实验室虚拟数字示波器的设计--毕业论文.docx

青岛农业大学毕 业 论 文（设计） 题 目： 实验室虚拟数字示波器的设计毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日目录摘 要IAbstractII1绪论11.1课题研究背景及意义11.2虚拟仪器的概述21.3 虚拟示波器国内外研究现状31.4 课题的主要任务42 虚拟示波器的基本原理52.1 通用示波器52.2 数字示波器62.3 虚拟示波器73 LabVIEW编程环境介绍93.1 LabVIEW 简介93.2 LabVIEW 程序的基本组成93.3 LabVIEW模板103.4 子VI的创建和调用114 虚拟示波器的设计方案134.1 总体设计方案134.2 各模块具体设计步骤154.3 系统调试265 结论28参考文献29致谢30II实验室虚拟数字示波器的设计摘 要虚拟仪器的设计观念不同于传统的仪器设计概念,原来要求由硬件来完成的功能,现都可以由软件仿真来实现。 本次设计的虚拟示波器全部由软件编程完成,其原理参考的是通用的双通道数字存储示波器，并在此基础上扩展了数据分析和处理功能。设计过程采用模块化的设计思路,每个功能都有由一个子VI模块完成,主要包括信号发生、通道选择、滤波器滤波、频谱分析、时间调节、幅值调节、参数测量共七个模块。整个设计过程中所用到的软件工具是美国 NI公司的 LabVIEW2012。关键词: 虚拟仪器；数字示波器；LabVIEWDesign of Virtual Digital Oscilloscope in LaboratoryAbstractThe new theory, method and fields of the test and the new structure of instrument drove test and control instrumentVirtual Instrument() based on computer have got development. Virtual instrument have changed the notion of traditional instrument design, which makes the parts are realized by software which were completed by hardware, and has obvious technical advantages in intelligence, processing and maneuverability.This article mainly completes software component, the virtual oscilloscope is the principle of the oscilloscope refers the universal double channel digital storage oscilloscope, then expands the instrument analysis and processing function. The development tools of the whole development process are LabVIEW2012 of American NI company. Key Words：Virtual Instrument;Digital Oscilloscope;LabVIEW青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）1绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1课题研究背景由于科学技术的飞速发展，在越来越多的领域里都会用到电子测量技术。传统电子测量仪器是用来测量电量或非电量的仪器设备，近年来也发展的相当迅速，数字万用表、数字示波器等都是传统仪器的代表。