基于虚拟仪器的幅频特性仪设计

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1、完整版-基于虚拟仪器的幅频特性仪设计南阳理工学院本科生毕业设计（论文）学院：电子与电气工程学院专业：电子信息工程学生：迪维指导教师：樊选完成日期2013年5月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）基于虚拟仪器的幅频特性测试仪设计DesignofAmplitudeversusFrequencyCharacteristicTestingMeterBasedonVirtualInstrument总计：25页公式：1个插图：37幅阳理工学院本科毕业设计（论文）基于虚拟仪器的幅频特性测试仪设计DesignofAmplitudeversusFrequencyCharacteristicTestingMeter

2、BasedonVirtualInstrument学院：电子与电气工程学院专业：电子信息工程学号：1109634012指导教师（职称）：樊京（副教授）评阅教师：完成日期：南阳理工学院NanyangInstituteofTechnology基于虚拟仪器的幅频特性测试仪设计基于虚拟仪器的幅频特性测试仪设计电子信息工程专业张靖摘要本文设计了一种基于虚拟仪器的幅频特性测试仪。在了解幅频特性测试仪仪工作原理的基础上，用已有的波形发生器和示波器，以LabVIEW软件为开发平台，进行设计。通过使用LabVIEW软件控制正弦波信号发生器，使其产生合适的正弦波，并进行扫频操作，然后通过控制示波器的USB口将数据采

3、集到计算机上，在Matlab或LabVIEW下编写幅度测量算法、相位分辨算法，对采集的数据进行处理分析，并在虚拟仪器的面板上画出幅频特性及相频特性图0关键词幅频特性；LabVIEW；扫频；数据采集；数据处理DesignofAmplitudeversusFrequencyCharacteristicTestingMeterBasedonvirtualinstrumentElectronicInformationEngineeringSpecialtyZHANGJingAbstract:Inthispaper,theamplitudeversusfrequencycharacteristictes

4、tingmeterbasedonvirtualinstrumentisdeveloped.ThepaperisdesignedbytheexistingwaveformgeneratorandoscilloscopebasedontheLabVIEWsoftwaredevelopmentplatform9intheunderstandingofamplitudeversusfrequencycharacteristictestingmeteronthebasisofworkingprinciple.MakingSinewavesignalgeneratortoproducetheavilabl

5、ewaveanddofrequencysweepbytheLabVIEWsoftware,andthencollectedataintothecomputerUSBportbycontrollingtheoscilloscope,thenedlettheamplitudemeasurementalgorithm,phaseresolutionalgorithmundertheMatlabandLabVIEW,todealwithdataanalysis,andplottheamplitude-frequencycharacteristicandphasefrequencycharacteris

6、ticonagraphonthevirtualinstrumentpanel.KeyWords:Amplitudeversusfrequencycharacteristic；labview；frequencysweep；dataacquisition；dataprocessingi基于虚拟仪器的幅频特性测试仪设计目录1引言11.1 本课题提出的背景和意义11.2 幅频特性测试仪国内外的发展状况21.3 本课题的主要研究内容32幅频特性测试仪的系统设计32. 1幅率特性的基本概念33. 2幅频特性测试仪实现的功能44. 3系统结构及总体设计方案53幅频特性测试仪的硬件系统简介65. 1波形发生器

7、简介及DG4000系列驱动的安装66. 2示波器简介及DS1000E系列驱动的安装74幅频特性测试仪的软件系统设计94. 1软件开发平台LabVIEW简介95. 2幅频特性测试仪的软件设计主程序106. 2虚拟仪器对波形发生器的软件设计11波形发生器主程序11波形形成及输出子程序12同相位及扫频操作子程序134. 3示波器数据采集及处理15示波器主程序15数据采集子程序15数据处理子程序175调试及实验结果分析195. 1实验调试及误差分析195. 2误差补偿19结束语23参考文献24II基于虚拟仪器的幅频特性测试仪设计 26 28附致谢二二二二二二in基于虚拟仪器的幅频特性测试仪设计1引言1

