虛擬儀器實驗

1、虛擬儀器實驗指導(dǎo)書關(guān)海川編寫西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)2012年10月虛擬儀器技術(shù)是以計算機(jī)和軟件為核心的，通過軟件將計算機(jī)硬件資源與儀器有機(jī)地融 合為一體，能夠把計算機(jī)強(qiáng)大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起。提高實驗教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)前沿科學(xué)知識的重要手段，一直以來，由于 供學(xué)生使用的實驗儀器相對落后，而先進(jìn)的儀器價格又過于昂貴，阻礙了學(xué)生探索和認(rèn)識世 界的進(jìn)程。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)有效地解決上述問題，學(xué)校在不增加或增加少量開支的基礎(chǔ) 上使實驗儀器在精確性、靈活性、工程實用性、可測范圍等方面有一個大的飛躍。RZ8688A 虛擬儀器技術(shù)實驗平臺自帶虛擬信號源、示波器、邏輯分

2、折儀、頻譜儀、三用表、數(shù)字量輸 入輸出模塊，能完成各種虛擬儀器儀表設(shè)計的實現(xiàn)和電子通信測控類實驗。是一款能滿足學(xué) 生掌握先進(jìn)測控技術(shù)的性價比很高的實驗設(shè)備。本實驗教程主要面向虛擬儀器技術(shù)的初、中級用戶，介紹LabVIEW編程的基礎(chǔ)知識和基 本技巧以及相應(yīng)的實驗，可作為大、中專院校相關(guān)專業(yè)的實驗教學(xué)教材，也可供有關(guān)工程技 術(shù)人員和軟件工程師參考。由于編者的能力和水平有限，加之時間倉促，書中難免存在不妥和錯誤之處，懇請使用 本教材的廣大師生和讀者提出批評和寶貴意見。編者2012年10月 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark13 o Current Document

3、實驗一LabVIEW工作環(huán)境的熟悉1 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 實驗二結(jié)構(gòu)的使用6 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 實驗三數(shù)組、簇和圖形顯示12 HYPERLINK l bookmark140 o Current Document 實驗四字符串和文件存取17 HYPERLINK l bookmark177 o Current Document 實驗五信號產(chǎn)生器設(shè)計實驗21 HYPERLINK l bookmark220 o Current Document 實驗六頻譜分析儀設(shè)計實驗2

4、6 HYPERLINK l bookmark290 o Current Document 實驗七實際測控系統(tǒng)設(shè)計實驗30 HYPERLINK l bookmark340 o Current Document 實驗八FIR濾波器設(shè)計實驗3236實驗一 LabVIEW工作環(huán)境的熟悉一、實驗?zāi)康氖煜abVIEW開發(fā)環(huán)境；了解LabVIEW的編程環(huán)境;掌握LabVIEW的基本操作方法， 并編制簡單程序。學(xué)會使用子VI圖標(biāo)連接器的創(chuàng)建方法和子VI調(diào)用方法。二、實驗儀器計算機(jī)一臺LabVIEW8.20 軟件一套三、實驗原理LabVIEW功能簡介虛擬儀器（VI： Virtual Instrument）是在

5、以通用計算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定 義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是以特定的 軟件支持取代相應(yīng)功能的電子線路，用計算機(jī)完成傳統(tǒng)儀器硬件的一部分乃至全部功能，它 是以具備控制、處理分析能力的軟件為核心的軟儀器。使用者在操作這臺計算機(jī)時，就象在 操作一臺他自己設(shè)計的儀器一樣。利用LabVIEW軟件可以實現(xiàn)VI的設(shè)計。LabVIEW程序設(shè)計LabVIEW和其他Windows環(huán)境下的可視化開發(fā)環(huán)境一樣，程序界面和代碼是分離的。前面板是圖形用戶界面，有兩類控件：一類是輸入控件，包括開關(guān)、旋鈕、按鈕和其他 輸入對象；一類是顯示控件，包括圖形、LED和其他顯

6、示對象。程序框圖是實現(xiàn)VI邏輯功能的圖形化源代碼，除了包括與前面板上控件對應(yīng)的連線端 子外，還有程序、子VI、常量、結(jié)構(gòu)等，與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比，前面板相當(dāng)于儀器的面板，而 程序框圖相當(dāng)于儀器內(nèi)部的功能部件。菜單欄與Windows程序中的菜單欄功能相似，不再贅述。程序的調(diào)試方法在程序編寫過程中，不可避免的存在錯誤，因此掌握必要的調(diào)試方法非常必要。1）單步運(yùn)行VI單步運(yùn)行VI是在程序框圖中按照程序節(jié)點(diǎn)的邏輯關(guān)系，沿連線逐個節(jié)點(diǎn)來執(zhí)行程序。 單擊單步執(zhí)行按鈕蛆，按單步步入方式執(zhí)行VI，單擊一次執(zhí)行一步，遇到循環(huán)結(jié)構(gòu)，跳入 循環(huán)內(nèi)部繼續(xù)單步執(zhí)行。2）設(shè)置斷點(diǎn)使用工具選板中的斷點(diǎn)工具，點(diǎn)擊你希望設(shè)置或者清除

