基于LABVIEW的虛擬信號(hào)分析儀器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目基于LABVIEW的虛擬信號(hào)分析儀器的設(shè)計(jì)目錄TOC\o\h\z\uTOC\o\h\z\u摘要 1第一章虛擬儀器概述 31.1儀器的發(fā)展 31.1.1儀器的發(fā)展 31.1.2虛擬儀器的發(fā)展歷程 41.1.3虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì) 41.2虛擬儀器 51.2.1虛擬儀器概念 51.2.2虛擬儀器的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì) 51.2.3虛擬儀器的分類 71.2.4虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成 81.3LabVIEW 101.3.1LabVIEW簡(jiǎn)介 101.3.2LabVIEW應(yīng)用程序的構(gòu)成 101.3.3LabVIEW中的操作模板 12第二章信號(hào)發(fā)生 132.1信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展史 132.2信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 142.2.1信號(hào)的發(fā)生 142.2.2基本函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 162.2.3基本混合單頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 182.2.4均勻白噪聲信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 212.2.5公式波形信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 22第三章信號(hào)分析 233.1信號(hào)的時(shí)域分析 233.1.1測(cè)量信號(hào)的基本平均值與均方差 243.1.2信號(hào)的幅值以及極大值、極小值 253.2信號(hào)的頻域分析 263.2.1快速傅里葉變換幅值—相位譜 263.2.2FFT頻譜（幅度-相位） 27第四章信號(hào)的處理 294.1信號(hào)的濾波處理 294.2巴特沃斯濾波器的濾波設(shè)計(jì) 294.3數(shù)字FIR濾波器的濾波設(shè)計(jì) 304.4濾波器ExpressVI的濾波設(shè)計(jì) 31第五章虛擬信號(hào)分析儀器的綜合設(shè)計(jì) 345.1虛擬信號(hào)分析儀器綜合設(shè)計(jì)前面板 345.2虛擬信號(hào)分析儀器綜合設(shè)計(jì)程序框圖 355.3虛擬信號(hào)分析儀器的運(yùn)行 36第六章總結(jié) 37參考文獻(xiàn) 38致謝 39摘要虛擬儀器是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融為一體，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，從而完成各種測(cè)試功能的儀器系統(tǒng)。它充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展儀器的功能，用計(jì)算機(jī)屏幕可以簡(jiǎn)單地模擬大多數(shù)儀器的調(diào)節(jié)控制面板，以各種需要的形式表達(dá)并且輸出檢測(cè)結(jié)果，用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)大部分信號(hào)的分析和處理,完成大多數(shù)控制和檢測(cè)功能。LabVIEW是一種高效用于構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖形化編程語(yǔ)言。本文運(yùn)用LABVIEW設(shè)計(jì)出一個(gè)信號(hào)的產(chǎn)生、分析和處理的應(yīng)用程序。可以根據(jù)要求，產(chǎn)生多種常用信號(hào)，并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行時(shí)域和頻域的常用分析。首先是對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行時(shí)域波形顯示,頻域頻譜顯示。最后再對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析,除掉諧波干擾信號(hào)。關(guān)鍵詞：LabVIEW虛擬儀器信號(hào)處理ABSTRACTVirtualinstrumentisonthecomputerasthecoreofhardwareplatform,throughthesoftwaretothecomputerhardwareresourcesandhardwareorganicallyfuseandinstrumentusingpowerfulcomputersoftwarefunctiontorealizesignaldatacalculations,analysis,processing,soastocompletethefunctionofvarioustestinstrumentsystem.Itmakefulluseofthelatestcomputertechnologytorealizeandexpandthefunctionoftheinstrument,useacomputerscreencansimplysimulatemostoftheinstrumentstoadjustthecontrolpanel,expressedintheformofavarietyofneedsandoutputtestresults,usingcomputersoftwaretorealizemostofthesignalanalysisandprocessing,completemostofthecontrolanddetection.LabVIEWisaneffectiveandwidelyusedtoconstructthedataacquisitionandmonitoringsystemforthegraphicalprogramminglanguage.ThispaperUSESLABVIEWdesignasignalanalysisandprocessingoftheapplication.Canbegeneratedaccordingtotherequirements,avarietyofcommonlyusedsignals,andcancarryonthetimedomainandfrequencydomainanalysisofthecommonlyused.Thefirstistheoriginalsignal,accordingtothetimedomainwaveformfrequencyspectrumdisplay.Finally,thesignalafterfilteringcorrelationanalysis,getridofharmonicinterferencesignal.Keywords：LabVIEW;virtual;signalprocessing第一章虛擬儀器的概述計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器（virtualinstruments）主要是指這種方式,充分利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)資源，配以獨(dú)特設(shè)計(jì)的軟硬件，實(shí)現(xiàn)普通儀器的全部功能以及一些在普通儀器上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。1.1儀器的發(fā)展1.1.1儀器的發(fā)展隨著電子技術(shù)的發(fā)展，儀器的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)時(shí)期:

第一代儀器：模擬儀器。如指針式萬(wàn)用表、晶體管電壓表，它們的基本特征是采用模擬電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)，采用指針顯示結(jié)果。

第二代儀器：數(shù)字化儀器

數(shù)字化儀器目前相當(dāng)普及，如數(shù)字電壓表、頻率計(jì)等。這類儀器將模擬信號(hào)的測(cè)量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的測(cè)量，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果。

