虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)

1、虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí) 踐 教 程?hào)|東南大學(xué)南大學(xué)儀儀器科學(xué)與工程學(xué)院器科學(xué)與工程學(xué)院二二八年四月八年四月目錄I目錄目錄基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).1實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)一熟悉熟悉 LABVIEWLABVIEW 軟件工作環(huán)境與軟件工作環(huán)境與 NINI ELVISELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)平臺(tái).11.11.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?11.21.2 預(yù)習(xí)要求預(yù)習(xí)要求.11.31.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.11.41.4 實(shí)驗(yàn)提示實(shí)驗(yàn)提示.2實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)二利用利用 DAQMXDAQMX 創(chuàng)建測(cè)量任務(wù)創(chuàng)建測(cè)量任務(wù).72.12.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?72.22.2 預(yù)習(xí)要求預(yù)習(xí)要求.72.32.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.7實(shí)驗(yàn)三實(shí)驗(yàn)三虛擬函數(shù)

2、發(fā)生器的設(shè)計(jì)和虛擬示波器的使用虛擬函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和虛擬示波器的使用.93.13.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?93.23.2 預(yù)習(xí)要求預(yù)習(xí)要求.93.33.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.93.43.4 實(shí)驗(yàn)提示實(shí)驗(yàn)提示.9實(shí)驗(yàn)四實(shí)驗(yàn)四虛擬電壓表的設(shè)計(jì)和虛擬數(shù)字萬(wàn)用表的使用虛擬電壓表的設(shè)計(jì)和虛擬數(shù)字萬(wàn)用表的使用.134.14.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?134.24.2 預(yù)習(xí)要求預(yù)習(xí)要求.134.34.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.134.44.4 實(shí)驗(yàn)提示實(shí)驗(yàn)提示.13實(shí)驗(yàn)五實(shí)驗(yàn)五虛擬濾波器的設(shè)計(jì)和虛擬濾波器的設(shè)計(jì)和 EXPRESSEXPRESS VIVI 的使用的使用.185.15.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?185.25.

3、2 預(yù)習(xí)要求預(yù)習(xí)要求.185.35.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.185.45.4 實(shí)驗(yàn)提示實(shí)驗(yàn)提示.18綜合實(shí)驗(yàn)綜合實(shí)驗(yàn).21實(shí)驗(yàn)六實(shí)驗(yàn)六虛擬相位差計(jì)設(shè)計(jì)虛擬相位差計(jì)設(shè)計(jì).216.16.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.216.26.2 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理.216.36.3 實(shí)驗(yàn)提示實(shí)驗(yàn)提示.236.46.4 思考題思考題.26實(shí)驗(yàn)七實(shí)驗(yàn)七簡(jiǎn)易虛擬數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易虛擬數(shù)字萬(wàn)用表設(shè)計(jì).277.17.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.277.27.2 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理.277.37.3 實(shí)驗(yàn)提示實(shí)驗(yàn)提示.28目錄II7.47.4 思考題思考題.29實(shí)驗(yàn)八實(shí)驗(yàn)八簡(jiǎn)易虛擬示波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易虛擬示波器設(shè)計(jì).308.18.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)

4、內(nèi)容.308.28.2 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理.308.38.3 實(shí)驗(yàn)提示實(shí)驗(yàn)提示.318.48.4 思考題思考題.34參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).35實(shí)驗(yàn)一 熟悉 LabVIEW 軟件工作環(huán)境與 NI ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)1基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)一熟悉熟悉 LabVIEWLabVIEW 軟件工作環(huán)境與軟件工作環(huán)境與 NINI ELVISELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)1.11.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?）熟悉 LabVIEW 軟件工作環(huán)境。2）熟悉 NI ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能、特點(diǎn)與使用方法。3）了解數(shù)據(jù)采集卡的功能并掌握采集卡的測(cè)試。1.21.2 預(yù)習(xí)要求預(yù)習(xí)要求了解有關(guān) VI 的基本知識(shí)和原理和 La

5、bVIEW 的基本操作。1.31.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1）了解 LabVIEW 8 的編程運(yùn)行環(huán)境，熟悉前面板的工具選板和程序框圖的函數(shù)選板的主要控件的位置與操作。2）設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的溫度測(cè)量?jī)x。功能要求：具有開(kāi)關(guān)，能夠顯示源信號(hào)（電流信號(hào)）大小和溫度數(shù)據(jù)。具體設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)實(shí)驗(yàn)提示部分。3）熟悉 NI ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并完成以下工作：（1）采集卡的診斷：進(jìn)入 Measurement & Automation 環(huán)境后，在 my system 下的 devices and interfaces 中找到采集卡 pci-6251，通過(guò)鼠標(biāo)右鍵選擇 Self-Test 會(huì)自動(dòng)彈出對(duì)話框，報(bào)告顯示設(shè)備是

6、否通過(guò)測(cè)試。（2）采集卡的自標(biāo)定：找到采集卡 pci-6251，通過(guò)鼠標(biāo)右鍵選擇 Self-calibration 即可。（3）采集卡的詳細(xì)測(cè)試：在 MAX 中找到采集卡 pci-6251，通過(guò)鼠標(biāo)右鍵選擇 test panels 進(jìn)入測(cè)試面板并完成以下檢測(cè)過(guò)程：模擬輸入檢測(cè)：用導(dǎo)線把 ach0+連到+5v 上，ach0-連到 ground 上，在 analog input 標(biāo)簽中的channel name 選擇 ai0，input configuration 選擇 rse，最后按 start 按鈕采集信號(hào)，將會(huì)采集到 5v 電壓。模擬輸出檢測(cè)：把 dac0 連到 ch a+上，ch a-連到

7、 ground 上，在 output 標(biāo)簽中選擇通道 ao0，打開(kāi) NI ELVIS 自帶的 oscilloscope，調(diào)整 output value 看 oscilloscope 上顯示的是否與 output value 相同。計(jì)數(shù)器測(cè)試：虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)踐教程2計(jì)數(shù)器測(cè)試有脈沖生成和邊緣計(jì)數(shù)兩種模式。正常進(jìn)行邊緣計(jì)數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)值會(huì)不斷增加。（4）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的標(biāo)定：為了使 variable power supplies 和 function generator 的輸出更準(zhǔn)確，在使用前需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)標(biāo)定的步驟如下：1開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后面的電源2從開(kāi)始菜單選擇程序National Ins

8、trumentsNIELVIS 3.0calibration wizard3根據(jù)向?qū)瓿刹僮?。?）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用1開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后面的電源2從開(kāi)始菜單選擇程序National InstrumentsNIELVIS 3.0NI ELVIS3點(diǎn)擊 configure 按鈕，在 DAQ DEVICE 里選擇 DEV1：PCI6251，點(diǎn)擊 check 按鈕，如果成功就會(huì)出現(xiàn) Communication established successfully 這樣的提示信息。4按 ok 按鈕結(jié)束。設(shè)置好后，NI ELVIS 提供的做好的儀器就可使用了。5選擇 oscilloscope 和 function g