这些传统仪器被广泛地应用于工农生产生活，军事国防，教育科研等领域，在电子工业有着至关重要的作用。然而传统仪器也有着很多自身的局限性。比如机械操作方式式，在自动控制越来越普及的大环境下，这样的仪器使用很不方便.而且也不能很好的与其他设备进行资源的共享；制造成本高，严重的影响了设备的更新换代，造成设备缺乏和陈旧。由于现代科技技术的高速发展，势必会对电子测量技术的要求不断高。在这样的趋势下传统仪器越来越不适应时代发展对测量设备的要求了，因此传统的测量设备终将被其它更新更好的技术所代替。计算机的产生和发展引领了世界第五次信息技术的革命使得现代电子测量技术朝着智能化、自动化、数字化方向发展。并且在数据传输速率、设备的可扩展性等方面有了巨大的提高。虚拟仪器是全新概念的仪器，其设计理念是对传统测量仪器的一种值得飞跃。是传统仪器与计算机设备的一种有机的结合。虚拟仪器开辟了电子测量领域的一个新纪元。我国的虚拟仪器的研发制造起步比较晚，因此像高性能的数字存储示波器、功率分析仪等先进设备，主要从国外进口。这些高科技设备的加工工艺复杂，研发制造成本高，然而，如果利用虚拟仪器技术，我们就可以只采购那些必须的仪器的硬件设备，而自己利用工具软件来设计性价格比高的先进仪器系统。1.1.2 研究意义示波器一直以来都是实验教学和科学科研中经常用到的测量观测设备。然而，台式示波器的研发周期长，制作工艺复杂，造价高昂。但是用虚拟软件编程设计的虚拟示波器可以很好的突破这些缺点和不足，不仅能实现台式示波器的全部实验功能，而且还能对其进行功能扩展，比如添加数据的存储、分析、波形回放、链接网络实现远程控制等新的功能。并且用户在使用虚拟示波器时，可以节约购买仪器的成本，设备操作更加方便，而且仪器功能更加齐全。1.2虚拟仪器的概述虚拟仪器（Virtual Instrument ）的出现是测量仪器领域的一个重大突破，它从根本上改变了传统仪器的设计制造观念，从根本上更新了测量仪器的，带给人们一个全新的测量仪器的概念。由于虚拟仪器本身的优点因此虚拟仪器将是未来仪器产业发展的一大趋势同时也代表着测量仪器发展方向和潮流。1.2.1 虚拟仪器的含义虚拟仪器是在计算机系统的基础上开发出的软件仪器，是当代计算机技术和传统仪器设计相结合的产物。一般而言，电脑和仪器之间结合方式有两种：第一种是把仪器作为核心部分，将软件系统植入仪器之中；第二种把电脑作为核心，将仪器所功能装入电脑或工控机中，通过电脑来实现各种仪器功能。目前的虚拟仪器设计概念就是使用第二种方式。1.2.2虚拟仪器的优点与传统仪器相比较虚拟仪器具用有4个优点。第一，不强调物理上的实现形式。虚拟仪器的功能是通过软件编程来实现数据采集与控制，数据分析处理及数据的显示这三部分功能。其充分利用计算机系统的数据处理能力，在电脑硬件的基础上，用软件来完成数据的采集、分析和处理以及测试结果的显示等功能，通过软硬件的配合来实现传统仪器的各种功能；第二，在虚拟仪器内部实现资源共享。它完全颠覆了以往由厂家定义仪器功能的传统制造方式，而是变由用户自己来根据个人需要来定义仪器功能。通过不同的编程软件编程可以在相同的硬件基础上制作完全功能不同的测量仪器；第三，图形化的软件面板。虚拟仪器没有用到传统仪器的操作面板，而是利用电脑本身强大的图形编辑能力，采用可视化的图形编程语言，在电脑屏幕上建立图形化的操作面板来替代常规的传统仪器面板。软件面板上具有与实际仪器相似的开关，转盘，显示等控件。用鼠标或键盘对操作软面板进行操作。第四，拥有巨大的数据记录容量；自动化的测试过程；用户可以自定义分析方式和接口；可扩展的工程函数库；自动生成测试运行报告；高品质的打印功能等。1.2.3 虚拟仪器的构成虚拟仪器可以由多种接口或具有这些接口的仪器，来连接构成被测控对象的计算机。虚拟仪器的结构如图1-1所示。信号调理数据采集卡计算机是由硬件和软件构成的。因为虚拟仪器是以电脑或工控机为依托的，因此，虚拟仪器也是由硬件和软件两部分组成。虚拟仪器的结构有硬件基础和软件程序两部分构成。