虛擬儀器在電子電路實驗教學(xué)中的應(yīng)用
2014/6/11  9:24:34

    虛擬儀器技術(shù)的特點

    虛擬儀器(Virtual Instrument)的概念是美國于上世紀80年代中期提出來的。這一概念的核心是以計算機作為儀器的硬件支撐,充分利用計算機的運算、存儲、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等智能式的功能,把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化,使之與PC 機結(jié)合起來融為一體,這樣便構(gòu)成了一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同,同時又充分享用了PC 機智能資源的全新的儀器系統(tǒng)[3]。虛擬儀器技術(shù)是將計算機技術(shù)、儀器技術(shù)和通信技術(shù)三者的有機結(jié)合,利用良好的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺和數(shù)據(jù)采集卡,可以在屏幕上虛擬出與傳統(tǒng)儀器相似的顯示面板, 用戶通過點擊這個顯示面板, 來調(diào)控虛擬儀器的性能。與傳統(tǒng)儀器相比,雖然虛擬儀器也需要硬件支持, 但硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出,軟件才是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。也正是由于軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵,所以當基本硬件確定以后, 就可以通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。正是因為軟件就是儀器,所以用戶可以根據(jù)自己的需要,設(shè)計自己的儀器系統(tǒng),滿足多種多樣的應(yīng)用要求。另一方面,利用計算機豐富的軟、硬件資源,不僅可以大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的處理、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,而且為數(shù)據(jù)的快速共享提供了可能。

   基于聲卡的虛擬示波器的設(shè)計

    示波器是電子實驗室最為廣泛的測量儀器之一。傳統(tǒng)示波器外型笨重,功能單一,一些高性能的示波器加工工藝復(fù)雜,技術(shù)要求高,價格昂貴。隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展,基于虛擬儀器技術(shù)的示波器也應(yīng)運而生[4]。虛擬示波器充分利用計算機的信息處理能力,能夠?qū)崿F(xiàn)對多路輸入信號的實時采集和存儲,并且可以進行數(shù)據(jù)的離線分析和處理。