9、enetator 儀器，用導(dǎo)線把 func_out 連到 ch a+，ground連到 ch a-，前面板 function generator 中的 manual 開(kāi)關(guān)向下拔，看oscilloscope 能否顯示function generator 的信號(hào)。1.41.4 實(shí)驗(yàn)提示實(shí)驗(yàn)提示1）LabVIEW 是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。LabVIEW 的編程包括前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)兩部分。前面板的設(shè)計(jì)與其他可視化編程語(yǔ)言相似，但是提供更加豐富的控件和顯示效果。程序框圖采用的是 G 代碼，用圖標(biāo)代替函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流向，更加直觀且易學(xué)易用。2）簡(jiǎn)單溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

10、原理及步驟： （1）原理：實(shí)際的溫度測(cè)量?jī)x有多種測(cè)量方法。以最常用的溫度傳感器 AD590 集成溫度傳感器為例，在一定溫度范圍內(nèi)可將溫度數(shù)據(jù)線性變換為電流信號(hào)，其轉(zhuǎn)換公式為： （1.1）Ik t=其中為電流， 為溫度，為溫度系數(shù)。整個(gè)溫度測(cè)量?jī)x的工作過(guò)程為：溫度傳感器將溫Itk度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再由本次將要實(shí)現(xiàn)的虛擬溫度測(cè)量?jī)x顯示電流數(shù)據(jù)并計(jì)算顯示出溫度數(shù)據(jù)。為了設(shè)計(jì)方便，用一個(gè)隨機(jī)數(shù)代替溫度傳感器輸出的電流數(shù)據(jù)，同時(shí)假設(shè) k=1A/K，假定溫度傳感器的線性范圍是 0100，即 273.15373.15K ,則電流數(shù)據(jù)的范圍應(yīng)該為 273.1

11、5373.15K。 （2）設(shè)計(jì)步驟：首先是前面板的設(shè)計(jì)。參考前面板如圖 1.1 所示，包括一個(gè)電源開(kāi)關(guān)、一個(gè)指示燈、一個(gè)模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（用于攝氏溫度和華氏溫度顯示方式的切換） 、一個(gè)電流表（顯示電流數(shù)據(jù)） 、一個(gè)溫度計(jì)（用于顯示溫度數(shù)據(jù)） 、一個(gè)上凸框（Raise Frame） 、一個(gè)標(biāo)簽顯示儀器名稱和一個(gè)程序運(yùn)行結(jié)束按鈕（停止） 。其次是程序框圖的設(shè)計(jì)。參考程序框圖如圖 1.2 所示。需要說(shuō)明的是選擇控件如圖 1.3 所示，其中 s 是布爾量，真時(shí)輸出值為 t，假時(shí)輸出值為 f。圖 1.4 是時(shí)間延遲模塊，單位是毫秒。本例使用 while 循環(huán)的目的是為程序連續(xù)執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)一 熟悉 LabVIE

12、W 軟件工作環(huán)境與 NI ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)3圖 1.1 虛擬溫度測(cè)量?jī)x前面板圖 1.2 實(shí)驗(yàn)一程序框圖設(shè)計(jì)圖 1.3 選擇模塊圖 1.4 時(shí)間延遲（等待）模塊3）數(shù)據(jù)采集卡簡(jiǎn)介 （1）數(shù)據(jù)采集卡的功能：一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集卡具有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)踐教程4I/O、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等功能，這些功能分別由相應(yīng)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)采用的是 NI M 系列的 PCI-6251 采集卡。模擬輸入是采集卡最基本的功能。它一般由多路開(kāi)關(guān)（MUX） 、放大器、采樣保持電路以及 A/D 組成，通過(guò)這些模塊，一個(gè)模擬信號(hào)就可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。A/D 的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入采集的質(zhì)量，要

13、根據(jù)實(shí)際需要的精度來(lái)選擇合適的A/D。電壓范圍由 A/D 數(shù)字化信號(hào)的最高和最低電壓決定。一般情況下，采集卡的電壓范圍是可調(diào)的，所以可選擇和信號(hào)電壓變化范圍相匹配的電壓范圍以充分利用分辨率范圍，得到更高的精度。PCI-6251 有 8 個(gè)差分或者 16 單端輸入口，分辨率為 16 bits，單通道的最大采樣速率為 1.25 MS/s 。電壓范圍可選擇10V, 5V, 2V, 1V, 0.5V, 0.2V, 0.1V。對(duì)應(yīng)的最小分辨電壓如表 1.1 所示。表 1.1 NI ELVIS 最小分辨電壓Input RangeNominal Resolution Assuming 5% Over Ran

14、ge-10V10V320V-5V5V160V-2V2V64V-1V1V32V-500mV500mV16V-200mV200mV6.4V-100mV100mV3.2V模擬輸出通常是為采集系統(tǒng)提供激勵(lì)。輸出信號(hào)受數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）的建立時(shí)間、轉(zhuǎn)換率、分辨率等因素影響。建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值改變的快慢。建立時(shí)間短、轉(zhuǎn)換率高的 D/A 可以提供一個(gè)較高頻率的信號(hào)。PCI-6251 有 2 個(gè)單端輸出口，分辨率為 16 bits，建立時(shí)間為 2 s，轉(zhuǎn)換率為 20 V/s。數(shù)字 I/O 通常用來(lái)控制過(guò)程、產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)、與外設(shè)通信等。它的重要參數(shù)包括：數(shù)字口路數(shù)（line） 、接收 (發(fā)送

15、)率、驅(qū)動(dòng)能力等。PCI-6251 有 24 個(gè)數(shù)字 I/O 口, 分為三組 8(P0.), 16(PFI/P1, PFI/P2)。計(jì)數(shù)器包括三個(gè)重要信號(hào)：門(mén)限信號(hào)、計(jì)數(shù)信號(hào)、輸出。門(mén)限信號(hào)實(shí)際上是觸發(fā)信號(hào)使計(jì)數(shù)器工作或不工作；計(jì)數(shù)信號(hào)也即信號(hào)源，它提供了計(jì)數(shù)器操作的時(shí)間基準(zhǔn)；輸出是在輸出端口上產(chǎn)生脈沖或方波。計(jì)數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率，高分辨率意味著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)，時(shí)鐘頻率決定了計(jì)數(shù)的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)速度就越快。PCI-6251 有 2 個(gè)計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘頻率為 80MHz，20MHz，0.1MHz，分辨率為 32bits。（2）數(shù)據(jù)采集卡的軟件配置通常，數(shù)據(jù)采集卡都有自己的

16、驅(qū)動(dòng)程序，該程序控制采集卡的硬件操作，當(dāng)然這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序是由采集卡的供應(yīng)商提供，用戶一般無(wú)須通過(guò)低層就能與采集卡硬件打交道。NI 公司提供了一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡的配置工具軟件Measurement & Automation Explorer ,它可以配置 NI 公司的硬件和軟件，比如執(zhí)行系統(tǒng)測(cè)試和診斷、增加新通道和虛擬通道、自我標(biāo)定等。實(shí)驗(yàn)采用的軟件是 DAQ 8.0.1，該版本支持虛擬采集設(shè)備，沒(méi)有傳統(tǒng)的 DAQ VI，但可以使用 NI-DAQmx，它是 LabVIEW7.0 以來(lái)推出的新版 DAQ 庫(kù)，增加了 DAQ ASSISTANT，一個(gè)配置測(cè)量任務(wù)、通道和標(biāo)定的圖形化接口，增加了與ANSIC

