虚拟仪器课程方案设计书68480.doc

西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书
专业班级：测控技术与仪器1002 学生姓名：林芝健 指导教师（签名）：
一、大作业（论文）题目
虚拟函数发生器与虚拟频谱分析仪
二、本次大作业（论文）应达到的目的
通过本次课程设计使学生对虚拟仪器系统有更深一步的了解，培养学生将理论知识综合利用的能力，并与实践紧密结合，掌握虚拟仪器系统的设计方法、步骤，培养学生创新能力，总结报告的能力。
学生在本次课程设计中应完成的任务是：需求分析、子系统设计、系统配置、总结报告。培养学生正确的学习和研究方法。
三、本次大作业（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）
要求: 要求学生在认真复习教材的基础上，查阅相关资料、认真阅读相关的设计要求，独立按时完成任务；具体要求包括：
1.需求分析、子系统设计、系统配置、总结报告。掌握各子系统的运行原理。
2.根据子系统的实际运行要求，制定合理的试验方案。
3.能正确编写程序。
4.撰写课程设计说明书。
主要内容:
①. 详细阐述信号发生器和示波器的原理、作用。
②. 编写相应的设计方案。
③. 使用LabVIEW实现函数信号发生器和频谱分析仪的功能。
四、应收集的资料及主要参考文献：
[1] 黄松岭. 虚拟仪器设计基础教程[M]. 北京：清华大学出版社, 2008
[2] 刘君华. 基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2003
[3] 张小虹. 数字信号处理[M]. 北京：机械工业出版社, 2005
五、审核批准意见

教研室主任（签字）

摘要
本文设计的函数发生器和虚拟频谱分析仪结合了虚拟仪器技术和labview图形化编程技术，借助于计算机，利用虚拟仪器进行测量和分析，并将结果输出到屏幕中，从而完成测量过程。本文模拟频谱分析仪和函数发生器的工作原理，实现了对有用信号的测量。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
首先，本文介绍了背景及意义，再分析了函数发生器和频谱分析仪，再将虚拟仪器技术和传统仪器比较区别。
然后，介绍了虚拟仪器软件的编程设计，对这个系统进行模块化的设计。
最后，结合软件的调试，通过对实际情况的模拟，从而验证了虚拟函数发生器和频谱分析仪的功能。
关键词：虚拟仪器,labview,函数发生器,频谱分析仪

目录

第 1 章 绪论 1聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
1.1 背景及意义 1残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
1.2 函数发生器 2酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
1.3 滤波器 3彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
1.4 频谱分析仪现状及发展 3謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
1.5 本文所做工作 6厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
第 2 章 虚拟仪器技术 7茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
2.1 虚拟仪器技术的三大组成部分 8鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
2.1.1 高效的软件 8籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
2.1.2 模块化的I/O硬件 9預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
2.1.3 用于集成的软硬件平台 9渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
2.2 虚拟仪器技术具有四大优势 9铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
2.2.1 性能高 9擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
2.2.2 扩展性强 10贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
2.2.3 节约时间 10坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
2.2.4 无缝集成 10蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
2.3 虚拟仪器技术的发展趋势 10買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
2.3.1　外挂式虚拟仪器 11綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
2.3.2 PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统 11驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
2.3.3 网络化虚拟仪器 11猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
第 3 章 Labview图形化软件 12锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
3.1 labview简介 12構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
3.2 labview优点 13輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
第 4 章 虚拟函数发生器与虚拟频谱分析仪设计 14尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
4.1 函数发生器模块 14识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
4.2 滤波模块 15凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
4.3 频谱分析模块 16恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
4.4 总体程序图及实验验证 17鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
第 5 章 结论与总结 22硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
致谢 23阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
参考文献 24氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。

