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摘 要

随着电子技术、计算机技术和数字信号处理技术的发展，以 及它们在测量领域中的广泛应用，新的测试理论、测试方法以及 测试仪器的不断出现。仪器的概念及其设计理论正在发生着巨大 的变化，虚拟仪器受到越来越多的关注。虚拟仪器是由计算机硬 件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户 界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系 统。主要由通用的计算机资源、应用软件和仪器硬件等构成。它 是按照信号的处理与采集，结果的输出及显示的结构模式 来建立 通用信号处理硬件平台。
本文就是在这个通用信号处理硬件平台上，进行了基于 LabVIEW 的虚拟函数发生器的设计，设计基于 LabVIEW 软件的 虚拟函数信号发生器(能够产生实验室常用的正弦波、三角波、 方波、锯齿波信号) ，在函数信号的输出中加入相应的噪声信号， 并在已设计好的虚拟信号发生器的基础上对产生的信号做相应的 频谱分析。
关键词：虚拟仪器， LabVIEW ，虚拟函数信号发生器，频谱分析

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目录

1 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 函数信号发生器发展概况 3

1.3 频谱分析仪发展概况 5

2 虚拟仪器技术 7

2.1 虚拟仪器的概念 7

2.2 虚拟仪器的硬件系统 10

2.3 虚拟仪器的软件系统 13

3 LabVIEW 图形化开发环境 14

3.1 LabVIEW 简介 14

3.2 LabVIEW 的优点 15

3.3 LabVIEW 编程模块 17

4 虚拟函数发生器与虚拟频谱分析仪的设计 19

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4.1 基本原理 19

4.2 模型的建立 20

4.3 系统设计 20

4.4 运行结果 22

4.4.1 正弦波运行结果图 22

4.4.2 三角形波运行结果图 23

4.4.3 锯齿波运行结果图 24

4.4.4 方波运行结果图 24

4.4.5 正弦波加噪后运行结果图 25

4.4.6 方波加噪后运行结果图 26

5 心得体会 27

参考文献 28

致谢 29

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1 绪论

1.1 课题背景

虚拟仪器的起源可以追溯到 20 世纪 70 年代。 “虚拟”的含义 主要强调了软件在这类仪器中的作用，体现了虚拟仪器与主要通 过硬件实现各种功能的传统仪器的不同。 LabVIEW 是一种图形化 的编程语言和开发环境，它面向的是广大的普通工程师而非编程 专家。自美国国家仪器公司于 1986 年正式推出以来，目前 LabVIEW 在测控领域的影响越来越大，逐步奠定了 NI 在虚拟仪 器方面的领导地位。 现在该软件已广泛应用于航空、 航天、 通信、 电力、汽车、电子半导体、生物医学等众多领域。一些著名高校 在内的许多学校不仅建立了基于虚拟仪器的实验室，而且还开设 了 LabVIEW 编程的课程。例如清华大学汽车系利用虚拟仪器技 术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验，主 要检测发动机的功率特性、负荷特性等华中理工大学机械学院工 程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育 使用四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台 二线综合测试仪”，将台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统复

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旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校，也开发了一 批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。
作为现代仪器仪表发展的方向 , 虚拟仪器已迅速发展成为一 种新的产业 . 美国是虚拟仪器的诞生地 ,也是全球最大的虚拟仪器 制造国 . 到 1994 年底, 虚拟仪器制造厂已达 95 家, 共生产 1 000 多种虚拟仪器产品, 销售额达 2. 93 亿美元, 占整个仪器销 售额 73 亿美元的 4%。到 1996 年, 虚拟仪器已在仪器仪表市场 中占有 10%的份额生产虚拟仪器的主要厂家 NI、 HP 等公司, 目 前都生产数百个型号的虚拟仪器产品 . 这些产品在国际市场上有 较强的竞争力 , 已进入中国市场 . 国内虚拟仪器研究的起步较晚 , 最早的研究也是从引进消化 NI 的产品开始. 但经过多年研究, 我 国已经在虚拟仪器开发方面形成了自己的特色，国家自然科学基 金委员会已将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一 , 并被列为十五期间优先资助领域， 我国国民经济的持续快速发展, 加快了企业的技术升级步伐 , 先进仪器设备的需求更加强劲 ; 虚 拟仪器赖以生存的个人计算机最近几年以极高的速度在中国发展 , 这些都为虚拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础 . 据专家预测， 到本世纪初我国将有的仪器为虚拟仪器。发达国家虽然在此领域 比我国起步较早，但差距并不是很大，我们应当充分把握时机，