7、斷點(diǎn)的地方。斷點(diǎn)的顯示對 于節(jié)點(diǎn)或者圖框表示為紅框，對于連線表示為紅點(diǎn)。當(dāng)VI程序運(yùn)行到斷點(diǎn)被設(shè)置處，程序 被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)，以閃爍表示。按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍的節(jié)點(diǎn)被執(zhí)行，下一個將 要執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。你也可以點(diǎn)擊暫停按鈕，這樣程序?qū)⑦B續(xù)執(zhí)行直 到下一個斷點(diǎn)。3）使用探針使用探針工具可以查看程序流經(jīng)某一根連接線時的數(shù)據(jù)值。從工具選板選擇探針工具 叵1，再用鼠標(biāo)左建點(diǎn)擊你希望放置探針的連接線。這時顯示器上會出現(xiàn)一個探針顯示窗口。 該窗口總是被顯示在前面板窗口或流程圖窗口的上面。4）高亮顯示程序運(yùn)行在LabVIEW的工具條上有一個高亮執(zhí)行按鈕F。點(diǎn)擊這個按鈕使它變成高亮形

8、式，再 點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，VI程序就以較慢的速度運(yùn)行，沒有被執(zhí)行的代碼灰色顯示，執(zhí)行后的代碼 高亮顯示，并顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值。這樣，你就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的流動狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí) 行。5）查找VI不可執(zhí)行的原因如果一個VI程序存在語法錯誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕就會由今變成一個折斷 狀態(tài)容，表示程序不能被執(zhí)行。如果點(diǎn)擊此按鈕，則ijLabVIEW彈出錯誤清單窗口，點(diǎn)擊其 中任何一個所列出的錯誤，單擊顯示錯誤，則就會定位到程序框圖相應(yīng)出錯處。4. 創(chuàng)建子VILabVIEW中的子VI（subVI）類似于文本編程語言中的函數(shù)。如果在LabVIEW中不使 用子VI，就好像在文本編輯語言中不使用函數(shù)一樣，根

9、本不可能構(gòu)建大的程序。尤其是在 LabVIEW圖形化編程環(huán)境中，圖形連線會占據(jù)較大的屏幕空間，用戶不可能把所有的程序 都在同一個VI的程序框圖中實現(xiàn)。因此很多情況下，我們需要把程序分割成很多一個個小 的模塊來實現(xiàn)一這就是子VI。其實任何VI本身就可以作為子VI被其他VI調(diào)用，只需要在普通VI的基礎(chǔ)上多進(jìn)行 兩步簡單的操作而已：定義連接端子和圖標(biāo)。四、實驗步驟編寫一個VI求三個數(shù)的平均值。（1）要求對三個輸入控件等間隔并右對齊，對應(yīng)的程序框圖控件對象也要求如此對齊。（2）添加注釋。（3）分別用普通方式和高亮方式運(yùn)行程序，體會數(shù)據(jù)流向。（4）單步執(zhí)行一遍。（5）分別使用斷點(diǎn)和探針，跟蹤數(shù)據(jù)流，幫助

10、調(diào)試程序。創(chuàng)建一個VI程序模擬溫度測量。假設(shè)傳感器輸出電壓與溫度成正比。例如，當(dāng)溫度為 70 F時，傳感器輸出電壓為0.7V。本程序也可以用攝氏溫度來代替華氏溫度顯示。 本程序用軟件代替了 DAQ數(shù)據(jù)采集卡。在程序面板使用編程-數(shù)值-隨機(jī)數(shù)（0到 1）來仿真電壓測量，然后把所測得的電壓值轉(zhuǎn)換成攝氏或華氏溫度讀數(shù)。參考結(jié)果如下：創(chuàng)建一個VI程序，并將此程序保存為子VI。此VI要實現(xiàn)的功能是：當(dāng)輸入發(fā)動轉(zhuǎn)速 時，經(jīng)過一定運(yùn)算過程，輸出發(fā)動機(jī)溫度和汽車速度值。參考結(jié)果如下：創(chuàng)建一個VI程序，進(jìn)行溫度測量，并把結(jié)果在波形圖表上顯示。該VI程序使用前面 實驗步驟2中創(chuàng)建的溫度計程序（溫度計.vi）作為子

11、程序。利用LabVIEW的各種工具， 可以實現(xiàn)在一個程序中調(diào)用另一個程序的功能，大大的提高了設(shè)計的靈活性和合理性。參考結(jié)果如下：創(chuàng)建一個VI程序，并在編寫程序過程中調(diào)用前面實驗步驟3中創(chuàng)建的子VI。此VI要 實現(xiàn)的功能是：通過旋鈕控件來控制輸入的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速值，中間調(diào)用實驗步驟3中創(chuàng)建 的子VI作為計算過程，從子VI輸出的值分別輸出至不同的數(shù)值顯示發(fā)動機(jī)的溫度以 及當(dāng)前汽車速度，同時判斷當(dāng)汽車速度超過100時，系統(tǒng)將產(chǎn)生蜂鳴聲，報警提示。參考結(jié)果如下：五、實驗報告寫出上述練習(xí)運(yùn)行時的前后面板圖形。并完成下面內(nèi)容：VI中的三個模塊是什么？簡述其各自功能。簡述VI程序有什么構(gòu)成，其各部分的功能是什么

12、？如何將一個VI程序創(chuàng)建為子VI程序，讓其可以連接輸入輸出？總結(jié)通過本次實驗對LabVIEW編程環(huán)境、LabVIEW的編程步驟及過程有什么了解和收 獲。實驗二結(jié)構(gòu)的使用一、實驗?zāi)康氖煜abVIEW中While、For循環(huán)的使用，學(xué)會使用LabVIEW中的移位寄存器。學(xué)會 使用LabVIEW中的Case結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)、公式節(jié)點(diǎn)。二、實驗儀器計算機(jī)一臺LabVIEW8.20 軟件一套三、實驗原理結(jié)構(gòu)是控制G程序數(shù)據(jù)流程的元素。While循環(huán)結(jié)構(gòu)控制程序反復(fù)執(zhí)行框內(nèi)程序，直到 某個條件發(fā)生。For循環(huán)結(jié)構(gòu)控制框內(nèi)程序段執(zhí)行指定的次數(shù)，循環(huán)次數(shù)由連接到計數(shù)端口 的值確定。在循環(huán)邊框可建立多個移位寄存