第三代儀器：智能儀器

智能儀器內(nèi)置微處理器，能進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，可取代部分腦力勞動(dòng)。它的全部功能全部都是以硬件（或固化的軟件）的形式存在，無(wú)論是開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。

第四代儀器：虛擬儀器

虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是將來儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。從1988年開始，陸續(xù)有虛擬儀器產(chǎn)品面市。此后，虛擬儀器產(chǎn)品飛速增加。

從儀器的發(fā)展歷史可以看出，儀器領(lǐng)域已經(jīng)歷了兩次技術(shù)革命。第一次儀器革命是由于數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展引起的，使儀器形態(tài)進(jìn)入了數(shù)字化儀器時(shí)代；第二次儀器革命是由于微處理器的大量應(yīng)用引起的，使儀器形態(tài)進(jìn)入了智能儀器時(shí)代。目前，儀器領(lǐng)域正在進(jìn)行第三次儀器革命，這次革命是由通用計(jì)算機(jī)硬軟件技術(shù)的進(jìn)步引起的，這次儀器革命將使儀器形態(tài)進(jìn)入第四個(gè)時(shí)期：虛擬儀器時(shí)代。[2]1.1.2虛擬儀器的發(fā)展歷程虛擬儀器的起源可以追朔到20世紀(jì)70年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在國(guó)防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。PC機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級(jí)的計(jì)算機(jī)化成為可能，甚至在Microsoft公司的Windows誕生之前，NI公司已經(jīng)在Macintosh計(jì)算機(jī)上推出了LabVIEW2.0以前的版本。對(duì)虛擬儀器和LabVIEW長(zhǎng)期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。虛擬儀器從概念的提出到目前技術(shù)的日趨成熟，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)的革命。大致說來，虛擬儀器發(fā)展至今，可以分為三個(gè)階段，而這三個(gè)階段又可以說是同步進(jìn)行的。[8]

第一階段，利用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能。由于GPIB總線標(biāo)準(zhǔn)的確立，計(jì)算機(jī)和外界通信成為可能，只需要把傳統(tǒng)儀器通過GPIB和RS-232同計(jì)算機(jī)連接起來，用戶就可以用計(jì)算機(jī)控制儀器。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能價(jià)格比的不斷上升，用計(jì)算機(jī)控制測(cè)控儀器成為一種趨勢(shì)。這一階段虛擬儀器的發(fā)展幾乎是直線前進(jìn)。

第二階段，開放式的儀器構(gòu)成。儀器硬件上出現(xiàn)了兩大技術(shù)進(jìn)步：一是插入式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理卡(plug-inPC-DAQ)；二是VXI儀器總線標(biāo)準(zhǔn)的確立。這些新的技術(shù)使儀器的構(gòu)成得以開放，消除了第一階段內(nèi)在的由用戶定義和供應(yīng)商定義儀器功能的區(qū)別。第三階段，虛擬儀器框架得到了廣泛認(rèn)同和采用。軟件領(lǐng)域面向?qū)ο蠹夹g(shù)把任何用戶構(gòu)建虛擬儀器需要知道的東西封裝起來。許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在硬件和軟件領(lǐng)域以產(chǎn)生，幾個(gè)虛擬儀器平臺(tái)已經(jīng)得到認(rèn)可并逐漸成為虛擬儀器行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工具。發(fā)展到這一階段，人們也認(rèn)識(shí)到了虛擬儀器軟件框架才是數(shù)據(jù)采集和儀器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵。[1]1.1.3虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和多種基礎(chǔ)學(xué)科緊密結(jié)合的產(chǎn)物。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，新的測(cè)試?yán)碚?、測(cè)試方法、測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化。在此背景下，1986年美國(guó)國(guó)家儀器公司(NationalInstruments，NI)提出了虛擬儀器(VirtualInstrument，VI)的概念。盡管迄今為止虛擬儀器還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，但是一般認(rèn)為：虛擬儀器是在PC基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的可重用測(cè)試儀器系統(tǒng)。作為一種以計(jì)算機(jī)軟件為核心的新型儀器系統(tǒng)，虛擬儀器具有功能強(qiáng)、測(cè)試精度高、測(cè)試速度快、自動(dòng)化程度高、人機(jī)界面優(yōu)異、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通常被認(rèn)為是第三代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的同義語(yǔ)[3]。使用虛擬儀器系統(tǒng)可以避免儀器編程過程中的大量重復(fù)性勞動(dòng)，從而大大縮短復(fù)雜程序的開發(fā)時(shí)間，并且客戶可以用不同的模塊來構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)，選擇統(tǒng)一的測(cè)試策略。由于虛擬儀器的功能和性能已被不斷提高，如今在許多應(yīng)用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。而虛擬儀器的各種優(yōu)點(diǎn)讓用戶可放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備，接受更新型、以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬儀器系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比不斷改進(jìn)，使虛擬儀器的價(jià)格更為大眾化，用戶不必再受限于傳統(tǒng)儀器的使用限制和昂貴的價(jià)格，進(jìn)一步降低了使用成本，減少了系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用[4]。此外，新型筆記本電腦又把虛擬儀器的便攜性和強(qiáng)大功能推向一個(gè)新的水平。所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā)展，使它的功能和應(yīng)用領(lǐng)域不斷增強(qiáng)和擴(kuò)大。在測(cè)量、檢測(cè)、電信、監(jiān)控、教育等方面的應(yīng)用已廣泛開展。[4]1.2虛擬儀器1.2.1虛擬儀器概念虛擬儀器的概念是由美國(guó)國(guó)家儀器公司最先提出的。所謂虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測(cè)試平臺(tái)，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀等，可集成于自動(dòng)控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中，可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測(cè)量?jī)x器。虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器”。