國內(nèi)外設(shè)計虛擬儀器最為流行的軟件，整個儀控系統(tǒng)都完全可以使用它來開發(fā)與執(zhí)行。目前，虛擬儀器技術(shù)在測量方面的應(yīng)用已日趨成熟，它已成為測試及測量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，故此，本文主要探討虛擬儀器技術(shù)在遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域中的開發(fā)與應(yīng)用。長期以來，我國鐵路處于低裝備率、高利用率、高強(qiáng)度運(yùn)動狀態(tài)，特別是隨著火車運(yùn)行速度的一再提高，更加重了火車車輪的負(fù)擔(dān)?；疖嚨能囕啝顟B(tài)是否完好關(guān)系到火車的安全運(yùn)行，為

28、了保障行車安全，提高運(yùn)輸能力，鐵道部門必須經(jīng)常對火車車輪狀態(tài)進(jìn)行檢測。就目前現(xiàn)狀來看，國內(nèi)外所做的努力都是把精力放在車輪的生產(chǎn)或修復(fù)環(huán)節(jié)的缺陷檢測方面，在線檢測相對較少?；谶@種情形，本文引入虛擬儀器技術(shù)的思想和設(shè)計方法，在 labvlew 虛擬儀器開發(fā)環(huán)境下，運(yùn)用 labview 的逐點(diǎn)分析庫，研發(fā)了火車車輪狀態(tài)實(shí)時檢測系統(tǒng)。本自動化檢測系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：精確快速地檢測微弱損壞信號；在火車正常運(yùn)行情況下直接獲取數(shù)據(jù)；實(shí)時的采集分析數(shù)據(jù)從而提高檢測速度并簡化編程。1.4 本文的研究內(nèi)容本文的研究內(nèi)容虛擬儀器系統(tǒng)由通用儀器硬件平臺（簡稱硬件平臺）和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。硬件平臺主要完成對被測信號的

29、進(jìn)行調(diào)理和采集。儀器硬件可以是插入式數(shù)據(jù)采集卡及必要的外圍電路（含信號調(diào)理電路、a/d 轉(zhuǎn)換器、數(shù)字 i/o、定時器、d/a 轉(zhuǎn)換器等），或者是帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器，如 gpib、vxi、pxi、std、pci 總線儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器等。目前市場上的 a/d 采集卡和數(shù)據(jù)采集卡以及帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器等，其價格均不菲，以畢業(yè)設(shè)計的目的來說，性價比以及實(shí)用程度顯的不高。本課題以 labview 軟件進(jìn)行了信號的仿真生成、濾波和各類處理。虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)具有快 30 年的歷史，基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統(tǒng)設(shè)計作為虛擬儀器中的一種典型儀器，是儀器儀表、工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域不可缺少的

30、一部分。本論文開發(fā)了一臺基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統(tǒng)設(shè)基于 labview 的虛擬示波器設(shè)計12計。本論文具體內(nèi)容安排如下：第一章，緒論：介紹虛擬儀器的概念、構(gòu)成及其優(yōu)勢，發(fā)展的現(xiàn)狀，和本文的研究內(nèi)容。第二章，基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統(tǒng)設(shè)計的原理：首先講述通用智能火車車輪測試系統(tǒng)的原理，進(jìn)而講述了基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統(tǒng)設(shè)計的原理。第三章，基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統(tǒng)軟件的設(shè)計：本章講解了軟、硬件的選取方案，詳細(xì)講述了軟件選擇 labview。軟件模塊設(shè)計是本章重點(diǎn)，詳細(xì)講述了各個功能模塊具體

31、的實(shí)現(xiàn)過程。 第四章，程序設(shè)計顯示：本章給出了基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)性能的具體指標(biāo)，進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試，驗(yàn)證了基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統(tǒng)設(shè)計的實(shí)用性和優(yōu)越性。第五章，總結(jié)與展望：對設(shè)計的基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了總結(jié)，并對將來的發(fā)展趨勢給出了展望。本科生畢業(yè)論文13第二章第二章 方案及關(guān)鍵技術(shù)方案及關(guān)鍵技術(shù)基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統(tǒng)設(shè)計由好幾部分組成。本章將詳細(xì)討論對基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統(tǒng)設(shè)計時幾種方案的比較。21 虛擬儀器創(chuàng)建過程創(chuàng)建虛擬儀器

