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电子测量与虚拟仪器综合训练课程设计报告

37
2020年4月19日
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电子测量与虚拟仪器综合训练
课程设计报告

设计题目： 电子测量仪器虚拟化设计
班 级：
姓 名：
学 号：
指导教师：
成 绩：

江苏理工学院
电气信息工程学院
年11月16日至 年12月4日

目 录

前 言 1
第1章 虚拟信号发生器设计 2
1.1设计要求 2
1.2设计思路与预期功能 2
1.3系统设计介绍 3
1.3.1虚拟信号发生器的前面板设计 3
1.3.2虚拟信号发生器的程序框图设计 4
1.4 虚拟信号发生器的各子模块设计 4
1.4.1波形选择模块 4
1.4.2波形生成模块 5
1.5测试与结果 5
1.5.1正弦波运行结果 5
1.5.2三角波运行结果 6
1.5.3方波运行结果 6
1.5.4锯齿波运行结果 7
1.5.5扫描信号波形运行结果 7
1.6性能分析 8
第2章 虚拟双踪示波器设计 9
2.1设计要求 9
2.2设计思路与预期功能 9
2.3系统设计介绍 10
2.3.1整体设计方案 10
2.3.2设计步骤 11
2.4测试与结果 13
2.4.1 A通道（B通道）单独显示波形 13
2.4.2 A、B两通道同时显示波形 14
2.4.3 A、B两通道叠加显示波形 15
2.4.4 A-B两通道显示波形 15
2.5性能分析 16
2.6数据采集卡应用 16
2.6.1采集卡NI PCI-6221 16
2.6.2数采卡驱动 17
2.6.3数采卡整体设计 19
2.6.4数采卡采集 20
第3章 虚拟数字频率计设计 24
3.1设计要求 24
3.2设计思路与预期功能 24
3.3系统设计介绍 24
3.3.1前面板 25
3.3.2程序框图 25
3.4测试与结果 26
3.4.1正弦波测试结果 26
3.4.2三角波测试结果 26
3.4.3方波测试结果 27
3.4.4锯齿波测试结果 27
训练总结 28
参考文献 29

前 言

虚拟仪器技术的发展及其在国民经济发展中的重要作用现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物。随着微电子技 术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方法、测试 领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。
在此背景下，1986年美国国家仪器公司(National Instruments, NI)提出了虚拟仪器(Virtual Instrument, VI)的概念。尽管迄今为止虚拟仪器还没有一个统一的定义，可是一般认为：虚拟仪器是在PC 基础上经过增加相关硬 件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统。
本次综合训练包含三个项目，分别是虚拟信号发生器设计，虚拟双踪示波器设计和虚拟数字频率计设计。
（1） 虚拟信号发生器设计中，信号源波形应该有正弦波、方波、三角波、锯齿波、扫频信号等不同的波形选择。信号的频率、幅值、和占空比等波形参数可按需要进行调节，并了解和掌握各功能模块对信号发生器性能的影响。
（2） 虚拟双踪示波器设计中，要求能够对两路信号进行观察和测量。
（3） 虚拟数字频率计设计中，要求完成频率/周期测量，测频时，闸门需分为四挡可选（分别为10ms，0.1s，1s，10s）；另外，测周期时，可实现周期倍乘，需分为四挡可选，分别为。

第1章 虚拟信号发生器设计

1.1设计要求
（1） 编写LABVIEW仿真信号发生器实验程序，要求能够产生方波（占空比可调）、 正弦波、三角波、锯齿波等多种波形，而且要求各种波形的参数可调、可控。频率调节范围不小于10Hz~1MHz；信号相位可调；方波占空比可调；幅度0~30v可调；扫频信号（信号幅度不变，频率线性变化10Hz~1MHz）。
（2） 编写程序对各种波形的有效值、全波平均值、峰值等进行测量，在全波平均值测量时要注意程序编写过程。同时记录各种关键的实验程序和实验波形并说明。
（3） 界面要求：参数控制、控制按钮、波形显示。
（4） 观察仿真结果并进行分析。
（5） 对该虚拟信号源进行性能评价。