17、、LABWINDOWS 中 API 函數(shù)相近的 API 函數(shù)和功能，包括.net 和 C+接口。在 LabVIEW8.0 的環(huán)境下可以使用 DAQ ASSISTANT 來(lái)做 NI-DAQmx 測(cè)量,用戶可以實(shí)驗(yàn)一 熟悉 LabVIEW 軟件工作環(huán)境與 NI ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)5使用它來(lái)產(chǎn)生基于某一任務(wù)的 NI-DAQm 程序。4）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介本實(shí)驗(yàn)使用的是 NI ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)： （1）NI ELVIS 的硬件組成如圖 1.5 所示。圖 1.5 NI ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（2）NI ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的前面板圖 1.6 NI ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的前面板Digital Multime

18、ter（數(shù)字萬(wàn)用表） ，Oscilloscope（示波器） ，F(xiàn)unction Generator（函數(shù)發(fā)生器） ，Variable Power Supplies（可調(diào)電壓源）虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)踐教程6Bypass 按鈕：當(dāng)它置于 normal 時(shí)，用于使能軟件控制。一般設(shè)置于 normal。Manual 按鈕：當(dāng)它置于 Manual 時(shí)，旁邊的指示燈亮，可用前面板的按鈕調(diào)節(jié)。反之可在軟件窗口調(diào)節(jié)。DMM 面板中用 CURRENT HI 和 CURRENT LO 測(cè)電流、電感、電阻。（3）NI ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的萬(wàn)用板NI ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的萬(wàn)用板引出了一些常用端口，使信號(hào)能連接到采集

19、卡或者 NI ELVIS 里自帶的虛擬儀器。這些端口都按功能分組排列。其中輸入端口和采集卡的輸入通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 1.2 所示。表 1.2 輸入端口和采集卡的輸入通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系NI ELVIS Input ChannelDAQ Device Input ChannelACH0+AI 0ACH0-AI 8ACH1+AI 1ACH1-AI 9ACH2+AI 2ACH2-AI 10ACH3+AI 3ACH3-AI 11ACH4+AI 4ACH4-AI 12ACH5+AI 5ACH5-AI 13AISENSEAI SENSEAIGNDAI GND（4）NI ELVIS 的軟件組成NI ELVIS 提

20、供了些自帶的虛擬儀器，包括：Digital Multimeter（數(shù)字萬(wàn)用表） ，Oscilloscope（示波器） ，F(xiàn)unction Generator（函數(shù)發(fā)生器） ，Variable Power Supplies（可調(diào)電壓源） ，Bode Analyzer（波特分析儀） ，Dynamic Signal Analyzer（動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀） ，Arbitrary Waveform Generator（任意波發(fā)生器） ，Digital Reader，Digital Writer，Impedance Analyzer，Two-Wire Current-Voltage Analyzer 和 Th

21、ree-Wire Current-Voltage Analyzer。在 LabVIEW8.0 的后面版中選擇 Measurement I/ONI ELVIS 可找到這些儀器的 VI，同時(shí) NI ELVIS 還提供了四個(gè)儀器 Digital I/O（DIO） ，Digital Multimeter（DMM） ，F(xiàn)unction Generator（FGEN）和 Variable Power Supplies（VPS）的低級(jí) VI，實(shí)驗(yàn)二 利用 DAQmx 創(chuàng)建測(cè)量任務(wù)7實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)二利用利用 DAQmxDAQmx 創(chuàng)建測(cè)量任務(wù)創(chuàng)建測(cè)量任務(wù)2.12.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?）掌握用 DAQ ASSIS

22、TANT 創(chuàng)建測(cè)量任務(wù)的方法。2）掌握單通道采集系統(tǒng)、多通道采集系統(tǒng)、模擬輸出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。2.22.2 預(yù)習(xí)要求預(yù)習(xí)要求熟悉 NI ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2.32.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1）DAQ ASSISTANT 的介紹（1）打開(kāi) DAQ ASSISTANT 的方式在 MAX 中，右擊數(shù)據(jù)鄰居（Data Neighborhood） ，選擇新建（Create New） ，再在新建（Create New）窗口中，選擇 NI-DAQmx 任務(wù)（NI-DAQmx Task） ，然后隨向?qū)У囊龑?dǎo)完成即可?？梢灾苯訌?LabVIEW8.0 的 Daq-mx data acquisition 里面打開(kāi)

23、DAQ 助手可以使用 DAQmx Task Name 控件來(lái)打開(kāi) DAQ 助手。右擊該控件，選擇新任務(wù)（DAQ 助手） 【New Task（DAQ Assistant） 】 。通過(guò)上述方法，即可打開(kāi) DAQ 助手。（2）如何創(chuàng)建新任務(wù)1選擇 I/O 類型，比如模擬輸入。 2選擇要執(zhí)行的測(cè)量或信號(hào)發(fā)生。 3選擇要用的傳感器，若可用的話。 4選擇要加到該任務(wù)中的通道，如 dev1/ai1。 按住 ctrl 鍵可以在通道列表中間隔選擇。5按 finish 按鈕打開(kāi)數(shù)據(jù)采集助手的設(shè)置面板在數(shù)據(jù)采集助手的設(shè)置面板對(duì)輸入范圍、信號(hào)連接方式、標(biāo)度、采樣數(shù)、定時(shí)和觸發(fā)等進(jìn)行設(shè)置，然后保存任務(wù)，單擊 test

24、按鈕打開(kāi)測(cè)試面板進(jìn)行任務(wù)測(cè)試。（3）如何生成圖形代碼在 max 中使用數(shù)據(jù)采集助手可以進(jìn)行任務(wù)配置，但是還沒(méi)有在程序中得到測(cè)試的數(shù)據(jù)，同時(shí)也需要對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行更多的控制。這些都需要生成圖形代碼。使用 DAQ ASSISTANT，在 LabVIEW8.0 中有如下 3 種方式可為任務(wù)產(chǎn)生代碼：example：產(chǎn)生任務(wù)運(yùn)行需要的所有代碼。configuration：產(chǎn)生通道和任務(wù)配置的所有代碼。example and configuration：為任務(wù)或通道同時(shí)產(chǎn)生例程代碼和配置代碼?？赏ㄟ^(guò)下面步驟產(chǎn)生代碼并運(yùn)行該測(cè)量任務(wù)：1點(diǎn)擊前面板的 DAQmx Task Name 控件，從 browse 的