該技術(shù)把儀器分為計(jì)算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分。虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測(cè)量?jī)x器為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件和測(cè)量?jī)x器等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源有機(jī)的結(jié)合起來。1.2.2虛擬儀器的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的功能化硬件模塊和計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成的電子測(cè)試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心，如圖1.2所示，其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件，而這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動(dòng)軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無(wú)關(guān)。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點(diǎn)之一，有了這一點(diǎn)，儀器的開發(fā)和換代時(shí)間將大大縮短。虛擬儀器中應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件和可重復(fù)用庫(kù)函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時(shí)與觸發(fā)。由于VI的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點(diǎn)，當(dāng)用戶的測(cè)試要求變化時(shí)可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測(cè)試要求。這樣，當(dāng)用戶從一個(gè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，就能簡(jiǎn)單地構(gòu)造出新的VI系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源[8]。圖1.2-1虛擬儀器開發(fā)框圖虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。虛擬儀器技術(shù)十分符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作“軟件儀器”。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測(cè)特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)，它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡(jiǎn)約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶經(jīng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程。虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨(dú)立儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。在高速度、高帶寬和專業(yè)測(cè)試領(lǐng)域，獨(dú)立儀器具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。在中低檔測(cè)試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨(dú)立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)化測(cè)試是虛擬儀器的強(qiáng)項(xiàng)，這是傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器難以勝任的。1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè)，上面布置了種類繁多的顯示和操作元件。由此導(dǎo)致許多識(shí)讀和操作錯(cuò)誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個(gè)分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化和面板布置的簡(jiǎn)潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。同時(shí)，虛擬儀器的面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受標(biāo)準(zhǔn)元件和加工工藝的限制，由編程來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶的要求和操作需要來設(shè)計(jì)儀器面板。2）在通用硬件平臺(tái)確定后，軟件取代傳統(tǒng)儀器中由硬件完成的儀器功能。3）儀器的功能是由用戶根據(jù)需要用軟件來定義，不是事先由廠家定義的。4）儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，不需購(gòu)買新儀器。5）虛擬儀器開放、靈活，與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。6）由于其以PC為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過程不必像過去那樣由測(cè)試儀器本身來完成，而是在軟件的支持下，利用PC機(jī)CPU的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來完成，使得基于虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度、速度大為提高，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、多任務(wù)測(cè)量。7）可方便地存貯和交換測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣。8）虛擬儀器在高性價(jià)比的條件下，降低了系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，縮短技術(shù)更新周期。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)形成了網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。這是一種新型的基于Web技術(shù)的虛擬儀器，使得虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)成為Internet的一部分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和管理。[3]1.2.3虛擬儀器的分類虛擬儀器的發(fā)展隨著微機(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：1）PC總線——插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結(jié)合（注：美國(guó)NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過各種控件自已組建各種儀器。Labview/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語(yǔ)言VisualC++,VisualBasic,Labviews/cvi構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利。但是受PC機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無(wú)屏蔽等缺點(diǎn)。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線的虛擬儀器價(jià)格比較昂貴。