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1、labview课程设计报告 摘要 随着电子技术、计算机技术和数字信号处理技术的发展，以及它们在测量领域中的广泛应用，新的测试理论、测试方法以及测试仪器的不断出现。仪器的概念及其设计理论正在发生着巨大的变化，虚拟仪器受到越来越多的关注。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统。主要由通用的计算机资源、应用软件和仪器硬件等构成。它是按照信号的处理与采集，结果的输出及显示的结构模式来建立通用信号处理硬件平台。 本文就是在这个通用信号处理硬件平台上，进行了基于LabVIEW的虚拟函数发生器的设计，设计基于La
2、bVIEW软件的虚拟函数信号发生器（能够产生实验室常用的正弦波、三角波、方波、锯齿波信号），在函数信号的输出中加入相应的噪声信号，并在已设计好的虚拟信号发生器的基础上对产生的信号做相应的频谱分析。 关键词：虚拟仪器，LabVIEW，虚拟函数信号发生器，频谱分析 目录 1 绪论 (1) 1.1 课题背景 (1) 1.2 函数信号发生器发展概况 (2) 1.3 频谱分析仪发展概况 (4) 2 虚拟仪器技术 (6) 2.1 虚拟仪器的概念 (6) 2.2虚拟仪器的硬件系统 (8) 2.3 虚拟仪器的软件系统 (10) 3 LabVIEW图形化开发环境 (11) 3.1 LabVIEW简介 (11)
3、3.2 LabVIEW 的优点 (11) 3.3 LabVIEW编程模块 (13) 4 虚拟函数发生器与虚拟频谱分析仪的设计 (15) 4.1 基本原理 (15) 4.2 模型的建立 (15) 4.3 系统设计 (16) 4.4 运行结果 (17) 4.4.1 正弦波运行结果图 (17) 4.4.2三角形波运行结果图 (18) 4.4.3锯齿波运行结果图 (19) 4.4.4方波运行结果图 (19) 4.4.5正弦波加噪后运行结果图 (20) 4.4.6方波加噪后运行结果图 (21) 5 心得体会 (22) 参考文献 (23) 致谢 (24) 1 绪论 1.1 课题背景 虚拟仪器的起源可以追溯
4、到20世纪70年代。“虚拟”的含义主要强调了软件在这类仪器中的作用，体现了虚拟仪器与主要通过硬件实现各种功能的传统仪器的不同。LabVIEW是一种图形化的编程语言和开发环境，它面向的是广大的普通工程师而非编程专家。自美国国家仪器公司于1986年正式推出以来，目前LabVIEW 在测控领域的影响越来越大，逐步奠定了NI在虚拟仪器方面的领导地位。现在该软件已广泛应用于航空、航天、通信、电力、汽车、电子半导体、生物医学等众多领域。一些著名高校在内的许多学校不仅建立了基于虚拟仪器的实验室，而且还开设了LabVIEW 编程的课程。例如清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机
5、的出厂检验，主要检测发动机的功率特性、负荷特性等华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测试仪”，将台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校，也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。 作为现代仪器仪表发展的方向, 虚拟仪器已迅速发展成为一种新的产业. 美国是虚拟仪器的诞生地,也是全球最大的虚拟仪器制造国. 到1994 年底, 虚拟仪器制造厂已达95 家, 共生产1 000 多种虚拟仪器产品, 销售额达2. 93 亿美元, 占整个仪器销售额73 亿美元
6、的4%。到1996 年, 虚拟仪器已在仪器仪表市场中占有10%的份额生产虚拟仪器的主要厂家NI、HP 等公司, 目前都生产数百个型号的虚拟仪器产品. 这些产品在国际市场上有较强的竞争力, 已进入中国市场.国内虚拟仪器研究的起步较晚, 最早的研究也是从引进消化NI 的产品开始. 但经过多年研究, 我国已经在虚拟仪器开发方面形成了自己的特色，国家自然科学基金委员会已将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一, 并被列为十五期间优先资助领域，我国国民经济的持续快速发展, 加快了企业的技术升级步伐, 先进仪器设备的需求更加强劲; 虚拟仪器赖以生存的个人计算机最近几年以极高的速度在中国发展, 这些都
7、为虚拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础. 据专家预测，到本世纪初我国将有的仪器为虚拟仪器。发达国家虽然在此领域比我国起步较早，但差距并不是很大，我们应当充分把握时机，取长补短，学习国外先进经验，将我国的虚拟仪器产业水平逐渐向先进国家靠拢。 1.2 函数信号发生器发展概况 信号发生器是一种最悠久的测量仪器，早在20年代电子设备刚出现时它就产生了。随着通信和雷达技术的发展，40年代出现 了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从 定性分析的测试仪器发展成定量分析的测量仪器。同时还出现了 可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于 早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比
8、较大，电路比较简单，因此发展速度比较慢。 自60年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器，这个时期的信号发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形， 正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的它是各类波形发生器和信号源的核心电路方波是通过电压比较器产生的，比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小，方波电压作为积分运算电路的输入，积分运算电路的输出得到三角波电压，直接数字合成（DDS）技术信号源的任意波产生方法：直接从波表提取N个点，这N个点是用户自定义的点，同传统的频率合成
9、技术相比，DDS技术具有极高的频率分辨率，极快的变频速度，变频相位连续，相位噪声低，易于功能扩展和便于全数字化集成，容易实现对输出信号的多种调制。 由于模拟电路的漂移较大，使其输出的波形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。自从70年代微处理器出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器，硬件和软件使信号发生器的功能扩大，产生比较复杂的波形。这时期的信号发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要是由CPU的工作速度