GPIB接口仪器VXI接口仪器计算机工控机测控对象图像采集仪器串行口仪器并行口仪器其他接口设备图1-1虚拟仪器结构构成虚拟仪器的硬件成分是计算机的周边电路，与电脑一同形成了虚拟仪器的硬件基础，是应用软件运行的物质保障；应用软件是虚拟仪器的核心，在硬件基础确定以后，软件通过不同功能模块的组合构成多种仪器，赋予系统不同功能，以实现不同的测量功能。1.3 虚拟示波器国内外研究现状示波器一直以来都是电子行业应用最广泛的测量仪器之一，小到日常教学实验，大到国家科学研究，等电子行业的方方面面示波器都被广泛应用。由于当代计算机技术的飞速发展和不断成熟以及各种高新技术的不断面世，特别是虚拟仪器这一新的测量仪器设计概念的产生，使得示波器突破了传统的束缚，在制作工艺以及使用方法和功能等方面发生了革命性性的变化。虚拟仪器技术目前在国外发展相当迅速，美国的各大高校都把它和图形编程语言作为理工科学生的必修课程。近年来，各个国家的虚拟仪器公司都开发了很多软件开发平台，以便不同的用户利用公司提供的开发软件平台制作自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。在虚拟仪器市场上具有代表性的企业是美国国家仪器公司（NI公司）。他们已经在市场上推出了各种各样基于虚拟仪器技术而设计的设备仪器。比较有影响力和代表性的开发软件有NI公司的LABVIEW软件和LAB WINDOWS/CVI软件。 国内对虚拟示波器的研究相对较晚，但是现在国内的许多企业也已经设计出许多品种的虚拟示波器。虚拟示波器的研究在我国的研发具有很大的显示意义，其有利于提高我国仪器设计制造的整体水平，节省新仪器的开发成本和费用。随着科学技术的发展，计算机技术和网络技术等相关技术的发展和各种软件的不断产生，我国的虚拟仪器的研发和制造水平也一定会有一个质地飞跃。1.4 课题的主要任务1.4.1设计的主要内容本次设计的实验室虚拟示波器主要用于实验室教学研究，其主设计要求有信号采集、参数测量、滤波和波形存储、频谱分析和读取子VI等功能。本次设计没有硬件采集系统,主要是采用内部模块产生模拟信号进行信号仿真，再由各模块的软件设计对数据进行相应的分析、处理最后显示结果。 1.4.2资料、数据、技术水平等方面的要求 （1）查阅有关Labview及虚拟仪器的资料。 （2）查阅信号采集、信号处理的相关知识。 （3）形成完整的具有存储功能地虚拟数字示波器。（4）完成条理清晰，语言流畅地毕业论文。 2 虚拟示波器的基本原理示波器就是利用电子束映射在涂有荧光物质的屏面上，这样可产生比较小的光点。而这种电子束是由狭窄的、高速的电子组成的，其实示波器就是把人类眼睛看不见的电信号转换成能看得见的图像的设备。2.1 通用示波器2.1.1 通用示波器的组成通用示波器由3部分组成，分别为主机，X系统，Y系统。主机由电子示波管及其控制部分组成。示波管是一种特殊的电子管也是示波器主要的组成部分，在示波器中有着非常重要的作用，它由电子枪偏转系统和荧光屏组成。电子枪用来产生高速的电子流，电子流打在荧光屏使其产生亮光，便于人们观察；偏转系统由相互垂直的两个平行金属板组成，分别控制电子束在水平方向和垂直方向的运动，其偏转的工作模式是静电偏转式。Y信道也就是垂直（Y轴）放大电路，因为示波器的偏转灵敏度较低，所以，输入的被测信号要由Y信道的放大作用才能用来控制电子束在Y方向的偏转。其主要由衰减器、倒相放大器、探极、延迟线、前置放大器等几个部分。X信道也就是水平（X轴）放大电路。它主要作用是产生一个随时间线形变化的锯齿波电压。将这个锯齿波电压放大到足够的幅度，再把这个电压值加到水平偏转板，这样可以让得到的波形图在水平方向上有合适的大小。其X信道应包括触发电路、事基发生器、放大器等几个部分。以此来获得稳定的波形。2.1.2 通用示波器的工作原理示波器的简易工作原理如图2-1所示。“Y”端接收到信号后，信号经衰减器衰减到合适值后送至放大器进行放大。延迟一段时间后送至放大器Y2。放大后生成垂直方向地控制信号，加在Y轴偏转板上使其电子束产生在Y方向的偏转力实现电子束垂直方向的偏转。