2）并行口式虛擬儀器最新發(fā)展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，它們把儀器硬件集成在一個(gè)采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通?？梢酝瓿筛鞣N測(cè)量測(cè)試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表、功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國(guó)LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。由于其價(jià)格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。3）GBIB總線方式的虛擬儀器GPIB技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)GPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口可帶多達(dá)14臺(tái)儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá)40米。GPIB技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺(tái)儀器組合起來，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。GPIB測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，主要應(yīng)用于臺(tái)式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對(duì)計(jì)算機(jī)高速傳輸狀況時(shí)應(yīng)用。4）VXI總線方式虛擬儀器VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線VME總線在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(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、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)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)，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過十多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。然而，組建VXI總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。5）PXI總線方式虛擬儀器PXI總線方式是PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴(kuò)展性。PXI具有8個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有3~4個(gè)擴(kuò)展槽，通過使用PCI—PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽，臺(tái)式PC的性能價(jià)格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺(tái)。[5]1.2.4虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。這種結(jié)合基本有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是智能化儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)，以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能，虛擬儀器主要是指這種方式[9]。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，主要由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果顯示三部分組成。如圖1.2.4-1所示。圖1.2.4-1虛擬儀器的內(nèi)部功能的劃分對(duì)于傳統(tǒng)儀器，這三個(gè)部分幾乎均由硬件完成。對(duì)于虛擬儀器，前一部分由硬件構(gòu)成，后兩部分主要由軟件實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計(jì)日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，使設(shè)計(jì)工作量大大減小。通常虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)硬件組成部分是由傳感器部件、信號(hào)調(diào)理及信號(hào)采集部件、通用計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等構(gòu)成。系統(tǒng)軟件部分通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語(yǔ)言編寫而成，并可通過Internet實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。下面的框圖反映了常見的虛擬儀器組成方案。圖1.2.4-2虛擬儀器組成方案圖1.2.4-2是采用的虛擬儀器總框圖,其中硬件部分為DAQ板卡,軟件部分包括儀器驅(qū)動(dòng)程序以及用LabVIEW編寫的應(yīng)用程序。圖1.2.4-3虛擬儀器組成總框圖從構(gòu)成要素講，VI系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的；從構(gòu)成方式講，則有以DAQ板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)，以GPIB、VXI、Serial和Fieldbus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(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式。無(wú)論哪種VI系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、臺(tái)式PC或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。因此，VI的發(fā)展已經(jīng)完全跟上計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展步伐，同時(shí)也顯示出VI的靈活性與強(qiáng)大生命力。[7]1.3LabVIEW1.3.1LabVIEW簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW(laboratoryvirtualinstrumentengineeringwokbench——實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))的概念,是直觀的前面板與流程圖式的編程方法的結(jié)合,是構(gòu)建虛擬儀器的理想工具。LabVIEW和儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示部分一起協(xié)調(diào)工作,是簡(jiǎn)化了而又更易于使用的基于圖形化編程語(yǔ)言G的開發(fā)環(huán)境。[2]前面板是一個(gè)傳統(tǒng)的儀器概念,而軟件前面板其實(shí)是自動(dòng)化的拓展,因?yàn)樗鼈儽３至藗鹘y(tǒng)直觀的視覺和感覺效果。同時(shí),軟件前面板創(chuàng)建了一個(gè)真正的接口,無(wú)論用戶使用什么類型的硬件,并且,不像硬件前面板,軟件前面板只包含了對(duì)于一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合很重要的參數(shù),用戶能夠很容易地從一個(gè)單一前面板控制多臺(tái),并把整個(gè)系統(tǒng)作為一臺(tái)虛擬儀器來看待。流程圖式的程序設(shè)計(jì)與科技工程人員較為熟悉的數(shù)據(jù)流和方塊圖的概念是一致的,而且由于流程圖與傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)法細(xì)節(jié)無(wú)關(guān),構(gòu)建和測(cè)試程序就可以少費(fèi)時(shí)間。