13、器，使用移位寄存器可在循環(huán)體的循環(huán)之間傳遞 數(shù)據(jù)。While循環(huán)和For循環(huán)都可以使用移位寄存器。Case結(jié)構(gòu)是一種多分支程序控制結(jié)構(gòu)，執(zhí)行哪個分支由選擇端子上的輸入控制。當(dāng)一 個布爾型或整型數(shù)據(jù)連到Case結(jié)構(gòu)的選擇端子上時，LabVEW自動決定選擇端子的數(shù)據(jù)類 型。當(dāng)在一個分支Case創(chuàng)建了輸出通道，必須為每一個Case定義輸出通道。只有當(dāng)所有分 支都給通道提供輸出數(shù)據(jù)時，通道將呈現(xiàn)出與提供數(shù)據(jù)類型一致的填充顏色并顯示Run按 鈕。在Sequence結(jié)構(gòu)邊界上可創(chuàng)建順序局部變量(Sequence Locals)，利用順序局部變量可 實現(xiàn)幀和幀間的數(shù)據(jù)傳遞。順序結(jié)構(gòu)的輸出通道僅能有一個數(shù)據(jù)源

14、(順序局部變量)，數(shù)據(jù) 源對所有后續(xù)幀都有效，但在前面幀中無效。運(yùn)用公式節(jié)點(diǎn)可以直接把許多公式寫入到節(jié)點(diǎn)圖框中，切記，每個式子必須以分號“” 結(jié)尾，而且公式中的變量區(qū)分大小寫。實驗步驟1.使用While循環(huán)和圖表。目的：用While循環(huán)和圖表獲得數(shù)據(jù)，并實時顯示。創(chuàng)建一個可以產(chǎn)生并在圖表中顯示隨機(jī)數(shù)的VI。前面板有一個控制旋鈕可在0到10秒 之間調(diào)節(jié)循環(huán)時間，還有一個開關(guān)可以中止VI的運(yùn)行。學(xué)習(xí)怎樣改變開關(guān)的動作屬性，以 便不用每次運(yùn)行VI時都要打開開關(guān)。參考結(jié)果如下：前面板 有成N S 4.06.02.08.00.010.0流程圖BooleanONOFFg t附注與說明布爾開關(guān)的機(jī)械動作:布

15、爾開關(guān)有6種機(jī)械動作屬性可供選擇。在前面板上用鼠標(biāo)右鍵單擊開關(guān)，在快捷菜單 中選擇Mechanical Action就可以看到這些可選的動作。2.使用移位寄存器。目的：創(chuàng)建一個可以在圖表中顯示運(yùn)行平均數(shù)的VI。參考結(jié)果如下：前面板B & ON d q * Latch When Pressed流程圖附注：移位寄存器的初值：上面的練習(xí)中對移位寄存器設(shè)置了初值0.5。如果不設(shè)這個初值，默認(rèn)的初值是0。在 這個例子中，一開始的計算結(jié)果是不對的，只有到循環(huán)完3次后移位寄存器中的過去值才填 滿，即第4次循環(huán)執(zhí)行后可以得到正確的結(jié)果。使用For循環(huán)。目的：用For循環(huán)和移位寄存器計算一組隨機(jī)數(shù)的最大值。參考

16、結(jié)果如下：使用Case結(jié)構(gòu)。目的：建立一個實現(xiàn)計算器功能的VI。前面板設(shè)有數(shù)字控制器用來輸入兩個數(shù)字，數(shù)字指 示器用來顯示運(yùn)算結(jié)果。運(yùn)算方式有加、減、乘、除。用一個滾動條來規(guī)定運(yùn)算方式。參考結(jié)果如下：計算生成等于某個給定值的隨機(jī)數(shù)所需要的時間。使用順序結(jié)構(gòu)。 目的：創(chuàng)建一個VI, 參考結(jié)果如下：0 H必q &50-0 d 1 E A & 0.00 4 2 0. . 2卜計算延時時間（秒）使用公式節(jié)點(diǎn)。目的：創(chuàng)建一個VI,它用公式節(jié)點(diǎn)計算下列等式：y1 = x3 -x2 + 5y2 = m* x + bx的范圍是從0到10。可以對這兩個公式使用同一個公式節(jié)點(diǎn)，并在同一個圖表中顯示結(jié)果。參考結(jié)果如

17、下：m日3000bWaveform Graph非0.00五、實驗報告寫出上述練習(xí)運(yùn)行時的前后面板圖形。并完成下面內(nèi)容:試簡述For循環(huán)和While循環(huán)的區(qū)別。下面所給兩個框圖程序，你認(rèn)為哪一個節(jié)點(diǎn)函數(shù)先執(zhí)行？是加法還是除法？說明 LabVIEW數(shù)據(jù)流編程概念？如果要明確函數(shù)執(zhí)行的先后次序，應(yīng)該怎么辦？請重新創(chuàng) 建該程序。仔細(xì)觀察程序框圖中的情況，可以利用框圖程序工具條中的高亮執(zhí)行按鈕和 單步執(zhí)行按鈕來觀察。實驗三 數(shù)組、簇和圖形顯示一、實驗?zāi)康膶W(xué)會使用LabVIEW中的數(shù)組；學(xué)會使用LabVIEW中的簇；學(xué)會使用LabVIEW中的 Chart圖形顯示特性；學(xué)會使用LabVIEW中的Graph圖