25、下拉列表中選擇一個(gè)已配置好的任務(wù)或打開(kāi)新建向?qū)?chuàng)建一個(gè)任務(wù)。2在右鍵菜單中選擇 generate code 里的 example and configuration，在原理圖中就產(chǎn)生虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)踐教程8了任務(wù)所需的所有代碼。 （但一般還需做少量修改）3保存該代碼并運(yùn)行程序看是否符合測(cè)量要求。4編輯該代碼就可完成些復(fù)雜的測(cè)量任務(wù)。2）測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）單通道采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一個(gè)能采集正弦波的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)步驟：在 MAX 中，右擊數(shù)據(jù)鄰居（Data Neighborhood） ，選擇新建（Create New） ，再在新建（Create New）窗口中，選擇 NI-DAQmx 任務(wù)（NI-D

26、AQmx Task） ，在向?qū)е羞x alalog input 下的 voltage，然后選 dev1 下的 ai0，輸入名稱，例如 MyVoltageTask0，最后finish，就創(chuàng)建了一個(gè)任務(wù)。接著在出現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集助手設(shè)置面板的 acquisition mode 里選 continuous（連續(xù)采樣） ，把平臺(tái)前面板上 function generator 的 manual 開(kāi)關(guān)向上撥，量程調(diào)到 50hz，幅度別調(diào)太大，參考表 1.2 在萬(wàn)用板上把 ai0 和 func-out 信號(hào)連上 ach0-和 ground 連上，按下設(shè)置面板的 test 按鈕，看是否出現(xiàn)正弦波，行的話就保存。打開(kāi)

27、 labview，在前面板添加一個(gè) DAQmx Task Name 控件，從它的下拉列表中選擇一個(gè)已配置好的任務(wù)如 MyVoltageTask0，在右鍵菜單中選擇 generate code 里的 example and configuration，在原理圖中就產(chǎn)生了任務(wù)所需的所有代碼。去掉 while 循環(huán)上的兩個(gè) register（寄存器） ，把斷線連上。點(diǎn)擊第一個(gè) vi，按下ctrl 鍵+h 鍵，會(huì)出現(xiàn)它的信息，有名字，各管腳名字等，可以得知它叫 untitled，把 untitled 也刪掉。DAQmx Read 的多態(tài)選擇 analog-single channel-multiple

28、 samples-waveform。在原理圖上加入 DAQmx Create Virtual Channel vi，多態(tài)選擇 alalog input下的 voltage，根據(jù)它的信息設(shè)置最小量程（minimum value）為-10，最大量程（miximum value）為 10，物理通道（physical channels）為 ai0.。在原理圖上加入 DAQmx timing vi，多態(tài)選 sample clock，根據(jù)它的信息設(shè)置 rate 為 1000，sample mode 為 continuous samples，最后 DAQmx Create Virtual Channel v

29、i 連上 DAQmx timing vi，DAQmx timing vi 連上 DAQmx start task vi。運(yùn)行后在前面板應(yīng)該能看到采集的正弦波。（2）多通道采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一個(gè)二路采集系統(tǒng)，通道可選擇。 （選做）可以在單通道采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，DAQmx Read 的多態(tài)選擇支持多通道的方式，物理通道的設(shè)置具體參見(jiàn) LabVIEW 中關(guān)于 DAQmx Create Virtual Channel 的 physical channels 的幫助。（3）模擬輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)有限數(shù)據(jù)輸出：設(shè)計(jì)出一個(gè)可調(diào)電壓源，范圍-5v 到+5v。實(shí)驗(yàn)提示：理解設(shè)計(jì)單通道采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，按照其

30、方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，在 max 中創(chuàng)建一個(gè)模擬輸出電壓測(cè)量任務(wù)，設(shè)置面板的 acquisition mode 里選 n samples，用 DAQmx Create Virtual Channel vi 創(chuàng)建一個(gè)模擬輸出電壓的通道，多態(tài)選擇 alalog output。在 DAQmx write vi 的 date 端添加一個(gè)直流電壓信號(hào)，可不用 DAQmx timing vi。連續(xù)波形數(shù)據(jù)輸出：用 Sine Waveform vi 設(shè)計(jì)出一個(gè)正弦信號(hào)發(fā)生器。實(shí)驗(yàn)提示：按照設(shè)計(jì)單通道采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，需用到 DAQmx timing vi，多態(tài)設(shè)置為use waveform，Sine Wa

31、veform vi 的輸出端連到 DAQmx timing vi 的 waveform 端和 DAQmx write 控件的 date 端（前提是類型一致） 。實(shí)驗(yàn)三 虛擬函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和虛擬示波器的使用9實(shí)驗(yàn)三實(shí)驗(yàn)三虛擬函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和虛擬示波器的使用虛擬函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和虛擬示波器的使用3.13.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?）了解并掌握如何使用虛擬儀器完成信號(hào)分析2）了解 DAQ 的使用方法3）掌握創(chuàng)建子 VI 的方法3.23.2 預(yù)習(xí)要求預(yù)習(xí)要求1）掌握一般函數(shù)發(fā)生器和示波器的使用方法2）了解采樣定理，頻率混疊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和處理方法。3.33.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1）利用 LabVIEW

32、 設(shè)計(jì)一簡(jiǎn)易虛擬函數(shù)發(fā)生器。該函數(shù)發(fā)生器具有普通函數(shù)發(fā)生器的基本功能：能夠產(chǎn)生正弦波、方波和三角波。信號(hào)的幅度、頻率、初始相位、直流偏移量、占空比（只對(duì)方波）可調(diào)。設(shè)計(jì)完虛擬函數(shù)發(fā)生器之后，利用 DAQ 和 NI ELVIS 設(shè)備，并通過(guò)示波器觀察信號(hào)波形，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)信號(hào)的影響。2）使用 NI ELVIS 提供虛擬示波器觀察信號(hào)函數(shù)波形。使用 NI ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上提供的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)波形，通過(guò) DAQ 采集數(shù)據(jù)，利用虛擬示波器觀察波形記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。3）創(chuàng)建自行設(shè)計(jì)的虛擬函數(shù)發(fā)生器為一子 VI，可用于其他 VI。方法是鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊窗口右上的圖標(biāo)

33、，修改其中的 Edit icon 和 Show connector 兩個(gè)屬性。4）選做：完成上述內(nèi)容后可利用 LabVIEW 提供的自相關(guān)計(jì)算模塊完成函數(shù)發(fā)生器輸出波形的自相關(guān)計(jì)算，顯示計(jì)算結(jié)果和相關(guān)波形。3.43.4 實(shí)驗(yàn)提示實(shí)驗(yàn)提示1）參考前面板設(shè)計(jì)如圖 3.1 所示。添加采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的控件，用于觀察采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)信號(hào)的影響。圖中右上圖標(biāo)處用于創(chuàng)建子 VI。部分實(shí)驗(yàn)程序框圖如圖 3.2所示。這里需要強(qiáng)調(diào)說(shuō)明的實(shí)驗(yàn)本身目的并不僅僅是去完成一個(gè)函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，而是通過(guò)設(shè)計(jì)了解 LabVIEW 的編程方法和信號(hào)分析。事實(shí)上，在 LabVIEW 中已經(jīng)存在一個(gè)功能完善的基本函數(shù)發(fā)生器