西安建筑科技大学课程设计（论文）
第 1 章 绪论

1.1 背景及意义
随着经济的发展，在我国各行业中，大量使用电力机车，整流设备、变频装置等非线性用电设备，他们产生的谐波等对电网形成了影响，使电能质量下降，因此有必要进行检测和分析。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
目前国内使用的谐波检测仪器往往是进口路产品，即使是国产的仪器也大多不兼容，不能共享软、硬件资源，不能进行二次开发，并且价格昂贵。如果自己组建系统，为了完成较复杂的测试任务，往往需要根据特定的测试任务购买专用的硬件产品。除此之外，一般每个仪器大都有自己的显示器、内存、ftp等硬件，造成了硬件资源的浪费。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
虚拟仪器的出现捅破了以往传统仪器的特点，充分利用不断发展和完善的计算机技术，以通用计算机和标准总线技术为平台，利用计算机的硬件资源，并辅以软件作为其开发平台。用户利用面向测量仪器的控制和管理的图形化软件平台（labview，labwindows/cvi、HP-VEE等），开发集测量、管理和控制于一身的应用软件，实现测试要求。一台普通的电脑、若干软件包和基本的硬件电路就可以构成一套完整的测试系统，并具备数据处理的功能和友好的人机界面。这种仪器具有普通仪器的基本功能，又有一般仪器不具备的特殊功能，并且在仪器成本、仪器维护上节约人力物力。谚辞調担鈧谄动禪泻類。
我国将有的仪器为虚拟仪器。国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时检测。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求将更加强劲。虚拟仪器赖以生存的计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟仪器的发展莫定了基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。

1.2 函数发生器
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，功率比较大，电路比较简单，因此发展速度比较慢。直到1964年才出现第一台全晶体管的信号发生器。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
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，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。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
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。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
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。但也可以通过频率合成技术来获得所需9-率。利用频率合成技术制成的信号发生器，通常被称为合成信号发生器。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。

1.3 滤波器
滤波器（filter）是指减少或消除谐波对电力系统影响的电气部件。是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
滤波器，顾名思义，是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念，在电子技术领域，“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用，被转换为电压或电流的时间函数，称之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。因为自变量时间‘是连续取值的，所以称之为连续时间信号，又习惯地称之为模拟信号(Analog Signal)。随着数字式电子计算机(一般简称计算机)技术的产生和飞速发展，为了便于计算机对信号进行处理，产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。也就是说，可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而不丢失任何信息，波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化，自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。信息需要传播，靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变，有时，甚至是在相当多的情况下，这种畸变还很严重，以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了。挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。