8、.1 本课题提出的背景和意义电子测量中经常遇到的就是对未知系统或电路网络传输特性的测量,尤其是电路网络幅频特性的测量山。一般情况下，一个系统或电路网络的幅频特性就能表征其电气性能，如系统固有角频率、系统阻尼率等。传统的模拟式幅频特性测试仪大多是用LC电路构成扫频振荡器，体积较大、结构复杂、功能单一且不易与其它设备连接，而且只能显示幅频特性曲线，不能得到相频特性曲线，给使用者带来诸多不便，在实际应用中受到很大的限制。目前普遍使用的国内产品主要是天津中环电子仪器公司生产的BT-6A和TD4010RI,图片如图1所示，它存在的主要问题是功能单一、无图形显示、价格偏高,90年代初改型的TD4010型频

9、率响应分析仪虽采用微处理器，但其许多工作仍要靠外部硬件完成，没有充分发挥微处理器特别是软件功能，致使电路仍很复杂，价格昂贵。国外产品以日本小野公司的SR200为代表，该仪器也只能显示幅频特性曲线，价格昂贵,在一般大专学校应用较少。图1频率特性测试仪BT-6A和TD4010由于传统的幅频特性测试仪因其开发和维护的费用高、技术更新周期长、封闭固定的系统且不易与其它设备连接而在实际应用中受到很大的限制，为了跟踪虚拟仪器技术的发展趋势，发挥其在测试与测量仪器设计中所具有的灵活性、直观性、通用性的特点，我们开发了基于虚拟仪器技术的幅频特性测试仪，这种新型仪器将充分利用计算机软、硬件资源，具有强大的处理能

10、力，以其新颖、清晰的图形曲线显示，具有操作方便、性价比高等优点，可以更好地满足科研和工程设计的需要。1.2 幅频特性测试仪国内外的发展状况幅频特性测试仪也称扫频仪，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，它运用扫频技术的幅频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。国外幅频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。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，同轴测量频率范围为45MHz-26.5GHZo1986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

11、络分析仪，成为业界频率特性测试仪的标准。1989年同轴S参数测量系统上限频率扩展到40GHz。1990年，毫米波波导传输测试装置的工作频率范围扩展到了110GHZo2000年底的PNA系列300KHz-3GHz的E8356A；300KHz6GHz的E8357A；30KHz-9GHz的E8358A,在低频方面，该公司有HP3589A,其频率范围10Hz-150MHzo图2安捷伦频率特性测试仪英国SOLARTRON公司有1250,1253,1255A,1255B,1260A。它可以作单点、离散正弦频率扫描，获得频响函数或频响函数的实验曲线网。1250的频率范围为10uHz到65.5KHZ,可以用于

12、测量增益、相位、交流阻抗。1253的频率测量范围为ImHz到20KHZ,幅度和相位精度分别达到1%和1度。1255A的频率测量范围为lOuHz至lj1MHz,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lOuHz到32MHz,幅度和相位精度分别达到04和0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。国内成功研制的AV3615分体式频率特性测试仪，测量范围:45MHz-U0GHz。AV3623一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O.ldB,频率分辨率1Hz。从上述对市场上现有的幅频特性测试仪产品的调查和

13、分析，我们发现国外的幅频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。1.3本课题的主要研究内容本课题就是应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进行幅频特性测试仪的研究与开发叫主要是使用软件LabVIEW控制正弦波信号发生黠，使其产生合适的正弦波，并进行扫频操作，然后通过控制示波器的USB口将数据采集到计算机上。在Matlab或LabVIEW下编写幅度测量算法、相位分辨算法，并在虚拟仪器的面板上画出幅频特性图。论文的主要内容包括：第1部分：首先分析了本课题的研究背景及意义，全面阐述了幅频特性测试仪的国内外的研

14、究现状，并且介绍了本论文完成的主要工作。第2部分：详细介绍了幅频特性的基本概念，以及系统的总体结构以及设计方案。第3部分：详细介绍了该设计的硬件平台组成一波形发生器及示波器。第4部分：对系统的软件部分进行详细设计：（1）扫频源控制的设计与调试；（2）数据采集的设计与调试；（3）对采集信号进行处理分析的设计。第5部分：最后系统联调，软、硬件整机调试。对信号采集、处理分析、显示进行调试，并对调试过程中出现的问题进行处理，进一步完善系统功能，满足设计要求，得出正确结论，并进行全面总结。2幅频特性测试仪的系统设计2.1 幅率特性的基本概念对于含有抗性元器件的网络，在正弦稳态的情况下，其输出的正弦波相对

