畢業(yè)論文---基于labview的頻率特性測試儀設(shè)計

1、<p>　　基于LabVIEW的頻率特性測試儀設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在電子測量中，信號頻率方面的測試占很重要的地位。會經(jīng)常遇到對網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性和傳輸特性進行測量的問題，其中傳輸特性包括增益特性、衰減特性、幅頻特性、相頻特性等。用來測量上述特性的儀器稱為頻率特性測試儀。本設(shè)計基于LabVIEW的頻率特性測試儀就

2、是完成對上述參量的檢測。本文首先從系統(tǒng)所要實現(xiàn)的基本功能出發(fā)，介紹了總體方案及相應(yīng)技術(shù)指標，論述了掃頻測量的基本原理，包括系統(tǒng)動態(tài)特性的函數(shù)表征、系統(tǒng)動態(tài)特性測試方法、激勵信號的產(chǎn)生與控制等。</p><p>　　本設(shè)計基于虛擬儀器思想和頻率特性分析相關(guān)理論，提出了用虛擬儀器方式開發(fā)頻率特性測試儀的新思路。設(shè)計的目標就是用美國國家儀器公司提供的虛擬儀器開發(fā)平臺—LabVIEW，并結(jié)合相應(yīng)的硬件環(huán)境，實現(xiàn)一個實用性

3、較強的虛擬頻率特性測試儀。</p><p>　　設(shè)計的頻率特性測試儀包括三部分：（1）數(shù)據(jù)采集；（2）數(shù)據(jù)分析與處理；（3）存儲、顯示和打印。設(shè)計的內(nèi)容從仿真和硬件兩方面都調(diào)試通過。其中，硬件方面是通過搭建濾波電路作為外部系統(tǒng)實現(xiàn)的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器，LeaBIEW，掃頻測量，頻率特性</p><p>　　DESIGN OF FREQUENCY

4、 CHARACTERISTIC TEST INSTRUMENT BASED ON LABVIEW</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In electronic measurement, the frequency of measurement is a very important part. We will often enc

5、ounter the network impedance characteristics and transmission characteristics of the measurement.The transmission characteristics include the gain and attenuation characteristics, amplitude and frequency characteristics

6、of phase frequency characteristics. The apparatus used to measure the characteristics are known as the frequency characteristics of testing equipment. Here aim of the frequency char</p><p>　　Based on virtual

7、 machines defination and frequency analysis of the relevant theories, frequency characteristics test virtual instruments is introduced. The objective is to by use of LabVIEW the United States state equipment companies pr

8、ovide the platform for the development of virtual instruments, and combine with hardware environment, a strong frequency characteristic of virtual Instrument system is realized. </p><p>　　Test frequency desi

9、gn can be decomposed into three parts: (1) data collection; (2) data analysis and processing; (3) storage, display and print. Respectively, from the design of both simulation and hardware debugging through. Among them, t

10、he hardware is set up through the filter circuit implemented as an external system.</p><p>　　KEY WORDS：Virtual Instrument, LeaBIEW, Sweep Check,Frequency Characteristic</p><p><b>　　目 錄<

11、;/b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p><b>　　第1章 概　述2</b></p><p>　　§1.1 虛擬儀器的基本概念2</p><p>　　§1.2 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)及分類2</p><p>　　&#

12、167;1.3 虛擬儀器的特點3</p><p>　　§1.4 研究設(shè)計虛擬頻率特性測試儀的意義3</p><p>　　第2章 頻率特性分析4</p><p>　　§2.1 頻率特性的基本概念4</p><p>　　§2.2 頻率特性的時域分析4</p><p>　　§

13、2.3 頻率特性的頻域分析5</p><p>　　第3章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計6</p><p>　　§3.1 虛擬頻率特性測試儀的總體結(jié)構(gòu)6</p><p>　　§3.2 掃頻儀測量原理6</p><p>　　§3.3 用虛擬儀器實現(xiàn)的掃頻儀的測量原理7</p><p>　　第4章

14、 系統(tǒng)硬件設(shè)計8</p><p>　　§4.1 數(shù)據(jù)采集卡8</p><p>　　§4.1.1 數(shù)據(jù)采集卡介紹8</p><p>　　§4.1.2 對數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換盒的改裝8</p><p>　　§4.2 濾波電路的設(shè)計與搭建10</p><p>　　第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計

15、12</p><p>　　§5.1 軟件模塊總體結(jié)構(gòu)12</p><p>　　§5.2 數(shù)據(jù)采集模塊12</p><p>　　§5.3 激勵信號產(chǎn)生模塊14</p><p>　　§5.4 信號譜分析模塊14</p><p>　　§5.5 濾波處理模塊15&l

16、t;/p><p>　　§5.6 數(shù)據(jù)保存模塊16</p><p>　　§5.7打印結(jié)果模塊16</p><p>　　§5.8 前面板設(shè)計17</p><p>　　第6章 軟件使用說明書20</p><p>　　第7章 軟件測試分析報告23</p><p>　　

17、§7.1 仿真調(diào)試23</p><p>　　§7.2 硬件調(diào)試28</p><p>　　第8章 項目開發(fā)總結(jié)- 31 -</p><p>　　結(jié) 論- 32 -</p><p><b>　　參考文獻33</b></p><p><b>　　致 謝35&