1.4 频谱分析仪现状及发展
传统频谱分析仪
传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机，输入信号经变频器变频后由低通滤器输出，滤波输出作为垂直分量，频率作为水平分量，在示波器屏幕上绘出坐标图，就是输入信号的频谱图。由于变频器可频谱分析仪赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
以达到很宽的频率，例如30Hz-30GHz，与外部混频器配合，可扩展到100GHz以上，频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一。无论测量连续信号或调制信号，频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是，传统的频谱分析仪也有明显的缺点，它只能测量频率的幅度，缺少相位信息，因此属于标量仪器而不是矢量仪器。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
现代频谱分析仪
基于快速傅里叶变换（FFT）的现代频谱分析仪，通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的结果，。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器（ADC）对输入信号取样，再经FFT处理后获得频谱分布图。在这种频谱分析仪中，为获得良好的仪器线性度和高分辨率，对信号进行数据采集时ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍，亦即频率上限是100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有200MS/S的取样率。目前半导体工艺水平可制成分辨率8位和取样率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取样率800MS/S的ADC，亦即，原理上仪器可达到2GHz的带宽，为了扩展频率上限，可在ADC前端增加下变频器，本振采用数字调谐振荡器。这种混合式的频谱分析仪可扩展到几GHz以下的频段使用。FFT的性能用取样点数和取样率来表征，例如用100KS/S的取样率对输入信号取样1024点，则最高输入频率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取样点数为2048点，则分辨率提高到25Hz。由此可知，最高输人频率取决于取样率，分辨率取决于取样点数。FFT运算时间与取样，点数成对数关系，频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时，要选用高速的FFT硬件，或者相应的数字信号处理器（DSP）芯片。例如，10MHz输入频率的1024点的运算时间80μs，而10KHz的1024点的运算时间变为64ms，1KHz的1024点的运算时间增加至640ms。当运算时间超过200ms时，屏幕的反应变慢，不适于眼睛的观察，补救办法是减少取样点数，使运算时间降低至200ms以下。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
频谱分析在生产实践和科学研究中有着广泛的应用。例如，对各类旋转机械、电机、机床等机器的主体或部件进行实际运行状态下的谱分析，可以提供设计数据和检验设计结果，或者寻找震源和诊断故障，保证设备的安全运行等。在声纳系统中，为了寻找海洋水面船只或潜艇，需要对噪声信号进行谱分析，以提供有用信息，判断舰艇运动速度、方向、位置、大小等。因此对频谱分析方法的研究一直是当前信号处理技术中一个十分活跃的课题。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
1965年库利一图基在《计算数学》杂志上发表快速傅里叶变换(FFT)算法，FFT和频谱分析很快发展成为机械设备故障诊断、振动分析、无线电通信、信息图像处理和自动控制等多种学科重要的理论基础。然而长期的应用和近年来的理论分析表明，经快速傅里叶变换得到的离散频谱，在频率、幅值和相位方面均可能产生较大误差，单谐波加矩形窗时最大误差从理论上分析可达36.4%仁闹，即使加其他窗时，也不能完全消除此影响。在加Hanning窗时，只进行幅值恢复时的最大幅值误差仍高达15.3ry0，相位误差高达士90度。因此，频谱分析的结果在许多领域只能定性而不能精确的定量分析和解决问题，大大限制了该技术的工程应用，特别是在机械振动和故障诊断中的应用受到极大限制。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
从70年代中期，有关学者开始致力于频谱校正理论的研究以期解决离散频谱误差较大的问题。1975年约翰等从事电学领域研究工作的学者采用插值法对加矩形窗的离散化频谱进行校正，解决了电学中的离散高次谐波参数的精确测量问题;1983年托马斯提出了加Hanning窗的内差法，进一步提高了离散高次谐波参数的分析精度。1993年，丁康和谢明提出了三点卷积法幅值校正法￡闹，提高了频率间隔较大的信号的离散频谱幅值精度，解决了工程实际中的一些问题。1994年，丁康、谢明等提出和发展了比例频谱校正方法，使内差法系统的发展成为一种通用的频谱校正方法，解决了频率间隔较大的离散化频谱幅值、相位和频率的精确求解问题，并对离散频谱的校正方法和误差分析惊醒了深入的分析和研究。1996年，余加兵等提出了采用复调制细花谱分析将已产生频谱干扰的密集频率成分分离开，消除干扰，再用比例法进行校正以解决密集频率成分的离散频谱的校正问题。1997年，丁康等分析了离散频谱中的负频率成分和多频谱成分的干扰现象，提出了离散频谱中用相位判据和傅值判据综合判定和识别单频率成分的方法，实现了单频率成分和频率间隔较大的多频率成分的自动识别和自动校正。并提出了在不采长样的基础上利用轴系旋转识别和校正两个已发生干扰的密集频率成分的自动判定和校正的方法。1999年，丁康等提出了对连续时域信号分前后两段做傅里叶变换，利用其对应离散谱线的相位差矫正出谱峰处的精确频率和相位的校正方法—相位差矫正法。该方法可在不知道窗谱函数表达式的情况下，直接利用其相位差进行频率和相位校正。2001年，徐培民等提出了自动识别和修正离散频谱中两临近谱峰参数的方法，不仅能识别间隔不到一个频率分辨率的两个密集频率成分，而且能识别峰间隔距为1一6个频率的临近谱峰参数。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
从目前国内外学者所进行的大量研究工作来看，主要是对单频率信号(或频率间隔较大的多频率信号)离散频谱的自动识别和校正，密集频率的校正也只限于两个临近频率成分的校正，未能深入到连续频率成分频谱的误差和校正方法的研究。而实际工程中的许多信号是密集频率成分或连续频率成分的信号，比如在旋转机械、故障诊断和非线性动力系统分析中，常常出现密集频谱现象。在有限样本长度下，由此类信号的FFT谱很难识别其频率构成，确定个频率的参数，而且由于旁瓣泄漏或主瓣干扰的影响，基于单频率信号频谱校正的比值法不再适合此类多频率信号。对此类信号在进行离散频谱分析时所产生误差的分析方法与频率间隔较大的信号误差分析方法存在巨大差异，校正方法也不相同，校正难度很大。因此，当前具有密集频谱的频谱校正问题是频谱校正技术最难解决的问题之一，成为工程界和研究离散频谱校正的学者们关注的焦点。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。

1.5 本文所做工作
结合虚拟仪器技术等，本文设计并实现了一个虚拟的函数发生器和频谱分析仪，该虚拟函数发生器和频谱分析仪的系统结构框图如图1-1所示。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。