15、于输入的正弦波而言有两方面的改变：一个是输出正弦波与输入正弦波的幅度差值与频率有关，这种关系称为网络的幅频特性；另一个是输出正弦波与输入正弦波的相位差值与频率有关，这种关系称为网络的相频特性，网络的幅频特性与相频特性的结合称为网络的频率特性。当被测电路的输入为正弦信号时,则输出的稳态响应也是一个正弦信号,其频率和输入信号的频率相同，但幅度和相位发生了变化，而变化取决于角频率若把输出的稳态响应和输入正弦信号用复数表示，并求它们的复数比，则得公式（1）所示。好*（1）其中G（ja）称穗率特性,A（4）是输出信号的幅值与输入信号幅值之比，称为电路网络幅频特性。4是输出信号的相位与输入信号的相位之差，

16、称为相频特性。其中，电路幅频特性是电路网络的一个重要特性,本文探讨电路网络幅频特性参数的测试。在实际测量中,用一个随着时间按一定规律,并在一定频率范围内扫动的信号对被测电路进行快速、定性或定量的动态测量,给出被测电路网络的电路网络幅频特性实时测量结果口叫测量原理见图3所示。图3测量原理2.2 幅频特性测试仪实现的功能在MultisimWI中，显示元件波特图仪可以显示电路网络的幅频特性及相频特性，本课题设计的基于虚拟仪器的幅频特性测试仪实现的功能与此相似，现以双T带阻滤波器的电路网为例，如图4所示，在Multisim中仿真出该电路的幅频特性及相频特性,如图5所示，以此了解基于虚拟仪器的幅频特性测

17、试仪实现的功能。图4双T带阻滤波器的电路图5双T带阻滤波器的幅频、相频特性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，基于虚拟仪器技术的幅频特性仪是以PC机为核心，以美国国家仪器公司的LabVIEW为软件开发平台，配以硬件接口电路构成整个仪器。幅频频特性测试仪结构框图如图6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，并以图形的方式显示出来。信号源扫频一被测网络示波器数据显示VISK库调用LabVIEW开发平台备动序设驱程VISA库调用（数据

18、采集）计算机图6幅频特性测试仪结构框图课题的主要设计任务是对信号源的扫频操作及以计算机为核心接口电路和信号处理的设计。信号源的扫频操作的主要功能是产生幅值恒定、频率变化的信号作为被测系统的输入信号；硬件接口板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计算系统的性能指标，包括时域和频域指标，并以图形的方式显示出来。系统主要由四个部分组成：（1）扫频信号源的产生，主要为系统提供信号源。扫频信号源是幅频特性测试仪的重要部件，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，扫频信号的幅度应是等幅的。频率源的性能直接影响着扫频仪的性能好

19、坏。在已有的任意波形发生器的基础上，用虚拟仪器进行编程控制波形发生器产生等幅的、频率可调的正弦波，通过USB串口将数据操作指令传输到波形发生器。(2)数据采集部分，主要是系统软硬件结合部分。该部分主要应用示波器与计算机的串口，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模拟信号转换成数字信号送入计算机进行处理，通过虚拟仪器VISA读入将数据读取到计算机，也可以通过VISA写入将控制示波器的指令发送给示波器，例如让示波器显示的波形满幅，避免失真的采取。(3)数据处理部分，主要进行软件处理。数据处理是幅频特性测试仪的一个重要环节，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

20、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。(4)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、

21、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。3幅频特性测试仪的硬件系统简介3.1 波形发生器简介及DG4000系列驱动的安装DG4000系列向是集函数发生器，任意波形发生器，脉冲发生器，谐波发生器，模拟/数字调制器，频率计等功能于一身的多功能信号发生器。该系列的所有型号皆具有2个功能完全相同的通道，通道间相位可调，如图7所示。RIQOLR UUC c dug .1uG-kCT图7波形发生器DG4000系列采用DDS直接数字合成技术，可生成稳定、精确、纯净和低失真的输出信号；高清宽屏显示，

22、人性化的界面设计和键盘布局，给用户带来非凡体验；标配的LAN,USB接口，可轻松实现仪器远程控制，为用户提供更多解决方案。DG4000系列的产品特性为最高输出频率160MHz,100MHz等;500MSa/s采样率,Mbits垂直分辨率；标配等性能双通道；低相噪至115dB/Hz；丰富的模拟调制和数字调制功能；高达150种内建波形；功能强大的上位机软件，内置7digits/s,200MHz带宽的频率计；标配多至16次的谐波发生器功能；标配接口。对于DG4062,LabVIEW驱动程序(RIGOLDG4000Series.zip)可到网站上免费下载河。解压后将RIGOLDG4000Series目