18、lt;/b></p><p><b>　　附　錄36</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　頻率特性測量在現(xiàn)代電子測量中占有重要位置，其原理就是將網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)信號與激勵信號在頻率上的對應(yīng)幅值相比，對應(yīng)相位相減。運用掃頻技術(shù)的頻率特性測試儀(簡稱掃頻儀)可以對被測網(wǎng)絡(luò)進行快速的動態(tài)測

19、試，得出被測網(wǎng)絡(luò)的阻抗和傳輸特性的實時測量結(jié)果。電子測試與測量儀的發(fā)展大至經(jīng)歷了模擬儀器、分立元件式儀器、數(shù)字化儀器和智能儀器等幾個過程。</p><p>　　電子科技的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的頻率特性測試儀已經(jīng)無法完全滿足科研人員的需要。對于數(shù)字化、智能化高性能頻率特性測試儀的需求量日益增大。隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，測試技術(shù)與計算機深層次的結(jié)合使得測試儀器領(lǐng)域出現(xiàn)了一種全新的儀器結(jié)構(gòu)即虛擬儀器(VI-vi

20、rtual instrument)。近年來，虛擬儀器技術(shù)發(fā)展很快，基于虛擬儀器技術(shù)的各種測試設(shè)備不斷涌現(xiàn)。</p><p>　　掃頻信號源(頻率源)是掃頻儀的重要部件，主要用于產(chǎn)生正弦掃頻信號，其掃頻范圍是可調(diào)的，掃頻規(guī)律是線性的或?qū)?shù)的，輸出掃頻信號的幅度應(yīng)是等幅的。頻率源的性能直接影響著掃頻儀的性能好壞，頻率源主要采用頻率合成的方法，其性能是伴隨著頻率合成技術(shù)的進步而發(fā)展的。從早期的直接式頻率合成技術(shù)到第二代

21、鎖相式頻率合成技術(shù)，直到目前較先進的直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)(DDS-direct digital synthesis)，經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。DDS較之以前的頻率合成技術(shù)具有頻率轉(zhuǎn)換時間極短、頻率分辨率極高、輸出相位連續(xù)、可編程、全數(shù)字化、易于集成等突出優(yōu)點。因此，它得到越來越廣泛的應(yīng)用，成為當今現(xiàn)代電子系統(tǒng)及設(shè)備中頻率源的首選。</p><p>　　本設(shè)計應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展的虛擬儀器技術(shù)，即利用微型計算機強大的軟件

22、功能和環(huán)境進行頻率特性測試儀(掃頻儀)的研究與開發(fā)。在NI公司的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW上，研制一種新型的基于虛擬儀器技術(shù)的頻率特性測試儀，這種新型儀器將充分利用計算機軟、硬件資源，一臺儀器可代替原來的頻率特性儀和示波器兩臺儀器，具有強大的處理能力，及其新穎、清晰的圖形曲線顯示，方便的數(shù)據(jù)輸出、打印功能等，具有操作方便、性價比高等優(yōu)點，可以更好地滿足科研和工程設(shè)計的需要。</p><p><b>

23、　　第1章 概　述</b></p><p>　　§1.1 虛擬儀器的基本概念</p><p>　　虛擬儀器(Virtural Instrument，VI)是用戶在通用計算機平臺上，根據(jù)需求定義和設(shè)計儀器的測試功能，使得使用者在操作這臺計算機時，就像在操作一臺自己設(shè)計的測試儀器一樣。虛擬儀器概念的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的工作模式，使用戶可以根據(jù)自己

24、的需要，設(shè)計自己的儀器。</p><p>　　“軟件就是儀器”是虛擬儀器技術(shù)最核心的思想，其目標是：在測試系統(tǒng)和儀器設(shè)計中盡量用軟件代替硬件，充分利用計算機技術(shù)來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)測試系統(tǒng)與儀器的功能。VI技術(shù)以PC機為基礎(chǔ)，和其他傳統(tǒng)儀器相比，具有通用性好、可擴展性強、可靠性和自動化程度高，以及數(shù)據(jù)表達方便靈活等優(yōu)點[1]。</p><p>　　§1.2 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)及分類<

25、;/p><p>　　在功能上來講虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器是一樣的，但它又是由硬件平臺和應(yīng)用軟件兩部分組成。結(jié)構(gòu)組成由圖可知是包含數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果表達三個功能模塊組成。</p><p>　　圖1-1 虛擬儀器的內(nèi)部功能劃分</p><p>　　常用的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)有四種，LabVIEW、lab windows、visual c++和vmids等等。本文使用

26、LabVIEW完成。</p><p>　　LabVIEW是美國國家儀器公司（簡稱NI）推出的一種圖形化軟件編程環(huán)境，作為世界上最優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，在測控領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，利用NI虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計者可以象搭積木一樣輕松快速組建自己的測試系統(tǒng)[2]。</p><p>　　§1.3 虛擬儀器的特點</p><p>　　虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，有以下

27、幾個特點：</p><p>　　（1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，其上布置過多的顯示和操作部件，易于導致誤操作。虛擬儀器則不同，它可以通過幾個分面板來實現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。因此，在每個分面板上就可以實現(xiàn)功能的單純化與面板的簡潔化，從而提高操作的正確性與便捷性。</p><p>　?。?）在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的測試功能。</p><p>

28、;　?。?）儀器功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是事先由廠家決定。</p><p>　?。?）儀器性能的改進和功能擴展可以通過軟件的更新來實現(xiàn)，而不需購買新的儀器。</p><p>　?。?）虛擬儀器具有開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)決定了虛擬儀器具有上述傳統(tǒng)儀器不可能具備的優(yōu)點的根本原因在于虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件[3]。</p><p&g