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取长补短，学习国外先进经验，将我国的虚拟仪器产业水平逐渐 向先进国家靠拢。
1.2 函数信号发生器发展概况

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。
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，
正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础 上加上正反馈而形成的它是各类波形发生器和信号源的核心电路 方波是通过电压比较器产生的，比较电压信号(被测试信号与标准 信号)大小，方波电压作为积分运算电路的输入，积分运算电路的

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输出得到三角波电压 ，直接数字合成(DDS)技术信号源的任意 波产生方法：直接从波表提取 N 个点，这 N 个点是用户自定义的 点，同传统的频率合成技术相比， DDS 技术具有极高的频率分辨 率，极快的变频速度，变频相位连续，相位噪声低，易于功能扩 展和便于全数字化集成，容易实现对输出信号的多种调制。
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。
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，

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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。
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。
1.3 频谱分析仪发展概况

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 1 赫以 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

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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。
频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器，面板上布建许多功 能控制按键，作为系统功能之调整与控制，实时频谱分析仪与扫 瞄调谐频谱分析仪。实时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频 域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的 滤波器与检知器，再经由同步的多任务扫瞄器将信号传送到 CRT 屏幕上，其优点是能显示周期性杂散波的瞬间反应，其缺点是价 昂且性能受限于频宽范围、滤波器的任务与最大的多任务交换时 间。
在量测高频信号时，外差式的频谱分析仪混波以后的中频因 放大之故，能得到较高的灵敏度，且改变中频滤波器的频带宽度， 能容易地改变频率的分辨率，但由于超外差式的频谱分析仪是在 频带内扫瞄之故，因此，除非使扫瞄时间趋近于零，无法得到输 入信号的实时反应，故欲得到与实时分析仪的性能一样的超外差 式频谱分析仪，其扫瞄速度要非常之快，若用比中频滤波器之时 间常数小的扫瞄时间来扫瞄的话，则无法得到信号正确的振幅， 因此欲提高频谱分析仪之频率分辨率，且要能得到准确之响应， 要有适当的扫瞄速度。由以上之叙述，可以得知超外差式频谱分

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析仪无法分析瞬时信号或脉冲信号的频谱，而其主要应用则在测 试周期性的信号及其它杂散信号的频谱。

2 虚拟仪器技术

2.1 虚拟仪器的概念

所谓虚拟仪器(Virtual Instruments)，就是以通用计算机为核 心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由 测试软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作 虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器。
虚拟仪器的出现使测量仪器与个人计算机的界限模糊了。虚 拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的 控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软

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件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用 I/O 接口设备完

成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算

机仪器系统。图 3-1 给出了利用数据采集卡实现的虚拟仪器。

传 信 数 数
感 号 据 据
虚 拟 仪 器
器 调 采 处
面板 卡
理 集 理

图 2-1 常见虚拟仪器的组建方案

“虚拟”主要包含两方面的含义，虚拟的虚拟仪器的面板，

虚拟仪器面板上的各种 “控件”与传统仪器面板上的各种 “器件”

所完成的功能是相同的。如各种开关、按键、显示器等实现仪器

电源的“通”、“断”，测量结果的“数值显示”、“波形显示”

