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从低于1赫直至300吉赫。

分辨力频谱分析仪在显示器上能够区分最邻近的两条谱线之间频率间隔的能力，是频谱分析仪最重要的技术指标。

分辨力与滤波器型式、波形因数、带宽、本振稳定度、剩余调频和边带噪声等因素有关，扫频式频谱分析仪的分辨力还与扫描速度有关。

分辨带宽越窄越好。

现代频谱仪在高频段分辨力为10～100赫。

分析谱宽又称频率跨度。

频谱分析仪在一次测量分析中能显示的频率范围，可等于或小于仪器的频率范围，通常是可调的。

分析时间完成一次频谱分析所需的时间，它与分析谱宽和分辨力有密切关系。

对于实时式频谱分析仪，分析时间不能小于其最窄分辨带宽的倒数。

扫频速度分析谱宽与分析时间之比，也就是扫频的本振频率变化速率。

灵敏度频谱分析仪显示微弱信号的能力，受频谱仪内部噪声的限制，通常要求灵敏度越高越好。

动态范围指在显示器上可同时观测的最强信号与最弱信号之比。

现代频谱分析仪的动态范围可达80分贝。

显示方式频谱分析仪显示的幅度与输入信号幅度之间的关系。

通常有线性显示、平方律显示和对数显示三种方式。

假响应显示器上出现不应有的谱线。

这对超外差系统是不可避免的，应设法抑止到最小，现代频谱分析仪可做到小于-90分贝毫瓦。

6）虚拟仪器特点虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件、DSP技术相结合，在系统内共享软件硬件资源，打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，由用户自己定义仪器功能。

在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可以实现功能完全不同的测量仪器。

传统仪器与虚拟仪器系统的比较由此可见，虚拟仪器尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，同时能充分发挥计算机的能力，由强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的“个性仪器”。

利用虚拟仪器技术，用户可定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，易于构建，所以应用面极为广泛。

尤其在科研开发、检测计量、测量测控等领域更是不可多得的好工具。

它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据。

在工业控制领域,大部分闭环控制系统要求精确的采样，及时的数据处理和快速的数据传输。

虚拟仪器系统恰恰符合上述特点，十分适合测控一体化的设计。

在制造业，虚拟仪器的卓越计算能力和巨大数据吞吐能力使其在温控系统、在线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥更大的作用。

当今社会信息技术的迅猛发展,无所不在的计算机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。

虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量场合。

进一步讲，一切计量系统,只要技术上可行，都可用虚拟仪器代替。

虚拟仪器强大的功能和价格优势,使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。

5）基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪LabVIEW是一种图形化的编程语言，集成了满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用TCP／IP、ActiveX等软件标准的库函数。

利用LabVIEW 可以方便地建立各种虚拟仪器。

传统的频谱分析仪只能测量频率的幅度，缺少相位信息，因此属于标量仪器，而且体积庞大。

利用LabVIEW强大的虚拟仪器开发功能，可实现基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪功能，采用数字方法直接由模拟／转换器(ADC)数字对输入信号取样，再经FFT处理后获得频谱图，可以解决传统频谱分析仪价格昂贵，携带不便等缺点。

同时基于LabVIEW的虚拟仪器配置灵活，可根据实际需要修改相应功能模块，并且能通过程序控制实现后续数据处理，完全适应实际需求，大大提高了效率。

3.设计思路：结合市场调研结果，通过小组讨论，并根据LabVIEW编程特点，设计以下四大功能模块：1）信号发生模块：便于产生信号以供调试，并且能够产生多种波形，参数可调，根据实际需要，还可加入波形叠加，噪声等因素以便于模拟实际情况，充分调试性能。

2）数字滤波模块：考虑到实际信号中必然存在各类杂波干扰，因此在频谱分析仪中应当加入滤波模块，滤去噪声，分析有效信号。

滤波器类型，实现方式等参数应当可调，以适应各种实际需求。

3）频域分析模块：作为频谱分析仪的核心，应当能够实现信号的频域分析，同时各类参数应当可调以适应各种实际需求。