labview（虛擬信號發(fā)生器）課程設計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　虛擬信號發(fā)生器是在信號處理技術(shù)、計算機技術(shù)、電子測量技術(shù)高速發(fā)展的背景下進行研究的。該虛擬信號發(fā)生器主要具有的功能及特點有：完成正弦信號波形的輸出；可同時輸出滿足某種嚴格相位關(guān)系的雙路信號，信號幅度、頻率、相位等參數(shù)通過前面板設定調(diào)整，還可以設置白噪聲幅值；同時可以測量信號的相位、頻率、功率以及信噪比等參數(shù)。軟件的前面板使用圖形

2、化界面，操作簡單快捷，而且成本低。用戶不僅在系統(tǒng)的開發(fā)或升級維護階段能夠較為準確的估算系統(tǒng)各項性能參數(shù),并且能夠?qū)λ_發(fā)系統(tǒng)在不同計算機平臺上的運行性能進行測試與比較,為虛擬儀器的開發(fā)與性能參數(shù)的確定提供了評價依據(jù). 系統(tǒng)功能升級擴充方便快捷、可與電腦等設備方便的互聯(lián)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器 信號發(fā)生器 交流參數(shù)測量 LabVIEW</p><p><b>

3、　　Abstrack：</b></p><p>　　Virtual signal generator in signal processing technology, computer technology, the rapid development of electronic measurement techniques in the context of study. The virtual s

4、ignal generator with the main functions and features are: complete sine waveform output; can also output to meet a strict phase relationship of the two-way signal, the signal amplitude, frequency, phase and other paramet

5、ers set by adjusting the front panel, also You can set the white noise amplitude; also can measure the s</p><p>　　Keywords: Virtual Instrument Signal Generator Virtual Signal Generator Labview</p>

6、<p><b>　　第一章虛擬儀器簡介</b></p><p>　　1.1虛擬儀器基本概念</p><p>　　所謂虛擬儀器，就是在以計算機為核心的硬件平臺上，其功能由用戶設計和定義，具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實質(zhì)是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結(jié)果;利用計算機強大的

7、軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理;利用1/O接口設備完成信號的采集測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計算機測試系統(tǒng)。使用者用鼠標或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺專用測量儀器一樣。因此，虛擬儀器的出現(xiàn)，使測量儀器與計算機的界限模糊了.虛擬儀器的“虛擬”兩字主要包含以下兩方面的含義。</p><p>　　虛擬儀器（virtual instrumention）是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前

8、儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。下面的框圖1-1反映了常見的虛擬儀器方案。</p><p>　　圖1-1 虛擬儀器方案框圖&

9、lt;/p><p>　　虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎理論主要有計算機數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計算機語言是美國NI公司的LabVIEW。</p><p>　　(1)虛擬儀器的面板是虛擬的</p><p>　　虛擬儀器面板上的各種“圖標”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的:由各

10、種開關(guān)、按鈕、顯示器等圖標實現(xiàn)儀器電源的“通”、“斷實現(xiàn)被測信號的“輸入通道”、“放大倍數(shù)”等參數(shù)的設置，以及實現(xiàn)測量結(jié)果的“數(shù)值顯示”、“波形顯示”等。</p><p>　　傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是“實物”，而且是由“手動”和“觸摸”進行操</p><p>　　作的:虛擬儀器前面板是外形與實物相像的“圖標”，每個圖標的“通’、“斷”、“放大”等動作通過用戶操作計算機鼠標或鍵盤來完成。因此

11、，設計虛擬儀器前面板就是在前面板設計窗口中擺放所需的圖標，然后對圖標的屬性進行設置。</p><p>　　(2)虛擬儀器測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程來實現(xiàn)的</p><p>　　虛擬儀器是在以PC為核心組成的硬件平臺支持下，通過軟件編程來實現(xiàn)儀器的功能。因為可以通過不同測試功能軟件模塊的組合來實現(xiàn)多種測試功能，所以，在硬件平臺確定后，就有“軟件就是儀器”的說法。這也體現(xiàn)了測試技術(shù)