1.2设计思路与预期功能
本次训练主要是阐述虚拟信号发生器的前面板和程序框图的设计。设计完的信号发生器的功能包括能够产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波四种信号波形；波形的频率、幅值、相位、偏移量及占空比等参数由前面板控件实时可调。
虚拟信号发生器是基于LabVIEW软件进行编程的，它使用的是图形化编程语言。要完成一个虚拟信号发生器首先要进行前面板的设计，根据信号发生器所要实现的功能，在控件选板中选择相应的控件，放在前面板相应的位置上，摆放要使前面板看起来比较协调。最为关键的是程序框图的设计。程序框图的设计主要用到函数选板，根据本程序要实现的功能，在函数选板中选择相应的函数，由于程序是多次执行，因此需要用到循环结构。调试程序即可得到一个信号发生器。

1.3系统设计介绍

1.3.1虚拟信号发生器的前面板设计
首先在前面板需要添加两个波形显示窗口，用于显示产生的信号，由于产生信号的频率、频率档选择、幅值、相位、偏移量以及当波形为矩形波时的占空比可调，因此要在前面板添加四个旋钮控件。
为了更准确的输入并实时显示这四个旋钮控件的具体数值，需要打开控件的数字显示项。信号波形均为可调，因此要添加一个枚举来选择不同的信号类型，信号类型包括正弦波、矩形波、三角波、锯齿波。因为程序还需要调占空比，因此前面板上还需要输入控件而且加上信号重置开关。由此得到信号发生器的前面板如图1.1所示。

图1.1 信号发生器的前面板
分析：经过信号选择，虚拟信号发生器能够实现正弦波、矩形波、三角波、锯齿波信号的输出，调节旋钮能够改变所选输出波形的幅值、频率、相位，控制输入控件可调偏移量和占空比（只有当选择矩形波时可调），由此可见，虚拟信号发生器很容易地实现了信号的调节。

1.3.2虚拟信号发生器的程序框图设计
LabVIEW软件中包括很多种函数，用户能够从软件中调用任意的函数供用户使用。本实验涉及到正弦波形、方波波形、三角波形、锯齿波形、循环结构、条件结构、延时等函数。信号发生器的程序框图设计如图1.2所示。

图1.2 信号发生器的程序框图
分析：首先需要对前面板上的“信号类型”输入控件的属性进行一下设置，使其在控件下拉列表里能够选择“正弦波”、“矩形波”、“三角波”、“锯齿波”在程序面板上添加一个条件结构，将“信号选择”控件与其相连。
按照属性的设置，条件结构值为0时，在条件结构里加入一个正弦波形函数；条件结构值为1时加入一个三角波形函数；条件结构值为2时加入一个方波形函数；条件结构值为3时加入一个锯齿波形函数，将频率、幅值、相位、偏移量、占空比输入控件分别和这五个波形函数连起来。为了方便观察波形变化，添加一个时间延时函数。为了实现程序的连续运行，添加一个while循环结构。最终，所设计的信号发生器的程序框图上图所示。

1.4 虚拟信号发生器的各子模块设计

1.4.1波形选择模块
该信号发生器的波形选择功能由前面板上的“文本下拉列表”输入控件实现，现将其命名为“信号选择”。首先需要设置一下它的属性，其设置情况如图1.3所示。

图1.3 信号选择输入控件的属性设置

1.4.2波形生成模块
本设计中用到的波形生成模块包括正弦波形、方波波形、三角波形、锯齿波形，如图1.4所示。

图1.4 波形函数

1.5测试与结果

1.5.1正弦波运行结果
正弦波运行结果如图1.5所示。

图1.5 正弦信号发生器前面板
分析：在前面板的“波形选择”中选择正弦波，改变频率，调节各个旋钮数值，观察正弦波的变化。上图显示的即为正弦波的显示情形。

1.5.2三角波运行结果
三角波运行结果如图1.6所示。

图1.6 三角信号发生器前面板
分析：在前面板的“波形选择”中选择三角波，改变频率，调节各个旋钮数值，观察三角波的变化。上图显示的即为三角波的显示情形。

1.5.3方波运行结果
方波运行结果如图1.7所示。

图1.7 方波信号发生器前面板
分析：在前面板的“波形选择”中选择方波，改变频率，调节各个旋钮数值，占空比可调，观察方波的变化。上图显示的即为方波的显示情形。

1.5.4锯齿波运行结果
锯齿波运行结果如图1.8所示。

图1.8 锯齿信号发生器前面板
分析：在前面板的“波形选择”中选择锯齿波，改变频率，调节各个旋钮数值，观察锯齿波的变化。上图显示的即为锯齿波的显示情形。

1.5.5扫描信号波形运行结果
扫描信号波形如图1.9所示。

图1.9 扫描信号波形前面板
分析：在前面板的“波形选择”中选择扫描波形，改变频率，调节各个旋钮数值，占空比可调，观察扫描波形的变化。上图显示的即为扫描波形的显示情形。

