虛擬儀器基于labview的模擬電路實(shí)驗(yàn)虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、昆明理工大學(xué)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告信息工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系題目基于labview的模擬電路實(shí)驗(yàn)虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)姓 名 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 設(shè)計(jì)時(shí)間 2013-5-24一、選題分析目前,電路和電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是電類專業(yè)學(xué)生必修并且非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，實(shí)驗(yàn)中常用的傳統(tǒng)儀器包括:數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器、直流穩(wěn)壓電源等。很多專業(yè)性實(shí)驗(yàn)還需要一些特殊儀器，比如波特儀、直流電橋、邏輯分析儀等。熟練使用儀器是學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)必須具備的一個(gè)基本技能,但實(shí)驗(yàn)中往往由于學(xué)生緊張,儀器較多，結(jié)果學(xué)生經(jīng)常忙于調(diào)節(jié)儀器而沒(méi)有太多時(shí)間專注于對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的效果并不理想,也不利于學(xué)生更深層次的學(xué)習(xí)

2、和提高。虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想是基于計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能,采用接口標(biāo)準(zhǔn)化的硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,而對(duì)數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示則通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn),即采用“軟面板”,用戶自己定義儀器功能。我們可以在通過(guò)電路實(shí)驗(yàn)練習(xí)掌握傳統(tǒng)儀器,在這種基礎(chǔ)之上接觸并學(xué)習(xí)虛擬儀器，并將虛擬儀器運(yùn)用到電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中,就可以減少對(duì)儀器問(wèn)題的困惑,而使我們分析及解決問(wèn)題能力得以提升,并且可以早點(diǎn)通過(guò)使用虛擬儀器提前與專業(yè)接觸,更有利于與后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)和提高1。積分微分器的實(shí)質(zhì)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，傳統(tǒng)的積分微分器的設(shè)計(jì)是用窗口函數(shù)將理想積分微分器的脈沖響應(yīng)截?cái)鄟?lái)實(shí)現(xiàn)的，不同的窗口函數(shù)以及不同的窗口寬度對(duì)設(shè)計(jì)的積分微分器都有較大的影響。對(duì)于

3、虛擬儀器來(lái)說(shuō)，則具有豐富的函數(shù)功能、數(shù)值分析、可編程性以及直觀等眾多優(yōu)勢(shì)。因此，研究虛擬積分微分器具有十分重要的實(shí)際意義。LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言，作為數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件的標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究性實(shí)驗(yàn)室。LabVIEW是功能強(qiáng)大、靈活的多平臺(tái)儀器和分析軟件系統(tǒng)。通過(guò)采用虛擬儀器開發(fā)語(yǔ)言LabVIEW開發(fā)一個(gè)積分微分器，闡述基于LabVIEW的虛擬儀器在模擬電路實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的實(shí)踐性，并完成系統(tǒng)的仿真調(diào)試，讓學(xué)生能夠真正地的理解并完全地掌握LabVIEW技術(shù)。二、方案設(shè)計(jì)與論證1、虛擬儀器VI的設(shè)計(jì)(1)、在虛擬儀器前面板設(shè)置窗口控件，并創(chuàng)建“流程圖”中的端口。首先在前面

4、板開發(fā)窗口使用工具模塊中的相應(yīng)工具，從控制面板中取出和放置好所需要的軟件，進(jìn)行控件屬性參數(shù)設(shè)置，標(biāo)貼文字說(shuō)明標(biāo)簽。前面板是模仿實(shí)際儀器的面板，通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤為控制對(duì)象輸入數(shù)據(jù)，然后在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示結(jié)果。(2)編寫試驗(yàn)系統(tǒng)的流程圖，虛擬儀器從流程圖中接受命令。在流程圖編輯窗口，放置節(jié)點(diǎn)、圖框，并創(chuàng)建前面板控件，在流程圖編輯窗口使用工具模板中相應(yīng)工具，從Functions模板中取用并放置好所需要的圖標(biāo)，它們是流程圖中的“節(jié)點(diǎn)”、“圖框”。(3)數(shù)據(jù)流編輯，是使用連接工具按數(shù)據(jù)流的方向?qū)⒍丝凇⒐?jié)點(diǎn)、圖框相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從源頭按規(guī)定的運(yùn)行方式達(dá)到目的終點(diǎn)。(4)運(yùn)行檢驗(yàn)，有兩種檢驗(yàn)方法，即仿真檢驗(yàn)和實(shí)

