基于虚拟仪器的幅频特性测量系统设计(共67页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要虚拟仪器是仪器发展的最新方向之一，已成为信息技术的一个重要领域。本文基于“虚拟仪器”的思想提出了虚拟频率特性测试仪的设计方法，其主要目标是利用美国国家仪器公司提供的虚拟仪器开发平台LabVIEW并结合相应的硬件环境实现频率特性测试，该系统主要包括扫频信号产生、数据采集和频率特性分析三个模块。本文首先论述了基于虚拟仪器频率特性测试仪开发的目的和意义，介绍了虚拟仪器的特点、结构和发展。通过LabVIEW编程，控制函数信号源产生测试所需的扫频信号，并使用数据采集卡NI USB-6251采集扫频信号和测试网络的响应信号。最后经计算机分析计算和显示，较好地实现了频率特性测

2、量。本设计是充分利用正在蓬勃发展的虚拟仪器技术，即利用微型计算机强大的软件功能和图形环境，研制了一种新型频率特性测试仪。这种新型的测试仪将以其新颖、清晰的图形曲线显示更好地满足科研和工程设计的需要。关键词：虚拟仪器；LabVIEW；幅频特性；相频特性；扫频信号AbstractVirtual Instrument is the newest development orientation of instrument. It has become an important area of information technology. The design method of virtual fr

3、equency characteristic testerisputforwardbasedontheideaof virtualinstruments. It mainly aims to realize frequency characteristic test system using virtual instrument developmentLabVIEW provided by the NI Company in the United States and combing the corresponding hardware condition. The system includ

4、ed the three modules such as signal produced, data acquisition and frequency characteristic analysis.The purpose and significance of frequency characteristic testing instrument development based on virtual instrument was discussed in this paper. It introduces the characteristics, structure and devel

5、opment of virtual instrument. Through LabVIEW programming，the function signal generator to produce sweep-frequency signal needed in the test. The sweep signal and the response signal of a network under test are collected by DAQ NI USB-6251. The frequency characteristic measurement is implemented eff

6、ectively by analysis，computation and display in computer.This new-style frequency characteristic test meter utilizes fully virtual instrumental technology, newly strongly software function and graphics of computer. This new-style test meter can well satisfy science research and engineering design by

7、 its novel, vivid curve displaying.KeyWords: Virtual instrument； LabVIEW；Amplitude-frequency characteristic；Phase-frequency characteristic；Frequency-sweep signal目录专心-专注-专业第一章 绪论1.1毕业设计的技术背景及任务和要求1.1.1毕业设计的技术背景随着微电子技术、计算机技术的高速发展，以及它们在各种测量技术与仪器仪表上的应用，使新的测试理论、测试方法、测试领域和仪器结构不断涌现并趋向成熟，传统测试仪器的概念已逐渐被仪器软件化的

8、概念所代替，使得测试仪器向标准化、网络化发展。所谓虚拟仪器是指基于计算机的软硬件测试平台，它由通用计算机、模块化功能硬件和控制专用软件组成，用户能够根据自己的需要设计和扩展仪器的测试功能。与传统仪器相比，它在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性、可扩展性等方面有着明显的优势。NI公司的LabVIEW就是一种优秀的虚拟仪器软件开发平台。使用传统仪器测试网络频率特性的方法有两种1：一种是点频法，使用信号发生器产生所需频率的正弦信号作为激励加到被测网络的输入端，然后使用示波器对输出进行测试，记录不同频率下的输出信号幅值，最后描绘出幅频特性图。采用这种方法测试的弊端是测试人员需要记录大量数据，且