1.6性能分析
（1）本程序界面清晰，基本与实物图相符，生动形象，对于波形输出具有实时的动态效果。
（2）在采样数过大时，因为界面有限的原因，产生的波形将会很密集，无法辨析波形。
（3）本程序对信号频率有要求，因为信号输入为转盘输入，在频率较小时，信号能够正常显示在示波器上；但如果频率过大，将需要调整频率输入的范围。

第2章 虚拟双踪示波器设计

2.1设计要求
（1）编写LabVIEW虚拟示波器实验程序，要求能够对两路信号进行观察与测量。
（2）界面要求：参数控制、控制按钮、波形显示。
前面板设计控制包括通道选择控制、垂直偏转灵敏度、时基控制和波形显示控件等；通道选择主要控制单通道/双通道；时基控制主要控制采集卡扫描率、各通道的扫描次数（取样数），波形显示控制示波器的五种工作状态CHA、CHB、CHA&CHB、CHA+CHB、CHA-CHB模式。
A、B、A&B模式：经过显示通道选择按键A和B，能够任意显示某一通道或两个通道输入信号的波形；A+B、A-B模式：当两个通道处于选通状态时，使用此模式显示两个通道信号代数相加、相减后的波形。
（3）观察仿真结果并进行分析。
（4）对该虚拟示波器进行性能评价。

2.2设计思路与预期功能
本设计的想法是尽量与现实中的面板相一致，实现示波器最基本的显示和调节功能。因此本设计我设计了包含CH A和CH B的双通道示波器，即双踪示波器。设计时考虑的是以下几个部分:
（1）CH A和CH B通道设计及选择。设置两个控件控制CH A和CH B选通状况，分别输入正弦波、三角波、方波和锯齿波。
（2）波形产生。由于没有外界信号输入设备，因此不能用外部数据采集的方法输入信号波形，那么自己设计一个信号发生器，使两个通道都能实现基本模拟信号正弦波、三角波、方波、锯齿波的输入。
（3）波形显示。采用波形图控件。
（4）波形控制部分。包括CH A信号幅度调节和幅度偏移、CHB信号幅度调节和幅度偏移、同时开的时候两个信号叠加开关。
（5）停止示波器。经过while循环的停止按钮设置示波器停止工作。

2.3系统设计介绍

2.3.1整体设计方案
本设计的VI在创立过程中，首先创立前面板，然后进行程序框图的编写。在程序的编写中，使用了条件结构，while循环结构以及常见的数据处理函数，同时还用到了信号生成控件VI、旋钮控件VI等多个labVIEW控件。在程序框图的编写过程中，创立了多个labVIEW子VI，用于双通道示波器部分功能的实现，完整的设计框图如图2.1、图2.2所示。

图2.1虚拟双踪示波器前面板

图2.2虚拟双踪示波器程序框图

2.3.2设计步骤
1. 通道A、B的选择及波形发生
在程序框图面板上调用一个子VI，程序框图如图2.3所示。

图2.3子VI程序框图

2. 波形控制和调节部分
这部分是为了获得显示波形的详细信息而设计的，其结构如图2.4、图2.5所示。

图2.4 信息显示控件

图2.5 延迟时间
分析：图2.5是为了更清楚的观测而设置的，运行期间信号变化很快，不利于做详细的观测比较，解决该问题的方法是设置一个延迟时间模块。

3. A、B两通道波形显示的程序框图设计
（1）A通道单独显示波形如图2.6所示。

图2.6 A通道单独显示波形
分析：利用了一个条件选择结构，当显示方式选择A时，前面板上显示的只有A通道的波形；当显示方式选择B时，前面板上显示的只有B通道的波形；当显示方式选择A&B时，前面板上显示的有AB两通道的波形。

（2）A、B两通道显示波形的程序框图如图2.7所示。

图2.7 A、B两通道显示波形方式程序框图
分析：上图即为A、B两通道显示波形方式的程序框图，此时前面板枚举型输入控件选择显示方式，能够选择不同的显示方式，如A+B、A-B、A&B。能够更好的来观察波形显示的情形。

2.4测试与结果

2.4.1 A通道（B通道）单独显示波形
B通道单独显示波形如图2.8所示。

图(a) 图(b)