10、决定的，如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期时间或提高CPU的时钟周期，但这些办法是有限度的，根本的办法还是要改进硬件电路。 随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进 了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来。 信号发生器的应用非常广泛，种类繁多。首先，信号发生器可以分通用和专用两大类，专用信号发生器主要为了某种特殊的测量目的而研制的，如电视信号发生器、脉冲编码信号发生器等。这种发生器的特性是受测量对象的要求
11、所制约的。其次，信号发生器按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器、函数发生器和任意波发生器等。再次，按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。一般传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。 1.3 频谱分析仪发展概况 频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，
12、能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器内部若采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。 频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器，面板上布建许多功能控制按键，作为系统功能之调整与控制，实时频谱分析仪与扫 瞄调谐频谱分析仪。实时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器，再经由同步的多任务扫瞄器将信号传送到CRT 屏幕上，其优点是能显示周期性杂散波的瞬间反应，其缺点是价昂且性能受限于频宽范围、滤波器的任务与最大的多任务交换时间。 在量测高频信号时，外差式的频谱分析仪混波以后的
13、中频因放大之故，能得到较高的灵敏度，且改变中频滤波器的频带宽度，能容易地改变频率的分辨率，但由于超外差式的频谱分析仪是在频带内扫瞄之故，因此，除非使扫瞄时间趋近于零，无法得到输入信号的实时反应，故欲得到与实时分析仪的性能一样的超外差式频谱分析仪，其扫瞄速度要非常之快，若用比中频滤波器之时间常数小的扫瞄时间来扫瞄的话，则无法得到信号正确的振幅，因此欲提高频谱分析仪之频率分辨率，且要能得到准确之响应，要有适当的扫瞄速度。由以上之叙述，可以得知超外差式频谱分析仪无法分析瞬时信号或脉冲信号的频谱，而其主要应用则在测试周期性的信号及其它杂散信号的频谱。 2 虚拟仪器技术 2.1 虚拟仪器的概念 所谓虚拟
14、仪器(Virtual Instruments)，就是以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操 作的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的图标，设计虚拟面板的过程就是在面板设计窗口中摆放所需的控件，然后编写相应的程序。大多数初学者可以利用虚拟仪器的软件开发工具，如Windows/CVI、LabVIEW等编程语言,在短时间内轻松完成美观而又实用的虚拟仪器前面板的设计；由软件编程来实现的虚拟仪器测量功能，在以PC为核心组成的硬件平台支持下，虚拟仪器不仅可以通过软件编程设计来实现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功
15、能的软件模块的组合来实现多种测试功能。因此在硬件平台确定后有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。 传统的电子仪器是自封闭的系统，它具有信号输入、输出的能力，并有固定的用户界面，比如：输入、输出信号接插件、旋钮、按钮、显示仪表、显示面板等。一个仪器包括传感器、信号处理器、A/D转换器、微处理器、存储器和内部总线等专门化的电路。通过这些电路来转换、测量、分析实际信号，并将结果以各种方式显示。但是传统的仪器功能是由制造商决定的，用户不能任意更改，现在的虚拟仪器有更多的优点，以下是传统测试仪器和虚拟仪器的一个比较： 表2-1 传统仪器与虚拟仪器对照表 2.2虚拟仪器的硬件系
16、统 虚拟仪器的硬件系统主要由传感器、信号调理电路、数据采集设备以及计算机组成。其中，计算机是虚拟仪器硬件平台的核心；传感器是虚拟仪器系统的前置部件，将被测的非电量转换为电量；信号调理电路的主要功能是对传感器输出的模拟信号进行放大、滤波和隔离；数据采集设备的主要作用是对被测信号进行采样、放大、模数转换等。 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型： （1）PCI总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于计算机内的数据采集卡与专用的软件相结合。它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺
17、寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。 （2）并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。 （3）GPIB总线方式的虚拟仪器 GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现是电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB 形式的仪器通过G
18、PIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB 接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。 （4）VXI总线方式虚拟仪器 VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 （5）PXI总线方式虚拟仪器