9、受人为因素影响较大，测试结果误差较大。另一种是扫频法，即使用扫频仪测量RC网络的频率特性。这种方法只能测量幅频特性，不能测量相频特性，而且仪器的价格非常昂贵。在虚拟仪器技术环境下，扫频所需的激励信号在计算机中以软件方法产生且频率准确，网络响应信号由数据采集卡采集送到计算机后，通过计算机强大的数值计算和数据处理能力，对采集到的信号进行分析处理，可以很方便地得到被测网络的幅频特性和相频特性，这是传统仪器难以独立完成的。1.1.2毕业设计的任务和要求设计并制作一个基于虚拟仪器的电网络幅频特性测量系统。其原理框图如图1-1所示，掌握测控电路的基本构成和调试方法。图1.1设计的原理框图具体任务：(1)毕

10、业设计的主要内容设计一个基于NI USB-6251的扫频法电网络幅频特性测量系统，主要参数指标如下：扫频带宽：10Hz-1MHz；频率步进 1Hz；测量电精度5%；(2)发挥部分扩展量程，并提高测量精度。实测不同电网络幅频特性与理论计算比较；1.2虚拟仪器的技术概述现在计算机技术和微电子技术日新月异，计算机技术和测试技术的结合引发了测试仪器领域的新突破。出现了一种新的仪器结构理念即新一代的仪器虚拟仪器。它是测量技术，通讯技术以及现在计算机技术的深层次的结合，导致了传统仪器理念的巨大改变，是仪器研究和发展的一个重要方向。它的出现标志了测量技术计入了一个新的发展纪元。1.2.1虚拟仪器的基本概念及

11、特点（1）虚拟仪器的基本概念虚拟仪器（Virtual Instrument）是由计算机的应用和功能模块组合在一起，用户可以使用友好的图形界面来操作计算机，如同操作自己定义，自己设计的仪器，可以完成对被测量数据的采集，分析，处理，显示，存储和打印。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示来模拟传统仪器的控制面板，从而显示各种形式表达结果的输出：利用计算机的软件功能，实现信号的分析和处理；利用I / O接口设备完成采集和信号调理。用鼠标或键盘用户可以操作仪器的虚拟面板，就像使用一个特殊的测量仪器一样。所以虚拟仪器的出现使测量仪器和计算机的界限变得模糊。虚拟仪器的“虚拟”这个词的含义主要包括以下两个方

12、面2：虚拟仪器面板和各种传统的仪表板完成的功能是一样的：由各种开关，按钮，显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”，实现设置所测量的信号“输入通道”、“放大倍数”和其他参数，并实现测量结果的“数值”和“波形”显示等。传统仪器面板上的器件都是实物，而且是由手动和触摸进行操作的；虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通”、“断”“放大”等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的变成来实现的，虚拟仪器是在以PC机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实

13、现仪器功能的。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。（2）虚拟仪器的特点虚拟仪器的突出优点是不仅可以利用PC组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自动测试系统。它可以通过与不同的接口总线的通讯，将虚拟仪器、带总线接口的各种电子仪器或者各种插件单元调配并组建成为中小型甚至大型的自动测试系统。与传统仪器相比，虚拟仪器有以下特点：传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作器件，易于导致许多识别与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分

14、面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简捷化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准件和加工工艺的限制，它们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器功能。 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义，而不是事先由厂家定义好的。仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，而不需要购买新的仪器。研制周期较传统仪器大为缩短。虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其周边设备互联。决定虚拟仪器具有传统仪器

15、不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键是软件”。下表给出了虚拟仪器与传统仪器的比较。表1.1 虚拟仪器与传统仪器的比较传统仪器虚拟仪器开发维护开销高软件使得开发维护费用降低技术更新周期长技术更新周期短关键是硬件关键是软件价格昂贵价格低、可复用、可配置性强厂商定义仪器功能用户定义仪器功能封闭、固定开放、灵活、可以和计算机技术保持同步发展功能单一、互联有限的独立设备与网络及其他周边设备方便互联的面向应用的仪器系统1.2.2虚拟仪器的分类及组成（1）虚拟仪器的分类虚拟仪器的分类方法可以有很多种，但随着计算机技术的发展和采用总线方式的不同，虚拟仪器可分为5种类型3。PC-DAQ插卡式的虚拟仪器