18、形顯示特性。二、實驗儀器計算機(jī)一臺LabVIEW8.20 軟件一套三、實驗原理數(shù)組是相同類型的數(shù)據(jù)元素的集合，可創(chuàng)建數(shù)值型、布爾型、字符串型或簇數(shù)組?？稍?前面板和框圖程序中創(chuàng)建一個數(shù)組，創(chuàng)建數(shù)組包括建立數(shù)組框和定義數(shù)組類型兩個步驟。若 定義一個數(shù)組類型控制件，還需使用操作工具對索引元素進(jìn)行賦值?？驁D中常常利用循環(huán)的 自動索引功能，創(chuàng)建數(shù)組。在默認(rèn)狀態(tài)下，F(xiàn)or循環(huán)自動索引有效，而While循環(huán)自動索引 無效。數(shù)組元素索引(下標(biāo))從0開始，若數(shù)組元素個數(shù)為N，則最大索引為N-1。簇是相同或不同類型的數(shù)據(jù)的集合，Bundle函數(shù)將時間參數(shù)X0、AX和Y值數(shù)組捆綁 成簇，送波形Graph，可準(zhǔn)確地

19、顯示波形隨時間變化的規(guī)律。Unbundle將簇中元素解包，可 一次訪問所有元素。波形Chart可以實時顯示數(shù)據(jù)變化趨勢，具有三種不同顯示模式。波形Chart可用于顯 示單條曲線或多條曲線。當(dāng)使用Chart顯示多條曲線時，須使用Cluster子模板的Bundle函 數(shù)，將數(shù)據(jù)捆綁成簇，然后送波形Chart顯示。在波形Chart或它的各個組成部分上彈出菜 單，可修改Chart顯示的屬性和參數(shù)。波形Graph以數(shù)組方式接收數(shù)據(jù)，可用Build Array函數(shù)在波形Graph上顯示多條曲線。實驗步驟1.編輯一個利用循環(huán)的自動索引(auto-indexing)功能創(chuàng)建一個裝有10個隨機(jī)數(shù)的數(shù)組。參考結(jié)果

20、如下：2.用Chart和參考結(jié)果如下:德未瑋名w削瓠圖，文件心編輯查看凹項目操作工 Ll刮回回函可可oT iBpJ波形圖表N波形圖卜皿2000盤 未命名2前面振*文件舊褊輯（S查音凹項目凹操作 THE商口也幫助WU回 18pt應(yīng)用程序字氐波形圖表數(shù)值39波形圖118-0.6-典0.4-時間I編寫計算以下等式的程序0,8-0.60.4 -時間y1 = x 3 x + 5,x的范圍是0100, y1和y2用數(shù)組顯示 y 2 = m x x + b件顯示在前面板上。m設(shè)定為6, b設(shè)定為8。For循環(huán)設(shè)定為100次，公式節(jié)點(diǎn)輸入兩公式，根據(jù)設(shè)定的m和b的值計算y1，y2建 立數(shù)組，然后顯示數(shù)組。參考

21、結(jié)果如下：4.在一個Graph中用2種不同的線寬顯示1條正弦曲線和一條余弦曲線。每條曲線長度為128個點(diǎn)。正弦曲線X0=0，AX=1，余弦曲線X0=2，AX=10O參考結(jié)果如下：Input ClusterOutput ClusterstopSTOP |創(chuàng)建一個溫度采集VI。每秒采集兩次，共采集40次。在采集期間，用Chart實時顯示 側(cè)量數(shù)據(jù)，全部數(shù)據(jù)采集完成后，VI在Graph上輸出圖形并計算出溫度的最大、最小 和平均值。（對Chart和Graph的X刻度和Y刻度進(jìn)行一些設(shè)置，在圖例上進(jìn)行一些設(shè) 置。嘗試顯示Graph的模板和光標(biāo)，對其進(jìn)行不同的設(shè)置并觀察顯示結(jié)果。）參考結(jié)果如下：五、實驗報

22、告寫出上述練習(xí)運(yùn)行時的前后面板圖形。并完成下面內(nèi)容:1、總結(jié)Chart和Graph的使用區(qū)別。2、什么是數(shù)組？什么是簇？什么是函數(shù)的多態(tài)性？實驗四字符串和文件存取一、實驗?zāi)康膶W(xué)會使用LabVIEW中的字符串和字符串函數(shù)；學(xué)會使用LabVIEW中的文件I/O。二、實驗儀器計算機(jī)一臺LabVIEW8.20 軟件一套三、實驗原理字符串是ASCII字符的集合，字符串控制器和指示器在控制模板的String&Table子模板 上。LabVIEW字符串函數(shù)在功能模板上的String子模板中。讀/寫文件操作之前，必須指定文件路徑。LabVIEW支持的文件類型（4種）：ASCII碼 流文件（文本文件）、二進(jìn)制流