23、录拷贝到安装LabVIEW目录时的VnstrlibRIGOLDG4000Series目录下，这样编程设计时使用更方便，因为LabVIEW编程时需要的驱动程序要到安装LabVIEW目录时的Vnstr.llb路径下去找。此外该LabVIEW驱动程序是利用VISA开发的，所以开发环境必须安装有VISA3.0或以后的版本，否则程序运行时，会查找不到外部设备的串口，程序不报错误也不执行任何动作。3.2 示波器简介及DS1000E系列驱动的安装DS1000E系列是一款高性能、经济型、性价比高的数字示波器，如图8所示。DS1000E系列为双通道加一个外部触发输入通道的数字示波器。DS1000E系列数字示波器

24、前面板设计清晰直观，完全符合传统仪器的使用习惯，方便用户操作。为加速调整,便于测量，您可以直接使用AUTO键，将立即获得适合的波形显示和档位设置。此外,高达IGSa/s的实时采样、25GSa/s的等效采样率及强大的触发和分析能力，可帮助用户更快、更细致地观察、捕获和分析波形。图8示波器DS1000E产品特性为提供双模拟通道输入，最大IGSa/s实时采样率，25GSa/s等效采样率；16个数字通道，可独立接通或关闭，或以8个为一组接通或关闭(仅DS1000D系列)；有丰富的触发功能：边沿、脉宽、视频、斜率、交替、码型和持续时间触发；独一无二的可调触发灵敏度，适合不同场合的需求；自动测量22种波形

25、参数，具有自动光标跟踪测量功能；独特的波形录制和回放功能；细的延迟扫描功能；内嵌FFT功能;拥有4种实用的数字滤波器：LPF,HPF,BPF,BRFPass/Fail检测功能，可通过光电隔离的Pass/Fail端口输出检测结果。对于DG1000E,LabVIEW驱动程序(RIGOLDG1000Serles.zip)可到网站上免费下载。解压后将RIGOLDG1000Series目录拷贝到安装LabVIEW目录时的Vnstr.libXRIGOLDGlOOOSeries目录下，这样编程设计时使用更方便，因为LabVIEW编程时需要的驱动程序要到安装LabVIEW目录时的Vnstr.Hb路径下去找。此

26、外该驱动程序是利用VISA开发的，所以开发环境必须安装有VISA3.0或以后的版本，否则程序运行时,会查找不到外部设备的串口，程序不报错误也不执行任何动作。另外，波形传输主要用同轴线进行传输，如图9所示，同轴线是常见的信号传输线,中心的铜芯是传送高电平的，被绝缘材料包覆；绝缘材料外面是与铜芯共轴的筒状金属薄层，传输低电平，同时起到屏蔽作用。图9同轴线在使用同轴线的时候，要用50欧姆阻抗进行匹配，如图10所示。同轴线的阻抗匹配使信号传播时以其幅度的50%向负载端传播，阻抗匹配的主要目的是让信号尽可能的以平稳的最大值传输到终端，不会有信号反射回来源点。图1050欧姆阻抗4幅频特性测试仪的软件系统设

27、计本课题是在已有的波形发生器和示波器的基础上进行的软件设计，因此该设计主要分为两部分：一、LabVIEW对任意波形发生器的扫频操作；二、将示波器的数据通过USB口采集并对数据进行分析，最终画出幅频特性及相频特性曲线。4.1 软件开发平台LabVIEW简介LabVIEWl咐的基本编程单元是框图，框图以图形软件绘制，用端点来表示程序设计，虚拟仪器则接收来自方框图的指令，因此，LabVIEW在绘制方框图时只需从软件菜单中调用相应的函数方块并用导线连接即可，不必受常规程序设计句法细节的限制，LabVIEW面板如图11所示。一个LabVIEW程序分为三部分:前面板、框图程序、图标/接线端口。前面板是用于