16、。这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，其关键在于A/D转换技术。这种方式受PC机机箱、总线限制，存在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏障，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。随着基于PC的工业控制计算机技术的发展，PC-DAQ方式存在的缺点已经和正在被克服。因个人计算机数目非常庞大，插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适用于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。并行口式的虚拟仪器。最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种VI

17、功能。它的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC相连，实现台式和便携式两用，非常方便。GPIB总线方式的虚拟仪器。GPIB（General Purpose Interface Bus）技术是IEEE488标准的VI早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台的手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的GPIB系统由一台PC机，一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口卡可带多达14台的仪器，电缆长度可达20m。GPIB技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，很方便的把多台机器组合起来，形成大的自

18、动测试系统。GPIB测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的场合应用。VXI总线方式的虚拟仪器。VXI总线是VMEbus eXtension for Instrumentation的缩写，是高速计算机总线VME在VI领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，适用于组建大、中规模自动测量系统

19、以及对速度、精度要求高的场合，但VXI系统要求有专用的机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。PXI总线方式的虚拟仪器。PXI总线是PCI eXtension for Instrumentation 的缩写，是PCI在VI领域的扩展。这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。因此，无论哪种虚拟仪器系统都是将硬件设备搭载到台式PC、工作站或笔记本电脑等各种计算机平台上，加上应用软件而构成的，实现了基于计算机的全数字化的采集测试分析。因此虚

20、拟仪器的发展完全跟计算机的发展同步，显示出虚拟仪器的灵活性。（2）虚拟仪器的组成从功能上讲，虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，完成对被测量的采集、分析、处理、显示、存储、打印等功能，因此，与传统仪器一样，虚拟仪器可划分为数据采集、数据分析、数据显示三大功能模块。图1-2所示为其内部功能框图。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器的功能。图1.2中采集处理模块主要完成数据的调理采集；数据分析模块对数据进行各种分析处理；结果表达模块则讲采集到的数据和分析后的结果表达出来。图1.2 虚拟仪器构成方式虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成

21、，其结构框图如图1-3所示。图1.3 虚拟仪器结构框图（1）硬件平台获取取测试对象的被测信号，由计算机和I/O接口设备组成4。计算机是虚拟仪器硬件平台的核心，一般为PC或者工作站。I/O接口设备是为计算机配置的电子测量仪器硬件模块，主要包括各种传感器、信号调理器、模拟数字/转换器(ADC)、数字/模拟转换器(DAC)、数据采集器(DAQ)，GPIB总线仪器、VXI总线仪器、串口仪器等。虚拟仪器构成方式有五种类型，如图1-4所示。无论哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。图1.4 虚拟仪器构成方式（2）软件平台虚拟仪器软件控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能。包括接口软

22、件、仪器驱动软件和应用程序。接口软件是为虚拟仪器驱动层提供信息传递的底层软件，是实现开放、灵活的虚拟仪器的基础。接口软件的功能是直接对仪器进行控制，完成数据读写；仪器驱动程序是连接虚拟仪器应用软件与接口软件的纽带和桥梁，其功能是为虚拟仪器应用软件层提供抽象的仪器操作集；虚拟仪器应用软件直接面对操作用户，提供了快捷、友好的测控操作界面，以及图形、图表等数据显示方式。1.3本章总结本章主要说明了设计的技术背景，即使用虚拟仪器设计频率特性测试仪，与传统方法相比具有很大的优势。并简述了虚拟仪器的特点、分类及组成，使自己对虚拟仪器的了解更加深刻，也为后面的设计做了铺垫。第二章 虚拟频率特性测量仪的系统设