23、文件、數(shù)據(jù)記錄文件、波形數(shù)據(jù)文件。實驗步驟1, 使用 Format Into string、Match pattern 和 String length 等函數(shù)設(shè)計一個子 VI，將一個 輸入數(shù)字轉(zhuǎn)換成顯示2位小數(shù)的格式字符串，并將整合字符串及其長度在前面板輸出。 同時，在前面板輸入密碼，檢測輸入密碼與設(shè)定密碼是否匹配。參考結(jié)果如下：2,練習(xí)使用 Format Into String 函數(shù)、Concatenate String 函數(shù)和 String Length 函數(shù)。（嘗試改變串開始和串結(jié)尾及數(shù)值，運(yùn)行VI觀察結(jié)果。為了連接數(shù)據(jù)類型連接正確，可以打 開幫助窗口）。參考結(jié)果如下：將一個二維數(shù)組以字

24、符串形式寫到一個新文件中去，然后在一個表格處理程序或文本編 輯器中打開這個文件。參考結(jié)果如下：將數(shù)據(jù)寫入電子表格文件。練習(xí)目的：構(gòu)造一個VI,該VI產(chǎn)生兩組波形數(shù)據(jù)，將其繪制在圖中，并將兩組數(shù)據(jù)寫入文 件，其中第1列包含方波波形數(shù)據(jù)，其中第2列包含正弦波形數(shù)據(jù)。參考結(jié)果如下：5.創(chuàng)建頭文件，向文件添加采樣數(shù)據(jù)。練習(xí)目的：創(chuàng)建一個VI，產(chǎn)生頭文件，使用For循環(huán)定時采集溫度值，并將每次采樣 時間及溫度值以ASCII格式添加到文件中。參考結(jié)果如下：采樣時間21:12:4121：12：4121 ：12：4121 ：12：4221 ：12：4221 ：12：4321 ：12：4321 ：12：4421

25、 ：12：44溫度值79.5979.5979.5979.5979.5979.5980.5782.5283.9884.4721：12：45五、實驗報告寫出上述練習(xí)運(yùn)行時的前后面板圖形。并完成下面內(nèi)容:1、什么是字符串？它有幾種顯示模式？各自有什么特點(diǎn)？2、LabVIEW支持的文件類型有幾種？它們各自有什么特點(diǎn)？實驗五信號產(chǎn)生器設(shè)計實驗一、實驗?zāi)康牧私庑盘柈a(chǎn)生器的基本功能；了解LabVIEW產(chǎn)生仿真信號的基本原理;掌握利用LabVIEW產(chǎn)生信號的方法。二、實驗器材計算機(jī)一臺LabVIEW8.20 軟件一套USB連接線一條Q9接口連接線兩條示波器一臺三、實驗原理系統(tǒng)工作原理信號產(chǎn)生器設(shè)計實驗主要由仿

26、真信號產(chǎn)生、USB通信接口、DSP、CPLD和D/A轉(zhuǎn)換等 主要模塊構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1仿真信號是由LabVIEW程序產(chǎn)生，生成指定的信號波形，再將波形數(shù)據(jù)通過USB接 口傳送給DSP, DSP和CPLD共同作用，產(chǎn)生相應(yīng)的控制時序，將波形數(shù)據(jù)通過D/A電路 轉(zhuǎn)換為真實的信號源，可通過示波器來測試。仿真信號的產(chǎn)生基于虛擬儀器技術(shù)的信號發(fā)生器其主要目的就是利用LabVIEW產(chǎn)生相應(yīng)的信號波形數(shù) 據(jù)，并將此數(shù)據(jù)通過D/A器件，轉(zhuǎn)換為真實的物理信號。LabVIEW提供了大量的波形生成節(jié)點(diǎn)，它們位于函數(shù)一信號處理一波形生成子選板中， 如下圖所示。利用這些波形生成函數(shù)可以生成不同類型的波形

27、信號和合成波形信號。這里主 要介紹基本函數(shù)發(fā)生器和公式波形。其余波形產(chǎn)生的方法可以參考LabVIEW幫助文檔。圖2（1）基本函數(shù)發(fā)生器基本函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生指定類型的波形。常見的波形，例如正弦波形、方波波形、三角波 形、鋸齒波形都可以由基本函數(shù)發(fā)生器來產(chǎn)生，其節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)和端口定義如圖3所示?；竞瘮?shù)發(fā)生器Basic Function Generator, vi偏移星 重置信號 信號類型信號輸出 相位輸出 錯誤輸出頻率幅值相位 ： 錯誤輸入（無錯誤）采樣信M 方波占空比哭）圖3輸入信號包括偏移量、信號類型、頻率、幅值、相位、采樣信息、方波占空比等。偏移 量是指信號的直流偏移量（默認(rèn)為0.0）。信號類型

28、包括正弦波、方波、三角波、鋸齒波。頻率是指產(chǎn)生信號的頻率（默認(rèn)為10HZ）。幅值表示信號的峰值電壓，默認(rèn)為1.0V。 相位表示波形的初始相位，以度為單位（默認(rèn)為0）。采樣信息包含采樣頻率（默認(rèn)為1KHZ） 和采樣點(diǎn)數(shù)（默認(rèn)為1000）。方波占空比在信號類型為方波時才有效。信號輸出為輸出的波形，相位輸出為產(chǎn)生的信號的相位。（2）公式波形公式波形是按照公式輸入引腳產(chǎn)生響應(yīng)的波形輸出，如圖4所示。公式波形BT_IAPro. Ivlib:Foraula 1avefora. vi偏移是重置信號信號輸出錯誤輸出翻率幅值|公式錯誤輸入（黃錯誤） 采樣信息一D/A轉(zhuǎn)換過程LabVIEW產(chǎn)生的仿真信號由波形數(shù)據(jù)