等。传统仪器面板上的器件都是实物,而且是用手动和触摸进行操

作的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的图标，设计虚拟

面板的过程就是在面板设计窗口中摆放所需的控件，然后编写相

应的程序。大多数初学者可以利用虚拟仪器的软件开发工具，如

Windows/CVI、 LabVIEW 等编程语言,在短时间内轻松完成美观

而又实用的虚拟仪器前面板的设计；由软件编程来实现的虚拟仪

器测量功能，在以 PC 为核心组成的硬件平台支持下，虚拟仪器不

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仅可以通过软件编程设计来实现仪器的测试功能，而且可以通过 不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。因此在硬 件平台确定后有“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。
传统的电子仪器是自封闭的系统，它具有信号输入、输出的 能力，并有固定的用户界面，比如：输入、输出信号接插件、旋 钮、按钮、显示仪表、显示面板等。一个仪器包括传感器、信号 处理器、 A/D 转换器、微处理器、存储器和内部总线等专门化的 电路。通过这些电路来转换、测量、分析实际信号，并将结果以 各种方式显示。但是传统的仪器功能是由制造商决定的，用户不 能任意更改，现在的虚拟仪器有更多的优点，以下是传统测试仪 器和虚拟仪器的一个比较：
表 2-1 传统仪器与虚拟仪器对照表
虚拟仪器

基于软件体系的 结构，大大节省

开发和维护的费用

功能由用户自己定义

面向应用的系统结构，可以方便
传统仪器

开发和维护费用高

功能由仪器厂商定义

于其他仪器设备的连接十分有

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地与外设、网络或其他应用连接

数据可编辑、存储、打印

软件是关键部分

价格低廉(是传统价格的五至十

分之一)

技术更新快(一般 1—2 年)

基于计算机技术开发的功能模块

可构成多种仪器
限

数据无法编辑数

硬件是关键部分

价格昂贵

技术更新慢( 5— 10 年)

系统封闭、功能固定、扩展性

低

2.2 虚拟仪器的硬件系统

虚拟仪器的硬件系统主要由传感器、信号调理电路、数据采 集设备以及计算机组成。其中，计算机是虚拟仪器硬件平台的核 心；传感器是虚拟仪器系统的前置部件，将被测的非电量转换为 电量；信号调理电路的主要功能是对传感器输出的模拟信号进行 放大、滤波和隔离；数据采集设备的主要作用是对被测信号进行 采样、放大、模数转换等。
虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可 分为五种类型：
( 1 ) PCI 总线——插卡型虚拟仪器

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这种方式借助于计算机内的数据采集卡与专用的软件相结合。 它 充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受 PC 机 机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高， 插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。 PCI 总线的虚拟仪器价格比较昂贵。
( 2 )并行口式虚拟仪器

最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪 器硬件集成在一个采集盒内。仪器 软件装在计算机上，通常可以 完成各种测量测试仪器的功能，可以组成 数字存储示波器、 频谱 分析仪、逻缉分析仪 、任意波形发生器、频率计、数字万用表、 功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。
( 3 ) GPIB 总线方式的虚拟仪器

GPIB 技术是 IEEE488 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出 现是电子测量独立的单台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 形式的仪器通过 GPIB 电缆连接而成。在标准情况下，一块 GPIB 接口可带多达 14 台仪器，电缆长度可达 40 米。 GPIB 技术可用计 算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以 很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。 GPIB 测量

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系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要 求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。
( 4 ) VXI 总线方式虚拟仪器

VXI 总线是一种高速计算机总线 VME 总线在 VI 领域的扩展， 它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的 RFI/EMI 屏蔽。 由于它的标准开放、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，很快得到广泛 的应用。 经过多年的发展，VXI 系统的组建和使用越来越方便，尤 其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场 合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建 VXI 总线要求有机 箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。
( 5 ) PXI 总线方式虚拟仪器

PXI 总线方式是 PCI 总线内核技术增加了成熟的技术规范和 要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的， 增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。 PXI 的高度可扩展性。 PXI 具有 8 个扩展槽，而台式 PCI 系统只有 3~4 个扩展槽，通过使用 PCI— PCI 桥接器，可扩展到 256 个扩展槽， 台式 PC 的性能价格比和 PCI 总线面向仪器领域的扩展优势结合起 来，将形成未来的虚拟仪器平台。