23、计2.1频率特性测试仪的概述频率特性测试仪也称扫频仪5，用于测试网络的幅频特性和相频特性，在现代电子测量中占有重要的位置。运用扫频技术的频率特性测试仪可以对被测网络进行快速的动态测量，得出被测网络传输特性的实时测量结果。2.1.1频率特性测试仪的发展现状国外频率特性仪研制生产厂家主要有美国Agilent公司和Anritsu公司以及ADV公司6。1983年推出了第一部有微处理器的微波频率特性分析仪8510型，同轴测量频率范围：45MHz26.5GHz。1986年推出了既有良好的性能又有自动测量能力的8753型自动化矢量网络分析仪，成为业界频率特性测试仪的标准。1989年同轴参数测量系统上限频率扩

24、展到40GHz。1990年，毫米波波导反射/传输测试装置工作频率范围扩展到110GHz。2000年底的PNA系列300KHz3GHz的E8356A；300KHz6GHz的E8357A；30KHz9GHz的E8358A。在低频方面，有HP3589A，其频率特性范围10Hz150MHz。英国SOLARTRON公司有1250，1253，1255A，1255B，1260A。它可以作单点、离散正弦频率扫描，获得幅频响应或相频响应的实验曲线。1250的频率范围为10Hz65.5KHz，可以用于测量增益、相位、交流阻抗。1253的频率测量范围为1mHz20KHz，幅度和相位精度分别达到1%和1度。1255A

25、的频率测量范围为10uHz1MHz，幅度和相位精度分别达到0.2%和0.2度。1260A的频率测量范围为10uHz32MHz，幅度和相位精度分别达到0.1%和0.1度，该型号的最大特点是精度高，是该公司的目前精度最高的网络分析仪7。2005年初，日本NF的回路设计公司相继推出了FRA5095、FRA5096、FRA5010A三款频率特性分析仪8。这三款产品的主要用于测量低频网络。FRA5095测量频率范围为0.1mHz2.2MHz；FRA5096测量频率范围为0.1mHz15MHz；FRA5010A测量频率范围为10mHz20KHz；它们的增益精度dB、相位精度度，这三款产品的属于高端产品，价

26、格相当昂贵。2005年，韩国LG公司也推出了它的一款频率特性分析仪SA-7270A，可以测量到9KHz2.7GHz的广域频率。国内41所成功研制的AV3615分体式频率特性测试仪，测量范围：45MHz110GHz。其一体式矢量网络分析仪，测量范围为：30KHz30MHz，其动态范围90dB，幅度准确度0.1dB，频率分辨率1Hz。从上述对市场上现有频率特性测试仪产品的调查和分析，我们发现国外的频率特性测试仪主要集中在射频和高频，中低频的产品比较少，而且价格相当昂贵，国内的中低频段的产品也很少，因此，确定本设计的频率特性测试仪频率范围为10Hz1MHz，输出电平范围：-5+5V。从频率范围及性能

27、来看，国内尚无此类产品，这类产品具有很大的市场价值。2.1.2频率特性测试仪的基本原理传统的频率特性测试仪主要由函数发生器和相关器组成9。（1）函数发生器：主要用来产生正弦信号，为被测系统提供激励信号，晶体振荡器产生频率为1.62048MHz的正弦震荡，经整形分频成810.24kHz的时钟脉冲，此脉冲进入频率组合器，同时由面板频率控制旋钮控制的信号细调混频器将选定的工作频率信号也送入频率组合器，形成每周1688个脉冲送给数字振荡器。数字振荡器产生数字式正弦波和数字式余弦波，数字式正弦波经过一个不接地的、独立的数模转换器和三阶滤波器即可获得以阶梯波逼近的正弦波，作为系统的激励信号。同时数字振荡器

28、将数字式正弦波和数字式余弦波输出给相关器部分的乘法器。（2）相关器：主要接收被测系统的输入和输出信号，进行结果的计算分析与输出。其相关原理为，被测系统的输出信号经一个不接地和独立的模数转换器，将电压转换成脉冲，基频振荡正负半周脉冲数之差，正比于输入幅度的大小。模数转换器的输出，经过一个由面板频率控制旋钮控制的信号细调混频器，使它与函数发生器同步，这样，相关器便自动权衡激励频率的周期。混频器输出至两个并列的数字式乘法器，分别与函数发生器的正弦波及余弦波相乘。正弦和余弦两个通道上的积分器将乘法器的输出，在激励信号基频整数倍的周期内平均，此过程为相关，经相关分析即能得出实频特性和虚频特性，并判定象限