图(c) 图(d)
图2.8 单通道波形显示
分析：前面板上，“显示方式”选择A或B，“CH A”和“CH B”可分别下拉选择正弦波、三角波、方波、锯齿波，这时，屏幕上显示的即为图2.8所示的几个波形，都是单独显示的，能够调节幅值、频率来改变波形的幅值和频率等。

2.4.2 A、B两通道同时显示波形
双通道显示输入频率；幅值；垂直偏转因数为0.4v/div；时基因数为10ms/div；双通道显示波形如图2.9所示。

图2.9 双通道波形显示
分析：前面板上，“通道选择”选择“A&B”，“CH A”和“CH B”可分别下拉选择正弦波、三角波、方波、锯齿波，这时，屏幕上显示如上图，能够调节幅值、频率来改变波形的幅值和频率等。
两通道的周期和幅值实际值计算如下：
CHA： （式1-1）
（式1-2）
CHB： （式1-3）
（式1-4）
经过计算，可见两通道频率、幅值的实际值与理论值的误差不大，因此此虚拟双踪示波器设计是正确的。

2.4.3 A、B两通道叠加显示波形
A、B两通道叠加波形显示如图2.10所示。

图2.10 A通道和B通道叠加显示
分析：前面板上，“通道选择”选择“A+B”，“CH A”和“CH B”可分别下拉选择正弦波、三角波、方波、锯齿波，这时，屏幕上显示的即为图2.10所示的几组波形，能够调节幅值、频率来改变波形的幅值和频率等。

2.4.4 A-B两通道显示波形
A-B显示波形如图2.11所示。

图2.11 A-B显示
分析：前面板上，“通道选择”选择“A-B”，“CH A”和“CH B”可分别下拉选择正弦波、三角波、方波、锯齿波，这时，屏幕上显示的即为图2.11所示的几组波形，能够调节幅值、频率来改变波形的幅值和频率等。

2.5性能分析
（1）本程序界面清晰，基本与实物图相符，生动形象，对于波形输出具有实时的动态效果。
（2）在两通道交替显示波形和断续显示波形时，波形会很快的闪动，此时能够适当的增加延迟时间，以便更好的观察波形的变化。
（3）本设计中，两通道都能够正常的显示波形，交替和断续也都能够实现。

2.6数据采集卡应用
2.6.1采集卡NI PCI-6221
采集卡引脚图如图2.12所示。

图2.12 数采卡引脚图

2.6.2数采卡驱动
在Labview中应用采集卡时需要安装驱动NI DAQmx, Labview版本在 及以上的则需要安装驱动版本为NI DAQmx14.5及以上。
Labview中调用DAQmx模块是采用任务形式：创立任务—设置采样时钟—开始任务—任务完成—停止任务—清除任务—错误处理。
（1） 创立任务，创立一个输出通道。
设置所测量的最大和最小值，输入接线端配置，物理通道——指定用于生成虚拟通道的物理通道。DAQmx物理通道常量包含系统已安装设备和模块上的全部物理通道。

图2.13 虚拟物理通道图

（2） 输出接线端配置：物理通道用采集卡上空闲的I/O端口。
（3） 采样时钟设置：设定采样时钟源为——采卡时钟，OnboardClock；设定采样模式为——连续采样；设定频率为——输出信号频率的100倍左右。

图2.14 采样时钟程序框图

（4） 写入波形数据：设置通道为—模拟波形单通道多采样。
（5） 开始任务的控件说明如图2.15所示。

图2.15 开始任务控件

（6） 任务完成与否?：使用while循环来判断如图2.16所示。

图2.16 采样时钟程序框图

（7） 停止—清除—错误处理如图2.17所示。

图2.17 采样时钟程序框图

2.6.3数采卡整体设计
1.前面板如图2.18所示。

图2.18 数采卡前面板

2.程序框图如图2.19所示。

图2.19 数采卡程序框图

2.6.4数采卡采集
1.信号发生器产生正弦波如图2.20所示。

图2.20 正弦波产生波形

图2.21 正弦波产生波形

2.信号发生器产生锯齿波如图2.22所示。

图2.22 锯齿波产生波形

图2.23 锯齿波产生波形
3.信号发生器产生方波如图2.24所示。

图2.24 方波产生波形

图2.25 方波产生波形
4.信号发生器产生三角波如图2.16所示。

图2.26 三角波产生波形

图2.26 三角波产生波形
分析：从以上几组采集到的波形对比看出，信号发生器生成的波形与数据采集卡采集到的波形不尽相同，产生这种现象的原因有可能是信号传输中存在噪声，噪声是不可避免的，只能经过一些办法来减小噪声从而让输出波形更直观、更美观。