32、的過程大體分為以下五步：（1）需求分析。需求分析是借用軟件工程中的概念，其含義包括創(chuàng)建開發(fā)原型（明確實(shí)質(zhì)要解決的問題） 、分析程序的可行性（包括成本、性能、風(fēng)險和技術(shù)障礙）等。在創(chuàng)建開發(fā)原型的過程中，開發(fā)人員要與程序的最終使用人員進(jìn)行充分的交流。在此基礎(chǔ)上，程序開發(fā)人員對所要解決的問題有了大致的了解，甚至可以畫出一個系統(tǒng)的框圖，之后還要進(jìn)行程序的可行性分析，考慮選用器件的性價比、開發(fā)風(fēng)險等。（2）軟、硬件的選擇。程序開發(fā)人員不必?fù)?dān)心操作系統(tǒng)的問題，目前的 labview是一個支持多個系統(tǒng)平臺的軟件，windows、power macintosh、sun sparca 工作站、hp 工作站、li

33、nux 上都可以運(yùn)行。針對一些特殊的任務(wù)，labview 還提供一些附加的工具包，非常方便。選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ甙鼘_(dá)到事半功倍的效果。在 labview 的設(shè)備驅(qū)動程序庫中已經(jīng)包含了上千個免費(fèi)的驅(qū)動程序（這些驅(qū)動程序支持 ni 公司的硬件產(chǎn)品） ，還包括了世界上各大儀器廠商的大部分儀器的 labview 驅(qū)動程序。如果沒有現(xiàn)成的驅(qū)動程序，用戶也可以自己編寫。（3）設(shè)計用戶界面。 用戶界面也稱 gui，即 graphical user interface。前面板必須簡潔、易懂、設(shè)計時應(yīng)該滿足復(fù)雜工作要求。前面板上使用的顏色方案，要兼顧一致和鮮明。一致性包括：一個 vi 程序的 gui 之間要保持一

34、致；vi 的 gui 要與平時大家用的應(yīng)用程序色調(diào)一致。鮮明就是說：需要強(qiáng)調(diào)的部分一定要用顏色加以突出，體現(xiàn)測控系統(tǒng)程序的特點(diǎn)，減少用戶操作過程中犯錯誤機(jī)會。（4）程序設(shè)計。拿到一個設(shè)計任務(wù)后，首先要分解任務(wù)，把待設(shè)計任務(wù)分割成幾個大的模塊，然后把大的模塊再分解為一系列的功能，甚至可以分解到要用那些函數(shù)的程度；然后是尋求例程，參考例程可以避免重復(fù)前人做過的工作；接下來就是根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)選擇程序設(shè)計方法，自上而下或者自下而上。（5）程序測試。測試過程是項(xiàng)目開發(fā)的重要組成部分。測試應(yīng)該從底層的 vi 開始，然后再測試較大的模塊，最后進(jìn)行整體測試。測試中還要特別關(guān)注全局變量對程基于 labview

35、的虛擬示波器設(shè)計14序的影響。此外，局部變量和屬性節(jié)點(diǎn)也要引起注意。對于高級程序員來說，還要考慮程序的性能如何，能否滿足速度與響應(yīng)的要求以及內(nèi)存的使用情況。2.22.2 數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識在計算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實(shí)際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時，有一些基本原理要注意，還有更多的實(shí)際的問題要解決。所有的控制都是建立在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上的，沒有數(shù)據(jù)采集就沒有控制。數(shù)據(jù)的采集是一切控制的基礎(chǔ)。所以在此做數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)的講解。2.2.1 采樣定理采樣定理采樣：把在時間上是連續(xù)的