29、t;　　§1.4 研究設(shè)計虛擬頻率特性測試儀的意義</p><p>　　傳統(tǒng)的模擬式掃頻儀一般由調(diào)頻振蕩器、陰極示波管、掃描發(fā)生器等部分組成，因而工藝復(fù)雜、體積較大、價格昂貴，而且使用起來操作程序復(fù)雜。并且模擬式掃頻儀不能直接得到相頻特性，更不能打印網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)曲線，給使用者帶來了諸多不便。</p><p>　　本設(shè)計研究的頻率特性測試儀克服了傳統(tǒng)模擬掃頻儀的缺點，具有體積小、操

30、作簡便、測試準確。利用計算機強大的運算和顯示功能實現(xiàn)了模擬式掃頻儀很難實現(xiàn)的功能，同時顯示幅頻特性曲線和相頻特性曲線，打印頻率特性曲線，甚至可以通過曲線擬合得到被測網(wǎng)絡(luò)的近似傳遞函數(shù)[4]。</p><p>　　第2章 頻率特性分析</p><p>　　§2.1 頻率特性的基本概念</p><p>　　頻率特性指系統(tǒng)傳遞不同頻率正弦信號的性能，包括幅度頻率

31、特性和相位頻率特性。幅度頻率特性描述系統(tǒng)對于不同頻率的輸入正弦信號在穩(wěn)態(tài)情況下的衰減或放大特性：相位頻率特性描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出對于不同頻率的正弦輸入信號的相位滯后或超前的特性。</p><p>　　§2.2 頻率特性的時域分析</p><p>　　對信號波形的記錄是以時間一幅度相關(guān)的形式直觀表現(xiàn)出來，稱為時域分析，通過分析，可得到幅值大小、幅值對時間的分布、相位的滯后、波形的畸變

32、等信息。</p><p>　　時域幅值判定是通過對每個掃頻信號的采樣序列直接求算術(shù)平均最大值，即在時域中直接求出信號的振幅值來實現(xiàn)的。其中由采樣的總樣本數(shù)和信號一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)來決定極值出現(xiàn)的個數(shù)。時域判定算法如下：</p><p>　　設(shè)總樣本數(shù)為N，第周期采樣點數(shù)為m，采樣序列為{Xk}，k=0，1，…，N-1；令p=N/m。</p><p>　　（1）求出

33、{Xk}中的最大值Xmaxi（i=0，1，…p-1）。</p><p>　?。?）判斷i≤p是否成立?若成立，從{Xk}中刪除Xmaxi，重復(fù)第1步，否則進行第3步。</p><p>　?。?）對求出的所有最大值Xmaxi再求平均值，即</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　所求出的平均最大

34、值即為判定出的信號幅值。這里采用平均值的原因是：在高速數(shù)據(jù)采集板卡中噪聲將影響讀數(shù)的穩(wěn)定性或測量的重復(fù)性。在算法中通過對含有噪聲的采樣值取多次平均，可以在某種程序上抑制噪聲，也有助于補償硬件的噪聲抑制能力，以減少噪聲。</p><p>　　§2.3 頻率特性的頻域分析</p><p>　　與時域分析不同，頻域分析指是對動態(tài)信號在頻率域進行分析，分析的結(jié)果是以頻率為坐標的各種物理量

35、的譜線和曲線，可得到各種幅值以頻率為變量的頻譜函數(shù)。頻域分析中可求幅值譜、相位譜、功率譜及譜密度等。頻域分析中一個重要工具就是傅里葉變換(簡稱傅氏變換)，它包括了傅里葉級數(shù)和傅里葉積分。</p><p>　　對于一些己知函數(shù)，通過傅氏級數(shù)和傅污積分可給出解析解，再進行計算能得出一定精確程度的解答。而根據(jù)實際信號曲線一般不能寫出精確的數(shù)學函數(shù)表達式。因此，往往要把實際曲線逐點的讀數(shù)離散化后再進行計算。借助計算機處理

36、處理信號時，由于計算機不能對連續(xù)曲線進行計算，就需先通過A/D轉(zhuǎn)換器將曲線上各點讀數(shù)離散化后再讀入，也就是以一些斷點來代替曲線后再計算，因此出現(xiàn)了所謂的“離散”傅氏變換(DFT)，是一種數(shù)學近似算法。在計算DFT的各種算法中，快速傅氏變換算法—FFT占有非常重要的地位，已成為現(xiàn)代頻譜分析的常規(guī)手段，特別是引入計算機技術(shù)后，更是方便快捷而且直觀精確的最佳選擇[5]。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計&l

37、t;/p><p>　　§3.1 虛擬頻率特性測試儀的總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　虛擬頻率特性測試儀由計算機、數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的軟件（用LabVIEW開發(fā)的應(yīng)用軟件）信號處理部分和存儲部分組成。結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 虛擬掃頻儀結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖為一般虛擬儀器的結(jié)構(gòu)框圖，在仿真時，設(shè)計中由于沒有被

38、測網(wǎng)絡(luò)，所以在軟件設(shè)計中我們用已知的濾波器代替這里的被測網(wǎng)絡(luò)。當接外部信號演示時，用搭好的壓控電壓源型濾波電路代替被測網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　§3.2 掃頻儀測量原理</p><p>　　對于一個電子部件，一個網(wǎng)絡(luò)或一個系統(tǒng)的頻率特性是可以用實驗方法測試。測試方法有點頻測量法和掃頻測量法。點頻測量法的方框圖如圖3-2所示。測試時，信號源的頻率由低至高逐點調(diào)節(jié)，幅度保持不變，同