12、與計算機深層次的結(jié)合。虛擬儀器技術(shù)的實質(zhì)是充分利用最新的計算機技術(shù)來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。用戶可以根據(jù)自己的需要，設計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應用要求。利用計算機豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的分析、處理、表達、傳遞、儲存等方面的限制，達到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。它不僅可以用于電子測量、測試、分析、計量等領(lǐng)域，而且還可以用于進行設備的監(jiān)控

13、以及工業(yè)過程自動化。虛擬儀器還可以廣泛應用于電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動分析、聲學分析、故障診斷及教學科研等多個方面。1.2虛擬儀器的特點：</p><p>　　虛擬儀器的圖形化的程序語言，又稱為“Ｇ”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或流程圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構(gòu)建自己的科學和

14、工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。</p><p>　　與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主要有以下優(yōu)點:</p><p>　　(1)傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，易于導致許多識別與操作錯誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復雜的功能。這樣，在每個分面

15、板上就可以實現(xiàn)功能操作的單純化與面板布置的簡捷化，從而提高操作的正確性與便捷性。同時，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，它們是由編程來實現(xiàn)的，設計者可以根據(jù)用戶的認知要求和操作要求，設計儀器面板。</p><p>　　(2)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功育旨。</p><p>　　(3)儀器的功能是用戶根據(jù)需要

16、由軟件來定義的，而不是事先由廠家定義好的。</p><p>　　(4)儀器性能的改進和功能擴展只需要更新相關(guān)軟件設計而不需要購買新的器。</p><p>　　(5)研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。</p><p>　　(6)虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡及其他周邊設備互聯(lián)。</p><p>　　第二章 課程設計目的和方法</

17、p><p>　　2.1課程設計的目的</p><p>　　計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。虛擬儀器以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。通過本課程設計，使學生了解智能儀器的分類、組成、特點以及智能儀器的發(fā)展方向及新技術(shù)；掌握虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集技術(shù)、人機對話接口技術(shù)以及典型數(shù)據(jù)處理算法。能夠熟練運用所學知識進行智能儀器的設計和開發(fā)。</p>&l

18、t;p>　　2.2課程設計的要求</p><p>　　本課程設計要求學生在LABVIEW實驗平臺上，設計雙路正弦信號源，以此作為分析的電壓和電流仿真信號，完成各交流參數(shù)的測量。</p><p>　　1.設計雙路正弦信號源，前面板中能夠設置信號的頻率、幅值和相位，以及噪聲幅值，顯示信號曲線。</p><p>　　2.設計程序框圖，實現(xiàn)交流參數(shù)的測量。 包括電壓和

19、電流的有效值，相位、功率因數(shù)，有功/無功功率、諧波失真（THD）。</p><p>　　3.選擇濾波器（低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、IIR濾波器、FIR濾波器等可選），顯示濾波后的電壓和電流信號；</p><p>　　4.設計子VI，分別采用多周期計數(shù)法、線性插值法和三點法三種方法測量電壓信號的頻率，計算三種方法的頻率測量的相對誤差。</p><p>　　5

20、.設計子VI，采用FFT方法測量電流信號的頻率和相位，計算相位測量的相對誤差。</p><p>　　6.要求前面板的界面設計合理美觀，程序框圖層次清楚。</p><p>　　7.完成課程設計報告，要求說明1－5環(huán)節(jié)中具體的實現(xiàn)的方法以及測量結(jié)果，包括設計的各個VI的前面板和程序框圖。</p><p>　　第三章 基于LABVIEW交流參數(shù)測量的設計</p>

21、;<p>　　3.1交流參數(shù)測量虛擬儀器的設計</p><p>　　圖3-1.1 主程序前面板設計圖</p><p>　　圖3-1.2主程序的設計程序框圖</p><p>　　3.2雙路正弦信號源的設計</p><p>　　3.2.1 雙路正弦信號源的介紹 </p><p>　　此次設計的信號源產(chǎn)生兩路正

22、弦信號，品率、相位、幅值均可以設置；還可以進行頻率、相位、噪聲以及功率因數(shù)的測量。</p><p>　　3.2.2 雙路正弦信號源的前面板</p><p>　　圖3-2.1雙路正弦信號源的前面板</p><p>　　3.2.3雙路正弦信號源的程序面板</p><p>　　圖3-2.2雙路正弦信號源的程序面板</p><p&