第3章 虚拟数字频率计设计

3.1设计要求
（1） 编写LABVIEW虚拟数字频率计实验程序，要求能够对方波、正弦波、三角波、锯齿波等多种周期信号进行频率的测量。频率调节范围可调。
（2） 界面要求：参数控制、控制按钮、测量频率显示。
（3） 频率测量的闸门为四挡可选：10ms、0.1s、1s、10s。
（4） 周期测量倍率：。
（5） 观察仿真结果并进行分析。
（6） 对该虚拟数字频率计进行性能评价。

3.2设计思路与预期功能
（1）频率计：所谓频率计就是指用来测量输入信号频率的仪器。
（2）测量原理：
经过测量多个采样周期的的周期，于是我们能够得到各个周期内信号的频率，然后用多周期求平均值的方法得出所求信号的频率。至于频率的相对误差，我们能够经过数组的前N个周期内的平均频率减去前N-1个周期内的平均频率，然后除以所求得的频率即可。
信号的频率计算公式我们用的最常见的为Fs=1/T,其中T是指信号的周期。我们经过波峰检测模块得到各周期波峰所在时刻的数组，然后用循环实现数组内后一项减前一项，得到另外一个数组。将该数组内各元素进行求倒等处理，得到各个周期内的信号频率。为了使测量结果更精确，我们利用多周期平均计算方法计算信号频率。

3.3系统设计介绍

3.3.1前面板
前面板重要组成部分：波形器、函数信号发生器模块、原信号输出频率、幅值、相位调节、方波占空比、门控调节、信号类型选择、测量频率输出、位置输出等。如图3.1所示。

图3.1 虚拟数字频率计前面板

3.3.2程序框图
程序框图重要组成部分：基本函数信号发生器模块、波形输出模块、波峰检测模块、数组长度测量及数组索引、条件选择结构、FOR循环结构、FOR循环中移位寄存器等。如图3.2所示。

图3.2 虚拟数字频率计程序框图
3.4测试与结果

3.4.1正弦波测试结果
正弦波测试波形如图3.3所示。

图3.3 正弦波测试结果
分析：图中频率为3Hz，门控为1ms，幅值为10，方波占空比50。

3.4.2三角波测试结果
三角波测试波形如图3.4所示。

图3.4 三角波测试结果
分析：图中频率为3Hz，门控为1ms，幅值为10，方波占空比50。

3.4.3方波测试结果
方波测试波形如图3.5所示。

图3.5 方波测试结果
分析：图中采样频率为150Hz，门控为1ms，幅值为9，方波占空比50。

3.4.4锯齿波测试结果
锯齿波测试波形如图3.6所示。

图3.6 锯齿波测试结果
分析：图中频率为3Hz，门控为1ms，幅值为10，方波占空比50。

训练总结

在这三周的综合训练中使用虚拟仪器软件平台LabVIEW的编程方法和调试技术，来完成虚拟信号发生器、虚拟双踪示波器、虚拟数字频率计的制作。
首先，在学习和掌握电子测量技术中有关信号发生的基本组成和工作原理的基础上，运用学习过的LabVIEW编程技术，采用LabVIEW软件完成一个信号发生器的制作，该信号发生器能够输出不同的波形，并能够改变其相应参数。经过设计与仿真，进一步熟悉和掌握了信号发生器的基本组成以及各部分的作用，并了解和掌握各功能模块对信号发生器性能的影响，同时熟悉与掌握使用LabVIEW设计虚拟仪器的一些基本方法和编程技术。
其次，在学习和掌握电子测量技术中有关双踪示波器的基本原理和组成结构以及学习和掌握LabVIEW编程技术的基础上，使用LabVIEW软件设计完成一个虚拟双踪示波器的设计。该双踪示波器能对两个信号进行显示和测量。
最后，掌握数字频率计实现频率测量的基本原理以及数字频率计的基本组成结构，掌握使用LabVIEW设计虚拟频率计的基本方法。利用LabVIEW开发平台，设计和完成一个数字频率计，分析频率中的相关误差产生的原因及处理方法等。
经过本次综合训练，对一个工具从理论分析到设计过程及设计中要注意的事项有了一定的了解，这样方便以后设计其它的虚拟仪器并将其运用到一些理论分析上。另外，经过这次实践，对LabVIEW的各个模块和它们的作用有了更深的认识，同时也夯实了理论基础，提高自己的综合实践能力。

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