29、，在数字显示器上分别显示出来。2.2频率特性的基本概念及测量方法频率特性是一个系统（或元件）对不同频率正弦输入信号的响应特性。与传递函数一样，频率特性也是一种数学模型。它描述了系统的内在特性，与外界因素无关。当系统结构参数给定了，则系统的频率特性也完全确定。对于低频电路网络，若只关心电路系统的传输特性，可以用传输函数来描述。系统的传递函数可以通过零输入和零状态响应来求得，而无需知道网络内部结构和参数等信息。实际上，只需考察平面上沿轴变化时的即可，就是系统的频率特性，它是的一种以频率为变量的图形描述方法，其物理意义非常明显，是实际应用最多的系统特性的表示形式。频率特性的定义为系统的输出响应与输入

30、响应的比值，见式2.1。其中称为系统的幅频响应，通常取与的关系曲线称为对数幅频特性；为系统的相频响应；幅频特性和相频特性总称为系统的频率特性。 （2.1）由于采用这种描述时，无须知道网络内部的结构和参数等信息，只需知道系统的输入与输出，而系统的输入输出又是可以通过测量来得到的，因而频率特性动有着重要的理论价值和实用价值，在工程实践和科学实验中都有着广泛的应用。基本的测量方法有两种：动态测量法和稳态测量法10。（1）动态测量法主要是指冲激响应测量法，它利用被测网络的冲激响应来推算出网络的频率特性。系统如图2-1所示图2.1 系统输入激励与输出响应输入激励信号为，响应信号为，系统的频率特性可按式计

31、算： （2.2）当输入激励为单位冲激函数，则输出为系统的单位冲激响应，式（2.2）中的恒等于1，于是有 （2.3）计算得到的为复数，包含了幅频特性和相频特性的完整信息。采用这种方法时，要制作冲激脉冲，并对输出响应进行数据采集，对输出信号进行傅里叶变换。在实际应用中，不可能获得理想的脉冲，但只要脉冲信号足够窄，能保证有足够的频带宽度即可。由于窄脉冲的激励能量小，输出响应的信噪比小，因而影响测量精度。可采用重复激励的办法，将每一个激励输出相加，来提高网络输出的响应信号的信噪比，因为噪声为随机信号，在多次相加中将互相抵消。通常重复激励的次数可多达几十次。对于窄带网络，其建立时间长，多次激励的方法将降

32、低测试速度，另一个问题是宽带网络的输出响应信号频带宽，要求采用高速的A/D。这就限制了这种方法在高频领域的应用。所以冲激响应测试法只被用于低频系统的测量中。（2）稳态测量法稳态测量法的被测系统为线性非时变网络，其测量过程是：将信号源加到被测网络的输入端，网络的稳态响应为这种测量方法对于每一个特定的，通过被测网络后得到一个稳态响应，是一种稳态测量法。响应信号与输入信号的幅值比即为该频率的幅频响应值，而两者的相位差即为相频响应值，可以采用频率逐点步进或频率连续变化的方法，完成整个频率特性的测量。为了使每次测量输出电压时，被测系统输出响应达到稳态，无论是逐点改变频率，还是连续扫频，其频率的变化都不能

33、太快，这是因为系统的输出响应与系统的建立时间有关。系统的建立时间的长短与系统的带宽成反比，即带宽越窄，过渡过程时间越长，测量时频变化的速度应该越慢。频率连续的变化通常称为“扫频”，因而也称采用这种方法测量频率特性的仪器为扫频仪。动态测量法，需要制作一个质量较高的冲激激励脉冲信号源，或者频谱和统计特性满足测量要求的任意波形或序列信号，还需要一定的数据采集速度以及数字信号处理计算能力。这种方法的好处是无需制作扫频信号源。稳态测量法需要制作一个频率可步进或可扫频的并符合相应指标要求的正弦信号源，适用于很宽的频段，缺点是每次测量的是网络的稳态响应，需要等待网络达到稳态，测量时间比较长。综合考虑上面两种