29、構(gòu)成，這些數(shù)據(jù)通過D/A轉(zhuǎn)換就可以轉(zhuǎn)換為真實 的信號源。本實驗中要產(chǎn)生雙路信號源，所以采用了 TL5632來完成D/A轉(zhuǎn)換，將LABVIEW 產(chǎn)生的波形樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換為模擬信號波形。TL5632S是一種低功耗、超高速的8位VGA數(shù)模轉(zhuǎn) 換芯片，具有三個I/O通道，所以較適合作為雙通道的D/A轉(zhuǎn)換芯片。在D/A轉(zhuǎn)換過程中， 需要一些邏輯時序來控制D/A轉(zhuǎn)換的啟動和轉(zhuǎn)換結(jié)束，這由DSP和CPLD邏輯控制單元共 同來完成。虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計虛擬信號發(fā)生器是根據(jù)上述的系統(tǒng)工作原理而設(shè)計的LabVIEW程序，主要用來產(chǎn)生正 弦波、方波、三角波和任何函數(shù)波形，其前面板如圖5所示。頻率56幅度1占空比保)40

30、5p 6030 7Sf10Q 0 120-10 J01.信號類型任意波形公式分正弦波1 sin (w*t)*Ein(2*pi (1 )*t)圖5當(dāng)信號類型選擇為任意波形時，需要在任意波形公式框中輸入想產(chǎn)生的波形公式。為了更準(zhǔn)確的定位信號的頻率，信號頻率的最終值是由頻率檔位選擇和頻率旋鈕共同確 定，即信號的頻率=頻率旋鈕值*頻率檔位，例如若頻率旋鈕顯示4.5,而頻率檔位為1K-10K， 則信號最終頻率為4.5K。占空比旋鈕只對方波有作用。程序框圖如圖6所示。圖6四、實驗步驟（1）將兩個Q9接口一端分別連接至虛擬信號源面板的CH201、CH202測試通道，另一端連接到實際示波器通道1和通道2上。（

31、2）運(yùn)行虛擬信號源程序。前面板如圖7所示。圖7（3）選擇信號類型，并調(diào)整幅度、頻率、占空比等旋鈕，用示波器來觀測信號波形的 變化。五、實驗報告（1）利用前面所介紹的知識，設(shè)計一個仿真信號產(chǎn)生器，包括信號類型、幅度、相位、頻 率等旋鈕。（2）通過波形圖來顯示仿真信號的波形，并調(diào)整信號類型、幅度、頻率等旋鈕來觀測信號 波形的變化。（3）添加一個信號采樣信息控件，改變采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)，觀測信號的變化。實驗六頻譜分析儀設(shè)計實驗一、實驗?zāi)康牧私忸l譜分析儀的基本工作原理；學(xué)會使用LabVIEW中關(guān)于頻譜分析的節(jié)點(diǎn)；掌握頻譜分析儀的設(shè)計方法。二、實驗器材計算機(jī)一臺LabVIEW8.20 軟件一套信號源一臺

32、USB連接線一條信號輸入連接線一條三、實驗原理系統(tǒng)的工作原理頻譜分析儀主要用于分析信號中所包含的頻率成分，即分析信號的頻譜分布。在實際的 測量中，絕對純的正弦信號是不存在的，對于周期信號，傅里葉變換用作為變量，幾乎 每個正弦信號都是由基波和各次諧波組成的，非正弦信號也可分解為頻率不同的正弦波。本 實驗根據(jù)頻譜分析的原理，設(shè)計一個虛擬頻譜分析儀，并通過它來觀測周期信號的頻譜。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1具體工作過程如下：輸入信號為外部電路或信號源產(chǎn)生的信號，它輸入到虛擬頻譜儀模 塊，再經(jīng)過相應(yīng)的放大，傳送到A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊在DSP和CPLD的控制之下， 將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字

33、信號，并傳遞給DSP，DSP再將數(shù)據(jù)通過USB接口計算機(jī)， 計算機(jī)對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，轉(zhuǎn)換為信號的頻譜，并通過LabVIEW前面板顯示。在頻譜分析中，采用了計算法頻譜分析，直接計算有限長序列的離散傅里葉變換DFT， 即可獲得信號序列的離散頻譜。有限長離散序列雙)和它的頻譜*(k)之間的DFT可以表示為：X (k) = N 1 x(n)W knNn=0 x(n) = 1 X (k )W -kn NNk=0由于離散傅里葉變化具有選頻性，所以對信號進(jìn)行DFT就可以獲得信號的頻率分量。2 .頻譜分析節(jié)點(diǎn)LabVIEW8.20提供了豐富的時域和頻域轉(zhuǎn)換函數(shù)，位于函數(shù)一信號處理一譜分析中， 或在

34、函數(shù)一信號處理一波形測量。如圖2所示。利用提供的這些函數(shù)就可以完成信號頻譜的測量。幅度譜和相位譜的測量LabVIEW提供了測量信號幅度譜和相位譜的函數(shù)，其圖標(biāo)和端口定義如圖3所示。FFTS (幅度-相位HT_IAFro.Ivlib:FFT Spectrua (Mag-Fhase). vi重新開始平均(F) 時間信號 窗 查看 錯誤輸入(無錯灌)平均參數(shù)-完成平均幅度孔相位: 已完成平均數(shù):-錯誤輸出圖3具體每個端口的詳細(xì)定義，可查看LabVIEW在線幫助。功率譜的測量LabVIEW提供了測量信號功率譜的函數(shù)，其圖標(biāo)和端口定義如圖4所示。m功率請HI_iAPro. Ivlib:FFT Fover