39、時分別讀出電壓表的數(shù)值。然后把信號頻率的變化定為橫坐標，以電壓幅度定為縱坐標，逐點畫出各頻率點對應(yīng)的電壓值，便可以描繪出平滑曲線，即得到被測系統(tǒng)的幅度頻率特性曲線[6]。</p><p>　　圖3-2 點頻法測量的方框圖</p><p>　　掃頻測量法是點頻測量法的改進，其方框圖如圖3-3所示。一方面，改進測試信號源，用掃頻信號源把逐點調(diào)節(jié)頻率改為逐點掃動頻率；另一方面，改進接收信號的指示

40、器，使信號隨頻率變動的軌跡用示波器直觀地顯示出來，從而直接得到被測系統(tǒng)的幅度頻率特性曲線[7]。</p><p>　　通常把掃頻信號發(fā)生器、峰值檢波器、示波器、頻標信號發(fā)生器組成一個整體，即為頻率特性測試儀（掃頻儀）。</p><p>　　圖3-3 掃頻測量方框圖</p><p>　　§3.3 用虛擬儀器實現(xiàn)的掃頻儀的測量原理</p><

41、;p>　　虛擬頻率特性測試儀的基本測量原理是使用隨機信號正弦波作為激勵信號，通過數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出功能將激勵信號加到被測網(wǎng)絡(luò)上，再用兩個模擬輸入通道將激勵信號和網(wǎng)絡(luò)輸出端的響應(yīng)信號同時采集到計算機中，計算隨機信號的自功率譜和隨機信號和響應(yīng)信號的互功率譜，根據(jù)系統(tǒng)的特征，得到系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性[8]。</p><p>　　第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　§4

42、.1 數(shù)據(jù)采集卡</p><p>　　§4.1.1 數(shù)據(jù)采集卡介紹</p><p>　　PCI2006卡分為：PCI 局部總線、模擬信號輸入部分、A/D轉(zhuǎn)換電路部分、D/A轉(zhuǎn)換電路部分、開關(guān)量輸入輸出部分、計數(shù)器和FIFO存儲器（AD的緩存）部分。它是一種基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接插在IBM-PC/AT 或與之兼容的計算機內(nèi)的任一PCI插槽中，構(gòu)成實驗室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心

43、等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)。也可構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。PCI2006板上裝有14Bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和12位D/A轉(zhuǎn)換器。為用戶提供了16 雙/32單的模擬輸入通道和2 路模擬輸出通道。輸入信號幅度可以經(jīng)程控增益儀表放大器調(diào)到合適的范圍，保證最佳轉(zhuǎn)換精度。程控增益可選擇1、2、4、8（PGA203）或1、10、100、1000（PGA202）倍，A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號范圍:±5V、±10V(板上

44、A/D轉(zhuǎn)換器為AD7899-1，PCI2006)，0~5V、0~2.5V量程(板上A/D轉(zhuǎn)換器為AD7899-2，PCI2006A)，D/A轉(zhuǎn)換器輸入信號范圍:±5V、±10V、0~10V[9]。</p><p>　　§4.1.2 對數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換盒的改裝</p><p>　　本設(shè)計采用PCM數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換盒。實驗室現(xiàn)有的此采集盒只有一個通道可以用（只有一個通道內(nèi)

45、帶上拉電阻），而本設(shè)計在演示時需同時采集兩路信號，所以此采集盒滿足不了需求，需對其進行改裝，再改裝一個通道，在其上接個500千歐的上拉電阻。</p><p>　　模擬輸入信號的連接方式有單端輸入方式和雙端輸入方式。這里我們使用雙端輸入方式接法，它可以有效抑制共模干擾信號，提高采集精度。在雙端輸入方式下，其所有AD通道的分配情況如表4-1。</p><p>　　表4-1 雙端輸入方式下AD通

46、道的分配</p><p>　　PCI2006板可按圖4-1連接成模擬電壓雙端輸入方式，可以有效抑制共模干擾信號，提高采集精度。8路模擬輸入信號正端接到IN00+～IN15+端，其模擬輸入信號負端接到IN00-～IN15-端，并在距離XS1插座近處，在IN00-～IN15-端與AGND端應(yīng)各接一只幾十KΩ至幾百KΩ的電阻，為儀表放大器輸入電路提供偏置。</p><p>　　而現(xiàn)有的采集盒內(nèi)只

47、有0通道接有此上拉電阻，所以準備對1通道進行改裝，接線法按圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 雙端輸入方式</p><p>　　§4.2 濾波電路的設(shè)計與搭建</p><p>　　設(shè)計要求：截止頻率fc=2000Hz,紋波幅度ΔKp=0.5dB,通帶增益Kp=2的二階壓控電壓源型巴特沃斯高通濾波器[10]，電路如圖4-2所示。</p>

48、<p>　　圖4-2 二階壓控電壓源型高通有源濾波器電路</p><p>　　（1）電容C1的確定</p><p>　　由fc=2000Hz，查表4-2得：可取C1=0.005µF。</p><p>　　表4-2 二階有源濾波器設(shè)計電容選擇用表</p><p>　?。?）電阻換標系數(shù)的計算</p><