28、模拟真实仪器的控制面板；框图程序则是利用图形语言对前面板上的控件对象（分为控制量和指示量两种）进行控制；图标/接线端口用于把LabVIEW程序定义成一个子程序，从而实现模块化编程。图11LabVIEW面板LabVIEW还具有强大的仪器控制功能，它可对众多仪器如插卡式数据采集仪器、GPIB仪器、PXI/VXI仪器、RS-232仪器等进行控制；LabVIEW还内置了便于TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。在本设计中，通常会会用到VISA函数，但面板上有VISA函数不意味着就是装了驱动，VISA函数的位置见下图12,其中比较常用的是VISA函数打开、VISA函数写入、VISA函数读取、V

29、ISA函数关闭，如图13所示。WVT5AVbA?历 VISA无期 6Am跖hatrirnart. 印1第 s viwigMrj vsAtswg e32图12VISA函数的位置VISA写入VISA WriteVISA奥源名称写入缓冲区匚二 入（无砥）VISA资源名称捻出三1返回数 工。错误捻出VISA 减 VISA ReadSA炎源名存 字书总父 桔呈爱人（无指误）VISA姿/名磴口波取爱口区逅回数错误的d图13VISA常用函数4.2 幅频特性测试仪的软件设计主程序由于任意波形发生器和示波器与PC机相连接时，要用两个USB串口，因此虚拟仪器对两者进行控制时，假如用并行语句，那么采集的顺序，各个频

30、率段都将会出现一定范围的误差，发生紊乱，甚至有时两个仪器同时工作，只会控制其中的一台，这样会对采集到的结果造成很大的误差。该幅频特性测试仪设计的软件设计流程如图14所示，系统上电后开始，连接波形发生器对应的USB串口，控制波形发生器产生合适的正弦波，判断此时的频率是否大于等于截止频率，若大于，则结束程序，否则分别打开波形发生器的输出通道，可以将波形传送到示波器上显示，然后打开同相位，让示波器形成稳定的波形，延时几秒，连接示波器的USB串口，将波形数据采集到上位机，并且编写相应的算法，画出电路网络的幅频特性及相频特性图。图14幅频特性测试仪设计的软件设计流程4.2 虚拟仪器对波形发生器的软件设计

31、在本设计中使用北京普源的任意波形发生器DG4062,用上位机LabVIEVV控制波形发生器产生幅值恒定、频率变化的信号作为被测系统的输入信号。根据前面的分析，设计出基于虚拟仪器波形发生器的软件系统流程图如图15所示。系统上电后开始，连接波形发生器对应的USB串口，然后将起始频率、相位、幅值传送给波形发生器通道一和通道二，然后打开通道输出，将两个通道的波形进行同相位操作，最后将波形数据通过USB输出，然后将频率加上频率步长，判断是否大于等于截止频率，若大于结束程序，若小于截止频率，那么再依次循环上面的工作流程，直到程序结束为止。图15波形发生器软件系统流程图在本设计中，波形形成及输出程序框图如图

32、16所示。该模块中主要用到的指令及其功能如下所示：(1) :SOURce:APPLy:SINusoid,它是指输出一个具有指定频率、振幅、DC偏移和起始相位的正弦波。(2) :SOURce:VOLTage:UNITVPPIVRMSIDBM,该指令用于设置幅度的单位为VPP、VRMS或DBM。在本设计中幅度的单位设置为VPP。(3) :OUTPut:STATeONIOFF,启用或禁用前面板Outputl或Output2连接器的输出，其中n可选1与2。前两条指令的实现主要是通过格式化写入字符串函数，该函数使字符串路径、枚举型、时间标识、布尔或数值数据格式化为文本，通过格式化写入文件函数，使数据格式

33、化为文本，并使文本写入文件。第三条指令中OUTPutvn的选择是通过FOR循环外的示波器通道选择进行控制的，通道的开关是通过按钮的亮灭来控制的。LabVIEW中具体指令控制如图17所示。该模块中最重要的是For循环的使用，通常For循环的N，接线端必须连接一个循环数，或者可将已启用自动索引的数组输入连接至循环，否则将无法确定循环次数。如已启用数组输出隧道的自动索引功能，输出数组从每次循环接收到一个元素。因此，自动索引的输出数组的大小等于循环的次数。该设计以波形发生器通道的选择作为索引数组，并且启用自动索引，因此连线较粗，它执行的过程是先给波形发生器的一通道赋予幅值，相位，频率等，然后打开通道1