36、輸入模擬信號 ui 轉(zhuǎn)換成在時間上是斷續(xù)的信號，輸出脈沖波的包絡(luò)仍反映輸入信號幅度的大小。取樣定理，采樣信號的頻率 fs 和輸入模擬信號的最高頻率 fimax 之間必須滿足下述條件: fs2fimax 因?yàn)槊看伟讶与妷恨D(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間。在用數(shù)字量表示取樣電壓時，也必須把它化成這個最小數(shù)量單位的整倍數(shù)，這個轉(zhuǎn)化過程就叫做量化。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用 s 表示。 量化。把輸出數(shù)字量為 1 時對應(yīng)的輸入模擬電壓稱為量化單元，記做。當(dāng)輸出數(shù)字量為 d 時，對應(yīng)的輸入模擬電壓應(yīng)為 d ，即量化單元的整數(shù)倍。因此，對于任意輸

37、入模擬電壓, 首先 應(yīng)把它量化為 的整數(shù)倍。這就是量化。本科生畢業(yè)論文15編碼是把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。把編碼后的二進(jìn)制代碼輸出就得到a/d 轉(zhuǎn)換的輸出信號，對同一正弦波，若 s 越小，誤差將越小，編碼時所需二進(jìn)制代碼的位數(shù)就越多，對器件要求也越高。量化和編碼是在同一個電路中完成的。下圖說明了兩種量化方法： 圖圖 2.5 兩種量化兩種量化量化誤差 量化誤差/2 當(dāng)輸入電壓不為的整數(shù)倍時，必然產(chǎn)生誤差，稱為量化誤差。輸入為雙極性時：輸出一般采用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示?？捎脠D 2.6 表示：符號位符號位二二進(jìn)進(jìn)制制補(bǔ)補(bǔ)碼碼基于 labview 的虛擬示波器設(shè)計16 圖圖 2.6 二進(jìn)制補(bǔ)碼表示法二進(jìn)

38、制補(bǔ)碼表示法ad 采樣時必須滿足采樣定理。香農(nóng)采樣定理給出了低通型帶限信號的最低采樣頻率，即采樣頻率 fs 必須大于被測信號最高頻率的兩倍，采樣后的信號才不會出現(xiàn)混頻現(xiàn)象。帶通信號采樣定理要求采樣頻率 fs 滿足不等式：2fhnfs2fl（n1） （其中 fh 為帶通信號的頻率上限，fl 為帶通信號的頻率下限。 ）多個帶通信號的欠采樣方法及其應(yīng)用解決了多個射頻信號直接帶通采樣問題和寬帶數(shù)字下變頻的高效實(shí)現(xiàn)問題。對于含有無窮高次諧波的信號，在一定條件下，可以用有限采樣頻率進(jìn)行采樣，而信號不會出現(xiàn)失真。采樣定理的出發(fā)點(diǎn)是從采樣數(shù)據(jù)中能夠完全恢復(fù)原始信號。在大多數(shù)情況下，人們感興趣的是從采樣信號中恢

39、復(fù)有用的信號。對于正弦信號干擾下的帶通信號，如何無混疊地進(jìn)行測量是一個有待解決的問題。 幾乎所有的測量、控制或通訊信號都會不同程度地受到其它信號的干擾，特別是電網(wǎng)產(chǎn)生的工頻干擾。這種帶有干擾的有效信號（低通或帶通） ，它除了含有有效的帶限信號頻譜外，在干擾信號頻率點(diǎn) f0 處有一單一頻率的譜線，即含有工頻周期干擾信號的頻譜。很顯然已有的采樣定理還沒有很好地回答這個問題。如果依據(jù)香農(nóng)定理對信號進(jìn)行采樣沒有問題，但是代價也許比較大，如必須使用高速 ad 轉(zhuǎn)換器等。為了滿足采樣定理，一般情況下，人們總是采取隔離、屏蔽等措施，并在采樣前加上一級模擬低通或帶阻濾波器以削弱工頻干擾的影響。盡管如此，采樣得