49、;p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　由式(4-1)計算得，K=10（其中fc以Hz為單位，C1以µF為單位）。</p><p>　?。?）歸一化電阻值ri的確定</p><p>　　由Kp=2查表4-3得：r1=1.821kΩ，r2=1.391kΩ，r3=2.782kΩ，r4=2.782kΩ。</p&

50、gt;<p>　　表4-3 二階壓控電壓源型巴特沃斯高通濾波器設(shè)計用表</p><p>　?。?）電阻實際值的計算</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　由式(4-2)計算得：R1=18.21kΩ，R2=13.91kΩ，R3=27.82kΩ，R4=27.82kΩ。</p><p&g

51、t;　　（5）電阻、電容標稱值的確定</p><p>　　R1=18kΩ，R2=14kΩ，R3=28kΩ，R4=28kΩ，C2=C1=0.005µF。</p><p>　　硬件電路如圖4-3所示。</p><p><b>　　圖4-3 濾波電路</b></p><p>　　第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計</p>

52、;<p>　　§5.1 軟件模塊總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　該虛擬頻率特性測試儀軟件模塊主要分為參數(shù)設(shè)置模塊、激勵信號產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集、譜分析、濾波處理、波形顯示、波形保存模塊。各模塊之間的數(shù)據(jù)流圖如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1 各模塊數(shù)據(jù)流圖</p><p>　　§5.2 數(shù)據(jù)采集模塊</p><

53、;p>　　有了hDevice設(shè)備對象句柄后，便可用InitDeviceProAD函數(shù)初始化AD部件。然后用StartDeviceProAD即可啟動AD部件，開始AD采樣，然后便可用ReadDeviceProAD_NotEmpty反復(fù)讀取AD數(shù)據(jù)以實現(xiàn)連續(xù)不間斷采樣。當您需要暫停設(shè)備時，執(zhí)行StopDeviceProAD，當您需要關(guān)閉AD設(shè)備時，ReleaseDeviceProAD便可幫您實現(xiàn)（但設(shè)備對象hDevice依然存在）[1

54、1]。具體執(zhí)行流程如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-2 非空查詢方式AD采集實現(xiàn)過程</p><p>　　§5.3 激勵信號產(chǎn)生模塊</p><p>　　傳統(tǒng)頻率特性測試儀一般使用LC掃頻振蕩器產(chǎn)生掃頻信號，即被測系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)（電路）的激勵信號，掃頻信號一般為頻率連續(xù)可調(diào)的交變信號。而在虛擬儀器環(huán)境下，掃頻所需的激勵信號則是在計算機中以軟件方法產(chǎn)生

55、、并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到的，信號類型更為廣泛[12]。</p><p>　　本設(shè)計采用均勻白噪聲作為仿真激勵信號，之所以選均勻白噪聲信號，是因為虛擬的外部設(shè)備是濾波器，白噪聲的濾波效果比較明顯；而且白噪聲的頻率不定，避免了在運行時不斷的手動調(diào)節(jié)頻率。激勵信號的產(chǎn)生程序如</p><p><b>　　圖5-3所示。</b></p><p>　　圖5

56、-3 激勵信號發(fā)生程序設(shè)計框圖</p><p>　　§5.4 信號譜分析模塊</p><p>　　根據(jù)虛擬頻率特性測試儀的測量原理與算法，采用互功率譜的方法。首先使用Cross Spectrum VI得到激勵信號與響應(yīng)信號的互功率譜，同時使用FFT Power Spectrum VI 得到激勵信號的自功率譜，然后根據(jù)式(5-1)和式(5-2)就可以得到系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)[1

57、3-15]。程序見附錄Ⅰ及附錄Ⅱ。</p><p><b>　　(5-1)</b></p><p><b>　　(5-2)</b></p><p>　　§5.5 濾波處理模塊</p><p>　　在利用隨機噪聲作為激勵信號求網(wǎng)絡(luò)的頻率特性時，通常實驗得到的曲線需要做適當?shù)奶幚?。本虛擬儀器首

58、先使用LabVIEW自帶的數(shù)字IIR濾波器 VI對所得到的響應(yīng)頻率做中值濾波，以剔除曲線中較大的毛刺。</p><p>　　中值濾波在實驗數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用較多，它可用于剔除數(shù)據(jù)曲線上的毛刺。其定義如下：</p><p>　　設(shè)濾波窗口的長度為n=2k+1或n=2k觀測值個數(shù)為M(M>>n)觀測值為當窗口在觀測序列上移動時，標準中值濾波器的輸出為</p><p&

59、gt;　　n=2k+1 (5-3)</p><p>　　n=2k (5-4)</p><p>　　其中，表示窗口內(nèi)n=2k+1（或2k）個觀測值中第k個最大或最小數(shù)值，即k次序統(tǒng)計。</p><p>　　根據(jù)上述定義，窗口n=2k+1的一維中值濾波方法的輸出與輸入的關(guān)系為</p><p><

60、b>　　(5-5)</b></p><p>　　全中值濾波方法窗口長度n=2k+1，如果脈沖信號寬度小于或等于k濾波后該脈沖將被去除。利用中值濾波方法的這個性質(zhì)，能夠在去除脈沖噪聲的同時保護信號的細節(jié)。</p><p>　　在實際使用時，濾波窗口長度選擇要適當，若長度過小，可能起不到去除干擾的作用；而長度過大，會造成采樣數(shù)據(jù)的時延過大，致使系統(tǒng)性能變差[16]。激勵信號和