34、的输出，然后再给二通道执行同样的过程，这样采用循环赋值节省了程序运行的时间。In而I顾01r卜OUTP%d 法;侬丝咬皿度A111|%.:;SOUR%d;VOLT;UNIT 初：!| |%.；：SOUR%dJlPPLSIN %g,%g,%9,%g;| ； off二阶图16波形形成的程序框图|%.；:SOUR%d:VOLT!UNIT%s;!|%;:SOUR%dAPPL:SIN%g,%g,%g,%g;IW|q1通道选择图17部分指令控制及扫频操作子程序在仪器打开或运行的过程中，每一次打开输出通道，波形发生器自身都会产生一个随机分配的相位，即使初始相位设置的0度，若不进行同相位操作，在后续程序的采集

35、过程中会产生误差，测量精准度降低。同相位指令如下所示：:SOURcevn:PHASe:INITlate执行同相位操作，在两个通道中，任一通道处于调制模式时，此设置无效。因此该指令的使用是在参数设置完之后，输出通道打开之后，执行才可以，否则该指令无效。同相位程序框图如图18所示，其中用布尔量控制同相位的打开与关闭。rfl口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口G口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口0口口口口口0口口口口口口口图18同相位程序框图扫频操作是在已知起始频率、频率间隔、截止频率，频率按照起始频率加上频率间隔的整数倍增加，直到大于等于截止频率，停止程序。在该设计中，

36、使用While循环，它的计数接线端（D可提供当前的循环总数，首次循环的该值为零，将频率间隔与循环总数相乘，再与起始频率相加，就会构成一系列按照一定规律变化的频率范围。While循环中重爱执行内部的子程序框图，直至条件接线端（输入端）接收到特定的布尔值，结束程序，在本设计中，现有的频率与截止频率相比较，大于时为真，就会停止，否则继续运行事件。扫频操作框图如图19所示。图19扫频操作程序框图4.3 示波器数据采集及处理根据前面的分析，设计出基于虚拟仪器示波器的软件系统流程图如图20所示。系统上电后开始，判断是否大于等于截止频率，若大于结束程序，若小于截止频率，那么再依次循环下面的工作流程，直到程序

37、结束为止。连接示波器对应的USB串口，然后使示波器被控制，调整参数让示波器构成采集8Kb的数据，停止示波器，采集两个通道的数据，然后对数据进行处理，例如FFT,求出幅度及相位差，最后绘出幅频、相频图。图20示波器的软件系统流程图在数据进行采集之前要对示波器上的波形进行一系列的处理，例如水平密度，垂直幅度的调整，具体操作如图21、22所示。数据采集之后要进行分析，如果只采一屏数据的话，后面的分析会出现很大的误差，因此采集8Kb的数据分析，会让精确度提高,并且在采集的时候还要考虑随着频率的增加示波器上波形的密度会逐渐增加，这样也会对采集的精度造成影响。具体指令如下所示：(1) :RUN执行该命令，

38、示波器将开始波形采样工作；(2) :TIMebase:FORMat?该命令用于设置和查询水平时基；(3):TIMebase:DELayed:SCALe?该命令用于设置和查询MAIN或DELayed(延迟扫描时基)状态下的水平刻度，即s/div(秒/格)。其中：当YT模式时，vscale_val的取值范围为：211s.50s；当ROLL模式时，vscale_val的取值范围为：500ms60s；选择MAIN状态时，需省略:DELayed选项。图21示波器参数设:框图图22示波器水平和垂直时基调整框图采集8Kb的数据，示波器只能在停止状态下进行读取，指令如下：(1) :STOP内存波形只能在停止状

39、态下进行读取；(2) ：WAV:MODERAW波形模式为RAW返回当前系统内存数据点数，只在停止状态下有效；在运行状态下，返回屏幕数据点数。程序框图如图23所示。g?WAV:POirMMOOERAW|-LsTOQp-图23停止程序框图由于要将数据从示波器完全的还原到LabVIEW波形图中，其中的程序设计比较多，所以将波形形成做成一个子VI,具体程序如图24所示，它主要利用VISA写入与读取将将示波器的横纵坐标分格数读出，乘以相应的数值，就可以算出分别对应的横纵坐标的数值，最后即可画出波形图。图24波形形成框图如何将采集的数据提取它的相位及幅度，在LabVIEW中主要用到的是提取单频信息子VI,