40、到的信號有時候仍然含有一定的工頻干擾成分。本科生畢業(yè)論文172.2.2 模擬信號與數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號 模擬信號：在幅值、時間上均可連續(xù)發(fā)生變化的信號稱為模擬信號。普通模擬信號指的是電子模擬信號可連續(xù)發(fā)生變化的電壓或電流。在理想條件下模擬信號可以精確的表示它所代表的物理量，也就是說它喲無限高的分辨率。實(shí)際上每個信號總要疊加上噪音，這就使模擬信號的精度受到限制。數(shù)字信號：數(shù)字信號無論在時間上還是幅值上都不能連續(xù)發(fā)生變化，即都經(jīng)過了“量化” ?？梢姅?shù)字信號只能表示有限種可能狀態(tài)，它的分辨率是有限的，由數(shù)字位數(shù)決定。2.2.3 a/d 轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)1、a/d 轉(zhuǎn)換的基本原理在 a/d 轉(zhuǎn)換

41、器中，由于輸入模擬信號在時間上是連續(xù)的，而輸出數(shù)字信號是離散的，所以轉(zhuǎn)換只能在一系列選定的瞬間對輸入模擬信號采樣，然后再把這些采樣值轉(zhuǎn)換成輸出數(shù)字量。a/d 轉(zhuǎn)換的基本步驟：采樣（取樣） ；保持；量化；編碼。如圖 2.7 所示?；?labview 的虛擬示波器設(shè)計18 圖圖 2.7 采采 樣樣取樣定理：為保證從取樣信號恢復(fù)被取樣信號，必須滿足sff2(max)i（在實(shí)際的取樣保持電路中有一個取樣控制信號，它的頻率就是取樣信號頻率。 ）顯然要滿足 ：(max)(max)(max)2isiisfffff取樣保持電路l為高電平時，場效應(yīng)管 t 導(dǎo)通,進(jìn)行取樣ifiorrl為低電平時，t 截止。取樣

42、電容 ch 上的電荷無泄放回路，將保持。模擬信號要經(jīng)過采樣、量化過程才能轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。對 a/d 轉(zhuǎn)換器來說，出采樣、量化外還要進(jìn)行編碼。正因?yàn)檫@樣，有時又把 a/d 轉(zhuǎn)換器叫做編碼器。一個理想的 a/d 轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系可用下式表示： d( a1+a2+a3+an)vr=dvr式中的 d 是轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出，vr 為基準(zhǔn)電壓。式中使用了近似符號是因?yàn)閍/d 轉(zhuǎn)換過程中不可避免的存在量化誤差。a/d 轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用范圍廣，發(fā)展迅速。轉(zhuǎn)換器的種類繁多，分類方法也不統(tǒng)一。如可按轉(zhuǎn)換速度分類，也可按轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換位數(shù)、轉(zhuǎn)換原理等進(jìn)行分類。目前較普遍的是按比較原理進(jìn)行分類。按這樣分類法 a/d

43、轉(zhuǎn)換可分為三大類：直接比較型，間接比較型和復(fù)合型。本科生畢業(yè)論文19直接比較型 a/d 轉(zhuǎn)換的具體形式多種多樣，下面介紹幾種形式。（一）逐次比較反饋編碼型 a/d 轉(zhuǎn)換這種模型類似一架自動“電壓天平” ，其“砝碼”是一組不都量值的參考電壓。轉(zhuǎn)換相當(dāng)于“稱量”電壓的試碼過程。試碼是從最高（權(quán)）砝碼開始到最低（權(quán)）砝碼依次逐一進(jìn)行，最低砝碼試畢轉(zhuǎn)換結(jié)束。試碼過程中，每次加碼是保持還是撤掉，要由加碼后天平的失衡狀況來決定。最后保留的砝碼總和即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖 2.8 所示為逐次比較反饋編碼型 a/d 轉(zhuǎn)換的原理框圖，其主要由比較環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)、比較基準(zhǔn)及累積三大部分構(gòu)成。各環(huán)節(jié)構(gòu)成了一個負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)