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2.3 虚拟仪器的软件系统

与虚拟仪器的硬件模块在世界范围内的开放与标准化相适应， 虚拟仪器的软件结构也要求具有开放的、统一的格式与标准。为 此， 1993 年 VPP 联盟成立，其目的在于补充和发展 VXI 总线规
范对虚拟仪器软件结构的定义。目前， VPP 规范已被广大的生产

输 入 输 出 接 口 层

仪 器 驱 动 程 序 层

应 用 软 件 层
厂家所接受和使用。

图 2-2 虚拟仪器软件框架

根据 VPP 系统规范的定义，虚拟仪器的软件结构如图 2-2 所 示，从顶层到顶层分别为：输入输出接口层、仪器驱动程序层和 应用软件层。

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3 LabVIEW 图形化开发环境

3.1 LabVIEW 简介

LabVIEW 是一种程序开发环境，由美国国家仪器( NI)公司 研制开发的，类似于 C 和 BASIC 开发环境，但是 LabVIEW 与其 他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本 的语言产生代码，而 LabVIEW 使用的是图形化编辑语言 G 编写 程序，产生的程序是框图的形式。
与 C 和 BASIC 一样， LabVIEW[1]也是通用的编程系统，有 一个完成任何编程任务的庞大函数库。 LabVIEW[1]的函数库包括 数据采集、 GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储， 等等。 LabVIEW[1]也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动 画方式显示数据及其子程序(子 VI)的结果、单步执行等等，便 于程序的调试。
LabVIEW [1]提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表) 类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW [1] 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的 对象进行控制。 这就是图形化源代码，又称 G 代码。 LabVIEW [1] 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序

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框图代码。

3.2 LabVIEW 的优点

LABVIEW 有很多优点，尤其是在某些特殊领域其特点尤其突 出。
( 1 )测试测量： LABVIEW 最初就是为测试测量而设计的， 因而测试测量也就是现在 LABVIEW 最广泛的应用领域。经过多年 的发展， LABVIEW 在测试测量领域获得了广泛的承认。至今，大 多数主流的测试仪器、 数据采集设备都拥有专门的 LabVIEW 驱动 程序，使用 LabVIEW 可以非常便捷的控制这些硬件设备。同时， 用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的 LabVIEW 工具包。这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能，用户在这 些工具包的基础上再开发程序就容易多了。有时甚至于只需简单 地调用几个工具包中的函数，就可以组成一个完整的测试测量应 用程序。
( 2 )控制：控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试 领域起家的 LabVIEW 自然而然地首先拓展至控制领域。LabVIEW 拥有专门用于控制领域的模块----LabVIEWDSC。除此之外，工 业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的 LabVIEW

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驱动程序。使用 LabVIEW 可以非常方便的编制各种控制程序。

( 3 )仿真： LabVIEW 包含了多种多样的数学运算函数，特 别适合进行模拟、 仿真、 原型设计等工作。 在设计机电设备之前， 可以先在计算机上用 LabVIEW 搭建仿真原型，验证设计的合理性， 找到潜在的问题。 在高等教育领域，有时如果使用 LabVIEW 进行 软件模拟，就可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会。
(4)儿童教育：由于图形外观漂亮且容易吸引儿童的注意力， 同时图形比文本更容易被儿童接受和理解，所以 LabVIEW 非常受 少年儿童的欢迎。对于没有任何计算机知识的儿童而言，可以把 LabVIEW 理解成是一种特殊的“积木”：把不同的原件搭在一起， 就可以实现自己所需的功能。著名的可编程玩具“乐高积木”使 用的就是 LabVIEW 编程语言。 儿童经过短暂的指导就可以利用乐 高积木提供的积木搭建成各种车辆模型、机器人等，再使用 LabVIEW 编写控制其运动和行为的程序。除了应用于玩具， LabVIEW 还有专门用于中小学生教学使用的版本。
( 5 )快速开发：根据笔者参与的一些项目统计，完成一个功 能类似的大型应用软件，熟练的 LabVIEW 程序员所需的开发时间， 大概只是熟练的 C 程序员所需时间的 1/5 左右。所以，如果项目 开发时间紧张，应该优先考虑使用 LabVIEW ，以缩短开发时间。

