labview課程設計報告

摘要發(fā)展，以在測量領域中的廣泛應用，新的測試理論、測試方法以及器的不斷出現(xiàn)。儀器的概念及其設計理論正在發(fā)生著巨大，虛擬儀器受到越來越多的關注。虛擬儀器是由計算機硬、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶軟件組成的測控系統(tǒng)，是一種計算機操縱的模塊化儀器系要由通用的計算機資源、應用軟件和儀器硬件等構成。它是按照信號的處理與采集，結果的輸出及顯示的結構模式來建立個通用信號處理硬件平臺上，進行了基于LabVIEW的虛擬函數(shù)發(fā)生器的設計，設計基于LabVIEW軟件的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器(能夠產(chǎn)生實驗室常用的正弦波、三角波、方波、鋸齒波信號)，在函數(shù)信號的輸出中加入相應的噪聲信號，已設計好的虛擬信號發(fā)生器的基礎上對產(chǎn)生的信號做相應的 1.2函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)展概況 3 2虛擬儀器技術 72.1虛擬儀器的概念 7 LabVIEW 143.1LabVIEW簡介 143.2LabVIEW的優(yōu)點 153.3LabVIEW編程模塊 174虛擬函數(shù)發(fā)生器與虛擬頻譜分析儀的設計 19基本原理 19 20系統(tǒng)設計 204運行結果 224.4.1正弦波運行結果圖 224.4.2三角形波運行結果圖 234.4.3鋸齒波運行結果圖 244.4.4方波運行結果圖 244.4.5正弦波加噪后運行結果圖 254.4.6方波加噪后運行結果圖 26 獻 28致謝 291.1課題背景調了軟件在這類儀器中的作用，體現(xiàn)了虛擬儀器與主要通語言和開發(fā)環(huán)境，它面向的是廣大的普通工程師而非編程專家。自美國國家儀器公司于1986年正式推出以來，目前LabVIEW在測控領域的影響越來越大，逐步奠定了NI在虛擬儀汽車、電子半導體、生物醫(yī)學等眾多領域。一些著名高校許多學校不僅建立了基于虛擬儀器的實驗室，而且還開設了LabVIEW編程的課程。例如清華大學汽車系利用虛擬儀器技的汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機的出廠檢驗，主發(fā)動機的功率特性、負荷特性等華中理工大學機械學院工實驗室將其虛擬實驗室成果在網(wǎng)上公開展示，供遠程教育川聯(lián)合大學基于虛擬儀器的設計思路，研制了“航空電臺合測試儀”，將臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)復暨南大學等一批高校，也開發(fā)了一作為現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的方向,虛擬儀器已迅速發(fā)展成為一制造國.到1994年底,虛擬儀器制造廠已達95家,共生產(chǎn)1000多種虛擬儀器產(chǎn)品,銷售額達2.93億美元,占整個儀器銷售額73億美元的4%。到1996年,虛擬儀器已在儀器儀表市場儀器產(chǎn)品.這些產(chǎn)品在國際市場上有較強的競爭力,已進入中國市場.國內(nèi)虛擬儀器研究的起步較晚,最早的研究也是從引進消化NI的產(chǎn)品開始.但經(jīng)過多年研究,我經(jīng)在虛擬儀器開發(fā)方面形成了自己的特色，國家自然科學基金委員會已將虛擬儀器研究作為現(xiàn)代機械工程科學前沿學科之一,加快了企業(yè)的技術升級步伐,先進儀器設備的需求更加強勁;虛擬儀器賴以生存的個人計算機最近幾年以極高的速度在中國發(fā)展,這些都為虛擬儀器在我國的普及奠定了良好的基礎.據(jù)專家預測，世紀初我國將有的儀器為虛擬儀器。發(fā)達國家雖然在此領域比我國起步較早，但差距并不是很大，我們應當充分把握時機，習國外先進經(jīng)驗，將我國的虛擬儀器產(chǎn)業(yè)水平逐漸1.2函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)展概況測試各種接收機的標準信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器從測試儀器發(fā)展成定量分析的測量儀器。