44、。 圖圖 2.8 逐次比較反饋編碼型逐次比較反饋編碼型 a/d 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換比較環(huán)節(jié)：鑒別各步試碼狀態(tài)，決定新加碼的“取”或“舍” 。但 vx0 時，若v=vx-vf0 則加碼保持，編碼器計為 1；若v=vx-vf0 則加碼撤掉，編碼器計為 0。比較基準(zhǔn)：提供各級砝碼，進(jìn)行試碼累計（加碼累計） ?？刂骗h(huán)節(jié)：協(xié)調(diào)個單元動作完成轉(zhuǎn)換。逐次比較型 a/d 轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)：基于 labview 的虛擬示波器設(shè)計20（1）轉(zhuǎn)換速度高。轉(zhuǎn)換過程試碼是按權(quán)躍變進(jìn)行的，每一個十進(jìn)位只要四個節(jié)拍即可完成試碼。（2）轉(zhuǎn)換精度高。轉(zhuǎn)換精度主要是由 a/d 轉(zhuǎn)換器的精度決定。通常 d/a 轉(zhuǎn)換器容易獲得高精度，從而這種形式的

45、 a/d 轉(zhuǎn)換的精度較高。初看起來只要增加d/a 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，就可以提高逐次比較型的精度，事實(shí)上由于這種形式的轉(zhuǎn)換抗干擾能力低以及電路結(jié)構(gòu)等方面的原因，目前一般只達(dá)到五位讀數(shù)，實(shí)際精不夠高。（3）轉(zhuǎn)換的控制方式及線路復(fù)雜，使用元件較多。逐次比較反饋編碼型 a/d 轉(zhuǎn)換盡管存在著不可忽視的缺點(diǎn)，但是由于它具有一定的優(yōu)越的性能還是獲得廣泛的應(yīng)用。（二）線性電壓比較型 a/d 轉(zhuǎn)換線性電壓比較型 a/d 轉(zhuǎn)換中，用作比較 的參考電壓 vr 是一個線性增長（或下降）的斜變電壓（鋸齒波電壓） ，因此這種轉(zhuǎn)換又叫做斜坡型，單斜（單積分）型 a/d 轉(zhuǎn)換它雖然也是通過兩個電壓直接比較對輸入電壓進(jìn)行測量轉(zhuǎn)換

46、，但是與逐次比較反饋編碼技術(shù)不同，不是在比較測量過程中直接進(jìn)行量化和編碼，而是通過中間量時間間隔間接進(jìn)行的。從轉(zhuǎn)換的角度看這是一種間接轉(zhuǎn)換，或者更確切地說是直接比較間接轉(zhuǎn)換。它具有直接比較型轉(zhuǎn)換的共同特點(diǎn)瞬時值轉(zhuǎn)換。線性電壓比較型 a/d 轉(zhuǎn)換器的原理圖，如圖 2.9 所示。本科生畢業(yè)論文21 圖圖 2.9 線性電壓比較型線性電壓比較型 a/d 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的原理圖原理圖比較器對輸入電壓和參考電壓 vr 進(jìn)行比較，并通過門控電路控制計數(shù)器門。線性電壓發(fā)生器輸出線性斜變的參考電壓 vr vr=kt（三）階梯波電壓比較型 a/d 轉(zhuǎn)換這種方式與線性電壓比較型的轉(zhuǎn)換原理相同，差別僅在于用等增量的階

47、梯波電壓代替線性增長的斜坡電壓作為比較基準(zhǔn)。這種技術(shù)又叫做數(shù)字斜坡技術(shù)。轉(zhuǎn)換原理圖如圖 2.10 所示： 圖圖 2.10 階梯波電壓比較型階梯波電壓比較型a/d 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換2、a/d 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) （1）分辨率 基于 labview 的虛擬示波器設(shè)計22分辨率說明 a/d 轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。 一般以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。因?yàn)?，在最大輸入電壓一定時，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。轉(zhuǎn)換誤差它表示 a/d 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如，相對誤差lsb/2，就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之