为了获得完整地稳定波形，将Y信道第一次放大后地信号送到X信道触发电路中产生触发脉冲，启动时基发生器来产生时间扫描电压。扫描电压经X信道放大器放大后，形成水平偏转控制信号，将这个信号加到X轴偏转板上。Z轴系统用于放大扫描电压正程，并且转化为矩形的正向电压波，这样显示的波形图像才有一定的亮度，并且在扫描回程中擦除旧的波形图像。图2-1 示波器简化方框图2.2 数字示波器数字示波器（Digital Oscilloscope）在设计制造和维修电子设备中不可缺少地电子测量设备。它具有波形发生、波形显示、波形分析、参数测量、信号存储等功能，使其越来越受到广大工程师的喜爱。数字示波器主要分为三类，分别为数字荧光示波器、数字存储示波器、混合信号示波器。图2-2 数字示波器组成框图数字示波器的组成结构如图2-2所示。信号经Y输入到前置放大后送至数据采集与A/D装换器进行数模转换，一串数据流就此产生，写入随机存储器RAM中。R/W控制着RAM的读写操作模式，当R/W=0时，RAM进行写操作；当R/W=1时，进行读操作。RAM进行写操作时，RAM地址选择器将写地址输出做为RAM地址；读操作时，把读地址输出做为RAM地址。在收到来自触发放大器的触发信号后控制逻辑电路就启动一次写入数据循环，同时写地址地计数器开始工作产生计数。产生的计数将依次地址值送至存储器，用来保证每组的数据都能保存到相应的存储单元中。存储器中存储的各数据都以各自的固定速度不断读出i地值而不管数据是以何种速度写入存储器。在读出数据时信号将经D/A转换器送至Y的偏转极板，以此来显示Y的信息。2.3 虚拟示波器2.3.1 虚拟示波器组成虚拟示波器由硬件和软件两部分组成。其中硬件部分通常是指计算机的周围地外设硬件部分。计算机可以是个人电脑、工控机台或专业工作站等。周围外设可以选择GPIB、Vn、PXI等其他系统，或者是由两种或两种以上系统构成的复合系统；软件由示波器驱动器、操作系统、应用软件三个层次组成。驱动程序是控制通信的一种软件用来处理与特定仪器的通信功能。虚拟示波器的核心部分是示波器驱动器与通信接口及开发环境的联系，这些方便的帮助使用者完成更好的使用示波器。示波器驱动器实现应用软件与周边硬件设备的通信联系。因为计算机拥有强大地数值计算能力以及开发软件所具有地强大的函数库功能，这将极大地提高虚拟示波器的数据分析和处理能力。如对采集到的信号进行平滑、频域转换等功能。前面板是使用者与示波器之间人机交互的主要途径。利用前面板去控制虚拟示波器的系统。虚拟示波器前面板最大的优点就是使用者可以自定义前面板而不受生产厂家的影响，同时使用者也可根据自己的用途来组成各式各样的示波器地控制面板。2.3.2 虚拟示波器的分辨力和精度虚拟示波器的分辨率主要分为水平分辨力和垂直分辨力两部分，精度也分为水平精度和垂直精度两种，这些参数对于示波器都非常的重要。存储器的采样点数也至关重要，因为虚拟示波器的水平分辨力就是由它的参数值所决定地。同时这两个参数也有关联，采样频率与水平分辨力之间有着正比例关系。2.3.3 虚拟示波器的带宽使用者总是希望自己的观测目标自己所关心的目标波形，同时这些信号失真也最小。带宽是用来衡量虚拟示波器可靠度的重要指标。传统示波器的带宽是一个不变的长值，而虚拟示波器有模拟和数字两种带宽模式。模拟带宽指虚拟示波器无失真的状态下能接收最高输入信号的频率值，它的值取决于虚拟示波器的信号调理电路。数字带宽是虚拟示波器随机采样所能采集到的最高带宽。2.3.4 虚拟示波器的工作原理 虚拟示波器是虚拟技术与传统仪器相结合的产物，它拥有和传统示波器基本相同的操作面板和各项功能，而虚拟示波器却没有传统示波器的硬件电路，只是使用个人电脑及接口电路或采集卡来采集现场信号，并通过电脑强大的图形处理功能在电脑屏幕上模拟示波器的操作面板，同时实现信号调理、信号分析处理和结果显示输出等功能。虚拟仪器的信号采集卡把外部的模拟信号输送到虚拟仪器的内部，在仪器内部经滤波、衰减、放大电路等部分，把无规则的外部信号转变成A/D转换器能接受的高低电平信号，并经过A/D转换器转化成数字信号并存储到存储器中。同时由虚拟仪器的软件部分编辑成的程序对数据进行分析处理、存储、显示、打印输出等功能。