使用流程圖方法可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的自我復(fù)制,采用前面板、流程圖、圖標(biāo)等,用戶就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖形化描述,同時(shí),用戶還能夠重用虛擬儀器,可以隨時(shí)改變虛擬儀器來滿足自己的需要。LabVIEW集成了很多儀器硬件庫(kù),如GPIB/VXI/PXI/基于計(jì)算機(jī)的儀器、RS232/485協(xié)議、插入式數(shù)據(jù)采集、模擬/數(shù)字/計(jì)數(shù)器Ｉ/Ｏ、信號(hào)調(diào)理、分布式數(shù)據(jù)采集、圖像獲取和機(jī)器視覺、運(yùn)動(dòng)控制、PLC/數(shù)據(jù)日志等。與傳統(tǒng)的編程方式相比,使用LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀器,可以提高效率4～10倍。同時(shí),利用其模塊化和遞歸方式,用戶可以在很短的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建、設(shè)計(jì)和更改自己的虛擬儀器系統(tǒng)。[6]1.3.2LabVIEW應(yīng)用程序的構(gòu)成所有的LabView應(yīng)用程序，即虛擬儀器（VI），它包括前面板（frontpanel）、流程圖（blockdiagram）以及圖標(biāo)/連結(jié)器(icon/connector)三部分。前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制（control）和顯示對(duì)象（indicator）。圖4－1所示是一個(gè)虛擬示波器的前面板。顯然，并非簡(jiǎn)單地畫兩個(gè)控件就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個(gè)與之配套的流程圖。圖1.3.2-1仿真信號(hào)ExpressVI的使用前面板流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對(duì)VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件的連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。圖1.3.2-2是與圖1.3.2-1對(duì)應(yīng)的流程圖。圖1.3.2-2程序框圖如果將VI與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的東西。在許多情況下，使用VI可以仿真標(biāo)準(zhǔn)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無(wú)幾。VI具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個(gè)VI可以作為子程序，這里稱為子VI（subVI），被其他VI調(diào)用。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)1.3.3LabVIEW中的操作模板LabVIEW具有多個(gè)圖形化的操作模板，用于創(chuàng)建和運(yùn)行程序[1]。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動(dòng)，并可以放置在屏幕的任意位置。操縱模板共有三類，為工具（Tools）選板、控制（Controls）選板和函數(shù)（Functions）選板。工具選板工具模板用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在【查看(V)】菜單下選擇【工具選板（T）】命令以顯示該模板。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀。當(dāng)從【查看(V)】菜單下選擇了【工具選板（T）】功能后，把工具選板內(nèi)選定的任一種工具光標(biāo)放在流程圖程序的子程序（SubVI）或圖標(biāo)上，就會(huì)顯示相應(yīng)的幫助信息。與工具模板不同，控制和功能模板只顯示頂層子模板的圖標(biāo)。這些頂層子模板中包含許多不同的控制或功能子模板。通過這些控制或功能子模板可以找到創(chuàng)建程序所需的面板對(duì)象和框圖對(duì)象。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊頂層子模板圖標(biāo)就可以展開對(duì)應(yīng)的控制或功能子模板，只需按下控制或功能子模板左上角的大頭針就可以把對(duì)這個(gè)子模板變成浮動(dòng)板留在屏幕上。控制選板用控制選板可以給前面板添加輸入控制和輸出顯示。每個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè)子模板。如果控制選板不顯示，可以用【查看(V)】菜單的【控制選板（T）】功能打開它，也可以在前面板的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制選板。函數(shù)選板函數(shù)選板是創(chuàng)建框圖程序的工具。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。若功能選板不出現(xiàn)，則可以用【查看(V)】菜單下的【功能選板（T）】功能打開它，也可以在框圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能選板。注：只有打開了框圖程序窗口，才能出現(xiàn)功能選板。圖1.3-1工具選板、控制選板和函數(shù)選板信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)必不可少的裝置，被廣泛地應(yīng)用到教學(xué)、科研等各個(gè)領(lǐng)域。高等學(xué)校特別是理工科的教學(xué)、科研需要大量的儀器設(shè)備，例如信號(hào)源、示波器等，常用儀器都必須配置多套，但是有些儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，如果按照傳統(tǒng)模式新建或者改造實(shí)驗(yàn)室投資巨大，造成許多學(xué)校儀器設(shè)備缺乏或過時(shí)陳舊，嚴(yán)重影響教學(xué)科研。如果運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)，代替常規(guī)儀器、儀表，不但可以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要、節(jié)約大量的經(jīng)費(fèi)、降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成本，而且能夠提高教學(xué)科研的質(zhì)量與效率2.1信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展史信號(hào)發(fā)生器是生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中應(yīng)用十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器，早在20年代電子設(shè)備剛出現(xiàn)時(shí)它就產(chǎn)生了。隨著通信和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，40年代出現(xiàn)了主要用于測(cè)試各種接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)發(fā)生器從定性分析的測(cè)試儀器發(fā)展成定量分析的測(cè)量?jī)x器。同時(shí)還出現(xiàn)了可用來測(cè)量脈沖電路或用作脈沖調(diào)制器的脈沖信號(hào)發(fā)生器。由于早期的信號(hào)發(fā)生器外型笨重，功能單一；數(shù)字信號(hào)發(fā)生器雖然有一定的功能擴(kuò)展，但價(jià)格昂貴，維護(hù)升級(jí)成本高，短時(shí)間內(nèi)難以普及應(yīng)用。直到1964年才出現(xiàn)第一臺(tái)全晶體管的信號(hào)發(fā)生器。