48、間的誤差小于最低位的半個字。（2）轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度可用轉(zhuǎn)換時間表示,指從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。并行比較 a/d 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高；逐次比較型 a/d 轉(zhuǎn)換器次之；間接 a/d轉(zhuǎn)換器的速度最慢。2.2.4 d/a 轉(zhuǎn)化技術(shù)轉(zhuǎn)化技術(shù)d/a 轉(zhuǎn)換是將輸入的數(shù)碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量輸出，起到解碼作用，故又稱為譯碼或解碼器。1 1、 d/ad/a 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。（一） 、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) d/a 轉(zhuǎn)換器1.原理，如圖 2.11 所示。本科生畢業(yè)論文23圖圖 2.11 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器由四部分組成：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)；求和放大器；模擬開關(guān)；參考電源；任

49、務(wù)：求出輸出模擬電壓與輸入數(shù)字量 d3d2d1d0 間的關(guān)系。irfo)(0123iiiirf)2222(230211203ddddrvrref )2222(2001122334ddddvref)2222(200112211ddddvnnnnnrefo dvnref22.特點(diǎn)：1.電阻數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單；2.電阻種類多，差別大，不易集成。（二） 、倒 t 型電阻網(wǎng)絡(luò) d/a 轉(zhuǎn)換器，如圖 2.12 所示?；?labview 的虛擬示波器設(shè)計24圖圖 2.12 倒倒 t 型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò) d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 電阻網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：模擬開關(guān) si 不論接何位置，都相當(dāng)于接地。任意節(jié)點(diǎn)向左看的等效

50、電阻皆為r。2.電路特點(diǎn)：電阻種類少，便于集成；開關(guān)切換時，各點(diǎn)電位不變。因此，速度快。（三） 、權(quán)電流型 d/a 轉(zhuǎn)換器如圖 2.13 所示，在權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) d/a 轉(zhuǎn)換器和倒 t 型電阻網(wǎng)絡(luò) d/a 轉(zhuǎn)換器中，若模擬開關(guān)不是理想開關(guān)，其導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降將影響轉(zhuǎn)換精度。權(quán)電流型d/a 轉(zhuǎn)換器可解決這一問題。本科生畢業(yè)論文25 圖圖 2.13 權(quán)電流型權(quán)電流型 d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器fori)(02122232432ddddriiiif)2222(2001122334ddddirf電阻 rei 的種類多。因此，經(jīng)常用倒 t 型電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用來實(shí)現(xiàn)。2 2、 d/ad/a 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)

51、換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度1）轉(zhuǎn)換精度通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。分辨率：輸出模擬電壓應(yīng)能區(qū)分 02n-1 共 2n 個輸入數(shù)字量。表示方法：（1)用輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示；如 8 位。(2)用輸出模擬電壓的最小值與最大值的比值表示。nrefv2：) 12(2nnrefv=121n2）轉(zhuǎn)換誤差：由于電路各部分都有誤差，還要給出誤差來表示實(shí)際能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換誤差有時也稱為線性誤差。它表示實(shí)際的 d/a 轉(zhuǎn)換特性和理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差。轉(zhuǎn)換誤差的表示形式：（1）最低有效位的倍數(shù)。如：1lsb?；?labview 的虛擬示波器設(shè)計26（2）輸出電壓滿刻度 fsr(full sc

52、ale range)的百分?jǐn)?shù)。如：0.1fsr。3）轉(zhuǎn)換誤差分析d/a 轉(zhuǎn)換器的四個組成部分，均可引起轉(zhuǎn)換誤差。但具有不同的特點(diǎn)。(1)參考電源引起的誤差稱為比例系數(shù)誤差。odvnref2(2)運(yùn)放零點(diǎn)漂移引起的誤差稱為漂移誤差或平移誤差。(3)模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降以及電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的偏差引起的誤差稱為非線性誤差。非線性誤差有時導(dǎo)致轉(zhuǎn)換特性局部非單調(diào)性，從而引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。4）轉(zhuǎn)換速度用完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間建立時間 tset來衡量。建立時間：從輸入信號變化開始到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差 1/2lsb 范圍以內(nèi)的時間。輸入信號由全 0 變?yōu)槿?1 所需時間最長。不包含運(yùn)放的 dac 建