35、 Spectrua. vi重新開始平均(F)時間信號 窗 顯示為錯誤輸入(無錯誤)平均參數(shù)完成平均 功率譜已完成平均數(shù) 錯誤輸出圖4具體每個端口的詳細(xì)定義，可查看LabVIEW在線幫助。（3）功率譜密度的測量LabVIEW提供了測量信號功率譜的函數(shù)，其圖標(biāo)和端口定義如圖5所示。HT_iAPro.Ivlib:FFT Fover Spectral Density, vi重新開始平均（J）時間信號 窗 顯示為dB （F） 錯誤輸入（無錯誤）平均參數(shù)完成平均-功率譜密度已完成平均數(shù) 匚錯誤輸出圖5具體每個端口的詳細(xì)定義，可查看LabVIEW在線幫助。四、實驗步驟1.實際信號的頻譜參數(shù)測量（1）通過Q9

36、接口將待測的時域波形輸入與虛擬儀器技術(shù)實驗平臺中的虛擬頻譜儀CH1 接口相連。（2）通過USB 口將虛擬儀器技術(shù)實驗平臺與計算機(jī)連接。（3）運(yùn)行虛擬頻譜分析儀軟件。前面板如圖6所示。圖6左邊波形圖顯示時域波形，右邊的波形圖顯示頻譜參數(shù)，根據(jù)左上角的系統(tǒng)選項卡控件， 可選擇觀測幅度譜、相位譜、功率譜和功率譜密度。（4）使用采樣率調(diào)整旋鈕來修改時域信號的采樣率，保證在時域波形圖顯示48個信 號周期。（5）為了較清楚的觀測信號頻譜，使用頻率范圍旋鈕來限定信號頻譜顯示的最大頻譜 范圍。（6）觀測輸入實際信號的幅度譜、相位譜、功率譜、功率譜密度等波形圖。（7）調(diào)整輸入的時域信號，觀測頻譜波形的變化，并運(yùn)

37、用所學(xué)頻譜的理論知識做出解 釋。五、實驗報告給出仿真信號頻譜設(shè)計儀的設(shè)計。仿真信號的頻譜測量，主要是測量由LabVIEW產(chǎn)生的時域仿真波形的頻譜，根據(jù)前面 板的輸入時域參數(shù)，改變輸入的時域波形，觀測信號頻譜的變化。信號類型為輸入的仿真信號的類型，可以為正弦波、三角波、方波、鋸齒波等。幅度和 頻率旋鈕為輸入時域信號的幅度和相位。左邊波形圖顯示時域波形，右邊的波形圖顯示頻譜 參數(shù)，根據(jù)左上角的系統(tǒng)選項卡控件，可選擇觀測幅度譜、相位譜、功率譜和功率譜密度。具體要求如下：（1）基于基本函數(shù)產(chǎn)生器來設(shè)計一個輸入仿真信號，幅度、信號類型和方波占空比可 調(diào)，并通過波形圖來顯示。（2）將產(chǎn)生的仿真時域波形輸入

38、到前面介紹的幅度譜、相位譜、功率譜、功率譜密度 等函數(shù)連接，并將頻域測試結(jié)構(gòu)通過波形來顯示。（3）修改信號類型、幅度、頻率等時域信號參數(shù)，來觀測信號頻譜波形變化，并對頻 譜波形做出解釋。實驗七 實際測控系統(tǒng)設(shè)計實驗一、實驗?zāi)康牧私鉁y控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)；了解利用溫度控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)和告警的過程;掌握串口通信和電機(jī)控制的設(shè)計方法。二、實驗器材計算機(jī)一臺LabVIEW8.20 軟件一套串口線一根分布式溫度采集模塊一塊傳感器控制模塊一塊I/O控制模塊一塊步進(jìn)電機(jī)和繼電器控制模塊一塊20腳雙排電纜連接線一根測試連接線四根三、實驗原理1.系統(tǒng)組成框圖本實驗根據(jù)采集的溫度來控制步進(jìn)電機(jī)的工作。系統(tǒng)組成框圖如圖

39、1所示:數(shù)字溫度傳感器單片機(jī)*LabView 前面板 DSP步進(jìn)電機(jī)圖1系統(tǒng)工作過程：單片機(jī)讀取數(shù)字溫度傳感器所傳送的溫度數(shù)據(jù)，并通過串口傳遞給 LabVIEW前面板，LabVIEW將獲取的溫度與預(yù)設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn) 速和轉(zhuǎn)向。當(dāng)采集溫度與預(yù)設(shè)溫度超過一定門限時，繼電器吸合，指示燈亮。2. LabVIEW程序設(shè)計測控系統(tǒng)設(shè)計實驗的前面板如圖2所示。測控系統(tǒng)設(shè)計實驗圖2用戶可以在串口配置模塊根據(jù)本機(jī)的配置選擇通信的VISA資源名稱（COM1、COM2 等），波特率，數(shù)據(jù)比特和奇偶校驗。溫度計模塊以數(shù)字和圖形的方式顯示測量的溫度。用戶可以在步進(jìn)電機(jī)溫度控制模塊設(shè) 置基準(zhǔn)溫度，當(dāng)