34、模塊（位于 Signal processing/Waveform Generation 中，如圖 3.3 所示） ，在 Express VI 中也存在一個(gè)功能完善的函數(shù)發(fā)生器。圖 3.3 所示的模塊其實(shí)也是利用LabVIEW 中最基本的波形發(fā)生模塊完成的，可以雙擊該模塊看到該模塊的程序框圖，如圖3.4 所示?？梢宰⒁獾奖敬卧O(shè)計(jì)的程序框圖 3.2 是圖 3.4 的簡(jiǎn)化。LabVIEW 提供的基本函數(shù)發(fā)生器模塊綜合考慮了多種情況，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，而本次要求設(shè)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)易函數(shù)發(fā)生器虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)踐教程10目的是讓同學(xué)們了解 LabVIEW 編程中的一些基本方法，比如 case 結(jié)構(gòu)的使用方法，La

35、bVIEW 中位于 Signal processing/Signal Generation 下的正弦波、方波和三角波產(chǎn)生模塊的使用，以及 LabVIEW 的圖像顯示方法；并掌握如何利用 DAQmx 將設(shè)計(jì)的虛擬函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生實(shí)際輸出的模擬信號(hào)（此部分要結(jié)合實(shí)驗(yàn)二） 。此外，其實(shí)本次設(shè)計(jì)要求利用的LabVIEW 中位于 Signal processing/Signal Generation 下的正弦波、方波和三角波產(chǎn)生模塊也是一個(gè)子 VI（相當(dāng)與文本語(yǔ)言中的函數(shù)） ，雙擊也可查看其程序框圖，如圖 3.5 所示。該程序框圖不可更改，本身是通過(guò)調(diào)用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)的 DLL 實(shí)現(xiàn)。圖 3.1 實(shí)驗(yàn)三前

36、面板參考設(shè)計(jì)圖 3.2 部分實(shí)驗(yàn)程序框圖實(shí)驗(yàn)三 虛擬函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和虛擬示波器的使用11圖 3.3 基本函數(shù)發(fā)生器圖 3.4 基本函數(shù)發(fā)生器程序框圖圖 3.5 子 VI 程序框圖舉例2） LabVIEW 提供了各種信號(hào)發(fā)生子 VI，LabVIEW 8 版本中位于 Signal processing/Signal Generation 下。以正弦波產(chǎn)生模塊為例，該模塊提供 5 個(gè)輸入端，如圖 3.6所示。這里涉及采樣定理的運(yùn)用，此外還需說(shuō)明的是在 LabVIEW 中模擬信號(hào)頻率是用赫茲或周期數(shù)/秒為單位，數(shù)字系統(tǒng)通常使用標(biāo)準(zhǔn)頻率，所謂標(biāo)準(zhǔn)頻率就是信號(hào)頻率和采樣頻率的比值，單位是周期數(shù)/采樣率，

37、所以在仿真時(shí)對(duì)頻率需要采取一定措施，這點(diǎn)非常重要，會(huì)對(duì)顯示波形的周期產(chǎn)生直接影響。圖 3.6 正弦波模塊虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)踐教程123）有關(guān)波形顯示的說(shuō)明。Sine Wave 模塊本身輸出的數(shù)組數(shù)據(jù)，只包含了采樣值的信息，但不包括原信號(hào)的頻率、采樣時(shí)間（采樣頻率） ，采樣起止時(shí)刻，而要完整的顯示一個(gè)波形又需要這些信息。所以在 LabVIEW 中專門(mén)提供了一種新的數(shù)據(jù)類型，即波形數(shù)據(jù)。波形數(shù)據(jù)本身可以算是一種特殊的簇（簇也是 LabVIEW 中特有的一種數(shù)據(jù)類型，但類似C 語(yǔ)言中的 Structure） ，是將采樣起始時(shí)刻（時(shí)間數(shù)據(jù)） 、采樣時(shí)間和波形的采樣值（數(shù)組數(shù)據(jù)）整合為一組數(shù)據(jù)。圖 3.

38、2 所示的程序框圖中有三組輸出數(shù)據(jù)，其中最上面紫紅色的是用簇的形式顯示的，中間則是 Sine Wave 模塊的輸出數(shù)組數(shù)據(jù)，最下面棕色的則是利用波形數(shù)據(jù)的方式顯示波形。三種方式都能在 Graph 中畫(huà)出正弦波形，但是只有利用簇和波形數(shù)據(jù)的方式才能顯示出正弦波形的周期（頻率） ，為便于后續(xù)程序?qū)?shù)據(jù)的處理以及DAQ 的采集和輸出，建議采用波形數(shù)據(jù)顯示波形的方式。4）有關(guān)子 VI 的創(chuàng)建，雙擊前面板圖 3.1 中右上角的圖標(biāo)，會(huì)出現(xiàn)圖 3.7 所示對(duì)話框。該對(duì)話框用于編輯 VI 的圖標(biāo)式樣，事實(shí)上圖 3.3 中的基本函數(shù)發(fā)生器模塊及圖 3.6 中的Sine Wave 模塊以都是該 VI 的圖標(biāo)。要

39、完成輸入輸出端的設(shè)置可右擊前面板右上角的圖標(biāo)并點(diǎn)擊“顯示連線端”完成輸入輸出端的設(shè)置。LabVIEW 中創(chuàng)建的子 VI 的目的等同于 C語(yǔ)言中的對(duì)函數(shù)的創(chuàng)建，用于其他 VI 的調(diào)用，有關(guān)調(diào)用方法將在實(shí)驗(yàn)四中介紹。圖 3.7 子 VI 的創(chuàng)建方法5）有關(guān) case 等一些 LabVIEW 編程的方法，請(qǐng)參照 LabVIEW 的有關(guān)書(shū)籍和 LabVIEW的幫助。LabVIEW 編程的入手其實(shí)相對(duì)文本語(yǔ)言要容易的許多，G 語(yǔ)言更直觀，而且能夠即時(shí)編譯程序語(yǔ)言，用戶在編寫(xiě)程序時(shí)能夠及時(shí)注意了解到程序錯(cuò)誤之處。6）選做內(nèi)容是對(duì)相關(guān)計(jì)算模塊的使用，主要是為實(shí)驗(yàn)六服務(wù)的（利用信號(hào)的相關(guān)性與自相關(guān)完成通頻信號(hào)

40、相位差的計(jì)算） 。相關(guān)計(jì)算模塊位于“信號(hào)處理/信號(hào)運(yùn)算”中，相關(guān)計(jì)算的定義和意義請(qǐng)參考有關(guān)書(shū)籍。7）關(guān)于 DAQmx 連接的問(wèn)題，以及利用 NI ELVIS 提供的虛擬濾波器觀察本次設(shè)計(jì)的虛擬函數(shù)發(fā)生器的波形的方法及注意事項(xiàng)參照實(shí)驗(yàn)二與相關(guān)書(shū)籍資料。實(shí)驗(yàn)四 虛擬電壓表的設(shè)計(jì)和虛擬數(shù)字萬(wàn)用表的使用13實(shí)驗(yàn)四實(shí)驗(yàn)四虛擬電壓表的設(shè)計(jì)和虛擬數(shù)字萬(wàn)用表的使用虛擬電壓表的設(shè)計(jì)和虛擬數(shù)字萬(wàn)用表的使用4.14.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?）掌握虛擬電壓表和數(shù)字萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)和使用方法2）進(jìn)一步掌握 LabVIEW 的使用，特別是控件屬性的操作以及子 VI 的使用。4.24.2 預(yù)習(xí)要求預(yù)習(xí)要求1）掌握一般電壓表和萬(wàn)用