3 LabVIEW编程环境介绍3.1 LabVIEW 简介对于虚拟仪器应用软件的编写，本次使用的是专业图形化编程软件即NI公司的LabVIEW进行编写。它是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Vitural Instrument Engineering Workbench)的简称，是美国国家仪器公司(M)的创新软件产品，是目前全世界使用最广泛、发展速度最快、功能最齐全最强大的图形化软件开发平台。LabVIEW 是图形化的编程语言，它提供了大量的函数模型和各种工具给使用者。如各种信号发生函数、波形分析函数、Express VI 等。这些条件使得使用者可以用最短的时间和资金来构建自己的仪器测试平台。LabVIEW 的优点主要有： (1) 提供了丰富的图形控件。用图形代替了枯燥无味难以理解的程序代码，因此使得LabVIEW变的直观明了，简单易学，让人们在使用时更加快速的入手成为了可能，更加适合实验室人员、工程师、生产人员的使用。 (2) LabVIEW内有编译器这可以让用户编写程序的同时软件自动在后台完成了编译工作。并时时提醒可能出现的错误，这些避免了像其它软件那样后期编译时有错误不好发现的弊端。 (3) 采用模块化设计。第一LabVIEW中使用的各种函数都是一个个小的模块，都可以直接使用非常方便；第二用户编写的程序除独立运行外还可以制作成一个子VI供其他的程序使用。3.2 LabVIEW 程序的基本组成目前虚拟仪器的开发采用的开发软件都是用的美国 NI 公司的测控软件，而LabVIEW 就是其中的代表软件。用LabVIEW 创建的程序被称为 VI。所有的 VI 都由三部分组成：前面（Front Panel）、程序框图（Block diagram）以及图标（Icon）。前面板相当于真实仪器的操作面板，使用者可以在前面板上对要创建的虚拟仪器进行操作面板的设计。该界面上有输入和输出两类控件，例如开关、旋钮按钮显示显示器等。 程序框图相当于仪器箱内的功能部件，其包含了实现VI功能的图形化源代码。节点和连线是程序框图的两个重要组成部分。连线将节点、一些函数和子VI连接起来组合成具有特定功能的程序框图。图标是 VI 的图形化标签，图标的使用使得创建子VI变得简便易行、直观明了。大多数情况下在前面板和程序面板的右上角看到的那个标签就是图标，这个是在创建新 VI 时系统自动默认生成的。图标可以按照使用者自己的需要自己从新定义制作。3.3 LabVIEW模板LabVIEW 根据函数的各自特点和属性将所有的函数和 VI 进行了分门别类的整理，把属性相同的函数和 VI 放一起就构成了 LabVIEW 的各个模板。使用那个控件时，就可以根据它的属性找到其所在的模板然后用鼠标把它拖出放到前面板或后面板中。 LabVIEW 有三个模板，包括工具模板、控件模板和函数模板。下面将简单的介绍这三个模板。3.3.1 工具模板工具模板为整个编程过程提供各种工具，使用起来非常的方便快捷。可以在菜单栏中找到“查看”选项单击鼠标左键在下拉菜单栏中找到“工具选板”单击就可以看到工具模板了。前面板和后面板中工具模板的使用方法相同。3.3.2 控件模板控件选板集合了各式各样的输入和输出控件，把这些前面板设计中能用到的所有控件放在一块能在使用时方便的找到，方便了用户使用。3.3.3 函数选板函数模板是由若干个不同的子模板有序的堆积在一起形成的，在该选板中包含了创建框图程序要用到的所有 VI 和函数控件。有两种方法可以找到函数模板，第一种是在后面板的空白处单击鼠标右键弹出函数模板，第二种是在菜单栏中点击“查看”项在弹出的下拉菜单中单击“函数选板”项。3.4 子VI的创建和调用LabVIEW中的子VI和文本编程语言中的子程序、函数很类似，换言之，子VI是可以在其它的编程中直接调用的自己创建的VI。在LabVIEW这种图形化编程环境中，图形连线会占据较大的屏幕空间，我们不可能把所有的程序都放在同一个VI的程序框图中来实现。