40、它的作用是输入信号，查找幅值最高的单频，或在指定频域内搜索，返回单频的频率、幅值和相位。框图如图25所示。时间信号输入H导口归C1入（无装）高级搜索一一导出的信号-检测到的坂率检测到的幅值检测到的相位（度）错侯最出测量信息图25提取单频信息在提取单频信息中主要有加了汉宁窗的FFT,其中汉宁（Hanning）窗又称升余弦窗，汉宁窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和，或者说是3个sine（t）型函数之和，而括号中的两项相对于第一个谱窗向左、右各移动了八/T,从而使旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能。提取单频信息程序框图如图26所示。Itime signal ini?rror in (no erro

41、小小pKpcrtud WgrHlrumdetected Aequwncyport Eode|dctegcd amp痴de产两口_|detled phase (deg)IKQLH无错误Hdced 38到Imeasurement inf。wrvrrrrvwvwwrm ；error cu:Lz nl;7;t图26提取单频信息程序框图在本设计中将提取出来的相位，最后经过逻辑判断，将其主值调整到180180度,相位调整如下图27所示。图27相位调整程序框图5调试及实验结果分析根据前面的编程分析，画出最终的程序框图，下面对实验进行验证。5.1 实验调试及误差分析在实验过程中，要用波形发生器的两个通道同时传

42、输信号，先用两根一米长的同轴线进行测试校正，由于波形发生器两个通道输出的信号是等同的，那么理论上，无论频率怎么变化，它们的相频、幅频特性永远都会在零点附近波动，然而相频特性会随着频率的增加而不断地增加，接近线性，如图28所示。产生线性相位误差的原因有很多方面,其中波形发生器产生CHI、CH2路信号，即使是按下同相位按钮，也不可能消除误差，而且频率越大，误差误差也随之增大，另一方面是由于示波器在接受波形的时候是CH1和CH2交替扫描的,它也会随机分配误差,并且在数据传输的过程中，也存在一定的相位延迟，还有最重要的一点，两根一米长的同轴线并不是严格意义上的等长，它们或许相差几厘米，才产生的线性相位

43、延迟。图28补偿前的幅频、相频特性5.2 误差补偿由上一节可知，相位误差呈线性趋势，因此我们可以用MATLAB中的曲线拟合求出这条曲线的表达式，然后放进LabVIEW中，让它进行补偿，具体操作如图29所示。在MATLAB中Toolboxes中打开CurveFittingTool,然后将数据导入，选择线性拟合,就可以得到补偿的公式。511 U 2125Dato jye黄, Exclusion rule; |【gtw)Typo of fit Pdyncmial- Ccntar and ccalo X dataPdynomiallinear ponomlelquadratic pclynorrial

44、 cuHc pdynomial 4th do夕3 pdyntxnial 5th deoee poyncmial 辰k dmwwvnnlv nnmui IaWboc.immediate apply .wcei A.：p!yRe$uh5Lmoax rxtel Polyl:*1fx1 * plx p2Coefficientswith 溺 confidence bounds)：rpl =0.2673 10谷3& 0,：g)p2 =-0.3742 -0. 2359. -0.1128)Goodness of fit; CCB, C，QiVK.图29 MATLAB线性补偿将拟合的表达式加载到LabVIEW中

45、，利用公式节点语句进行选择，具体程序如图 30所示，然后再用同样长的同轴线进行测量，结果如图31所示。这时相位的误差大约 在0.3度左右，幅度的误差在0.3%左右。图30误差补偿程序0.75-0.5-0.25-0-SH -0.25-0.75-1.00006.000011.000016.0000毡(M)2O.O(X)oj相位瘫50-40-30-20-10- 超-。一 g-10-20-30-40-50-. 1.0000H.OCOO 16.000020.0000旌:Ml图31补偿后的幅频、相频特性将一米与两米的两根同轴线分别于波形发生器和示波器相连接，设置幅度为5V, 频率范围为1到20MHz,上电

46、后，测量它的幅频特性、相频特性曲线如图32所示，由 于同轴线的幅度衰减是一定的，并且衰减值很小，因此在图32中，幅频特性变化不是 很明显。图32不等长同轴线幅频、相频特性高频变压器随着频率的变化对幅度、相位的影响比较大，如图33所示，它对频率有一个极点，通常只有一个磁环的时候，频率的极点大约在9M,当输入峰峰值为5V,初始相位为0的正弦波，其幅频、相频特性如图34所示。1.02.04.06.08.010.012.014.016.018.020.0图34高频变压器的幅频、相频特性图结束语随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，测试技术和计算机技术深层次的结合是目前的一大趋势，本文运用美国NI公司的