同時還出現(xiàn)了脈沖電路或用作脈沖調制器的脈沖信號發(fā)生器。由于發(fā)生器機械結構比較復雜，功率比較大，電路比較簡時期的信號發(fā)生器多采用模擬電子技術，由分立元件或鋸齒波和三角波等幾種簡單波形，路能產(chǎn)生正弦波輸出，它是在放大電路的基礎反饋而形成的它是各類波形發(fā)生器和信號源的核心電路方波是通過電壓比較器產(chǎn)生的，比較電壓信號(被測試信號與標準號)大小，方波電壓作為積分運算電路的輸入，積分運算電路的輸出得到三角波電壓，直接數(shù)字合成(DDS)技術信號源的任意變頻速度，變頻相位連續(xù)，相位噪聲低，易于功能擴形的幅度穩(wěn)定性差，而且模擬器件構成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復雜的信號波形則電路結構非常復雜。自從70年代微處理器出現(xiàn)以后，利用微處理器、模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器，和軟件使信號發(fā)生器的功能擴大，產(chǎn)生比較復雜的波形。這控制，就可以得到各種簡單的波形。軟件控制波形的一個最主要是由CPU的工作速度決定如果想提高頻率可以改進軟件程序減少其執(zhí)行周期時間或提高CPU的時鐘周期，但這些辦法是有限度的，根本的辦法還是要極大促進術在電子測量儀器中的應用，使原有的模擬信號處理逐步被數(shù)字信號處理所代替，從而擴充了儀器信號的處理能力，測量的準確度、精度和變換速度，克服了模擬信號處的應用非常廣泛，種類繁多。首先，信號發(fā)生器通用和專用兩大類，專用信號發(fā)生器主要為了某種特殊的生器的特性是受測量對象的要求所制約的。其次，信號發(fā)生器和任意波發(fā)生器等。再次，按其產(chǎn)生頻率的方法又可分為諧振法和合成法兩種。一般傳統(tǒng)的信號發(fā)生器都采用諧振法，1.3頻譜分析儀發(fā)展概況純度、頻率穩(wěn)定度和交調失真等信號參數(shù)的測量，可大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途儀器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等?，F(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結果，能分析1赫以到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號。儀器內(nèi)部電路和微處理器，具有存儲和運算功能；配置標準接析儀架構猶如時域用途的示波器，面板上布建許多功制按鍵，作為系統(tǒng)功能之調整與控制，實時頻譜分析儀與掃諧頻譜分析儀。實時頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻信號振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應的濾波器與檢知器，再經(jīng)由同步的多任務掃瞄器將信號傳送到CRT上，其優(yōu)點是能顯示周期性雜散波的瞬間反應，其缺點是價性能受限于頻寬范圍、濾波器的任務與最大的多任務交換時信號時，外差式的頻譜分析儀混波以后的中頻因地改變頻率的分辨率，但由于超外差式的頻譜分析儀是在掃瞄之故，因此，除非使掃瞄時間趨近于零，無法得到輸?shù)膶崟r反應，故欲得到與實時分析儀的性能一樣的超外差分析儀，其掃瞄速度要非常之快，若用比中頻濾波器之時間常數(shù)小的掃瞄時間來掃瞄的話，則無法得到信號正確的振幅，因此欲提高頻譜分析儀之頻率分辨率，且要能得到準確之響應，當?shù)膾呙樗俣?。由以上之敘述，可以得知超外差式頻譜分瞬時信號或脈沖信號的頻譜，而其主要應用則在測2.1虛擬儀器的概念硬件平臺上，由用戶設計定義，具有虛擬面板，測試功能由軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。使用者用鼠標或鍵盤操作儀器的出現(xiàn)使測量儀器與個人計算機的界限模糊了。虛質是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的以多種形式表達輸出檢測結果，利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理，利用I/O接口設備完的采集、測量與調理，從而完成各種測試功能的一種計算傳信數(shù)數(shù)感號據(jù)據(jù)器調板卡理板卡圖2-1常見虛擬儀器的組建方案功能是相同的。