5、測(cè)檢驗(yàn)。(5)數(shù)據(jù)觀察。當(dāng)檢驗(yàn)觀察中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“Highlight Execution"按鈕，觀察數(shù)據(jù)流中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)值。(6)命令存盤，保存設(shè)計(jì)好的虛擬儀器VI。2、信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測(cè)信號(hào)的儀器。按信號(hào)波形可分為正弦信號(hào)、函數(shù)信號(hào)、脈沖信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)等四大類。信號(hào)發(fā)生器又稱為信號(hào)源或者振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來(lái)表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。3、基本信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)基本信號(hào)發(fā)生器是用來(lái)產(chǎn)生各種常用的信號(hào)波形，包括正弦信號(hào)、余弦信號(hào)、方

6、波信號(hào)、三角波信號(hào)、鋸齒波信號(hào)等。用到的函數(shù)是Basic Function Generator函數(shù)，其中用輸入控件來(lái)控制信號(hào)的類型、頻率、幅值和相位等參數(shù)，用圖表顯示信號(hào)波形。基本信號(hào)發(fā)生器的前面板及流程圖如圖1-1、1-2所示。圖1-1基本信號(hào)發(fā)生器流程圖圖1-2基本信號(hào)發(fā)生器前面板圖4、模擬信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)發(fā)生器用函數(shù)Simulate Signal來(lái)實(shí)現(xiàn)，將信號(hào)的幅值、頻率、相位等參數(shù)放在一個(gè)簇來(lái)完成，模擬信號(hào)波形用Waveform Graph來(lái)顯示，通過(guò)改變信號(hào)的參數(shù)可以得到不同的波形。模擬信號(hào)發(fā)生器的前面板和流程圖如圖1-3，1-4所示。圖1-3 模擬信號(hào)發(fā)生器流程圖圖1-4

7、模擬信號(hào)發(fā)生器前面板圖5、積分微分器的設(shè)計(jì)（1）儀器面板圖采用Waveform Graph來(lái)顯示信號(hào)積分微分前后的波形，信號(hào)類型可以選擇波形的類型（如正弦波、方波、三角波或鋸齒波），可以通過(guò)前面板上的按鈕（幅值、頻率、相位和偏移量）來(lái)設(shè)定仿真信號(hào)的一些參數(shù)9。（2）仿真信號(hào)的生成采用LabVIEW中設(shè)計(jì)的典型信號(hào)生成模塊。將仿真信號(hào)生成和函數(shù)處理經(jīng)過(guò)必要的連接放入一個(gè)Whlie循環(huán)結(jié)構(gòu)中就構(gòu)成了積分微分器流程圖。6、積分微分器流程設(shè)計(jì)積分微分器的流程圖如圖1-5所示。圖1-5 積分微分器流程圖程序運(yùn)行過(guò)程如圖1-6所示：圖1-6 程序運(yùn)行過(guò)程圖參數(shù)設(shè)置主要對(duì)輸入波形的類型還有參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如正

8、弦波、方波、三角波、鋸齒波等設(shè)置，還有進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，如頻率、振幅、偏移量、延時(shí)、相位進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置如圖1-7。圖4-7 參數(shù)設(shè)置圖7、積分微分器前面板的實(shí)現(xiàn) 前面板就是用戶用來(lái)跟程序交互的一個(gè)工具。當(dāng)運(yùn)行VI時(shí)，打開前面板，然后向執(zhí)行程序輸入數(shù)據(jù)。前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出值，可以通過(guò)運(yùn)用前面板上的按鈕等來(lái)實(shí)現(xiàn)各種所需的操作，利用LabVIEW中的控制模塊可以完成對(duì)信號(hào)的選擇和各種參數(shù)的設(shè)定。如頻率、幅值、相位、偏移量等。如果經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)不與理論效果相符，還可以通過(guò)重置按鈕重新設(shè)定參數(shù)等，虛擬積分微分器的前面板如圖1-8所示。圖4-8 前面板圖由上圖可知，前面板由三個(gè)波形圖構(gòu)成

9、，上邊的是積分微分前的波形圖，下邊的是經(jīng)過(guò)積分微分的波形圖。左邊的是對(duì)波形參數(shù)設(shè)置的按鈕。如果經(jīng)過(guò)積分微分處理后的波形圖與理論不符合，可以通過(guò)信號(hào)重置按鈕重新都參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。三、程序的前面板和程序框圖的設(shè)計(jì)與調(diào)試步驟1、積分微分器流程圖設(shè)計(jì)最后，生成仿真信號(hào)、選擇和函數(shù)處理，再連線后加入一個(gè)While循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)置一個(gè)延時(shí)器，就完成了積分微分器的基本流程了。積分微分器程序框圖如圖1-9，1-10所示。圖1-9 正弦波/方波程序圖當(dāng)按下布爾，條件變?yōu)檎鏁r(shí)，程序選擇輸入為三角波、鋸齒波，如下圖：圖1-10 三角波/鋸齒波程序圖2、積分微分器的調(diào)試過(guò)程積分電路是一種應(yīng)用比較廣泛的模擬信號(hào)運(yùn)算電路。它是