61、經(jīng)濾波后的響應(yīng)信號如圖5-4所示。</p><p>　　圖5-4 激勵信號與響應(yīng)信號</p><p>　　§5.6 數(shù)據(jù)保存模塊</p><p>　　完成以上步驟后已經(jīng)可以得出被測信號的頻率特性，在此我們添加一個數(shù)據(jù)保存模塊是為了更好的完成其功能，方便保存和打印。程序框圖如圖5-5所示。.</p><p>　　圖5-5 數(shù)據(jù)存儲程序

62、框圖</p><p>　　§5.7打印結(jié)果模塊</p><p>　　程序如圖5-6所示。</p><p>　　圖5-6 打印結(jié)果程序</p><p>　　§5.8 前面板設(shè)計</p><p>　　傳統(tǒng)的臺式儀器通常是在前面板設(shè)置一些旋鈕和按鍵，通過人工操縱這些旋鈕和按鍵來調(diào)整測量參數(shù)。除了這種本地控

63、制方式之外，多數(shù)臺式儀器還配備有GPIB接口以及一個內(nèi)置的控制器，以實現(xiàn)儀器的自動遠程控制。</p><p>　　虛擬儀器的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的儀器控制方式。虛擬儀器采用了基于圖形用戶接口（GUI）編程技術(shù)，在計算機屏幕上顯示出各種很逼真的各種旋鈕和按鍵等控件，用戶使用鼠標或鍵盤操控控件，測試結(jié)果和儀器狀態(tài)也以與傳統(tǒng)面板類似的方式顯示在計算機屏幕上，由于這種面板是以計算機軟件的形式實現(xiàn)的，因此稱之為軟面板。它是傳統(tǒng)儀

64、器的面板和軟件界面的融合，且具有以下特性：</p><p><b>　?。?）多面板性</b></p><p>　　傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，它的上面布置著種類繁多的顯示和操作元件，由此可能導致許多認讀與操作的錯誤。虛擬儀器可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復(fù)雜的功能，從而提高操作的正確性與便捷性。</p><p><b>　?。?

65、）工藝的自由性</b></p><p>　　虛擬儀器面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受“標準件”和“加工工藝”的限制，它們由編程來實現(xiàn)。設(shè)計者可以設(shè)計符合認知要求的顯示元件、操作元件和面板的布局。</p><p><b>　?。?）自助性</b></p><p>　　虛擬儀器中用戶可以借助幫助信息學會操作儀器，解決使用時遇到

66、的問題。面板中包括旋鈕等控件，面板是虛擬儀器輸入和輸出數(shù)據(jù)的接口，用戶可以直接用鼠標或鍵盤輸入數(shù)據(jù)。</p><p>　　根據(jù)要求設(shè)計的頻率特性測試儀的前面板如圖5-7、圖5-8、圖5-9所示。</p><p>　　圖5-7 主界面前面板</p><p>　　圖5-8 數(shù)據(jù)采集前面板</p><p>　　數(shù)據(jù)采集程序可實現(xiàn)同時采集32路信號。

67、數(shù)據(jù)采集前面板左半部分可設(shè)置通道總數(shù)和采樣頻率，中間部分設(shè)置采集參數(shù)，右半部分設(shè)置各通道的增益。</p><p>　　圖5-9 頻率響應(yīng)顯示前面板</p><p>　　這里我們所設(shè)計的頻率響應(yīng)顯示前面板較為簡潔，左上半部分為濾波項選擇，左下半部分為運行控制按鈕，右上部分為信號頻率特性的顯示，縱向是信號波形經(jīng)調(diào)制后的幅度，橫坐標是頻率，右下部分是激勵信號輸入和輸出的波形顯示。</p&g

68、t;<p>　　此外，前面板上還有其他按鍵，線性與對數(shù)按鍵是顯示波形結(jié)果以線性或?qū)?shù)方式來表達的。結(jié)束后，可按“數(shù)據(jù)保存”鍵進行保存。</p><p>　　第6章 軟件使用說明書</p><p>　　頻率特性測試儀的測量系統(tǒng)的前面板有主界面、數(shù)據(jù)采集顯示界面和頻率響應(yīng)顯示界面，在程序運行過程中，這三個界面可以相互切換。只有程序運行之后，頻率響應(yīng)顯示界面才有圖形顯示。主界面如圖

69、5-7所示，數(shù)據(jù)采集顯示界面如圖5-8所示，頻率響應(yīng)顯示界面如圖5-9所示。</p><p><b>　　操作步驟如下：</b></p><p>　　1．程序運行后，點擊“進入系統(tǒng)”按鈕，會自動跳轉(zhuǎn)入采集顯示界面。</p><p>　　2．在數(shù)據(jù)采集顯示界面上選擇通道總數(shù)、采樣頻率和采集方式。通道數(shù)可以在1-32之間選擇，本設(shè)計僅使用2個通道即

70、可。采樣頻率的值可以扳動旋鈕，也可以直接輸入。</p><p>　　3．采集數(shù)據(jù)設(shè)置好后，單擊“進入顯示”按鈕，進入頻率響應(yīng)顯示界面。</p><p>　　4．單擊“開始”，頻率響應(yīng)曲線開始動態(tài)顯示，同時“開始”按鈕自動變?yōu)椤斑\行中”按鈕，如需停止可按下“運行中”按鈕。這時可以根據(jù)需要點擊按鈕。</p><p>　　可按下“仿真信號”、“外部信號”進行信號選擇。當選