53、立時間可達(dá) 0.1 。外接運(yùn)放時，轉(zhuǎn)換時間還應(yīng)加上運(yùn)放的上升（下降）時間。rstrsvtt(max)0(max)其中：(max)trt為轉(zhuǎn)換時間，st為建立時間，sr 為運(yùn)放輸出轉(zhuǎn)換速率。本科生畢業(yè)論文272.3 pci6221 數(shù)據(jù)采集卡慨述數(shù)據(jù)采集卡慨述ni pci-6221 是 ni 公司的 m 系列多功能數(shù)據(jù)采集卡，采用的是一個 a/d 轉(zhuǎn)換器，雖然是多路采集，實(shí)際上是分時工作的，所有在多路同時工作時采樣率會成倍降低。該板卡的主要性能如下： 16 路模擬信號輸入通道，采樣率為 250ks/s，輸入范圍為-10v+10v； 2 路模擬量輸出通道，分辨率為 16 位； 24 路數(shù)字 i/o

54、，數(shù)字觸發(fā)； 2 個 32 位定時計數(shù)器； ni-daqmx 測試軟件和硬件配置支持； ni-mcal 校準(zhǔn)支持； nist 校準(zhǔn)證書和多于 70 多種的信號調(diào)理模塊選擇。它有如下方便的性能：（1）即插即用功能pci6221 完全符合 pci 規(guī)格 rev2.1 標(biāo)準(zhǔn)，支持即插即用。在安裝插卡時，用戶不需要設(shè)置任何跳線和 dip 撥碼開關(guān)。實(shí)際上，所有與總線相關(guān)的配置，比如基地址、中斷，均由即插即用功能完成。（2）單端或差分混合的模擬量輸入pci6221 有一個自動通道/增益掃描電路。該電路能代替軟件控制采樣期間多路開關(guān)的切換?？ㄉ系?sram 存儲了每個通道不同的增益值及配置。這種設(shè)計能讓您

55、對不同通道使用不同增益，并自由組合單端和差分輸入來完成多通道的高速采樣。基于 labview 的虛擬示波器設(shè)計28（3） 卡上 fifo(先入先出)存儲器pci6221 卡上有一個 fifo 緩沖器,它能存儲 4k 的 a/d 采樣值。當(dāng) fifo 半滿時，pci6221 會產(chǎn)生一個中斷。該特性提供了連續(xù)高速的數(shù)據(jù)輸入及 windows 下更可靠的性能。（4）卡上可編程計數(shù)器pci6221 提供了可編程的計數(shù)器，用于為 a/d 變換提供可觸發(fā)脈沖。計數(shù)器芯片為 82c54 或與其兼容的芯片，它包含了三個 16 位的 10mhz 時鐘的計數(shù)器。其中有一個計數(shù)器作為事件計數(shù)器，用于對輸入通道的事件

56、進(jìn)行計數(shù)。另外兩個級聯(lián)在一起，用作脈沖觸發(fā)的 32 位定時器。（5） 用于降低噪聲的特殊屏蔽電纜pcl-10168 屏蔽電纜是專門為 pci6221 所設(shè)計的，它用來降低模 2pci6221 快速安裝使用手冊擬信號的輸入噪聲。該電纜采用雙絞線，并且模擬信號線和數(shù)字信號線是分開屏蔽的。這樣能使信號間的交叉干擾降到最小，并使 emi/emc 問題得到了最終的解決。2.4 安裝與測試安裝與測試軟件的安裝： 第一步：將啟動光盤插入光驅(qū)； 第二步：安裝執(zhí)行程序?qū)詣訂影惭b 。本科生畢業(yè)論文29注意：如果您的計算機(jī)沒有啟用自動安裝，可在 h：盤文件中點(diǎn)擊 setup.exe文件啟動安裝程。第三步: 點(diǎn)