结果输出
滤波器
函数发生器

图1-1 系统结构框图
完成的工作有：
虚拟仪器程序的设计和编制，针对一般函数发生器能产生的波形及产生波形可能含有噪声的情况，对波形进行滤波，最后对滤除噪声后的波形进行分析。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
第 2 章 虚拟仪器技术
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
虚拟仪器（vi）是计算机辅助测试（cat）的最新发展，它充分利用快速发展的计算机及通信网络技术来提高测试计量仪器设备的功能、性能和应用范围，为用户定义和构造自己的测试仪器系统提供了全新的解决方案。虚拟仪器并不完全等同于计算机辅助测试，它是一种基于信号采集与分析理论、具有标准化软硬件及其接口和良好集成性与柔性的仪器系统，是一种新的测试仪器标准和技术规范。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
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。然而，有时为了构成具有一定功能的系统，配置了一套仪器，但对其中的某些仪器，只用到了其中一部分功能，而将它作其他功能使用时，却不具备或达不到所需指标。如另配置一套仪器，不断效率不高，而且价格高。要是能将原有的仪器稍加改动，就可以扩大其使用范围。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，用户如按自己的要求定制仪器需要昂贵的价格。虚拟仪器概念的提出是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流。以下是传统测试仪器和虚拟仪器的一个比较：詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。

表2-1 传统仪器与虚拟仪器比较

传统仪器
虚拟仪器
仪器关键部分
硬件
软件
仪器功能定义者
仪器厂商
用户
与其他设备连接性
十分有限
方便的与网络外设，应用等连接
仪器系统的封闭性
封闭
开放的功能模块可构成多种仪器
数据处理能力
不能编辑数据
可编辑、存储、打印数据
与用户界面
图形化程度低、信息量小、交互操作性差
可为全汉化图形界面，交互操作性好
仪器价格
昂贵
低廉（为传统仪器的1/5-1、10)
开发与维护费用
高
低
技术更新周期
5-10年
1-2年

2.1 虚拟仪器技术的三大组成部分
2.1.1 高效的软件
软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。NI公司提供的行业标准图形化编程软件———LabVIEW，把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用简单或图标提示的方法选择功能(图形)，并用线条把各种图形连接起来的简单图形编程方式，使得不熟悉编程的工程技术人员都可以按照测试要求和任务快速“画”出自己的程序，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果按自己的要求显示出来。此外，NI提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件Signal-Express，用于传统C语言的LabWindows/CVI，针对微软Visual Studio的Measurement Studio等等，均可满足用户对高性能应用的需求。有了功能强大的软件，测试工程师们就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。

2.1.2 模块化的I/O硬件
面对日益复杂的测试测量应用，虚拟仪器供应商提供了全方位的软硬件的解决方案。无论是使用PCI，PXI，PCMCIA，USB或者是1394总线，都有相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号调理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。

2.1.3 用于集成的软硬件平台
NI公司首先提出的专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件，用户就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，都能应付自如。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。

2.2 虚拟仪器技术具有四大优势
2.2.1 性能高
虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全"继承"了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。

2.2.2 扩展性强
NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。

2.2.3 节约时间
在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。

2.2.4 无缝集成
虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
虚拟仪器技术构建的应变测试仪的诸多优点表明，虚拟仪器系统具有重要的现实意义和推广价值，是传统应变测量仪器的理想替代产品。随着计算机网络技术的迅速发展，将为虚拟仪器提供更强大的功能，即可以实现远距离的网络化虚拟仪器实时测试。只要在应变测量系统中添加网络功能模块，借助于宽带网络技术可以很容易的实现远距离实时测试，这是基于虚拟仪器技术构建的应变测试系统今后的发展方向。相信将来的应变测量系统一定是虚拟仪器技术与计算机网络技术相结合的系统，其测试功能会更强大，精度会更高，应用会更广。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。

2.3 虚拟仪器技术的发展趋势
随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器技术将向以下三个方向发展。
2.3.1　外挂式虚拟仪器
由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入DAQ时都需要打开机箱等，比较麻烦，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号与计算机之间存在电磁干扰问题。外挂式虚拟仪器是将测量到的物理信号通过预处理，转换为所需的数字信号后，再由一根串口线或者USB线传给计算机处理，这样既减少了板卡的装拆过程，也节约了计算机的系统资源，只需运行相配套的软件就可得到想要的结果。所以外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。

