虚拟仪器课程方案设计书68480.docx

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虚拟仪器课程方案设计书68480

西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书

专业班级：

测控技术与仪器1002学生姓名：

林芝健指导教师（签名）：

一、大作业（论文）题目

虚拟函数发生器与虚拟频谱分析仪

二、本次大作业（论文）应达到的目的

通过本次课程设计使学生对虚拟仪器系统有更深一步的了解，培养学生将理论知识综合利用的能力，并与实践紧密结合，掌握虚拟仪器系统的设计方法、步骤，培养学生创新能力，总结报告的能力。

学生在本次课程设计中应完成的任务是：

需求分析、子系统设计、系统配置、总结报告。

培养学生正确的学习和研究方法。

三、本次大作业（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）

要求:

要求学生在认真复习教材的基础上，查阅相关资料、认真阅读相关的设计要求，独立按时完成任务；具体要求包括：

1.需求分析、子系统设计、系统配置、总结报告。

掌握各子系统的运行原理。

2.根据子系统的实际运行要求，制定合理的实验方案。

3.能正确编写程序。

4.撰写课程设计说明书。

主要内容:

1.详细阐述信号发生器和示波器的原理、作用。

2.编写相应的设计方案。

3.使用LabVIEW实现函数信号发生器和频谱分析仪的功能。

四、应收集的资料及主要参考文献：

[1]黄松岭.虚拟仪器设计基础教程[M].北京：

清华大学出版社,2008

[2]刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京:

电子工业出版社,2003

[3]张小虹.数字信号处理[M].北京：

机械工业出版社,2005

五、审核批准意见

教研室主任（签字）

摘要

本文设计的函数发生器和虚拟频谱分析仪结合了虚拟仪器技术和labview图形化编程技术，借助于计算机，利用虚拟仪器进行测量和分析，并将结果输出到屏幕中，从而完成测量过程。

本文模拟频谱分析仪和函数发生器的工作原理，实现了对有用信号的测量。

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首先，本文介绍了背景及意义，再分析了函数发生器和频谱分析仪，再将虚拟仪器技术和传统仪器比较区别。

然后，介绍了虚拟仪器软件的编程设计，对这个系统进行模块化的设计。

最后，结合软件的调试，通过对实际情况的模拟，从而验证了虚拟函数发生器和频谱分析仪的功能。

关键词：

虚拟仪器,labview,函数发生器,频谱分析仪

第1章绪论

1.1背景及意义

随着经济的发展，在我国各行业中，大量使用电力机车，整流设备、变频装置等非线性用电设备，他们产生的谐波等对电网形成了影响，使电能质量下降，因此有必要进行检测和分析。

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目前国内使用的谐波检测仪器往往是进口路产品，即使是国产的仪器也大多不兼容，不能共享软、硬件资源，不能进行二次开发，并且价格昂贵。

如果自己组建系统，为了完成较复杂的测试任务，往往需要根据特定的测试任务购买专用的硬件产品。

除此之外，一般每个仪器大都有自己的显示器、内存、ftp等硬件，造成了硬件资源的浪费。

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虚拟仪器的出现捅破了以往传统仪器的特点，充分利用不断发展和完善的计算机技术，以通用计算机和标准总线技术为平台，利用计算机的硬件资源，并辅以软件作为其开发平台。

用户利用面向测量仪器的控制和管理的图形化软件平台（labview，labwindows/cvi、HP-VEE等），开发集测量、管理和控制于一身的应用软件，实现测试要求。

一台普通的电脑、若干软件包和基本的硬件电路就可以构成一套完整的测试系统，并具备数据处理的功能和友好的人机界面。

这种仪器具有普通仪器的基本功能，又有一般仪器不具备的特殊功能，并且在仪器成本、仪器维护上节约人力物力。

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我国将有的仪器为虚拟仪器。

国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时检测。

随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。

虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。

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目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求将更加强劲。

虚拟仪器赖以生存的计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟仪器的发展莫定了基础。

虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。

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1.2函数发生器

信号发生器是一种最悠久的测量仪器，早在20年代电子设备刚出现时它就产生了。

随着通信和雷达技术的发展，40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器发展成定量分析的测量仪器。

同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。

由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，因此发展速度比较慢。

直到1964年才出现第一台全晶体管的信号发生器。

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自60年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器，这个时期的信号发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形，由于模拟电路的漂移较大，使其输出的波形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。

自从70年代微处理器出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器，硬件和软件使信号发生器的功能扩大，产生比较复杂的波形。

这时期的信号发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。

软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要是由CPU的工作速度决定的，如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期时间或提高CPU的时钟周期，但这些办法是有限度的，根本的办法还是要改进硬件电路。

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随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来。

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信号发生器的应用非常广泛，种类繁多。

首先，信号发生器可以分通用和专用两大类，专用信号发生器主要为了某种特殊的测量目的而研制的，如电视信号发生器、脉冲编码信号发生器等。

这种发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。

其次，信号发生器按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器、函数发生器和任意波发生器等。

再次，按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。

一般传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。

但也可以通过频率合成技术来获得所需9-率。

利用频率合成技术制成的信号发生器，通常被称为合成信号发生器。

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1.3滤波器

滤波器（filter）是指减少或消除谐波对电力系统影响的电气部件。

是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。

对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。

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滤波器，顾名思义，是对波进行过滤的器件。

“波”是一个非常广泛的物理概念，在电子技术领域，“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。

该过程通过各类传感器的作用，被转换为电压或电流的时间函数，称之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。

因为自变量时间‘是连续取值的，所以称之为连续时间信号，又习惯地称之为模拟信号（AnalogSignal）。

随着数字式电子计算机（一般简称计算机）技术的产生和飞速发展，为了便于计算机对信号进行处理，产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。

也就是说，可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而不丢失任何信息，波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化，自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。

信息需要传播，靠的就是波形信号的传递。

信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变，有时，甚至是在相当多的情况下，这种畸变还很严重，以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了。

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滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。

1.4频谱分析仪现状及发展

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。

由于变频器可频谱分析仪赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。

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。

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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。

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频谱分析在生产实践和科学研究中有着广泛的应用。

例如，对各类旋转机械、电机、机床等机器的主体或部件进行实际运行状态下的谱分析，可以提供设计数据和检验设计结果，或者寻找震源和诊断故障，保证设备的安全运行等。

在声纳系统中，为了寻找海洋水面船只或潜艇，需要对噪声信号进行谱分析，以提供有用信息，判断舰艇运动速度、方向、位置、大小等。

因此对频谱分析方法的研究一直是当前信号处理技术中一个十分活跃的课题。

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1965年库利一图基在《计算数学》杂志上发表快速傅里叶变换（FFT）算法，FFT和频谱分析很快发展成为机械设备故障诊断、振动分析、无线电通信、信息图像处理和自动控制等多种学科重要的理论基础。

然而长期的应用和近年来的理论分析表明，经快速傅里叶变换得到的离散频谱，在频率、幅值和相位方面均可能产生较大误差，单谐波加矩形窗时最大误差从理论上分析可达36.4%仁闹，即使加其他窗时，也不能完全消除此影响。

在加Hanning窗时，只进行幅值恢复时的最大幅值误差仍高达15.3r