23、gt;　　3.2.4 雙路正弦信號源的子VI的前面板</p><p>　　圖3-2.3 雙路正弦信號源的子VI的前面板</p><p>　　3.2.5雙路正弦信號源子VI的程序面板</p><p>　　圖3-2.4雙路正弦信號源子VI的程序面板</p><p>　　3.3設計濾波和諧波失真</p><p>　　為了決定

24、一個系統(tǒng)引入非線性失真的大小，需要得到系統(tǒng)引入的諧波分量的幅值和基波的幅值的關(guān)系。</p><p>　　諧波失真是諧波分量的幅值和基波幅值的相對量。假如基波的幅值是A1，而二次諧波的幅值是A2，三次諧波的幅值是A3，四次諧波的幅值是A4……N 次諧波的幅值是AN，總的諧波失真（THD）為：</p><p>　　用百分數(shù)表示的諧波失真（%THD）為：</p><p>

25、　　對輸入信號進行完整的諧波分析，包括測定基波和諧波，返回基波頻率和所有的諧波幅度電平，以及總的諧波失真度（THD）。</p><p>　　最高諧波控制用于諧波分析的最高諧波，包括基頻。例如，對于三次諧波分析，將最高諧波設為3，以測量基波、二次諧波和三次諧波。</p><p>　　圖3-3.1 濾波器的設計圖</p><p><b>　　3.4頻率測量&l

26、t;/b></p><p>　　頻率測量和頻率跟蹤是重要問題。測得頻率后，才能實現(xiàn)整周期采樣?；镜姆椒ǎ褐芷谟嫈?shù)，線性插值，三點法。</p><p>　　3.4.1 多周期計數(shù)法</p><p>　　多周期平均計數(shù)方法是通過對多個周期的采樣信號進行計數(shù)，然后以其平均值作為頻率測量值。假定采樣頻率為，共采集個周期的信號，用計數(shù)的方法找到各個周期的樣本數(shù)，分別為

27、，，···，，那么對應于各個周期的頻率值分別為，，···，，考慮個周期的頻率的均值，有</p><p>　　實際上，在非整周期采樣的條件下，式（3-1）中的取值只有兩種情況，即多一個或少一個樣本。假定分別是和，與它們對應的周期數(shù)分別是和，則式（3-1）可以改寫為</p><p>　　其中和分別對應于被測信號頻率的最大偏差值和最小偏

28、差值。</p><p>　　圖3-4.1多周期計數(shù)法的前面板圖和程序面板</p><p>　　3.4.2線性插值法</p><p>　　方法：非整數(shù)周期偏差插值</p><p>　　頂點相連，連線與橫軸的交點為過零點近似周期。</p><p>　　圖3-4.2線性插值法前面板和程序圖</p><p&

29、gt;　　3.4.3三點法測量</p><p>　　三點法是一種建立在三角函數(shù)變換基礎上的數(shù)據(jù)擬合方法。假設被測函數(shù)是正弦函數(shù)，在等間隔采樣的前提下可以利用相鄰3個數(shù)據(jù)樣本，導出求解信號頻率的線性方程，進而擬合求解頻率[1]。</p><p><b>　　設信號為，若，則</b></p><p><b>　?。?）</b>

30、</p><p>　　若設，其中為采樣頻率，則有</p><p><b>　　（2）</b></p><p>　　相鄰的3個數(shù)據(jù)樣本可表示為</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　由三角變換有</b></p>

31、<p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　（5）</b></p><p><b>　　令，則得到</b></p><p><b>　　（6）</b><

32、/p><p>　　式**就是所需要的線性方程。用最小二乘法擬合可以得到一個較準確的斜率，進而求出頻率。</p><p>　　圖3-4.3 三點法測量的前面板和程序框圖</p><p><b>　　3.5相位測量</b></p><p>　　3.5.1基于FFT的方法</p><p>　　頻率的分辨率：

33、Δf＝Fs/#s。</p><p>　　整周期采樣：譜線在頻率的刻度線上。</p><p>　　非整周期采樣：泄露和柵欄效應</p><p>　　圖3-5.1 基于FFT方法測量信號相位的前面板和程序框圖</p><p>　　3.5.2基于自相關(guān)的方法</p><p>　　相關(guān)法利用兩個同頻正弦信號的互相關(guān)函數(shù)零時刻值