71、擇外部信號時，使用采集卡的兩個通道將激勵信號和網(wǎng)絡(luò)輸出信號同時采集到計算機中，經(jīng)處理后構(gòu)成幅頻和相頻特性曲線，并顯示在屏幕上。</p><p>　　在“濾波項選擇”中設(shè)置濾波器參數(shù)。修改“階數(shù)”，則綠色曲線會跟著改變，并且有紅色和綠色指示燈是否與期望值相一致。紅色表示異常，綠色表示未超過允許值，是正常的。</p><p>　　點擊“數(shù)據(jù)保存”，會彈出保存對話框，如圖6-1所示，隨意選擇保存

72、路徑，其會自動生成一個文件存儲數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖6-1 數(shù)據(jù)存儲對話框</p><p>　　點擊“打印結(jié)果”按鈕，會自動彈出提示框，如圖6-2所示。</p><p>　　圖6-2 打印結(jié)果對話框</p><p>　　5．單擊“返回主界面”，會自動跳轉(zhuǎn)至主界面。</p><p>　　6．單擊“退出系統(tǒng)”，會自

73、動彈出提示對話框，如圖6-3所示。</p><p>　　圖6-3 退出系統(tǒng)對話框</p><p>　　使用該測量系統(tǒng)，應(yīng)該特別注意“開始”、“運行中”和 “退出系統(tǒng)”按鈕。Labview開始運行后，并沒有啟動程序。單擊“開始”， 程序才開始運行。單擊“運行中”，程序停止運行。單擊“退出系統(tǒng)”，Labview文件自動關(guān)閉。</p><p>　　第7章 軟件測試分析報告

74、</p><p><b>　　§7.1 仿真調(diào)試</b></p><p>　　用LabVIEW實現(xiàn)頻率特性測試儀的原理前面的章節(jié)已經(jīng)進行了闡述。這里我們?yōu)榱俗C實軟件的可行性，特增加了模擬仿真這一部分。這里我們使用已知的濾波器來完成驗證。</p><p>　　在未運行軟件時我們可以粗略的對其進行驗證，LabVIEW軟件中是自帶了調(diào)試工具

75、的。在查看菜單中點擊錯誤列表將出現(xiàn)圖7-1所示的界面。</p><p>　　圖7-1 調(diào)試程序結(jié)果</p><p>　　這代表程序無錯誤。下面我們進行項目驗證。由于我們選擇用濾波函數(shù)代替被測信號，所以基本上不存在毛刺和雜波，也就用不到第5章中的中值濾波和移動平均。前面板中我們在濾波項中我們選擇Low pass即低通再點擊掃頻鍵可得到圖7-2所示的結(jié)果。</p><p&g

76、t;<b>　　(a).幅頻響應(yīng)</b></p><p><b>　　(b).相頻響應(yīng)</b></p><p><b>　　(c).相關(guān)性</b></p><p>　　圖7-2 低通濾波顯示</p><p>　　波形顯示窗口描繪的低通波形即已經(jīng)證明程序的正確性。因為顯示出來的波

77、形正與我們選擇的方式一樣。同樣我們選擇High pass即可得到圖7-3所示的高通濾波器波形。</p><p><b>　　(a).幅頻響應(yīng)</b></p><p><b>　　(b).相頻響應(yīng)</b></p><p><b>　　(c).相關(guān)性</b></p><p>　　圖

78、7-3 高通濾波顯示</p><p>　　選擇Band pass能得到圖7-4所示的帶通濾波器的波形。</p><p><b>　　(a).幅頻響應(yīng)</b></p><p><b>　　(b).相頻響應(yīng)</b></p><p><b>　　(c).相關(guān)性</b></p&g

79、t;<p>　　圖7-4 帶通濾波顯示</p><p>　　選擇Band stop能得到圖7-5所示的帶阻濾波器的波形。</p><p><b>　　(a).幅頻響應(yīng)</b></p><p><b>　　(b).相頻響應(yīng)</b></p><p><b>　　(c).相關(guān)性&l

80、t;/b></p><p>　　圖7-5 帶阻濾波顯示</p><p>　　經(jīng)過以上的模擬仿真我們已經(jīng)可以確定軟件的正確性，上文是在選擇巴特沃斯濾波器的情況下得的諸多結(jié)果，同樣我們可以選擇在切比雪夫濾波器和貝賽爾濾波器下設(shè)置高通、低通、帶通和帶阻四種模式[10]。</p><p><b>　　§7.2 硬件調(diào)試</b></

81、p><p>　　本設(shè)計使用搭建的壓控電壓源型巴特沃斯高通濾波電路作為外部系統(tǒng)進行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果如圖7-6所示。</p><p>　　(a).激勵信號與響應(yīng)信號</p><p><b>　　(b).幅頻響應(yīng)</b></p><p><b>　　(c).相頻響應(yīng)</b></p><p&g

82、t;<b>　　(d).相關(guān)性</b></p><p><b>　　(e).互功率譜</b></p><p>　　圖7-6 外部調(diào)試結(jié)果</p><p>　　第8章 項目開發(fā)總結(jié)</p><p>　　隨著科技時代的飛速發(fā)展，以計算機軟件設(shè)計來實現(xiàn)一些硬件設(shè)備測量功能的事例已越來越普遍。傳統(tǒng)硬件設(shè)備測