34、方法的优缺点，本设计采用稳态测量法。2.3系统结构及总体设计方案虚拟仪器在自动测量、自动控制领域有着广阔的发展前景11，基于虚拟仪器技术的频率特性仪是以机为核心，以美国国家仪器公司的为软件开发平台，配以硬件接口电路构成整个仪器。频率特性测试仪结构框图如图2-2所示。硬件接口板的主要功能是完成被测系统输入信号的产生和被测系统输出信号的数据采集，计算机将根据采集的数据计算系统包括元、器件的性能指标，包括时域和频域指标，并以图形等方式显示出来。图2.2 虚拟频率特性测试仪的组成框图课题的主要设计任务是扫频信号的发生及以计算机为核心信号采集和处理的设计。扫频信号发生器的主要功能是产生幅值恒定、频率变化

35、的信号作为被测系统的输入信号；数据采集卡的主要功能是完成对被测系统输入信号和被测系统输出信号的数据采集；计算机将根据采集的数据进行处理，并将幅频特性和相频特性以图形等方式显示出来。系统主要由四个部分组成。扫频信号源的产生，主要为系统提供信号源扫频信号源简称频率源是扫频仪的重要部件，主要用于产生测试用正弦扫频信号，其扫频范围应是可调的，扫频规律是线性的或对数的，扫频信号的幅度应等幅的。频率源的性能直接影响着扫频仪的性能好坏。直接数字合成频率技术主要通过相位累加查表方法实现任意波形合成，它将波形幅值数据存在波形存储器中，调节频率控制字，并在恒定时钟源的激励下让相位累加器以频率控制字为间隔采样波形存

36、储器中所存波形，最后经转换输出波形。数据采集部分，主要是数据采集卡NI USB-6251采集输入信和输出信号。NI USB-6251是一款高速M系列多功能DAQ模块，在高采样率下也能保持高精度。NI USB-6251提供了16路模拟输入；1.25MS/s单通道采样率（总计1MS/s）；2路模拟输出；24路数字I/O；高达1MHz的USB总线关联数字I/O，若使用板载波形再发生器则关联数字I/O可高达10MHz；每条输入通道包括7档可编程的输入范围（100mV10V）；模拟和数字触发，以及两个计数器/定时器。它与计算机一起构成了系统的硬件环境，是应用软件的基础。该部分工作时将被测系统的激励和响应

37、模拟信号转换成数字信号送入计算机进行处理。数据处理部分，主要进行软件处理。数据处理是虚拟系统的一个重要环节，由于虚拟仪器是建立在通用计算机之上，因此可充分利用自身软件的优势，具有方便灵活、功能强大的数据处理能力，这一点是传统仪器无法比拟的。本课题研制的虚拟仪器系统通过计算机软件编程，实时、直接地对测试数据进行各种分析和数字处理，如完成DFT、FFT运算，实现数字滤波等，然后以各种方式输出处理，具有极强的数据处理能力。仪器面板部分，主要进行操作控制和结果显示该部分赋予测试系统特有的功能，可以直接控制各种硬件接口的驱动程序，系统通过底层设备驱动程序与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在

38、计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作对象相对应的各种控件。这些控件中集成了对应仪器的程控信息，利用计算机强大的图形用户界面，虚拟仪器可以采用多种方式显示采集数据、分析结果和控制过程，真正做到“界面友好，人机交互”，用户通过“虚拟”操作界面向虚拟仪器以出各种测试指令，虚拟仪器则通过它向用户传递系统的状态与测量结果。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便，虚拟仪器的“虚拟”在很大程度上也体现在这种模仿真实仪器操作面板的虚拟面板上。2.4本章总结本章主要概述了频率特性测试仪的发展历史，以及电路频率特性的基本概念和测量方法，最后简述了使用LabVIEW设计虚拟频率特性测试仪的总体方