自60年代以來信號(hào)發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器，這個(gè)時(shí)期的信號(hào)發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且僅能產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波和三角波等幾種簡(jiǎn)單波形，由于模擬電路的漂移較大，使其輸出的波形的幅度穩(wěn)定性差，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價(jià)格貴、功耗大等缺點(diǎn)，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號(hào)波形則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。自從70年代微處理器出現(xiàn)以后，利用微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，硬件和軟件使信號(hào)發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生比較復(fù)雜的波形。這時(shí)期的信號(hào)發(fā)生器多以軟件為主，實(shí)質(zhì)是采用微處理器對(duì)DAC的程序控制，就可以得到各種簡(jiǎn)單的波形。軟件控制波形的一個(gè)最大缺點(diǎn)就是輸出波形的頻率低，這主要是由CPU的工作速度決定的，如果想提高頻率可以改進(jìn)軟件程序減少其執(zhí)行周期時(shí)間或提高CPU的時(shí)鐘周期，但這些辦法是有限度的，根本的辦法還是要改進(jìn)硬件電路。隨著現(xiàn)代電子、計(jì)算機(jī)和信號(hào)處理等技術(shù)的發(fā)展，極大促進(jìn)了數(shù)字化技術(shù)在電子測(cè)量?jī)x器中的應(yīng)用，使原有的模擬信號(hào)處理逐步被數(shù)字信號(hào)處理所代替，從而擴(kuò)充了儀器信號(hào)的處理能力，提高了信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確度、精度和變換速度，克服了模擬信號(hào)處理的諸多缺點(diǎn)，數(shù)字信號(hào)發(fā)生器隨之發(fā)展起來。其基本原理如圖2.1-1所示。鍵盤顯示鍵盤顯示控制芯片D/A轉(zhuǎn)換電路波形發(fā)生器I/O控制信號(hào)采集信號(hào)輸出控制圖2.1-1信號(hào)發(fā)生器基本原理框圖信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用非常廣泛，種類繁多。首先，信號(hào)發(fā)生器可以分通用和專用兩大類，專用信號(hào)發(fā)生器主要為了某種特殊的測(cè)量目的而研制的，如電視信號(hào)發(fā)生器、脈沖編碼信號(hào)發(fā)生器等，這種發(fā)生器的特性是受測(cè)量對(duì)象的要求所制約的。其次，信號(hào)發(fā)生器按輸出波形又可分為按信號(hào)波形可分為正弦信號(hào)、函數(shù)（波形）信號(hào)、脈沖信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類。信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，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)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。[8]2.2信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)2.2.1信號(hào)的發(fā)生在labview中信號(hào)的發(fā)生方法總體上可以分成兩種，一種是通過外部硬件發(fā)生信號(hào)，用labview編寫程序控制計(jì)算機(jī)的A/D數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集而獲取信號(hào)；另一種方式是用labview程序本身產(chǎn)生波形信號(hào)，即用軟件產(chǎn)生信號(hào)。用labview程序進(jìn)行信號(hào)的發(fā)生主要依靠一些可以產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)的函數(shù)、VIs以及ExpressVIs來完成，另外一些數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)也可以用以產(chǎn)生波形信號(hào)?？梢杂靡援a(chǎn)生信號(hào)的函數(shù)、VIs以及ExpressVIs主要位于函數(shù)模板中的信號(hào)處理子模板以及數(shù)字子模板中如下圖： 圖2.2-1Labwiew中的WaveformGeneration子模板 圖2.2-2labview中數(shù)學(xué)子模板中的三角函數(shù)子模板圖2.2-3labview中數(shù)學(xué)子模板中的雙曲函數(shù)子模板2.2.2基本函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)基本函數(shù)發(fā)生器（BasicFunctionGenerator.vi）是labview中常用的用以產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)的VI，它可以產(chǎn)生四種基本信號(hào)：正弦波、方波、三角波和鋸齒波。可以控制四中信號(hào)的頻率、幅值以及相位等信息?；竞瘮?shù)發(fā)生器簡(jiǎn)介：偏移量指定信號(hào)的直流偏移量。默認(rèn)值為0.0。重置信號(hào)如值為TRUE，相位可重置為相位控件的值，時(shí)間標(biāo)識(shí)可重置為0。默認(rèn)值為FALSE。信號(hào)類型是要生成的波形的類型。

0SineWave（默認(rèn)）1TriangleWave2SquareWave3SawtoothWave頻率是波形頻率，以赫茲為單位。默認(rèn)值為10。幅值是波形的幅值。幅值也是峰值電壓。默認(rèn)值為1.0。相位是波形的初始相位，以度為單位。默認(rèn)值為0。如重置信號(hào)為FALSE，則VI忽略相位。錯(cuò)誤輸入（無(wú)錯(cuò)誤）表明節(jié)點(diǎn)運(yùn)行前發(fā)生的錯(cuò)誤。該輸入將提供標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸入功能。采樣信息包含采樣信息。Fs是每秒采樣率。默認(rèn)值為1000。#s是波形的采樣數(shù)。默認(rèn)值為1000。方波占空比是方波在一個(gè)周期內(nèi)高電平所占時(shí)間的百分比。僅當(dāng)信號(hào)類型是方波時(shí)，VI使用該參數(shù)。默認(rèn)值為50。信號(hào)輸出是生成的波形。相位輸出是波形的相位，以度為單位。錯(cuò)誤輸出包含錯(cuò)誤信息。該輸出將提供標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出功能?；竞瘮?shù)發(fā)生器詳細(xì)信息該VI可記錄上次生成波形的時(shí)間標(biāo)識(shí)，并從該點(diǎn)開始繼續(xù)遞增時(shí)間標(biāo)識(shí)。該函數(shù)可使用波形類型、采樣數(shù)目、相位輸入和要生成的波形頻率（以Hz為單位）作為輸入端。 圖2.2-4基本函數(shù)發(fā)生器程序框圖在該程序中以BasicFunctionGenerator.vi為核心，產(chǎn)生一個(gè)頻率、幅值以及相位均可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器，將信號(hào)用波形圖加以顯示，并用時(shí)序循環(huán)使程序能夠循環(huán)運(yùn)行。運(yùn)行程序，在程序運(yùn)行過程中可以改變信號(hào)類型及其幅值、頻率、相位等屬性，圖2.2-5中用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為10Hz，幅值為1V,相位為0的正弦信號(hào)；在圖2.2-6中，更改信號(hào)的類型為三角波，頻率改為5Hz，幅值調(diào)整為3V，相位更改為90°。 圖2.2-5信號(hào)發(fā)生器程序產(chǎn)生正弦信號(hào)圖2.2-6信號(hào)發(fā)生器程序產(chǎn)生三角波信號(hào)2.2.3基本混合單頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)Basicmultitone.vi是一種用以產(chǎn)生多種頻率成分正弦波相疊加的波形信號(hào)的vi，被稱為基本混合單頻信號(hào)發(fā)生器，其中頻率成分的個(gè)數(shù)由數(shù)據(jù)端口“#tones”決定，多個(gè)頻率成分的起始頻率由數(shù)據(jù)端口“startfrequency”決定，相鄰多個(gè)頻率成分之間的頻率差由數(shù)據(jù)端口“deltaf”決定，多個(gè)頻率成分的幅值相同，之間的相位差由數(shù)據(jù)端口“phaserelationship”決定?