41、表的工作原理和使用方法。2）掌握交流電各種電壓值表示的概念以及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。3）子 VI 的創(chuàng)建方法。4.34.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1）利用 LabVIEW 設(shè)計(jì)一簡(jiǎn)易虛擬電壓表。功能要求：具有普通電壓表的基本功能，用戶可選擇直流測(cè)量和交流測(cè)量。對(duì)于直流電壓只需顯示電流值大小，對(duì)于交流電則需要顯示該交流電的峰值、有效值、平均值和直流分量（若存在） 。同時(shí)能夠提供虛擬輸入和實(shí)際輸入兩種測(cè)量信號(hào)，虛擬輸入時(shí)能夠顯示信號(hào)波形。其他要求：對(duì)虛擬電壓表進(jìn)行初始設(shè)置，即每次運(yùn)行程序時(shí)電壓表的初始界面一致，具體表現(xiàn)在開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，波形圖窗口清空，其他控件處于使能狀態(tài)下。實(shí)際輸入時(shí)禁用仿真參數(shù)設(shè)置控件，仿

42、真輸入時(shí)測(cè)量直流電壓值時(shí)禁用信號(hào)幅度、頻率、初始相位、占空比、信號(hào)類型等控件。2）創(chuàng)建自行設(shè)計(jì)的虛擬電壓表子 VI。3）使用 NI ELVIS 提供的數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）模塊完成電阻、電流和電壓的測(cè)量，并就其中的電壓測(cè)量部分與自行設(shè)計(jì)的虛擬電壓表進(jìn)行比較和分析。4.44.4 實(shí)驗(yàn)提示實(shí)驗(yàn)提示1）參考程序流程圖如圖 4.1 所示；參考前面板設(shè)計(jì)如圖 4.2 所示，該前面板除具有實(shí)驗(yàn)三函數(shù)發(fā)生器的參考前面板中所有的輸入控件外，還添加了仿真與實(shí)際信號(hào)的切換按鈕，交流/直流測(cè)量的切換按鈕，開(kāi)關(guān)按鍵，電源指示燈以及結(jié)果顯示包括：直流分量，平均值，有效值和峰峰值（可以根據(jù)需求自行添加或刪減） ；參考程序框

43、圖設(shè)計(jì)如圖 4.3 所示。本次虛擬電壓表的設(shè)計(jì)與實(shí)際使用的模擬/數(shù)字電壓表是存在很大差別的，為便于實(shí)驗(yàn)做了大量簡(jiǎn)化。實(shí)驗(yàn)的主要目的是了解 LabVIEW 中對(duì)子函數(shù)的調(diào)用及使用方法，LabVIEW 中有關(guān)屬性節(jié)點(diǎn)、局部變量的使用和有關(guān)用戶界面設(shè)計(jì)的一些基本方法，以及利用 DAQ 處理采集數(shù)據(jù)的方法（此部分需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)二中相關(guān)內(nèi)容） 。程序框圖圖 4.3 看似復(fù)雜，其實(shí)大量的工作是用于完成空間的屬性操作和有關(guān)程序初始化設(shè)置的問(wèn)題，真正用于數(shù)據(jù)處理的模塊其實(shí)只有三個(gè)（具體見(jiàn)實(shí)驗(yàn)提示 4） 。虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)踐教程14開(kāi)始仿真直流直流計(jì)算交流計(jì)算（有效值、平均值、峰值和直流分量）顯示結(jié)果和波形結(jié)束

44、YYNDAQ數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)N圖 4.1 參考程序流程圖圖 4.2 實(shí)驗(yàn)四參考前面板設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)四 虛擬電壓表的設(shè)計(jì)和虛擬數(shù)字萬(wàn)用表的使用15圖 4.3 部分參考程序框圖2）本次實(shí)驗(yàn)的程序框圖中使用了 LabVIEW 中特有的一種順序結(jié)構(gòu)（Sequence Structure） ，這主要是緣于 LabVIEW 采用了多線程并行的運(yùn)行機(jī)制，這是 G 語(yǔ)言不同于一般文本語(yǔ)言主要特點(diǎn)之一，即程序內(nèi)的代碼是同時(shí)運(yùn)行的。所以對(duì)于控件的初始顯示可采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)（Flat Sequence Structure）或堆棧式順序結(jié)構(gòu)（Stacked Sequence Structure）的方法，在第一幀中設(shè)置各個(gè)控

45、件的初始設(shè)置。初始化設(shè)置是通過(guò)控件的屬性控制以及常量和局部變量設(shè)置完成的。如圖 4.3 所示，參考程序框圖采用了平鋪式順序結(jié)構(gòu)，LabVIEW 在執(zhí)行程序時(shí)先從左邊的幀開(kāi)始，依次執(zhí)行右面幀內(nèi)的程序（本次只有兩個(gè)幀，幀內(nèi)的程序還是同時(shí)執(zhí)行的） 。左邊幀內(nèi)完成程序初始化設(shè)置，左邊一列是控件的使能控制，0 是 Enabled（啟用） ，1 是 Disabled（禁用） ，2 是 Disabled and Grayed out（禁用且變灰） 。這是通過(guò)控件的屬性節(jié)點(diǎn)完成的，而右邊一列則是對(duì)變量數(shù)值的初始設(shè)置，用局部變量完成。3）虛擬輸入信號(hào)的提供可采用實(shí)驗(yàn)三中自行設(shè)計(jì)的虛擬函數(shù)發(fā)生器。有關(guān)子 VI 的

46、創(chuàng)建方法已介紹，本次實(shí)驗(yàn)主要是使用實(shí)驗(yàn)三中創(chuàng)建的子 VI，在程序框圖中的函數(shù)面板中選擇 VI 添加創(chuàng)建的子 VI。自行創(chuàng)建的子 VI 和 LabVIEW 提供的各種函數(shù)模塊的使用方法相同。關(guān)于子 VI 屬性的設(shè)置在主菜單中選擇“文件/VI 屬性” ，進(jìn)入 VI 屬性對(duì)話框，根據(jù)類別更改 VI 屬性。這里需要注意的是 while 循環(huán)對(duì)子 VI 的影響，建議在創(chuàng)建子 VI 時(shí)去掉原先程序框圖中用于使程序連續(xù)執(zhí)行的 while 循環(huán)，或用一布爾真常量控制 while 循環(huán)的結(jié)束符（即讓此 while 循環(huán)只循環(huán)一次） 。此外，對(duì)于直流信號(hào)可以直接利用“初始化數(shù)組”模塊完成。4）有關(guān)交流電壓波形的參