47、开发软件LabVIEW、北京普源的任意发生器及示波器，研制出一种虚拟的幅频特性测试仪，最后经实验检验，幅度误差控制在0.5%之内，相位误差在0.3度之内。本文主要完成的工作总结如下：(1)对幅频特性测试仪的总体方案进行分析。(2)给出波形发生器的整体设计方案，设计具体程序控制波形发生器产生等幅不同频率的正弦波信号，进行扫频操作。(3)简介示波器的控制方案，设计使用LabVIEW控制示波器进行数据采集，并且对采集的数据进行FFT处理，求出数据的幅度及相位。(4)对设计的幅频特性测试仪进行验证。由于时间的原因，基于虚拟仪器的幅频测试仪还有一些不完善的地方，例如，对采集数据的更加精确的处理，提高采集

48、的速度等等。本设计虽然完成了主要的任务，基本达到设计的要求和目标，但是在一些细节地方，还需要进一步的研究和完善。参考文献1曹建荣等.基于LabVIEW的频率特性测试仪的设计J.仪表技术传感器,2005(10):17-192王晋杰,何锐.移动通信频段的虚拟频率特性测试仪JL国外电子测量技术,2008,27(6):18-223赵江滨,刘世元.组件化虚拟仪器软件系统性能研究JL仪器仪表学报,2009,30(10):2132.21344朱江乐.基于虚拟仪器的低频扫频仪研究D.西安:西北工业大学,2007:13-155刘萍,曹慧,邱鹏,虚拟仪器的发展过程及应用J.山东科学，2009,22(1):80-8

49、26彭云武,习友宝,古天祥.基于USB的DDS虚拟频率特性测试仪J.现代电子技术,2006(20):15167张建文.基于DDS的扫频信号发生器的研究与实现D.西安:西北工业大学,2005,46:56-588潘少永等.虚拟仪器技术研究一网络频率特性测试仪的开发J.微计算机信息,2005(6):106-1079肖晓华,石永革.基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪及频域测量误差分析JL计算机工程与设计，2006(18):3472-347510武跃斌，欧卫国.基于虚拟仪器技术的频谱分析仪自动测试系统J.国外电子测量技术,2006(6):72-7611杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW程序设计与应用(

50、第2版)M.北京:电子工业出版社,200512NemethJozsef,VarghaBalazs,KollarIstran.OnlinefrequencydomainsystemidentiHcationbasedonavirtualinstrumentJ.IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,2000(10):1260-126313张乾,张杭.一种基于虚拟仪器技术的信号谱分析系统JL现代电子技术,2005(6):8-1014NationalInstrumentsCorporations.LabVIEWExpressMeasuremen

51、tsMannuaLApril2003Edition15潘松，黄继业,千国栋,现代DSP技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2003(5):213-21516张小义.基于单片机的等精度数字测频J.电子测试,2007(4):25-27附录采集频率为20MHz,8Kb数据的部分图。幅频特性测试仪的前面板。基于虚拟仪器的幅频特性仪设计6-4-c2-00- 2- 4- 5|1i(ii)111(i111(1(11111*11(t1.006.0011.0016.0021.0026.8%.00的施遮(M)S形发生为-100-450-180-1.006.0011.0016.0021.00磔陋1)26.00纯0

52、CC(fi厂我止衽k第码地“)幅频特性测试仪的程序框图。0H位档便占视-H:王二致谢在本次毕业设计过程中，樊老师对该论文从选题、构思、资料收集到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我对仪器的控制和信号的采集及处理有了深刻的认识，让我可以最终完成毕业设计，在此表示衷心感谢。樊老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度、积极进取的科研精神以及诲人不倦的师者风范是我终生学习的楷模。在论文的完成的过程中，还得到了许多同学的帮助，与他们的讨论使我茅塞顿开，受益匪浅。在此一并致谢，感谢同学们对我的关怀和无私的帮助。在大学生活中，不断得到老师同学们的关心与帮助，使我在学习和生活中不断得到友谊的温暖与关怀，最重要的是一种精神上的激励，让我非常感动。特别要感谢的是我的家人,一直给予我各方面的关怀和支持，让我茁壮成长。