34、與其相位差的余弦值成正比的原理獲得相位差[3]。由于噪聲信號與有效信號的相關(guān)性很小，因而該方法有很好的抑制噪聲能力。假設兩個同頻信號表達式如下：</p><p>　　其中，、分別為和的幅值，、分別為噪聲信號。對和進行相關(guān)運算，有</p><p><b>　　當時</b></p><p>　　由于噪聲和信號、噪聲和噪聲不相關(guān)，積分后可得</

35、p><p><b>　　其中， ，。</b></p><p>　　實際處理的信號為采樣后的離散點序列，相應的離散計算公式為</p><p>　　式中為采樣點。通過信號和的自相關(guān)與互相關(guān)函數(shù)的計算，可求得它們的相位差。</p><p>　　圖3-5.2基于自相關(guān)的方法測量信號相位的前面板和程序框圖</p><

36、;p>　　3.6功率各參數(shù)的測量</p><p>　　該方法首先對兩路正弦信號進行采樣得到兩組離散數(shù)據(jù)，然后利用互相關(guān)原理求出兩組數(shù)據(jù)互相關(guān)函數(shù)的幅度譜和相位譜。因為兩信號為同頻信號，它們具有最大的相關(guān)性。故在幅度譜中存在最大幅度值，在相位譜中與幅度譜最大值對應的相位信息即為兩信號的相位差。互功率譜的計算是通過先求兩待測信號的互相關(guān)函數(shù)再進行離散傅里葉變換來實現(xiàn)的。</p><p>

37、　　圖3-6.1功率各參數(shù)的測量前面板和程序框圖</p><p><b>　　四.課程設計體會</b></p><p>　　多功能交流參數(shù)測量虛擬儀器的設計實現(xiàn)了參數(shù)的自動測量、分析、處理功能，節(jié)省了測量時間，提高了參數(shù)測量的精度，實現(xiàn)了波形、數(shù)據(jù)的采集和顯示，具有相位差、幅值、噪聲、和功率的自動計算與顯示功能。此次課程設計是我在繼課堂學習書本上的虛擬儀器知識后，再一

38、次并且更加深入的了解到虛擬儀器的基本使用方法和運用原理，檢測我們學習成果的綜合性應用能力，它不僅要求我們有扎實的專業(yè)理論知識和實踐操作能力，更要求我們有嚴謹治學、團結(jié)協(xié)作的精神。通過自己的動手和思考，感覺獲益良多。在設計中我就更切身體會到虛擬儀器這種儀器的高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點。</p><p>　　實踐證明，在計算機強大的硬件資源和軟件資源下，利用LabVIEW 圖形化編

39、程語言，設計出了功能強大、操作方便的多功能虛擬數(shù)字信號發(fā)生器，與傳統(tǒng)儀器比較，它有許多優(yōu)點:軟件開發(fā)效率高，儀器開發(fā)周期短;可操作性和可維護性好;不動硬件，可通過軟件重構(gòu)，產(chǎn)生新的儀器功能;硬件具有開放性，允許通過升級硬件來提高其性能。正是因為虛擬儀器如此多的優(yōu)點，才使得虛擬儀器發(fā)展迅速，成為未來儀器發(fā)展的一個重要方向。虛擬儀器設計已經(jīng)成為測試與儀器技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，從根本上改變目前專用儀器的研制和生產(chǎn)方式，具有廣闊的應用前景和巨

40、大的潛在經(jīng)濟效益</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]侯國屏，王珅，葉齊鑫. Labview7.1編程與虛擬儀器設計[M]. 北京：清華大學出版社，2005 </p><p>　　[2] 陳戈，江勇，梅飛. 采樣頻率對頻率測量算法的影響[J]. 機械設計與制造. 2010(9): 6-7.</p&g

41、t;<p>　　[3] 張杰，崔健. 基于LabVIEW的高精度頻率測量算法研究[J]. 現(xiàn)代計算機(專業(yè)版). 2010(5): 49-51.</p><p>　　[4] 白鵬，王建華，劉君華. 基于虛擬儀器的相位測量算法研究[J]. 電測與儀表. 2002(8): 20-22.</p><p>　　[5] 桂任舟. 基于虛擬儀器技術(shù)和互相關(guān)原理的相位測量儀[J]. 儀表技