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( 6)跨平台：如果同一个程序需要运行于多个硬件设备之上， 也可以优先考虑使用 LabVIEW。 LabVIEW 具有良好的平台一致 性。 LabVIEW 的代码不需任何修改就可以运行在常见的三大台式 机操作系统上： Windows、 Mac OS 及 Linux。除此之外， LabVIEW 还支持各种实时操作系统和嵌入式设备，比如常见的 PDA、 FPGA 以及运行 VxWorks 和 PharLap 系统的 RT 设备。
3.3 LabVIEW 编程模块

一个完整的 LabVIEW 开发环境包括基本模块和扩展模块两 部分，引擎部分是整个图形化开发环境的核心，它包括编辑模块、 运行模块和调试模块。 LabVIEW 环境下开发的程序称为虚拟仪器 VI ，因为它的外形与操作方式可以模拟实际的仪器。实际上， VI 类似于传统编程语言的函数或子程序。程序 VI 由一个前面板(即用 户界面)、程序流程图(图标代码)和一个接口板组成。接口面板用 于上层的 VI 调用该 VI。
前面板(front panel)类似于仪器的面板，由控件和指示元件组 成。软件前面板其实是自动化的拓展，它保持了传统直观的视觉 和感觉效果。流程图使用图标连线方式的图形， VI 用图标代码和 连线来完成算术和逻辑运算。图标代码是对具体编程问题的图形

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化解决方案。图标代码即 VI 的源代码。工作指令由 G 语言编制的 图标式流程图获得，模块的程序由连线把数据的输入输出端连接 起来。总之，采用前面板、流程图和图标等，用户就对整个系统 实现图形化描述，同时，用户也可以随时改变虚拟仪器来满足自 己的需要。

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4 虚拟函数发生器与虚拟频谱分析仪的设计

4.1 基本原理

本设计采用的是数字处理式频谱分析原理，经过采样，使连 续时间信号变为离散时间信号，然后利用LabVIEW的强大的数字 信号处理的功能，对采样得到的数据进行滤波、加窗、 FFT 运算 处理，就可得到信号的幅度谱、相位谱以及功率谱。 FFT的输出都 是双边的，它同时显示了正负频率的信息。通过只使用一半FFT输 出采样点转换成单边FFT。 FFT的采样点之间的频率间隔是fs/N ， 这里fs是采样频率。 FFT和能量频谱可以用于测量静止或者动态信 号的频率信息。 FFT提供了信号在整个采样期间的平均频率信息。 在采样过程中，为了满足采样定理，对不同的频率信号，选用合 适的采样速率，从而防止频率混叠。实际中，我们只能对有限长 的信号进行分析与处理，而进行傅立叶变换的数据理论上应为无 限长的离散数据序列，所以必须对无限长离散序列截断，只取采 样时间内有限数据。这样就导致频谱泄漏的存在。所以利用用加 窗的方法来减少频谱泄漏。由于取样信号中混叠有噪声信号，为

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了消除干扰，在进行FFT 变换之前，要先进行滤波处理。本设计 采用了巴特沃斯( Butterworth )、切比雪夫(Chebyshev)、椭 圆( Ellipse )、贝塞尔( Bessel )等滤波器。
4.2 模型的建立

本设计中利用枚举作为信号发生器模块，可产生任意标准周 期信号，包括正弦波、三角形波、方波、锯齿波。其中产生的周 期信号的输入参数如频率、幅值、相位、占空比、噪声幅值、偏 移量等均可一调节。还有一个频谱分析模块，测试信号经滤波、 加窗处理后，进行时域分析、频域分析以及谐波分析。可以进行 各种参数设置，包括采样设置、滤波器类型选择及其参数设置、 窗函数类型选择等。输出信号的平均周期、峰峰值和正峰值。处 理过程如下：首先将信号发生模块产生的测试信号送数字滤波器 处理，滤除干扰噪声，然后分别进行时域分析、频域分析和谐波 分析。
4.3 系统设计