57、擊 continue,出現(xiàn)圖 3.2 界面: 圖圖 3.2 驅(qū)動安裝驅(qū)動安裝第四步:選擇點(diǎn)擊您所安裝的板卡型號,然后按照提示就可一步一步完成驅(qū)動程序的安裝。 2.4.1 硬件的安裝硬件的安裝第一步：關(guān)掉計算機(jī)，將您的板卡插入到計算機(jī)后面空閑的 pci 插槽中 （ 注意：在您手持板卡之前觸摸一下計算機(jī)的金屬機(jī)箱殼以免手上的靜電損壞板卡。 ） 第二步：檢查板卡是否安裝正確，可以通過右擊“我的電腦”，點(diǎn)擊“屬性”，彈出 “系統(tǒng)屬性”框；選中“硬件”頁面，點(diǎn)擊“設(shè)備管理器”；將彈出畫面，如圖3.3 所示：從圖中可以看到板卡已經(jīng)成功安裝。 基于 labview 的虛擬示波器設(shè)計30 圖圖 3.3 硬件檢

58、測圖硬件檢測圖第三步：從開始菜單/程序/advantech device driver v2.1/ advantech device manager,打開 advantech device manager。 計算機(jī)上已經(jīng)安裝好某個產(chǎn)品的驅(qū)動程序后，它前面將沒有紅色叉號, 說明驅(qū)動程序已經(jīng)安裝成功。pci 總線的板卡插好后計算機(jī)操作系統(tǒng)會自動識別，device manager 在 installed devices 欄中 my computer 下也會自動顯示出所插入的器件，這一點(diǎn)和 isa 總線的板卡不同，如上圖所示。 點(diǎn)擊“setup”彈出下圖，可設(shè)置模擬輸入通道是單端輸入或是差分輸入以及兩

59、個模擬輸出通道 d/a 轉(zhuǎn)換的參考電壓。設(shè)置完成后點(diǎn)擊“ok”即可。 到此，pci6221 數(shù)據(jù)采集卡的軟件和硬件已經(jīng)安裝完畢,可進(jìn)行板卡測試。2.4.2 測試測試（1）模擬輸出功能測試 在測試界面中點(diǎn)擊模擬輸出標(biāo)簽，彈出圖 3.4 所示界面。本科生畢業(yè)論文31圖圖 3.4 模擬輸出功能測試模擬輸出功能測試個模擬輸出通道可以通過軟件設(shè)置選擇輸出正弦波、三角波、方波，您也可以設(shè)置輸出波頻率以及輸出電壓幅值。例如，要使通道 0 輸出 4.5v 電壓，在“manual output”中設(shè)置輸出值為 4.5v，點(diǎn)擊“out”按紐，即可在管腳 ao0_out 與ao_gnd 之間輸出 4.5v 電壓，這

60、個值可用萬用表測得。 （2）數(shù)字量輸入功能測試 在測試界面中點(diǎn)擊數(shù)字量輸入標(biāo)簽，彈出圖 3.5 所示界面。圖圖 3.5 數(shù)字量輸入功能測試數(shù)字量輸入功能測試用戶可以方便地通過數(shù)字量輸入通道指示燈的顏色，得到相應(yīng)數(shù)字量輸入通道輸入的是低電平還是高電平（紅色為高，綠色為低） 。例如，將通道 0 對應(yīng)管腳基于 labview 的虛擬示波器設(shè)計32di0 與數(shù)字地 dgnd 短接，則通道 0 對應(yīng)的狀態(tài)指示燈(bit0)變綠，在 di0 與數(shù)字地之間接入+5v 電壓，則指示燈變紅。 （注：其它功能的測試就不再做介紹）2.5 信號連接信號連接 2.5.1 管腳圖管腳圖pci6221 的管腳圖如圖 3.6