 1.硬件實現(xiàn)
 虛擬示波器的硬件核心是數(shù)據(jù)采集卡。目前市售的數(shù)據(jù)采集卡價格與性能基本成正比,一般比較昂貴。隨著DSP(數(shù)字信號處理)技術(shù)走向成熟,PC機聲卡可以成為一個優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其數(shù)字信號處理器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC),ADC用于采集音頻信號,DAC用于重現(xiàn)這些數(shù)字聲音,轉(zhuǎn)換率達到44.1KHz。 在采樣頻率要求不高的情況下,可以利用計算機的聲卡作為數(shù)據(jù)采集的輸入和輸出。目前,聲卡已成為多媒體計算機的一個標準配置,利用聲卡進行采樣與輸出,就不需要購買專門的采集卡可以降低虛擬儀器的開發(fā)成本,且在音頻范圍內(nèi)可以完全滿足實驗要求。由于計算機在各個高校已經(jīng)普及,采用聲卡研制虛擬儀器能以很低的成本、在較短的時間內(nèi)更新和擴充實驗室設(shè)備,在全新的實驗平臺上開發(fā)綜合性和設(shè)計性的實驗。
 麥克風(fēng)的工作原理是通過聲音振動的強弱來改變其結(jié)構(gòu),以輸出強弱不等的連續(xù)電流。在前面的系統(tǒng)中,麥克風(fēng)的作用相當于一個傳感器,它將聲音的振動信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號后,流入聲片的輸入端。連續(xù)電流經(jīng)過聲片的A/D轉(zhuǎn)換后,被采集到系統(tǒng)中加以動態(tài)顯示和分析。
經(jīng)過以上分析得知:聲波的振動信號是經(jīng)過麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換為電信號以后輸入聲片的。這樣就為通過聲片采集電信號提供了契機。為了保護聲片,在實際應(yīng)用中,應(yīng)當充分估計被測信號的大小。如果被測信號的幅度很小或者很大,就不能直接進入聲片,而是先經(jīng)過一個信號調(diào)理電路,對信號進行“放大或限幅、濾波”等處理,經(jīng)過處理后,幅度和頻率降到一定范圍內(nèi)的信號才能輸入聲片。
 聲卡一般有Line In和MIC In兩個信號輸入插孔,聲音傳感器(本文采用通用的麥克風(fēng))信號可通過這兩個插孔連接到聲卡。若由MIC In輸入,由于有前置放大器,容易引入噪聲且會導(dǎo)致信號過負荷,實際中常使用Line In,其噪聲干擾小且動態(tài)特性良好。本文使用Line In作為輸入端,引出兩根電纜,分別與信號發(fā)生器的兩個輸出端相連接。它可以接收幅值超過1.5 V的信號。
 2.軟件設(shè)計
LabVIEW是一種基于G語言的圖形化虛擬儀器開發(fā)工具,主要用于數(shù)據(jù)的采集、分析、處理和表達,總線接口、VXI儀器以及GPIB與串口儀器的驅(qū)動程序編制和虛擬儀器驅(qū)動。它與C、Pascal等傳統(tǒng)編程語言有著諸多相似之處,如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具等。與傳統(tǒng)高級編程語言最大的差別在于編程方式一般高級語言采用文本編程,而LabVIEW采用圖形化編程語言(即各種圖標、圖形符號、連線等),以框圖的形式編寫程序。采用這種圖形化的編程方式,再加上大量專業(yè)控件(Controls)和函數(shù)(Functions)的提供,使之具有極高的編程效率和優(yōu)秀的編程效果。
(1)虛擬示波器的前面板設(shè)計
前面板用來提供用戶與虛擬示波器的接口,通過一個友好的圖形界面,模擬傳統(tǒng)儀器操作,實現(xiàn)對虛擬示波器的控制,并且顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果。本文設(shè)計的虛擬示波器前面板如所示。根據(jù)儀器的功能,在虛擬示波器前面板上設(shè)置實時圖形顯示窗口(包括波形圖、頻譜圖),數(shù)據(jù)采集配置按紐(包括聲卡初始化配置、通道配置、觸發(fā)參數(shù)配置)、波形顯示調(diào)節(jié)按紐(水平調(diào)節(jié)、垂直調(diào)節(jié)、游標顯示)、參數(shù)動態(tài)顯示按紐(波形平均值、峰峰值、頻率)、錯誤信息顯示窗口、幫助窗口、暫停按鈕、保存按鈕、回讀按紐、停止按鈕等。
(2)程序框圖設(shè)計
程序設(shè)計的原理是讓信號通過聲卡采集進虛擬器中,通過聲卡的基本設(shè)置,設(shè)置聲卡的一些基本參數(shù),聲卡的采樣頻率不能太低,如果頻率太低,采集過程中,不能連續(xù)地采集,示波器的輸出就會中斷。聲卡采集完信號數(shù)據(jù)后,聲卡開始讀取數(shù)據(jù),通過對數(shù)據(jù)的讀取,虛擬示波器把波形顯示出來;在波形顯示的過程中,虛擬示波器還能通過頻譜分析,對波形的幅頻和相頻分析,顯示虛擬示波器的幅頻特性和相頻特性;最后再把頻率、幅頻、相頻的數(shù)據(jù)通過數(shù)組的分析,也顯示出來。在讀取過程中,還能把虛擬示波器的周期平均、峰峰值、負峰值、正峰值、周期均方根、直流、均方根的數(shù)值也顯示出來。而聲卡的讀取過程是通過一個While循環(huán)把這所有的過程連接起來。讀取過程完后,經(jīng)過聲卡的清理后,再進行下一次的讀取過程。在聲卡的讀取過程中,如果聲卡觸發(fā)有差錯的話,聲卡的讀取就會停止,聲卡直接停止,While循環(huán)也就結(jié)束了。
   3.虛擬示波器的測試
虛擬示波器測試時采用了固緯(Good Will)GFG—8250A函數(shù)信號發(fā)生器作為外部模擬信號輸入,用設(shè)計的虛擬示波器顯示正弦波的波形。測試結(jié)果表明虛擬示波器采集的信號與傳統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的信號吻合,參數(shù)測量精確,波形控制和觸發(fā)控制響應(yīng)迅速,顯示正確,說明用LabVIEW開發(fā)的虛擬示波器的結(jié)果與傳統(tǒng)示波器結(jié)果相一致。

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