因此，通过构建使用子VI能把复杂的任务划分成多个简单的小任务来分别完成，从而能够使得VI程序框图的结构更加的简洁明了，实现LabVIEW的层次化和模块化编程的要求，使其变得更加的简单，清晰，更加的橙刺分明，更加容易理解。3.4.1 创建和编辑图标 在LabVIEW中，每个VI在前面板和后面板的右上角都有一个由徽标和数字构成的图标，这个图标可以根据自己的需要创建和编辑该图标。创建和重新编辑该VI图标的工作在图标编辑器中完成。把鼠标指针放在该图标上双击，或单击鼠标右键，就可以弹出快捷菜单，在该菜单中选择“编辑VI图标”这一项，在弹出如的“图标编辑器”对话框中对图标进行编辑。3.4.2 定义接线端子 子VI图标是该子VI程序功能的图形化表示，连接器作为一个编程接口，定义了子VI输入输出端口与主程序之间的参数形式和接口类型。在VI图标上右击鼠标，选择“模式”，从中选择出所需的端子模式。 选择接线端子模式后就要开始连接（即定义）接线端子了。如图3-1所示。首先将鼠标放在接线端图标上，鼠标变成线轴状，单击该端子，然后将鼠标移至前面板上的控件上，单击该控件。这样该端子就与控件连接在一起了。按照同样的方法定义全部的接线端子。图3-1 定义连接端子 接线端子和图标都定义好后，将VI保存到合适的位置。至此，子VI就创建成功了。创建好的子VI可以被其他程序调用。3.4.3 子VI的调用在子VI创建好后就可以被其他的VI调用了。在一个新的VI的编程中想要调用自己创建的子VI，可以在函数选板中选择“选择子VI”项，从自己保存子VI的地方打开以保存地子VI，将其放入程序框图即可。在调用子VI后要对VI节点进行设置，在子VI的图标上右击鼠标，选择“设置子VI节点”“子VI节点设置”。4 虚拟示波器的设计方案本虚拟示波器主要功能包括：数据采集、频谱分析、参数测量、滤波、波形存储、读取子VI等功能。此示波器为虚拟双踪示波器，其显示模式有A、B通道单独显示以及AB通道共同显示。在本次的设计中没使用数据采集卡来采集外部测量信号，而是使用了LaBVIEW内部自带的信号发生器来来设计的内部仿真测量信号。LabVIEW自带的信号发生器有正弦波、方波发、锯齿波、三角波发生器等，用这些基本的信号产生模块来仿真出测量信号来检验示波器的功能。4.1 总体设计方案 本次示波器设计主要用LabVIEW 图形化编程软件来完成数据采集、频谱分析、滤波、波形显示与存储等功能。此次设计总体结构如图4-1所示：数据处理数据采集触发选择通道选择幅值调节时间调节波形显示参数测量滤波器子VI滤波功能频谱分析波形保存图4-1 示波器总体结构框图 为实现本次虚拟示波器的这些功能，程序主要包括信号发生模块，通道选择、时间调节、幅值调节、滤波、频谱分析、参数测量模块。4.1.1 虚拟示波器前面板虚拟示波器模仿传统示波器功能，前面板主要设有用于设置输入数值和观察输出量的控件并模仿真实仪器的操作面板。程序框图是利用LabVIEW图像化编程 语言编写的，相当于传统程序的源代码。虚拟示波器的各个功能模块就是由这些代码构成。在程序的前面板上所有控件都是以各种图形形式出现，例如旋钮、按钮、图表、图形、开关等，这些控件使得前面板看起来更像真实仪器的操作面板，如图4-2所示。图4-2 示波器前面板4.1.2 虚拟示波器的程序框图 虚拟示波器所有功能的实现都是通过对后面板的程序框图进行编程来实现，本次设计的核心部分就是对后面板程序框图的设计，如图4-3 所示是虚拟示波器的中的程序框图。图4-3 示波器后面板4.2 各模块具体设计步骤本次设计采用模块化设计，利用子VI来创建自己的模块化来简化设计的难度，便于程序框图的设计和理解。主要分为如下7部分：信号发生、通道选择、滤波、频谱分析、时间调节、幅值调节和参数测量模块。现详细介绍各个模块的功能及设计过程。4.2.1 信号发生子VI本次测量信号部分采用的是LabVIEW内部系统自带的基本信号发生器来制作仿真信号模块；这些发生器有正弦波、方波、锯齿波、三角波发生器，如图4-4所示三种信号发生器图标。使用这几种信号发生器来产生所需的测量信号既方便又节省资金，这非常有利于实验教学。