39、法，并主要化分了3个模块。这也使整体的设计有了具体的步骤。第三章 各模块的详细设计方案3.1扫频信号源设计扫频信号源的设计是整个设计中的最重要的部分，它的主要任务是使数据采集卡NI USB-6251产生一个幅值不变，频率变化的正弦波。且频率的带宽范围满足：10H1MHz；频率步进1Hz。3.1.1激励信号频率点的分配方案有多种方法可用来分配测量的频率点或确定频率步长，最常见的方法是在扫频范围内等分地产生各个频率，即采用等步长的方法。这种方法的主要缺点是在高频部分取点过多，扫描过慢。这里采用的策略是按对数坐标中的频率轴（即横轴）取等间隔步长（例如，扫描范围为101Mz，则把lg10lg等间隔分开

40、，取对应个点的频率），这样可以较好的兼顾不同频段的曲线特性。频率计算公式如下： (3.1)式中，为起始频率，为结束频率。依照公式在程序框图中给出如下的公式节点：图3.1 计算扫描所用频率的公式节点本设计中，频率分点数为100，即图中输入变量N=100。而=10，=。扫频信号源设计的程序框图如下：图3.2 信号源程序框图信号源的前面板为：图3.3 信号源前面板3.1.2激励信号的产生（1）使用DAQ助手的方法基于上面的设计，我们已经可以虚拟设计出一个扫频带宽满足要求的信号源。下一步我们的任务是将虚拟出的激励信号，通过NI USB-6251的AO0通道模拟输出。在这一步设计当中我们需要用到一个快速

41、VI为DAQ助手。LabVIEW提供了一系列快速VI，又称Express VI。它们的作用是简单、方便，无需使用底层VI进行编程，只需要通过简单的窗口配置就能实现应用。“数据采集助手”就是专用于数据采集任务的快速VI。使用它可以实现模拟输入输出和数字输入输出的数据采集功能。使用AO0模拟输出使用的快速VI如下图：图3.4 DAQ助手模拟输出双击DAQ助手可以对它进行设置，在这里我们需要改将最大值和最小值改为10V和-10V，生成模式改为N采样。待写入采样数改为10K，采样率为1MHz。点击保存即可完成快速VI的配置，DAQ助手设置页面如图3.5所示。图3.5 DAQ助手设置数据采集助手快速VI

42、产生的任务只能在用它的程序中使用，如果把它转换为一个任务常数，就可以存储在MAX中，供其他程序使用。通过任务生成程序代码的步骤为，鼠标右击DAQ助手，选择“生成代码”选项。就可以得到模拟输出任务的程序代码。图3.6 DAQ助手转为程序代码现在，我们可以得到扫频信号信号源输出的整体程序框图为：图3.7 扫频信号源模拟输出程序框图点击运行程序，我们可以在示波器上看到一个扫频带宽为10Hz到1MHz的激励信号。（2）使用DAQmx的方法图3.8 使用DAQmx产生信号源使用DAQmx的方法设计扫频源的方法如上图所示。图中用到了几个VI来使数据采集卡模拟输出波形。下面将对这几个VI进行简介。DAQmx

43、创建虚拟通道AO电压它的功能是创建单个或多个虚拟通道，并将其添加至任务。该多态VI的实例分别对应于通道的I/O类型（例如，模拟输入、数字输出或计数器输出）、测量或生成操作（例如，温度测量、电压测量或事件计数）或在某些情况下使用的传感器（例如，用于温度测量的热电偶或RTD）。在循环中使用该VI时，如未指定任务输入，NI-DAQmx将在循环的每次迭代中创建新的任务。完成任务前，应在循环中使用DAQmx清除任务VI，以避免不必要的内存分配。简单地说，这个VI可以用来创建通道，生成电压。图3.9 模拟输出电压VI任务输入：指定要添加VI创建的虚拟通道的任务的名称。如没有指定任务，NI-DAQmx将自行