83、量功能的固有缺點（如封閉性、缺乏靈活性、響應(yīng)速度慢等）已越來越不能滿足現(xiàn)實的要求。因此，開發(fā)軟件系統(tǒng)測量功能的前景很大。</p><p>　　本次設(shè)計就是用軟件來取代硬件設(shè)備實現(xiàn)對某一系統(tǒng)的頻率響應(yīng)的測量。此軟件系統(tǒng)是建立在LabVIEW平臺上設(shè)計的測試程序，該系統(tǒng)可對采集到的信號進行處理分析，把一些數(shù)學上的公式、定理用軟件中的循環(huán)、局部變量、移位寄存器等功能表達出來，并且取得較好的成果。有效地體現(xiàn)了軟件的優(yōu)點，

84、具有靈活性高、響應(yīng)速度快，其檢測結(jié)果能更直觀、更準確地顯示在界面上，方便與用戶溝通。</p><p>　　另外，本次開發(fā)項目采用的技術(shù)方案簡單，并且不是很難實現(xiàn)，能較好的實現(xiàn)功能需求。不過由于開發(fā)時間倉促，所以使得開發(fā)完成的程序并不是盡善盡美。經(jīng)過這次開發(fā)任務(wù)的磨練，在團隊合作和與人溝通方面已經(jīng)有了很大的提高，相信這些能力提高將在以后的工作和學習生活中能給我提供更多的成功籌碼。</p><p&

85、gt;<b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　虛擬儀器是電子儀器與計算機技術(shù)更深層次的結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器模式。它是電子測試與儀器領(lǐng)域中發(fā)展方興未艾的技術(shù)，特別適用于現(xiàn)代越來越復(fù)雜的測試系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)使得一些實時性要求很高，原本由硬件完成的功能，可以通過軟件來實現(xiàn)。甚至許多原來用硬件電路難以解訣或根本無法解決的問題，也可以采用軟件技術(shù)很好地加以解決。</p>

86、;<p>　　頻率特性分析主要考慮的是幅頻特性和相頻特性。使用Cross Spectrum VI得到激勵信號與響應(yīng)信號的互功率譜，同時使用FFT Power Spectrum VI 得到激勵信號的自功率譜，根據(jù)相應(yīng)原理可將幅頻特性和相頻特性在前面板上顯示其結(jié)果。在顯示結(jié)果之前我們又不可避免的運用濾波處理部分，進行中值濾波后做移動平均處理就可以去除其中的毛刺，得到平滑信號便于觀測和處理。</p><p&g

87、t;　　此測試儀有較強的可擴展性。一般的測試儀器大都可分解為三部分：（1）數(shù)據(jù)采集；（2）數(shù)據(jù)分析與處理；（3）存儲、顯示和輸出。在虛擬儀器中這三部分的大都可用軟件來實現(xiàn)，而硬件平臺往往具有通用性，因此在本測試儀的基礎(chǔ)上，通過改進或擴展軟件功能，完全可實現(xiàn)其他類型虛擬測試儀器的開發(fā)，如虛擬頻譜分析儀、虛擬數(shù)字存儲示波器等。</p><p>　　設(shè)計中通過軟件實現(xiàn)了虛擬頻率特性測試儀的開發(fā)。分別從仿真和硬件兩方面都

88、調(diào)試通過。其中，硬件方面是通過搭建濾波電路作為外部系統(tǒng)實現(xiàn)的。但由于開發(fā)條件有限，在性能指標上仍有一定的不足，需要今后進一步的改進和提高。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 林正盛．虛擬儀器技術(shù)及發(fā)展.國外電子測量技術(shù)[J]．1997(2)：40-44</p><p>　　[2] 詹惠琴，古軍．虛擬儀器—

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92、．機械工業(yè)出版社，2007</p><p>　　[12] 申焱華，王汝潔，雷振山．LabVIEW入門于提高范例教程[M]．北京：中國鐵道出版社，2007</p><p>　　[13] 曹建榮．基于LabVIEW的頻率特性測試儀的設(shè)計[J]．儀表技術(shù)與傳感器．2005(10)：46-51</p><p>　　[14] Jiangtaoxi．A New Algorith

93、m for Improving the Accuracy of Periodic Signal</p><p>　　Analysis．IEEE Trans on Instrumentation and Measurement[J]．2008(10)：22-24</p><p>　　[15] Nemeth Jozsef，Vargha Balazs，KollarIstran．Online fr

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95、p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　畢業(yè)逐漸接近尾聲，我四年的學習生涯也隨之結(jié)束。四年的大學生活，我收獲了很多。尤其在本次畢業(yè)設(shè)計中，測控教研室的各位老師以及本專業(yè)的很多同學給我莫大的幫助和支持！在恰當?shù)闹笇Ш椭锌系慕ㄗh下，我順利完成了這次畢業(yè)設(shè)計。</p><p>　　本設(shè)計是在xx老師的悉心指導下完成的。在學業(yè)上，xx

96、老師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和求實的工作作風，使我受益匪淺。xx老師睿智的思維、樂觀的人生態(tài)度是對我莫大的啟迪和教誨。這些都給我留下了終生難忘的記憶，并成為我終生收益的財富。在此表示最真摯的感謝和最衷心的祝福！</p><p>　　感謝所有在學習和生活中給予我?guī)椭凸膭畹耐昂团笥褌?，特別是xx等！最后特別感謝對本文提出寶貴意見和建議，為本文評閱付出辛勞的各位老師們！</p><p>