；旌蠁晤l信號(hào)發(fā)生器簡(jiǎn)介：生成波形，它是整數(shù)個(gè)周期的單頻正弦之和。幅值是所有單頻的縮放標(biāo)準(zhǔn)，即波形的最大絕對(duì)值。默認(rèn)值為-1。輸出波形至模擬輸出通道時(shí)，可使用幅值。如硬件可輸出的最大值為5伏，可設(shè)置幅值為5。如幅值為0，則不進(jìn)行縮放。重置信號(hào)如值為TRUE，相位可重置為相位控件的值，時(shí)間標(biāo)識(shí)可重置為0。默認(rèn)值為FALSE。單頻頻率是由單頻頻率組成的數(shù)組。數(shù)組的大小必須匹配單頻幅值數(shù)組和單頻相位數(shù)組的大小。單頻幅值該數(shù)組的元素為單頻的幅值。數(shù)組的大小必須匹配單頻頻率數(shù)組和單頻相位數(shù)組的大小。單頻相位是由單頻相位組成的數(shù)組，以度為單位。數(shù)組的大小必須匹配單頻頻率數(shù)組和單頻幅值數(shù)組的大小。錯(cuò)誤輸入（無(wú)錯(cuò)誤）表明節(jié)點(diǎn)運(yùn)行前發(fā)生的錯(cuò)誤。該輸入將提供標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸入功能。采樣信息包含采樣信息。Fs是每秒采樣率。默認(rèn)值為1000。#s是波形的采樣數(shù)。默認(rèn)值為1000。如強(qiáng)制轉(zhuǎn)換頻率？的值為TRUE，指定的單頻頻率將被轉(zhuǎn)換為Fs/n最近整數(shù)倍。信號(hào)輸出是生成的波形。峰值因數(shù)是信號(hào)輸出的峰值電壓和均方根電壓的比。實(shí)際單頻信號(hào)頻率如強(qiáng)制轉(zhuǎn)換頻率？的值為TRUE，則值為執(zhí)行強(qiáng)制轉(zhuǎn)換和Nyquist標(biāo)準(zhǔn)后的單頻頻率。錯(cuò)誤輸出包含錯(cuò)誤信息。該輸出將提供標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出功能?；旌蠁晤l信號(hào)發(fā)生器詳細(xì)信息該波形的頻域表示為指定單頻頻率上的脈沖序列，在其它頻率上電平均為0。單頻的數(shù)量由單頻頻率、單頻幅值和單頻相位數(shù)組輸入端的大小確定。通過頻率、幅值和采樣信息生成正弦單頻。然后縮放該原始數(shù)組，使其最大絕對(duì)值等于幅值。最后，捆綁波形。波形的X0元素總是為0，deltaX元素為Fs的倒數(shù)。LabVIEW假定正弦函數(shù)引用單頻相位。如需使余弦函數(shù)引用單頻相位，可加90度?？蓪?dǎo)致峰值因數(shù)改變。下列代碼可使余弦函數(shù)引用單頻相位：混合單頻信號(hào)發(fā)生器程序設(shè)計(jì)： 2.2.3-1混合單頻信號(hào)發(fā)生器程序框圖基本混合單頻信號(hào)發(fā)生器前面板： 圖2.2.3-2單頻個(gè)數(shù)為1的波形圖 圖2.2.3-3單頻個(gè)數(shù)為3的波形圖2.2.4均勻白噪聲信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)白噪聲發(fā)生器VI——UniformWhiteNoiseWaveform.vi能夠產(chǎn)生一定幅值的白噪聲信號(hào)，下面設(shè)計(jì)了產(chǎn)生白噪聲的UniformWhiteNoiseWaveform.Vi,程序的后面板和前面板分別如下圖: 圖2.2.4-1UniformWhiteNoiseWaveform程序框圖 圖2.2.4-2UniformWhiteNoiseWaveform程序前面板2.2.5公式波形信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)通過公式字符串指定要使用的時(shí)間函數(shù)，創(chuàng)建輸出波形。 圖2.2.5-1公式波形信號(hào)發(fā)生器程序框圖 圖2.2.5-2公式波形信號(hào)發(fā)生器前面板第三章信號(hào)的分析對(duì)信號(hào)的分析可分為時(shí)域分析和頻域分析，這是對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析的兩個(gè)不同角度和側(cè)面，它們都可以反映信號(hào)的一些特征，在實(shí)際應(yīng)用中往往這兩種分析方式都是必需的。3.1信號(hào)的時(shí)域分析用于信號(hào)時(shí)域分析的函數(shù)、VIs、ExpressVIs主要位于函數(shù)模板中的信號(hào)處理子模板中，其中多數(shù)對(duì)象位于waveformmeasurements子模板。圖3.1-1用于信號(hào)分析的waveformmeasurements子模板3.1.1測(cè)量信號(hào)的基本平均值與均方差 基本平均值與均方差vi—basicaveragedDC-RMSA.vi用于測(cè)量信號(hào)的平均值以及均方差。計(jì)算方法是在信號(hào)上加窗，將原有信號(hào)乘以一個(gè)窗函數(shù)，窗函數(shù)的類型可以選擇矩形窗、Hanning窗以及l(fā)owsidelobe窗，然后計(jì)算加窗后信號(hào)的均值以及均方差值。圖3.1.1-1基本平均值與均方差程序前面板圖3.1.1-2基本平均值與均方差程序框圖3.1.2信號(hào)的幅值以及極大值、極小值 幅值以及極大值、極小值vi—amplitudeandlevels.vi用以測(cè)量信號(hào)的幅值以及極大值和極小值。編寫程序amplitudeandlevels.vi的使用，程序的后面板和前面板：圖3.1.2-1Amplitudeandlevels程序后面板 圖3.1.2-2Amplitudeandlevels程序前面板3.2信號(hào)的頻域分析用于信號(hào)頻域分析的函數(shù)、VIs、ExpressVIs同樣主要位于函數(shù)模板中的Analyze子模板中，其中多數(shù)對(duì)象位于信號(hào)處理子模板中的waveformmeasurement和SpectralAnalysis子模板中。 圖3.2-1用于信號(hào)頻域分析的FrequencyDomain子模板 3.2.1快速傅里葉變換幅值—相位譜vi——FFTSpectrum（Mag-Phase）.vi用于對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，并計(jì)算其幅值譜和相位譜。 編寫的程序如下圖所示;圖3.2.1-1FFTSpectrum（Mag-Phase）程序后面板 圖3.2.1-2FFTSpectrum（Mag-Phase）程序前面板程序的前面板圖3.2.1-2，圖中上面的波形3顯示的是正弦信號(hào)的時(shí)域波形，下面的兩個(gè)波形圖顯示的是其頻域波形，右邊的是幅值譜，左邊的是相位譜。3.2.2FFT頻譜（幅度-相位）VI的使用使用計(jì)算機(jī)完成信號(hào)處理工作的要求導(dǎo)致了離散傅里葉變換的產(chǎn)生。計(jì)算機(jī)只能處理離散且有限長(zhǎng)度的數(shù)據(jù),要用計(jì)算機(jī)完成頻譜分析和其他方面的工作,通常的處理方法是通過對(duì)模擬信號(hào)x(t)采樣得到離散序列x(n)。實(shí)際信號(hào)可能是有限長(zhǎng)的,也可能是無(wú)限長(zhǎng)的。若x(n)為有限長(zhǎng)序列,則令長(zhǎng)度為N;若x(n)是無(wú)限長(zhǎng)的,可用矩形窗將其截成N點(diǎn),然后將這N點(diǎn)序列視為周期序列.x(n)的一個(gè)周期,即.x(n)是有x(n)作周期延拓而得的。對(duì)于離散傅里葉變換,求出N點(diǎn)X(k)需要N2次復(fù)數(shù)乘法,N(N-1)次復(fù)數(shù)加法。每次復(fù)數(shù)乘法需要做四次實(shí)數(shù)乘法,兩次實(shí)數(shù)加法。圖3.2.2-1FFT頻譜（幅度-相位）程序框圖 圖3.2.2-2FFT頻譜（幅度-相位）前面板第四章信號(hào)的處理4.1信號(hào)的濾波處理對(duì)信號(hào)的處理，濾波是最為常見的一種，它可以將用戶需要頻率范圍的目標(biāo)信號(hào)從噪聲中提取出來，并將無(wú)用的信號(hào)去除。濾波是一個(gè)“去偽存真”的過程。在labview中，對(duì)信號(hào)的濾波處理是通過函數(shù)模板中的濾波函數(shù)、VIs以及ExpressVIs來完成。主要位于函數(shù)模塊中的信號(hào)處理子模塊中，在信號(hào)處理子模塊中有專門的濾波器子模塊。 圖4.1-1labview中的濾波子模塊4.2巴特沃斯濾波器的濾波設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器—ButterworthFilter是一種著名的濾波器，可以設(shè)置為高通、低通、帶通和帶阻4種模式，并且可以為每一種模式設(shè)置其截至頻率。