如各種開關、按鍵、顯示器等實現(xiàn)儀器電源的“通”、“斷”，測量結果的“數(shù)值顯示”、“波形顯示”等。傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是實物,而且是用手動和觸摸進行操虛擬儀器面板控件是外形與實物相像的圖標，設計虛擬計窗口中擺放所需的控件，然后編寫相程序。大多數(shù)初學者可以利用虛擬儀器的軟件開發(fā)工具，如板的設計；由軟件編程來實現(xiàn)的虛擬儀過軟件編程設計來實現(xiàn)儀器的測試功能，而且可以通過試功能的軟件模塊的組合來實現(xiàn)多種測試功能。因此在硬確定后有“軟件就是儀器”的說法。這也體現(xiàn)了測試技術器是自封閉的系統(tǒng)，它具有信號輸入、輸出的，并有固定的用戶界面，比如：輸入、輸出信號接插件、旋按鈕、顯示儀表、顯示面板等。一個儀器包括傳感器、信號。通過這些電路來轉換、測量、分析實際信號，并將結果以方式顯示。但是傳統(tǒng)的儀器功能是由制造商決定的，用戶不意更改，現(xiàn)在的虛擬儀器有更多的優(yōu)點，以下是傳統(tǒng)測試儀器和虛擬儀器的一個比較：表2-1傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器對照表儀器用自己定義可以方便高廠商定義的連接十分有設、網(wǎng)絡或其他應用連接編輯、存儲、打印分價格低廉(是傳統(tǒng)價格的五至十分之一)技術更新快(一般1—2年)技術開發(fā)的功能模塊器限法編輯數(shù)是關鍵部分貴技術更新慢(5—10年)、功能固定、擴展性低2.2虛擬儀器的硬件系統(tǒng)儀器的硬件系統(tǒng)主要由傳感器、信號調理電路、數(shù)據(jù)采以及計算機組成。其中，計算機是虛擬儀器硬件平臺的核感器是虛擬儀器系統(tǒng)的前置部件，將被測的非電量轉換為信號調理電路的主要功能是對傳感器輸出的模擬信號進行濾波和隔離；數(shù)據(jù)采集設備的主要作用是對被測信號進行儀器的發(fā)展隨著微機的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型： PCI總線——插卡型虛擬儀器 (2)并行口式虛擬儀器器硬件集成在一個采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計算機上，通?？梢?(3)GPIB總線方式的虛擬儀器GPIB技術是IEEE488標準的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)是電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以構和命令簡單，主要應用于臺式儀器，適合于精確度要 (4)VXI總線方式虛擬儀器VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在VI領域的擴展，它的標準開放、結構緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。然而，組建VXI總線要求有機 (5)PXI總線方式虛擬儀器PXIPCI成熟的技術規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術規(guī)范和要求形成的，2.3虛擬儀器的軟件系統(tǒng)與虛擬儀器的硬件模塊在世界范圍內(nèi)的開放與標準化相適應，儀器的軟件結構也要求具有開放的、統(tǒng)一的格式與標準。為輸輸入輸出接口層儀器驅動程序層應用軟件層圖2-2虛擬儀器軟件框架根據(jù)VPP系統(tǒng)規(guī)范的定義，虛擬儀器的軟件結構如圖2-2所從頂層到頂層分別為：輸入輸出接口層、儀器驅動程序層和3LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境3.1LabVIEW簡介LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序(子VI)的結果、單步執(zhí)行等等，便LabVIEW[1]提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬用表)面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序3.2LabVIEW的優(yōu)點 (1)測試測量：LABVIEW最初就是為測試測量而設計的，程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制這些硬件設備。