三种信号发生器的各接线端子都有其特定的功能和意义，重置相位输入端是确定的初始相位，默认值为True。如果重置相位的值为真，则LabVIEW可设置初始相位为相位输入；如果为假，则LabVIEW可设置信号发生器的初始相位为上一次VI执行时相位输出的值。采样输入端是信号发生器的采样数，默认值为128。幅值输入端是信号发生器输出信号的幅值，默认值为1.0 。频率输入端是信号发生器输出信号的频率，单位为周期/采样的归一化单位。相位输入端是重置相位输入端为真时信号发生器的初始相位。相位输出端是信号发生器产生信号的下一个采样的相位，以度为单位。错误输出端子返回VI的任何错或警告。将错误连接至错误代码至错误簇转换VI，可将错误代码或警告转换为错误簇。 图4-4 三种信号发生器 在形成的信号中需要加入噪声信号，如图4-5为高斯信号白噪声VI的详细信息。其中初始化、采样、错误与三种信号发生器的端口相同；标准差输入端是高斯概率密度函数的标准差，默认值为1 。种子输入端是用来确定随机数生成的内部状态。当初始化为真时，若种子大于0则VI将通过种子生成内部状态，若种子小于等于0则VI将通过随机数生成内部状态；初始化为假时，VI将忽略种子默认值为-1 。高斯信号输出端时返回符合高斯分布的随机信号。图4-5 高斯噪声信号发生器在前面板中用簇选板将控制信号产生的个物理参数集合成一个簇元素作为输入信号，再添加一个数组元素作为产生信号的输出。如图4-6所示信号发生器的前面板。图4-6 信号发生模块前面板在程序框图中信号发生器调用LabVIEW中的case语句来实现，在此控件属性的边界栏中编辑4个分支标签，分别为关闭、正弦波、方波、三角波，将正弦波、方波、三角波放入这四个分支中，其中在分支0中将正弦波信号发生器的幅值设置为0以此来实现无信号输出的关闭状态。这样就实现了信号发生器的关闭，正弦信号，方波信号，三角波信号四种状态。最后再将这四种信号和高斯噪声信号相加形成带有噪声的仿真信号。如图4-7所示。图4-7 信号发生模块后面板4.2.2 通道选择模块虚拟示波器的通道选择功能可以用LabVIEW的case语句来实现，包括A、B和A&B三种显示模式。将滑动杆的输出数字作为条件结构的分支，来形成A、B、A&B三个分支结构，然后再在这三个分支中添加信号发生子VI，在后面板中右键，在弹出的对话框中选择“选择子VI”选项，选择自己制作的信号发生子VI将其拖到通道选择模块的程序框图中。最后将AB通道的控制信号连接到该子VI完成了通道选择模块的设计并制作成一子VI。如图4-8所示。图4-8 通道选择模块程序框图4.2.3 滤波器模块虚拟示波器滤波功能在处理数据时非常重要，这次利用LabVIEW自带的滤波模块设计滤波器子VI。数字滤波器可以用比较低的阶数达到比较好的滤波效果，IIR滤波器的类型有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、反切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器、椭圆滤波器等。如表4-1所示各滤波器。表4-1 滤波器图标列表函数节点名称函数节点图标巴 特 沃 斯 滤 波 器切 比 雪 夫 滤 波 器（端口如上）反 切 比 雪 夫 滤 波 器（端口如上）贝 塞 尔 滤 波 器（端口如上）这四种滤波器的端口相同各端口功能如下，滤波器类型端口用来指定滤波器的带通，分别有低通、高通、带通、带阻四种类型。X是滤波器的输入信号。采样频率是X的采样频率并且必须大于0，默认值为1Hz，当采样频率小于等于0时VI可设置滤波后的X为空数组并返回错误。高截止频率以赫兹为单位默认值为0.45Hz ，若滤波器类型为低通或高通时忽略该参数，为带通或带阻时必须大于低通截止频率。低通截止频率必须满足Nyquist准则，若低通截止频率小于0或大于采样频率的一半，VI可设置滤波后的X为空数组并返回错误。阶数指定滤波器的阶数必须大于0，默认值为2，如阶数小于等于0将输出空数组并返回错误。初始化控制内部状态的初始化，默认值为假。