47、數(shù)如表 4.1 所示，可以根據(jù)表 4.1 中參數(shù)的關(guān)系再利用信號(hào)的波峰值求取其他參數(shù)值。事實(shí)上，LabVIEW 提供用于計(jì)算這些參數(shù)的模塊。對(duì)于波峰的求取，可使用波形最大最小值模塊（Waveform Min Max.vi） ，位于“函數(shù)面板/編程/波形/模擬波形”下，如圖 4.4 所示。有效值和直流分量可利用位于“函數(shù)面板/編程/波形/模擬波形/波形測(cè)量”下的基本平均直流-均方根模塊（NI_MAPro.lvlib: Basic Averaged DC-RMS.vi）實(shí)現(xiàn)，如圖 4.5 所示，缺省情況下均方根即有效值。求取平均值的均值模塊位于虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)踐教程16“函數(shù)面板/數(shù)學(xué)/概率與統(tǒng)

48、計(jì)”中，如圖 4.6 所示。表 4.1 幾種典型的交流電壓波形的參數(shù)序號(hào)名稱波形因數(shù)FK =U/U波峰因數(shù)PPK =U /U有效值U平均值U1正弦波1.111.4142PU /2PUp2半波整流1.112.8282 2PU /1PUp3全波整流1.111.4142PU /2PUp4三角波1.151.733PU /2PU /5鋸齒波1.151.733PU /2PU /6方波11PUPU7白噪聲1.2533PU /3 75PU / .其中是波峰值。PU圖 4.4 波形最大最小值模塊圖 4.5 基本平均直流-均方根模塊圖 4.6 均值模塊5）圖 4.4、圖 4.5 和圖 4.6 所示的三個(gè)數(shù)據(jù)處理模

49、塊的輸入端均可以為波形數(shù)據(jù)，求均值模塊可自行提取波形數(shù)據(jù)中的波形數(shù)組數(shù)據(jù)。這里要說(shuō)明的在使用這些數(shù)據(jù)處理模塊時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)本身還是需要做一些其他處理。首先，求取均值時(shí)需要將波形數(shù)組數(shù)據(jù)絕對(duì)值化，這是由交流信號(hào)的平均值定義決定，如果不取絕對(duì)值那平均值都為 0，失去了實(shí)際意義。其次，提供的參考程序框圖圖 4.3 中使用了“獲得波形成分”模塊，獲取采集信號(hào)的波形數(shù)組數(shù)據(jù)、采樣時(shí)間和采樣起始時(shí)間，用于提取采集信號(hào)中一個(gè)完整周期。要提取出信號(hào)的至少一個(gè)完整周期的采樣值的原因，是因?yàn)榻涣餍盘?hào)的有效值、平均值等都是以具備完整周期數(shù)的信號(hào)計(jì)算的，而實(shí)際采樣時(shí)很難保證采樣值為原信號(hào)的整周期倍數(shù)，如果直接使用采樣值計(jì)

50、算平均值和有效值將帶來(lái)較大誤差。因而，本次實(shí)驗(yàn)中在實(shí)際采樣信號(hào)時(shí)要得到原周期信號(hào)的完整信息或是對(duì)周期信號(hào)處理時(shí)，采集到的采樣值至少要大于一個(gè)完整的周期（實(shí)際對(duì)于正弦波、三角波只要能夠測(cè)量出波峰與波谷也能計(jì)算出原波形） 。要得到一個(gè)完整周期的采樣點(diǎn)數(shù)，首先要明白信號(hào)頻率、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)FsFsN系：實(shí)驗(yàn)四 虛擬電壓表的設(shè)計(jì)和虛擬數(shù)字萬(wàn)用表的使用17， （4.1）s1sFFN=1Fn=F （4.2）ss1sss1sNNFNFFNnFF NF=其中是用頻率為的采樣信號(hào)采集個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)的原信號(hào)的結(jié)果為一個(gè)完整周期的1FsFsN原信號(hào)頻率，為實(shí)際采集到信號(hào)的周期數(shù)，為一個(gè)完整周期的采樣點(diǎn)數(shù)。可

51、以看出n1N實(shí)際就是標(biāo)準(zhǔn)頻率的倒數(shù)，這也就是在 LabVIEW 的數(shù)字系統(tǒng)中都采用標(biāo)準(zhǔn)頻1Nsf=F/F率的原因之一。位于“函數(shù)面板/Express/信號(hào)分析（Signal Analysis） ”下的單頻測(cè)量（Tone Measurements）Express 模塊能夠直接得出采樣信號(hào)的頻率（還有幅度，相位） 。 “數(shù)組子集（Array Subset） ”模塊可以根據(jù)從采集的波形數(shù)組數(shù)據(jù)中獲取一個(gè)周期的采樣值。1N有關(guān)提取完整周期信號(hào)操作的部分作為提高要求。虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)踐教程18實(shí)驗(yàn)五實(shí)驗(yàn)五虛擬濾波器的設(shè)計(jì)和虛擬濾波器的設(shè)計(jì)和 ExpressExpress VIVI 的使用的使用5.15

52、.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?）了解濾波器的設(shè)計(jì)方法，熟悉并掌握 LabVIEW 中的濾波器2）熟悉 LabVIEW 中的 Express VI快速搭建專業(yè)測(cè)試系統(tǒng)5.25.2 預(yù)習(xí)要求預(yù)習(xí)要求數(shù)字濾波器的基本原理5.35.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1）熟悉 LabVIEW 中有關(guān)信號(hào)處理中濾波器的使用方法，并利用其中的 Butterworth 濾波器模塊設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器。信號(hào)源可以由一個(gè)正弦信號(hào)與一個(gè)經(jīng)過(guò)高通濾波（也用 Butterworth 濾波器模塊實(shí)現(xiàn)）的高頻均勻白噪聲信號(hào)迭加而成以模擬實(shí)際情況（亦可接入外部信號(hào)源） 。其中高通濾波器的截止頻率為 100Hz，低通濾波器的截止頻率是30Hz

53、。此外，對(duì)輸入信號(hào)和濾波后的信號(hào)做頻譜分析，用波形圖顯示輸入信號(hào)及頻譜，濾波后信號(hào)及頻譜的圖形。2）熟悉 LabVIEW 中的 Express VI。并利用 Express 提供的濾波器模塊重新完成上面內(nèi)容，并進(jìn)行比較分析。5.45.4 實(shí)驗(yàn)提示實(shí)驗(yàn)提示 1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 中的參考前面板設(shè)計(jì)如圖 4.1 所示。實(shí)驗(yàn)五 虛擬濾波器的設(shè)計(jì)和 Express VI 的使用19圖 5.1 實(shí)驗(yàn)四參考前面板設(shè)計(jì)2）LabVIEW 為用戶提供了各種完善的濾波器，用戶無(wú)需再編制濾波器而可以根據(jù)需求直接利用這些模塊。但實(shí)際應(yīng)用中通常需要多次試驗(yàn)才能確定最合適的濾波器，選擇濾波器要考慮應(yīng)用的要求：是否要求線性相