同時，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測試測量領域的LabVIEW。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這包的基礎上再開發(fā)程序就容易多了。有時甚至于只需簡單幾個工具包中的函數(shù)，就可以組成一個完整的測試測量應 (2)控制：控制與測試是兩個相關度非常高的領域，從測試擁有專門用于控制領域的模塊----LabVIEWDSC。除此之外，工業(yè)控制領域常用的設備、數(shù)據(jù)線等通常也都帶有相應的LabVIEW (3)仿真：LabVIEW包含了多種多樣的數(shù)學運算函數(shù)，特 (4)兒童教育：由于圖形外觀漂亮且容易吸引兒童的注意力，迎。對于沒有任何計算機知識的兒童而言，可以把己所需的功能。著名的可編程玩具“樂高積木”使積木搭建成各種車輛模型、機器人等，再使用LabVIEW編寫控制其運動和行為的程序。除了應用于玩具， (5)快速開發(fā)：根據(jù)筆者參與的一些項目統(tǒng)計，完成一個功EW大概只是熟練的C程序員所需時間的1/5左右。所以，如果項目 (6)跨平臺：如果同一個程序需要運行于多個硬件設備之上，LabVIEW還支持各種實時操作系統(tǒng)和嵌入式設備，比如常見的3.3LabVIEW編程模塊一個完整的LabVIEW開發(fā)環(huán)境包括基本模塊和擴展模塊兩戶界面)、程序流程圖(圖標代碼)和一個接口板組成。接口面板用于上層的VI調用該VI。l件前面板其實是自動化的拓展，它保持了傳統(tǒng)直觀的視覺完成算術和邏輯運算。圖標代碼是對具體編程問題的圖形得，模塊的程序由連線把數(shù)據(jù)的輸入輸出端連接用前面板、流程圖和圖標等，用戶就對整個系統(tǒng)，同時，用戶也可以隨時改變虛擬儀器來滿足自4虛擬函數(shù)發(fā)生器與虛擬頻譜分析儀的設計4.1基本原理是數(shù)字處理式頻譜分析原理，經(jīng)過采樣，使連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間信號，然后利用LabVIEW的強大的數(shù)字FT過程中，為了滿足采樣定理，對不同的頻率信號，選用合樣速率，從而防止頻率混疊。實際中，我們只能對有限長進行分析與處理，而進行傅立葉變換的數(shù)據(jù)理論上應為無離散數(shù)據(jù)序列，所以必須對無限長離散序列截斷，只取采內(nèi)有限數(shù)據(jù)。這樣就導致頻譜泄漏的存在。所以利用用加法來減少頻譜泄漏。由于取樣信號中混疊有噪聲信號，為FFT換之前，要先進行濾波處理。本設計采用了巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、橢圓(Ellipse)、貝塞爾(Bessel)等濾波器。4.2模型的建立枚舉作為信號發(fā)生器模塊，可產(chǎn)生任意標準周號，包括正弦波、三角形波、方波、鋸齒波。其中產(chǎn)生的周號的輸入?yún)?shù)如頻率、幅值、相位、占空比、噪聲幅值、偏處理后，進行時域分析、頻域分析以及諧波分析?？梢赃M行數(shù)類型選擇等。輸出信號的平均周期、峰峰值和正峰值。處程如下：首先將信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的測試信號送數(shù)字濾波器，濾除干擾噪聲，然后分別進行時域分析、頻域分析和諧波4.3系統(tǒng)設計如圖4-1是系統(tǒng)程序框圖的設計圖4-1系統(tǒng)程序框圖的設計如圖4-2是前面板的設計圖4-2前面板的設計4.4運行結果4.4.1正弦波運行結果圖弦波運行結果圖，當給噪聲幅值為零時，輸入相圖4-3正弦波運行結果4.4.2三角形波運行結果圖圖4-4三角形波運行結果4.4.3鋸齒波運行結果圖沒有加入噪聲干擾的情況下鋸齒形波的波形顯示圖4-5鋸齒波運行結果4.4.4方波運行結果圖圖4-6方波運行結果4.4.5正弦波加噪后運行結果圖圖4-7正弦波加噪后運行結果4.4.6方波加噪后運行結果圖圖4-8方波加噪后運行結果通過仿真實驗說明，基于