2.3.2 PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统
对于测试系统，现在比较先进I/O总线技术主要是VXI总线和PXI总线。VXI主要用于满足高端自动化测试应用的需要，但是它基于过时的VME总线，而现代计算机不支持这种总线结构，所以它不能利用PC技术的优势，从而也不能将主流软件的支持、低成本、高性能等好处带给最终用户。而PXI平台基于PCI，所以它固有PCI的一些优点:较低的成本，不断提高的性能，以及为最终用户提供主流软件模型。PXI系统高度的可扩展性和良好的兼容性，以及比VXI系统更高的性价比，将使它成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。

2.3.3 网络化虚拟仪器
随着Internet技术的发展，一些公司已开发出通过Web浏览器观测嵌入式智能仪器的产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，不仅让人们能够轻而易举地得到自己需要的测试数据，还能带来巨大的效益。可以想象，在不远的将来，医生完全有可能通过互联网操作仪器给远处的病人诊断疾病。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。

第 3 章 Labview图形化软件
3.1 labview简介
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是实验室虚拟仪器集成开发平台的简称，它是目前国际上应用最广泛的虚拟仪器开发环境之一，它是主要用于开发数据检测、数据测量采集系统、工业自动控制系统合数据分析系统等领域的专用软件开发平台。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
LabVIEW的最大特色是采用编译型图形化编程语言――G语言(GraphProgramming)，它与C，Pascal，Basic等传统语言有着相似之处，如：相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及模块化的编程特点。但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程，程序的执行依赖于文本所描述的指令;而LabVIEW使用图形语言(即，各种图标、图形符号、连线等)以框图的形式编写程序。用LabVIEW编程无需具备太多编程经验，因为LabVIEW使用的都是测试工程师们熟悉的术语和图标，如各种按钮、开关、波形图等，界面非常直观形象，因此，LabVIEW对于没有丰富编程经验的测试工程师们来说无疑是个极好的选择。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
LabVIEW语言具有丰富的扩展函数库，集成了大量的生成图形界面的模板，如各种表头、旋钮、开关、LED指示灯、图表等，界面直观、形象，相对于传统的编程方式而言，它简单易学而且执行效率高。与传统的编程方式相比，使用LabVIEW设计的虚拟仪器，可以提高效率4-10倍。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
LabVIEW的图形环境内置丰富的函数库，提供了多种网络的接口，支持先进的流动数据传输等先进技术，使系统的开发更加方便，其中基于TCP/IP协议的网络实时数据交换编程技术――数据套接字(DataSocket)技术便是一特色。这种技术是一种开放的技术，与人们已习惯采用的TCP/IP编程接口、DDE等网络环境下的数据共享技术比较，使用起来更方便，开发效率更高，而且不需要大量的编程工作量。数据套接提供统一的API编程接口，从数据共享的角度，它是对WinSock的高级封装，允许用户与各种服务器进行交互并在应用之间交换信息，比如LabVIEW以及一些不同的数据源或目标，源和目标包括其他的应用、文件、OPC (OLE For Process Control)服务器、Web服务器以及FTP服务器。使用DataSocket类和统一资源定位器(Uniform Resource Locator，简称URL)，就可建立数据套接的源与目标的连接，用户可以像使用LabVIEW中的其他数据类型一样用DataSocket读写数据，实现测量数据的实时共享灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。

3.2 labview优点
LabVIEW从被推出到现在，20年的实践证明LabVIEW确实是一个使用方便却又功能非常强大的开发平台，LabVIEW具有以下优点：攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
（1）实现了仪器控制与数据采集的完全图形化编程，设计者无需编写任何文本形式的代码。
（2）提供了大量的面向测控领域的库函数，如面向数据采集的DAQ库函数、内置GPIB、VXI、串口等数据采集驱动程序；面向分析的高级分析库；面向显示的大量仪器面板。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
（3）提供了大量与外部代码或应用软件进行连接的机制。
（4）具有强大的网络连接功能，支持常用的网络协议，便于用户开发各种网络测控、远程虚拟仪器系统。
（5）LabVIEW应用程序具有可移植性，适用于多种操作系统
（6）可生成可执行文件，脱离LabVIEW开发环境运行。

第 4 章 虚拟函数发生器与虚拟频谱分析仪设计
根据实验要求设计虚拟函数发生器和虚拟频谱分析仪，根据模块化设计原则，将这一个系统分为函数产生模块、滤波模块、频谱分析模块3个部分。下图是进行总设计模块的框图。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。

