虚拟仪器课程设计实验报告

北京邮电大学课程设计报告

一．课程设计内容及目的：

1．掌握虚拟仪器的概念和系统组成，虚拟仪器系统的基本设计思想；

2．认识虚拟仪器的软件开发工具LabVIEW及图形化编程语言；

3．掌握虚拟仪器软件的设计方法，能够运用LabVIEW进行数据操作、结构控制、文件读写、信号处理、数学分析、波形分析等；

4．独立完成第一阶段的20个虚拟仪器设计；

5．小组成员共同完成第二阶段虚拟仪器设计；

6．完成虚拟仪器课程设计实验报告。

二．小组成员及分工：

组长：

王迪（2009211407班，学号09211870）,主要负责第二阶段任务的主要设计工作，包括功能设计，程序编写等。

组员：

蒲瑞（2009211406班，学号09211847），主要负责第二阶段虚拟仪器设计的界面设计和优化。

周莹（2009211406班，学号09211860），主要负责第二阶段虚拟仪器设计的市场调研。

三．第一阶段设计任务：

1.设计任务概述：

通过20个简单的小设计，来熟悉LabVIEW的基本操作，了解图形化的编程语言与之前传统编程语言的区别，适应这种全新的编程方式，为第二阶段的设计任务打下基础。

2.第一阶段设计成果：

经过四天时间学习和设计，圆满完成了第一阶段的设计任务，每一个小设计均独立完成，具有个人特色，大部分设计在题目要求的基础上增加了额外功能。由于篇幅有限，20个设计不再一一赘述，在此详细展示3个第一阶段的虚拟仪器设计。

1）第七题：用for循环产生一个长度为5的随机数

设计思路：

可通过用一个循环五次的for循环，在每一次循环体中产生需要的5位随机数的一位。具体实现方法为：在循环体中产生一个0到10的随机整数（通过随机数控件乘以10再取整得到），乘以一个每次循环自乘10的变量（利用反馈节点可实现自乘），再将得到的结果在每一次循环中进行自加（利用反馈节点实现自加），即可得到需要的五位随机数。需要注意的是最高位随机数需要进行判断，使其值不为0或10，以保证随机数的长度。

前面板图：

程序框图：

2）第十九题：计算函数sin（3*x）*cos（3*y）的值并显示出函数曲线

设计思路：

利用公式求值控件可以很方便的计算二元函数值并将变量以向量的形式输出，同时本例还利用到三维曲面控件，产生精美的三维曲线图形。在题目的基本要求的基础上，还增加了任意二元函数求值及其曲线绘制的功能。本题综合运用了LabVIEW中数组、簇等特有的概念。

前面板图：

（参数设定）

（函数图象）

程序框图：

2）第二十题：求解-x^3+y^3+3*x^2+3*y^2-9*y在区间x∈[-5,5]，y∈[-5,5]上的极值

设计思路：

与第十九题类似，利用LabVIEW的求极值控件可以方便的达到基本要求。因

此，在基本要求的基础上，添加了任意二元函数在任意区间内求极值点以及极值的功能。

前面板：

程序框图：

3.第一阶段设计心得：

通过第一阶段几个小设计的制作，熟悉了LabViEW的使用方法及其仿真原理，适应了图形化编程的模式，同时对于如数组操作，开关控制，文件读写等等基本功能的实现有了较好的掌握，为第二阶段设计任务打下了基础。

三．第二阶段设计任务：

1.设计选题：

经过资料查阅以及市场调研，通过小组讨论，最终决定第二阶段选题为第八题“虚拟频谱分析仪”。

2.市场调研：

1）频谱分析仪简介

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1Hz以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器内部若采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。

2）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。

HP的早期频谱仪

3）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。

4）技术指标

频谱分析仪的主要技术指标有频率范围、分辨率、分析谱宽、分析时间、扫频速度、灵敏度、显示方式和假响应。

频率范围

频谱分析仪进行正常工作的频率区间。现代频谱仪的频率范围能