54、頻響應(yīng)、是否接受運(yùn)行紋波的存在和是否需要窄的過(guò)渡帶等等。圖 5.2 給出了選擇濾波器的一個(gè)大致步驟。圖 5.2 濾波器選擇向?qū)?）有關(guān)信號(hào)的頻譜由 FFT 計(jì)算，具體方法如下圖所示：圖 5.3 頻譜分析實(shí)現(xiàn)方法其中藍(lán)色的子 VI 是將雙邊 FFT 變換轉(zhuǎn)化為單邊 FFT 變換，此子 VI 是自行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)框圖如圖 5.4 所示。虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)踐教程20圖 5.4 單邊 FFT 轉(zhuǎn)化子 VI4）自 LabVIEW 7 開(kāi)始，LabVIEW 提供了 Express 技術(shù)，用以快捷簡(jiǎn)便的搭建專業(yè)測(cè)試系統(tǒng)。本次實(shí)驗(yàn)中用到是濾波器模塊，從 Express 下拖入濾波器模塊至程序框圖中會(huì)出現(xiàn)圖 5.5

55、若是窗口，即濾波器的配置窗口。圖 5.5 Express 濾波器配置界面實(shí)驗(yàn)六 虛擬相位差計(jì)設(shè)計(jì)21綜合實(shí)驗(yàn)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)六實(shí)驗(yàn)六虛擬相位差計(jì)設(shè)計(jì)虛擬相位差計(jì)設(shè)計(jì)6.16.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容利用 LabVIEW 和 NI ELVIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自行完成一簡(jiǎn)易虛擬相位差計(jì)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)參數(shù)及要求：1）能夠檢測(cè)并計(jì)算出兩同頻正弦信號(hào)的相位差（-180+180） ，并顯示兩個(gè)輸入信號(hào)的波形。2）采用多種方法實(shí)現(xiàn)：過(guò)零法、相關(guān)法、FFT 頻譜分析法（以上三種必做） 、最小二乘法（選做）和李沙育法（選做）等，并以信號(hào) 1 為基準(zhǔn)判斷信號(hào) 2 超前還是滯后（相關(guān)法除外） 。3）具有良好的用戶使用界面（前面板）

56、 ，并采用兩種輸入信號(hào)方式：實(shí)際信號(hào)（可由NI ELVIS 平臺(tái)提供的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生）和虛擬仿真信號(hào)（利用實(shí)驗(yàn)三中自行設(shè)計(jì)的函數(shù)發(fā)生器并迭加噪聲） 。6.26.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理原理相位差計(jì)算的原理及方法說(shuō)明：這里只介紹了過(guò)零法、相關(guān)法和譜分析法三種測(cè)相位差的方法。有關(guān)選做方法的原理參閱有關(guān)書(shū)籍和資料，這里不再介紹。1）過(guò)零法過(guò)零法即通過(guò)判斷兩同頻率信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，計(jì)算其時(shí)間差，然后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)相位差，如圖 1.1 所示。圖 1.1：過(guò)零法求相位差根據(jù)圖 1.1 即可得到過(guò)零法的計(jì)算公式： （1.1）360/Tt其中為過(guò)零點(diǎn)時(shí)差；為信號(hào)周期。tT虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)踐教程222）相關(guān)法相關(guān)法利用兩同

57、頻正弦信號(hào)的延時(shí)時(shí)的互相關(guān)函數(shù)值與其相位差的余弦值成正0比的原理獲取相位差。由于噪聲信號(hào)通常與有效信號(hào)相關(guān)性很小，因而這種方法有很好的噪聲抑制能力。假設(shè)有兩個(gè)同頻信號(hào)： （1.2）)()sin()(tNtAtxx)()sin()(tNtBtyy其中，分別為信號(hào)噪聲。實(shí)際中無(wú)法知道信號(hào)的相位，求相位差采用的相關(guān)法原理xNyN如下：（1.3）dttNtBtNtATdttytxTRTyxTxy00)()(sin()()sin(1)()(1)(當(dāng)時(shí)，且噪聲與信號(hào)不相關(guān)，噪聲之間也不相關(guān)時(shí)：0 （1.4）dtttABTRTxy)sin()sin(1)0(0由此算得： （1.5）cos2)0(ABRxy根

58、據(jù)信號(hào)幅度與其自相關(guān)函數(shù)零點(diǎn)之間的關(guān)系，可得：， （1.6）)0(2xRA )0(2yRB 所以： （1.7）)0()0()0()0(2arccosyxxyxyRRRABR3）譜分析法頻譜分析法是通過(guò)求取周期信號(hào)的頻域特性（主要是相頻特性） ，然后取兩信號(hào)的相頻特性曲線中對(duì)應(yīng)于信號(hào)各頻率分量的相位值，其差值即為相位差。理論上有很好的選頻特性，對(duì)諧波干擾抑制性好。在有限區(qū)間內(nèi)絕對(duì)可積的任一周期函數(shù)，它的傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為：),(Ttt)(tx （1.8）1000)sincos(2cossin)(nnnnnnntnbtnaatnatnbtx按均方誤差最小原則，傅立葉系數(shù)為： （1.9）dttntx

59、TaTttncos)(2dttntxTbTttnsin)(2實(shí)驗(yàn)六 虛擬相位差計(jì)設(shè)計(jì)23時(shí)，0nTttdttxTa)(20根據(jù)兩角和的正弦公式，式（1.8）又可以表示為： （1.10）10)sin()(nnntnxxtx所以有： ， ， ， 20nax nnnxasinnnnxbcos22nnnbax， （1.11）bnnbatannnnbaarctan6.36.3 實(shí)驗(yàn)提示實(shí)驗(yàn)提示1）該實(shí)驗(yàn)主要完成利用不同的原理方法實(shí)現(xiàn)同頻信號(hào)相位差的測(cè)量的工作。測(cè)量相位差的基本思想：一是分別計(jì)算出信號(hào)的初始相位，計(jì)算差值，這種方法如譜分析法；或是利用兩個(gè)信號(hào)之間的含有相位差信息的關(guān)系推算出兩個(gè)同頻信號(hào)的相

60、位差，如過(guò)零法和相關(guān)法。過(guò)零法比較簡(jiǎn)單，當(dāng)然簡(jiǎn)單就會(huì)帶來(lái)較大的誤差。所謂過(guò)零法在實(shí)際編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，沒(méi)有必要只找零點(diǎn)。正弦波一個(gè)周期內(nèi)存在從 0+到 0-，和 0-到 0+兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)，如果是通過(guò)零值判斷相位差，就得考慮該零點(diǎn)為哪個(gè)零點(diǎn)，否則會(huì)造成180的誤差。具體實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)相位差的采樣點(diǎn)數(shù)與正弦波一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的比值確定。相關(guān)法是利用通信原理中的信號(hào)相關(guān)、自相關(guān)的原理實(shí)現(xiàn)的。原理在上一節(jié)已經(jīng)介紹，這里給出實(shí)際對(duì)離散序列處理采用的公式： （1.12）102)(1)0(NnxnxNR （1.13）102)(1)0(NnynyNR （1.14）10)()(1)0(NnxynynxNR以上公式可以