40、實測溫度超過基準(zhǔn)溫度時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)實測溫度低于基準(zhǔn)溫度時，電機(jī)反 轉(zhuǎn)，而且實測溫度與基準(zhǔn)溫度的差距越大，電機(jī)轉(zhuǎn)動越快，差距越小，電機(jī)轉(zhuǎn)動越慢。繼電器溫度差門限值用于用戶設(shè)置當(dāng)實測溫度與基本溫度差別到達(dá)一定門限時，電機(jī)告 警，LED燈亮，同時電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)實測溫度與基準(zhǔn)溫度差小于該門限時，LED燈滅， 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。四、實驗步驟將I/O擴(kuò)展模塊與總線擴(kuò)展接口通過20線電纜相連接。將I/O擴(kuò)展模塊的OUT3OUT1與步進(jìn)電機(jī)與繼電器控制模塊的PE01PE03通過 連接線相連接。將I/O擴(kuò)展模塊的OUT4與步進(jìn)電機(jī)模塊的I/O1相連接。3 .將虛擬儀器技術(shù)實驗平臺與計算機(jī)通過USB 口相連接。將分布

41、式溫度采集模塊與計算機(jī)通過串口連接，并將該模塊的P1.0插孔與傳感器控 制模塊的I/O插孔連接。在計算機(jī)端打開測控系統(tǒng)設(shè)計程序前面板。根據(jù)本機(jī)的配置選擇通信的VISA資源名稱（COM1、COM2等），波特率設(shè)置為1200 比特，數(shù)據(jù)比特設(shè)置為8位，奇偶校驗設(shè)置為偶校驗（EVEN）。運(yùn)行LabVIEW程序，觀測前面板的溫度顯示，并將手放置到數(shù)字溫度傳感器上， 觀測溫度計數(shù)字的變化。調(diào)整前面板中基準(zhǔn)溫度的設(shè)置值，改變實測溫度與基準(zhǔn)溫度的差值，觀測步進(jìn)電機(jī) 的轉(zhuǎn)動情況。調(diào)整前面板中繼電器溫度差門限值，來觀測步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動和繼電器吸合、LED燈 亮的情況。五、實驗報告寫出上述實驗過程中所觀察到的現(xiàn)象。

42、實驗八FIR濾波器設(shè)計實驗一、實驗?zāi)康牧私釬IR濾波器設(shè)計的原理；了解LabVIEW中FIR濾波器系數(shù)的產(chǎn)生方法；掌握在LabVIEW中繪制頻率響應(yīng)曲線的方法；觀測所設(shè)計的FIR濾波器的性能。二、實驗器材計算機(jī)一臺LabVIEW8.20 軟件一套信號分解模塊一塊測試連接線若干USB連接線一條信號源一臺示波器一臺一臺20腳雙排電纜連接線一根三、實驗原理1. FIR濾波器的設(shè)計原理一個線性時不變離散系統(tǒng)，或者說一個數(shù)字系統(tǒng)可以用系統(tǒng)函數(shù)來表示：bz T I H （z）=1 一乙 a z -ii=1也可以用差分方程表示：川）心 x（n -i） + 乙,y（R -i）i=0i=1由以上兩個公式中，當(dāng)a

43、i至少有一個不為0時，表達(dá)的是一個IIR數(shù)字濾波器；當(dāng)ai全都為0時，表達(dá)的是一個FIR數(shù)字濾波器。FIR數(shù)字濾波器可以看成是IIR數(shù)字濾波器ai全 都為0時的一個特例。通常,我們把FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)表示為:H (Z)=矣一1 h(n)Z - n其差分方程表示為:y (n)=旗 h(i)x(n 一 i)i=0FIR濾波器在保證幅度特性滿足技術(shù)要求的同時，很容易做到有嚴(yán)格的線性相位特性。H(z)是z -1的(N -1)次多項式，它在z平面上有(N -1)個零點(diǎn)，原點(diǎn)z = 0是(N -1)階 重極點(diǎn)。因此，H(z)永遠(yuǎn)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定和線性相位特性是FIR濾波器突出的優(yōu)點(diǎn)。FIR濾波器的設(shè)計任

44、務(wù)是選擇有限長度的h(n)，使傳輸函數(shù)H(e加)滿足技術(shù)要求。主要設(shè)計方法有窗函數(shù)法、頻率采樣法和切比雪夫等波紋逼近法。本實驗主要介紹用窗函數(shù) 法設(shè)計FIR數(shù)字濾波器。利用LabVIEW設(shè)計FIR濾波器系數(shù)LabVIEW軟件提供了根據(jù)濾波器指標(biāo)要求生成濾波器系數(shù)h(n)的節(jié)點(diǎn)FIR加窗濾波器系數(shù)，它在函數(shù)選板中所在的位置如圖1所示:圖1該函數(shù)的輸入輸出端口定義如圖2所示：F工駒窗帶波器系教FIR Tindoved Coeffi ci ents. viI窗參數(shù)高截止頻率:h濾波器類型舊FI助口窗濾波器系數(shù)采樣頻鯊錯誤窗一選項一低截止頻率:1濾波器類型為低通、高通、帶通、帶阻四種類型選項，采樣頻率為對模擬信號數(shù)字化的 采樣頻率，抽頭為所設(shè)計的濾波器階數(shù)，即FIR濾波器的系數(shù)個數(shù)，窗為可選擇的加窗類型， 可以選擇類型為矩形窗、海寧窗、漢明窗、Blackman-Harris、Exact Blackman、Blackman窗 等。選項指定是否縮放濾波器系數(shù)。低截止頻率和高截止頻率分別指定所需的濾波器截止頻 率。FIR加窗濾波器系數(shù)則根據(jù)輸入?yún)?shù)的要求產(chǎn)生所學(xué)的濾波器系數(shù)h(n)。濾波器頻響特性曲線頻率器頻響特性曲線包括幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)，它是根據(jù)濾波器系數(shù)h(n)來生成H(ej