10、組成模擬計(jì)算機(jī)的基本單元。積分電路是控制和測(cè)量系統(tǒng)中學(xué)用的重要單元，利用其充放電過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)、定時(shí)以及各種波形的產(chǎn)生。10對(duì)于輸入信號(hào)的不同，積分電路可表現(xiàn)出不同的輸出特性：積分電路能將輸入的矩形波電壓變換成斜坡電壓，具有變換波形的作用，也就是說(shuō)能把一個(gè)方波變成三角波，即若輸入為方波信號(hào)，則積分電路表現(xiàn)為充電與放電交替進(jìn)行的狀態(tài)，對(duì)外表現(xiàn)為三角波，積分電路也具有移相的作用，也就是能把正弦波變成余弦波。若輸入為正弦波，則積分電路表現(xiàn)為輸出超前輸入9O度相位的正弦波。微分是積分的逆運(yùn)算，微分電路也具有移相作用，當(dāng)輸入電壓為正弦波時(shí)，輸出波形將滯后90度，成為余弦波。當(dāng)輸入信號(hào)為三角波信號(hào)時(shí)，輸

11、出電壓的波形為方波，輸出電壓與輸入電壓的相位相反。當(dāng)按下信號(hào)選擇器按鈕選擇正弦波的布爾按鈕選擇為假之后，并對(duì)輸入波形參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置延時(shí)為0.5s，幅值為10，頻率為80，相位為40，偏移量為0時(shí)，然后進(jìn)行微分流程，波形在前面板顯示。四、實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析1、正弦波積分微分結(jié)果圖1-11 正弦波積分微分波形圖2、方波積分微分結(jié)果變化波形之后，選擇方波運(yùn)行，結(jié)果如下圖所示：圖1-12 方波積分微分波形圖3、三角波積分微分結(jié)果按下布爾按鈕選擇為真的一支之后，然后選擇輸入三角波，結(jié)果如下圖所示：圖1-13 三角波積分微分波形圖4、鋸齒波積分微分結(jié)果當(dāng)選擇輸入鋸齒波時(shí)，輸出波形如下圖所示：圖1-14

12、 鋸齒波積分微分圖5、分析根據(jù)前邊對(duì)輸入波形的積分和微分處理之后的波形圖可以看出，本設(shè)計(jì)的虛擬積分微分器確實(shí)具有對(duì)輸入信號(hào)積分微分的作用，例如，正弦波微分變?yōu)橛嘞也?，方波積分之后變?yōu)槿遣ǖ取?shí)驗(yàn)結(jié)果跟理論互相一致，說(shuō)明設(shè)計(jì)正確，從設(shè)計(jì)過(guò)程及其操作中可以發(fā)現(xiàn)，這種操作確實(shí)比較簡(jiǎn)捷，波形圖觀察起來(lái)特別直觀，分析過(guò)程也同樣容易，所以，研究基于LabVIEW的積分微分器的設(shè)計(jì)還是非常有用的。五、總結(jié)與體會(huì)虛擬儀器是一種新型儀器，虛擬儀器的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)儀器的概念，它的出現(xiàn)可以說(shuō)是儀器領(lǐng)域的一次巨大的突破。虛擬儀器不僅簡(jiǎn)化了儀器的結(jié)果，而且使儀器測(cè)量簡(jiǎn)單化。信號(hào)發(fā)生器和積分微分器是兩種對(duì)信號(hào)處理的基本儀器，本文研究的信號(hào)發(fā)生器和虛擬積分微分器不僅具有積分微分器的作用，而且還使得虛擬儀器在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出其突出的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的儀器相比較，虛擬儀器具有突出的優(yōu)點(diǎn)。主要表現(xiàn)在：（1）LabVIEW作為圖形化的編程語(yǔ)言，可操作性跟直觀性比較強(qiáng)。（2）通過(guò)用戶模塊可以對(duì)數(shù)據(jù)處理的過(guò)程進(jìn)行分析。（3）資金投入少，編程比較方便。雖然設(shè)計(jì)達(dá)到