如图 4-1 是系统程序框图的设计

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图 4-1 系统程序框图的设计
如图 4-2 是前面板的设计

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图 4-2 前面板的设计

4.4 运行结果

4.4.1 正弦波运行结果图

如下图是正弦波运行结果图，当给噪声幅值为零时，输入相 应的参数，就可得出周期、峰峰值和正峰值的大小。

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图 4-3 正弦波运行结果

4.4.2 三角形波运行结果图

如下图是在没有加入噪声情况下测得的周期和峰值。

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图 4-4 三角形波运行结果

4.4.3 锯齿波运行结果图

如下图是在没有加入噪声干扰的情况下锯齿形波的波形显示
及测得的周期及峰值。

图 4-5 锯齿波运行结果

4.4.4 方波运行结果图

如下图是在噪声干扰为零时方波输入以及周期和峰值的大小。

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图 4-6 方波运行结果

4.4.5 正弦波加噪后运行结果图

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图 4-7 正弦波加噪后运行结果

4.4.6 方波加噪后运行结果图

图 4-8 方波加噪后运行结果

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5 心得体会

通过仿真实验说明，基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪设计完 成了频谱分析的功能。本设计成功地使系统能够分析各种波形的 频谱，如正弦波、三角波、方波、锯齿波等。并且可以通过调输 入波形的各项参数如输入频率、相位、幅值、偏移量等使系统来 进行分析，同时还可以加入可均匀白噪声。此外，利用LabVIEW 实 现的虚拟频谱分析仪，采用了图形语言编程，与其他采用文本语 言编程相比，能缩短了开发时间，与硬件仪器相比，虚拟仪器又 更容易调整滤输入波形，具有方便、快捷、直观等优点。另外基 于LabVIEW 编写的程序还可以将其作为子程序在其他虚拟仪器 系统中调用，大大增强了程序的通用性。
此次是在学习了虚拟仪器设计基础教程之后的课程设计，在 学期中通过虚拟仪器课本知识的学习，我掌握了基本软件编程方 法，但是一直以来从来未真正的进行一个更贴近实际的系统的设 计，通过本次的虚拟函数发生器与虚拟频谱分析仪的设计使我对 虚拟仪器系统有了更深一步的了解，特别是函数的产生于分析模

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块。此次的学习后我对虚拟仪器的发展历史，设计方法、步骤有 了更深入的领会。

参考文献

[1]黄松岭. 虚拟仪器设计基础教程. 北京：清华大学出版社, 2008 [2]刘君华. 基于 LabVIEW 的虚拟仪器设计. 北京: 电子工业出版 社, 2003
[3]张小虹. 数字信号处理. 北京：机械工业出版社, 2005
[4] 张爱平 . LabVIEW 入门与虚拟仪器 .北京:电子工业出版社 , 2004.
[5] 侯国屏,等. LabVIEW7. 1 编程与虚拟仪器设计.北京:清华大 学出版社, 2005.
[6] 邓炎 ,王磊 ,等 .测试技术与仪器应用 .北京:机械工业出版社 , 2004.
[7] 刘君华.基于 LabVIEW 的虚拟仪器设计 .北京:电子工业出版 社, 2003.

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致谢

这次的虚拟仪器课程设计是在 XX 老师的指导下完成的，首先 在这里向老师表达我的谢意，导师渊博的专业知识，严谨的治学 态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、 宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响 深远。是我对课程设计不再那么恐惧，也让我更有信心，更好的 完成我的课程设计。同时在这里我也要感谢我的同学，在我课程 设计遇到困难的时候，他们能够放下自己手头的作业来与我一起 讨论解决问题，我也在困难与讨论中对虚拟仪器技术有了更加深 入的了解。对这门课程能有现在的熟练，真心离不开老师一学期 的教导，还有课程设计中老师的指导。