下面是運(yùn)用巴特沃斯濾波設(shè)計(jì)的濾波器：圖4.2-1巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)前面板 圖4.2-2巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)程序框圖4.3數(shù)字FIR濾波器的濾波設(shè)計(jì)FIR是具有有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器，在滿足同樣的系數(shù)要求時(shí)，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器的劫數(shù)比IIR數(shù)字濾波器的階數(shù)高、延遲大，但FIR數(shù)字濾波器具有嚴(yán)格線性相位特性。濾波器的特性通常用它的頻率響應(yīng)來描述。FIR數(shù)字濾波器就是用沖激函數(shù)h(n)的Z變換得到的多項(xiàng)式表示，使其在單位圓上的特性逼近要求的頻率特性。FIR濾波器的設(shè)計(jì)任務(wù)就是給定要求的頻率特性，按照一定的最佳逼近準(zhǔn)則，選取多項(xiàng)式系數(shù)h(n),即濾波器的單位抽樣響應(yīng)及階數(shù)N，似的頻率性滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)FIR的單位脈沖響應(yīng)h（n）為實(shí)數(shù)，其長(zhǎng)度為N（0<n<N-1）,則它的Z變換為H（z）是z的負(fù)N-1階多項(xiàng)式，在z平面上有N-1個(gè)零點(diǎn)，在遠(yuǎn)點(diǎn)有N-1個(gè)重極點(diǎn)。如果h(n)滿足偶對(duì)稱和奇對(duì)稱條件，則濾波器就具有嚴(yán)格的線性相位特性。通常FIR濾波器設(shè)計(jì)方法有三種：窗函數(shù)加權(quán)法、頻率采樣設(shè)計(jì)和切比雪夫等波紋逼近法。窗函數(shù)法又稱為富氏級(jí)數(shù)法，是一種最簡(jiǎn)單的方法，其設(shè)計(jì)是在時(shí)域進(jìn)行的。常用的窗函數(shù)有矩形窗，三角窗，漢寧窗，海明窗，布拉克曼窗，凱塞窗。 圖4.3-1數(shù)字FIR濾波器Windowed濾波效果 圖4.3-2數(shù)字FIR濾波器濾波設(shè)計(jì)程序框圖4.4濾波器ExpressVI的濾波設(shè)計(jì)在labview中有一個(gè)expressvi，可以專門針對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波操作，這個(gè)expressvi位于函數(shù)模塊中的signalanalysis子模塊中。濾波器ExpressVI的設(shè)計(jì)：首先從函數(shù)選板中的signalanalysis子模塊中選取濾波器ExpressVI，并放置在程序的后面板中，打開其【屬性】對(duì)話框，配置濾波器ExpressVI的屬性，如圖4.4-1.在對(duì)話框中可以設(shè)置濾波器的類型：高通、低通、帶通或是帶阻以及其截止頻率。同樣可以設(shè)置濾波器的拓?fù)漕愋?，例如巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、貝塞爾濾波器等，以及濾波器的階數(shù)。在對(duì)話框的右邊是濾波前后的信號(hào)波形預(yù)覽，可以切換信號(hào)、頻率以及傳遞函數(shù)三種視圖模式。圖4.4-1濾波器ExpressVI的【屬性】對(duì)話框 濾波器ExpressVI的設(shè)計(jì)：在程序中添加了均勻噪聲的正弦波信號(hào)，用濾波器ExpressVI的三階切比雪夫?yàn)V波器進(jìn)行濾波操作，并顯示濾波前后的波形。程序的后面板如圖4.4-2所示。運(yùn)行程序，程序的前面板如圖4.4-3所示。圖4.4-2濾波器ExpressVI程序的后面板 圖4.4-3濾波器ExpressVI程序的前面板第五章虛擬信號(hào)分析儀器的綜合設(shè)計(jì)5.1虛擬信號(hào)分析儀器綜合設(shè)計(jì)前面板虛擬信號(hào)分析儀器綜合設(shè)計(jì)前面板設(shè)計(jì)圖如下： 圖5.1-1虛擬信號(hào)分析儀器前面板設(shè)計(jì) 5.2虛擬信號(hào)分析儀器綜合設(shè)計(jì)程序框圖虛擬信號(hào)分析儀器綜合設(shè)計(jì)程序框圖：圖5.2-1虛擬信號(hào)分析儀器綜合設(shè)計(jì)程序框圖程序說明：程序的設(shè)計(jì)采用了2個(gè)基本函數(shù)發(fā)生器，通過加函數(shù)疊加復(fù)合起來形成一個(gè)新的虛擬信號(hào)，采用FFT頻譜對(duì)新虛擬信號(hào)進(jìn)行傅里葉頻譜和相位分析；并且本程序?qū)π绿摂M信號(hào)添加了高斯白噪聲，然后通過巴特沃斯濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波處理。5.3虛擬信號(hào)分析儀器的運(yùn)行虛擬信號(hào)分析儀器的運(yùn)行圖如下：圖5.3-1信號(hào)分析儀器運(yùn)行圖程序運(yùn)行圖說明：上圖中第一行波形圖1和波形圖2可以顯示發(fā)生的初始信號(hào)，下面的信號(hào)類型按鍵使輸入可以產(chǎn)生四種不同的信號(hào)，分別為正弦波、三角波、方波和鋸齒波，其他的按鍵可以分別調(diào)整輸入信號(hào)的偏移量、幅值、頻率和方波占空比。第二行是對(duì)第一行產(chǎn)生的信號(hào)的處理和分析顯示，其中時(shí)間信號(hào)顯示的是2種信號(hào)疊加產(chǎn)生的一種疊加信號(hào)，剩下的2個(gè)表顯示的是疊加信號(hào)的快速傅里葉變換的幅值譜表圖和相位譜表圖。第三行是對(duì)疊加信號(hào)添加了高斯白噪聲信號(hào)，并進(jìn)行了濾波處理。原始信號(hào)圖表顯示的是虛擬信號(hào)增添白噪聲后的虛擬噪波信號(hào)圖。濾波后信號(hào)圖表顯示的是通過巴特沃斯濾波器濾波后的信號(hào)圖。左邊的按鍵可以調(diào)試濾波類型，有高通、低通、帶通和帶阻，其它按鍵可以分別調(diào)試濾波器的采樣頻率、高截至頻率、低截至頻率和標(biāo)準(zhǔn)偏差。第六章總結(jié)本設(shè)計(jì)在研究虛擬儀器技術(shù)、信號(hào)分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，使用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的發(fā)生、分析和處理。前面板應(yīng)提供良好的人機(jī)交互界面，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室里幾種常見的信號(hào)波形，并且可以對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行分析和處理。通過本次設(shè)計(jì)，使我對(duì)LabVIEW有了更深的了解，LabVIEW是開發(fā)虛擬儀器應(yīng)用軟件的高效率工具，基于LabVIEW的虛擬信號(hào)的分析是一種較好的虛擬儀器。它不僅操作方便，界面友好，功能強(qiáng)大。而且滿足了測(cè)試效率和精度要求，大大節(jié)約了設(shè)備成本，還可以方便的升級(jí)、維修。虛擬儀器具有組態(tài)靈活、功能擴(kuò)展性強(qiáng)、信息交換方便、維護(hù)費(fèi)用低和開發(fā)周期短等眾多優(yōu)點(diǎn)。因而越來越多的領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。通過本設(shè)計(jì)，也深刻地認(rèn)識(shí)到了虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)代儀器發(fā)展的重要發(fā)展方向。虛擬儀器也以嶄新的模式和強(qiáng)大的功能深入人心，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展虛擬儀器必將拓展到各個(gè)領(lǐng)域，引起儀器的深層次變革。參考文獻(xiàn)[1]黃松嶺吳靜.《虛擬儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程》北京：清華大學(xué)出版社，2008：244-248[2]王霞，虛擬儀器的發(fā)展過程及應(yīng)用[J]．機(jī)械研究與應(yīng)用，2009（5）：12-14．[3]賴欣.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用