VI第一次运行时或初始化的值为假时，LabVIEW可使内部状态初始化为0 。如初始化的值为真，LabVIEW可使内部状态初始化为VI实例上一次调用时的最终状态。如需处理由小数据块组成的较大数据序列，可为第一个块设置输入为假，然后设置为真，对其它的块继续进行滤波。滤波后的X为该数组包含滤波后的采样。LABVIEW软件有现成的滤波模块,我们可以直接调用滤波模块的子VI。点击鼠标右键或选择函数模板选择条件结构，有四个分支，分别是巴特沃斯滤波器，切比雪夫滤波器，反切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器。点击鼠标右键，选择信号处理中的这四个滤波器，分别放入四个分支结构中去来连接成所需的滤波器子模块，如图4-9所示。图4-9 滤波器选择子模块程序框图将上述的滤波器选择子VI放到分支结构中，以滑动杆的输出量为为分支结构的控制量来控制实现AB通道的滤波功能，如图4-10所示。如图4-10 滤波器控制模块程序框图滤波模块前面板如图4-11所示，有调节滤波器的运行的各种参数，例如采样频率、阶数、高低截止频率和滤波器类型选择，在运行时通过改变这些输入量来达到控制其滤波效果。图4-11滤波器模块前面板4.2.4 频谱分析模块在对数字信号分析处理时频域分析是最常用和最重要的方法。很多在时域内毫无规律难以分析的信号，但是当把这些信号放在频域内分析往往就可以把复杂的信号分解成简单的信号，其信号特性也就非常明显了。傅里叶变换是频域分析的主要计算分析方法。 LabVIEW 系统中共有两类频域分析函数，一类是谱分析函数面板中的幅度谱、相位谱、功率谱等；另一类在变换函数面板中的各种变换函数，如傅里叶变换、小波变换等。如图 4-12 所示此次频谱分析模块中用到的函数。该功率谱VI的X为输入序列，功率谱返回的是X的双边功率谱，如果输入信号以伏特为单位（V），功率谱的单位为伏特-rms平方；如果输入信号不是以伏特为单位，则功率谱的单位为输入信号单位-rms平方。图4-12 功率谱分析函数 将上述的功率谱分析控件放到三个选择分支中以滑动杆的输出值来决定选择那条分支以此来实现A通道、B通道、AB通道的频谱分析功能。如图4-13所示频谱分析模块的程序框图。图4-13 滤波器控制模块程序框图4.2.5 时基调节模块时基也称为水平偏转因数，指示波器显示器在水平方向(X轴)上每小格所代表的时间常量，常以s/div或ms/div表示。水平分度调节处理功能模块使用创建的常量数值作为波形图控件的水平分度变化的输入，可实现显示波形在水平方向上的伸缩和变化。在实现这个功能模块时，首先将水平旋钮“时间”的输出作为条件结构选择器的终端输入，然后根据不同的选择条件在相应的分支中创建簇常量作为波形图控件标尺范围的属性节点的设定值。这里使用的是X标尺范围（XScale.Range）的属性节点，用来调节X标尺的范围和分度增量。在程序框图面板的波形图控件上右键单击，在菜单中选择“创建属性节点X标尺范围 全部元素”即可创建此属性节点，其输入数据类型为簇5元素，从上向下依次为最小值，最大值，增量，二级增量和起始值。如图4-14时基调节模块的程序框图。图4-14 时基调节程序框图 LabVIEW中的引用句柄可对文件、目录、设备和网络连接进行操作。可使用不同类型的引用句柄控件将引用句柄输入或输出VI。其中引用句柄的添加方法如下，在前面板中点击右键在弹出的函数选板中选择“经典”中的“经典引用句柄”把其中的“VI引用句柄”放到前面板中，然后在该控件上点击右键在弹出的菜单中单击“选择VI服务器类”“通用”“图形对象”“控件”“图形图表”“波形图”，这样既可添加波形图的引用句柄了。4.2.6 幅值调节模块幅值调节又称垂直偏转因数，指在示波器屏幕的垂直方向（Y轴）每格所代表的电压幅值，常以V/div或V/cm表示。首先将幅值分度旋钮的输出作为条件结构选择器的终端输入，然后根据不同的选择条件在相应的分支中创建簇常量作为波形图控件标尺范围的属性节点的设定值。这里使用的是Y标尺范围（Yscale.Range