图 4-1 总体设计框图
4.1 函数发生器模块
对一个基本的函数发生器进行选择函数，对其使用一个条件函数，对其进行选择函数，能进行正弦波、三角波、锯齿波、方波四种信号进行调节，并且用布尔对其进行显示，当选择函数时，相应的函数灯就会亮起。其工作原理是，选择要产生的函数，输入信号，条件函数会执行，执行相应的程序，并且对应的函数灯亮起。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。

图4-1-1 锯齿波信号发生器
在这个信号发生器中，使用了枚举（信号类型），对信号类型进行选择，就可以选择不同的函数波形，同时，被选择的波形的指示灯亮。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。

图4-1-2 噪声模块
同时考虑到在实际过程中，可能有噪声产生，因此增加了一个噪声产生模块，以模拟实际中的情形。
用均匀的白噪声进行模拟，用幅值进行是否有噪声产生和噪声大小的确定。

4.2 滤波模块
滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。是根据观察某一随机过程的结果，对另一与之有关的随机过程进行估计的概率理论与方法。本文中用的是巴特沃斯滤波器进行滤波。根据输出波形的波形进行调节，如果波形较好，能很好的进行频谱分析，就不采用滤波器；若波形输出不是很好，就需使用滤波器，调节滤波器的高频截止频率等参数，从而调节出较好的波形以进行频谱分析。緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。

图 4-2-1 带阻滤波模块
这次试验采用2个条件结构，一个条件结构是决定是否使用滤波器，当为真时，可以对滤波器的参数进行设置；另一个条件结构是进行滤波方式的选择，使用了一个枚举（滤波方式），对其可以选择使用高通、低通、带通、带阻滤波器。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。

4.3 频谱分析模块
当对信号进行滤波之后，得到与原波形相近的波形后，对其进行频谱分析，使用labview中的一些软件模块，对其周期，峰峰值等参数进行分析。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。

图 4-3-1 频谱分析模块

4.4 总体程序图及实验验证
根据要求，总体的程序图如下：

图4-4-1 总体设计程序框图

图 4-4-2 总体设计前面板图

实验开始前，将电源开关按下，选择波形为正弦波，输入信号的频率为6.16148HZ，相位为6.81455，输入幅值为409.438，没有添加噪声，从而得到的前面板图为：镞锊过润启婭澗骆讕瀘。

图 4-4-3 未添加噪声前面板输出图
未添加噪声的时候，测量的幅值周期平均值、峰峰值、正峰、反峰等测量值都没有发生变化。

当输入的信号添加幅值为200的均匀白噪声后，得到的前面板图如下：

图 4-4-4 添加噪声的前面板输出图
从这2个图分析可以知道，添加噪声之后，其波形图的图形上有“小毛刺”，同时频谱分析中，其峰峰值等都会随时间不同而产生变化，它们的值都不会是个固定值，这样形成的测量误差就有点大，影响数据的准确性。因而添加了滤波器，来决定是否进行滤波。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。

图 4-4-5 采用滤波器后的采样
因有噪声的影响，所以采用了一个滤波器进行滤波，从而得到一个较完好的信号，从而得到比较准确的测量数据。

第 5 章 结论与总结
本文采用了目前比较流行的美国国家仪器公司的LabVIEW作为该系统的软件开发平台，对虚拟仪器和LabVIEW软件进行了介绍，并详细地介绍一种基于LabVIEW环境下自行开发的虚拟函数信号发生器。虚拟仪器设计及实现的核心是软件的开发。该仪器不但界面友好，而且功能强大、操作简便。经过仿真实验表明，它能够产生实验室常用的正弦波、三角波、方波、锯齿波信号，并模拟产生噪声，采用巴特沃斯滤波器对其进行滤波，从而得到与原信号相近的信号进行频谱分析。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。
本文结合现有条件，围绕虚拟函数发生器和虚拟频谱分析仪的设计和实现进行了实验研究，得到以下一些结论：
（1） 利用虚拟仪器技术实现了虚拟函数发生器和虚拟频谱分析仪。
（2） 本文设计的虚拟仪器采用转盘旋钮来模拟实际的仪器，而采用的原件相对简单，为实现具体的函数发生器和频谱分析仪创造了条件。嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。
当然，本次试验也有一些不足，本文设计的频谱分析仪相对简单，没有实现较高级的功能，只是实现了相对简单的一些基本测量功能。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。
同时在这次课程设计中，不仅加深了对labview软件的认识，还加深了对系统模块化分析处理的思想。

致谢
首先要感