44、创建任务并将VI创建的通道添加至该任务。物理通道：指定用于生成虚拟通道的物理通道。DAQmx物理通道常量包含系统已安装设备和模块上的全部物理通道。也可以为该输入连接包含物理通道列表或范围的字符串。通过DAQmx平化通道字符串VI可将物理通道数组转换为列表。分配名称：是分配给VI创建的定时源的名称。如该输入端未连线，NI-DAQmx将把物理通道名称作为虚拟通道名称。如将自定义的虚拟通道名称连接至该输入端，在其它NI-DAQmx VI或属性节点（例如，DAQmx触发VI的源输入端）中引用这些通道时，必须使用自定义名称。对于使用“DAQmx创建虚拟通道”VI创建的多个虚拟通道，通过用逗号分隔的列表可

45、为虚拟通道指定名称。如输入的名称数量少于创建的虚拟通道的数量，NI-DAQmx将为虚拟通道自动分配名称。单位：指定从通道返回的电压测量所使用的单位。错误输入：表示节点运行前发生的错误情况。该输入将提供标准错误输入功能。最大值：指定需测量的最大值的单位。最小值：指定要测量的最小值的单位。输入接线端配置：指定通道的输入接线端配置。自定义换算名称：指定用于通道的自定义换算的名称。如需将自定义换算用于通道，可为该输入端连接自定义换算，并将单位设置为来自自定义换算。任务输出：是VI执行结束后，对任务的引用。任务中包含全部新建的虚拟通道。任务输入没有连线时，NI-DAQmx将自动创建该输出引用的任务。错误

46、输出：包含错误信息。该输出将提供标准错误输出功能。DAQmx写入该VI的功能是在用户指定的任务或虚拟通道中写入采样数据。该多态VI的实例分别用于写入不同格式的采样、写入单个/多个采样，以及对单个/多个通道进行写入。如任务使用按要求定时，VI只在设备生成全部采样后返回。未使用DAQmx定时VI时，默认的定时类型为按要求。如任务使用其它类型的定时，VI将立即返回，不等待设备生成全部采样。应用程序必须判断任务是否完成，确保设备生成全部的采样。DAQmx写入属性包含用于写入操作的其它配置选项。在本设计中设置DAQmx写入为模拟波形1通道1采样。图3.10 DAQmx写入VI任务/通道输入：是操作要使用

47、的任务的名称或虚拟通道列表。使用虚拟通道列表时，NI-DAQmx将自动创建任务。数据：包含要写入任务的波形。数据的写入单位与生成单位一致，并且包含自定义换算。通过DAQmx创建虚拟通道VI或DAQ助手指定单位。超时：指定等待VI写入全部采样的时间，以秒为单位。只有在VI写入数据前需要等待时，NI-DAQmx才进行超时检查。在超时状态下，VI将返回错误。默认的超时时间为10秒。超时的值为-1时，VI将无限等待。如超时的值为0，VI将尝试一次写入所有已提交的采样。如VI无法写入所有已提交的采样，VI将返回错误和成功写入每通道写入采样数输出的采样数。错误输入：表示节点运行前发生的错误情况。该输入将提供标准错误输入功能。自动开始：指定在没有通过DAQmx开始任务VI开始运行任务时，VI是否自动开始执行。任务输出：是在VI或函数执行结束后，对任务的引用。如将通道或通道列表连接至任务/通道输入，NI-DAQmx将自动创建任务。每通道写入采样数：是VI成功写入的实际采样数。错误输出：包含错误信息。该输出将提供标准错误输出功能。DAQmx开始任务该子VI的功能是使任务处于运行状态，开始测量或生成。该VI适用于某些应用程序。如未使用该VI，DAQmx读取VI运行时测量任务将自动开始。D