虚拟仪器技术资料
虚拟仪器技术的应用与发展
虚拟仪器技术的应用与发展随着科技的不断进步，虚拟仪器技术已经成为了现代化实验室的必备工具。
虚拟仪器技术是一种基于计算机软件和硬件技术实现的仪器技术，它可以模拟和替代传统的物理仪器，使得科研人员、工程师和学生能够更加方便、快捷地进行实验和研究。
本文将从虚拟仪器技术的定义、应用、优势和发展等方面进行介绍。
一、虚拟仪器技术的定义虚拟仪器技术是一种基于计算机软件和硬件技术实现的仪器技术，它可以模拟和替代传统的物理仪器，实现测试、控制、监测和分析等功能。
虚拟仪器技术主要包括虚拟测量仪器、虚拟控制仪器和虚拟分析仪器等。
虚拟测量仪器可以通过计算机软件和硬件来模拟传感器、示波器、频谱分析仪等传统的物理测量仪器；虚拟控制仪器可以通过计算机软件和硬件来模拟运动控制器、逻辑控制器等传统的物理控制仪器；虚拟分析仪器可以通过计算机软件和硬件来模拟数据分析仪、图像处理仪等传统的物理分析仪器。
二、虚拟仪器技术的应用虚拟仪器技术的应用非常广泛，可以在各个领域中得到应用。
以下列举几个典型的应用场景：1、科研实验室虚拟仪器技术可以在科研实验室中得到广泛的应用。
科研人员可以通过虚拟测量仪器来模拟实际的测量仪器，进行各种物理量的测量和分析。
虚拟控制仪器可以模拟实际的控制仪器，实现各种运动控制和逻辑控制。
虚拟分析仪器可以模拟实际的数据分析仪器，进行各种数据分析和图像处理。
2、工业自动化虚拟仪器技术可以在工业自动化领域中得到广泛的应用。
工程师可以通过虚拟测量仪器来模拟各种传感器和测量仪器，实现对工业生产过程的实时监测和控制。
虚拟控制仪器可以模拟各种运动控制器和逻辑控制器，实现对工业生产过程的自动化控制。
3、教育培训虚拟仪器技术可以在教育培训领域中得到广泛的应用。
学生可以通过虚拟测量仪器来模拟实际的测量仪器，进行各种物理量的测量和分析。
虚拟控制仪器可以模拟实际的控制仪器，实现各种运动控制和逻辑控制。
虚拟分析仪器可以模拟实际的数据分析仪器，进行各种数据分析和图像处理。
虚拟仪器技术简介
虚拟仪器的发展方向
• 虚拟仪器的标准化、模块化、网络化。 • 网络技术应பைடு நூலகம்到虚拟仪器领域中是虚拟 仪器发展的大趋势。 • 21世纪的仪器应具有参与性。 • 21世纪的仪器应最大限度实现绿色化。
虚拟仪器的应用领域
• • • • • 应用于生产检测 应用于研究和分析 应用于过程控制和工业自动化 应用于机器监控 图象处理（机械视觉技术）
虚拟仪器的特点
（1）硬件标准化模块化，强调“软件即仪器”的 新概念。 （2）系统集成化，打破了传统仪器小而全的现状。 （3）仪器自定义，便于工作和管理。 （4）程序设计图形化（G语言），计算可视化。 （5）内嵌丰富的数据信号处理功能 （6） 基于计算机网络技术和接口技术，利用虚拟 仪器技术可方便地实现测量、控制过程的网络化。
本书的结构
• 第1-2章：Labview 入门，前面板和程序框图设计方法，这是 Labview编程最基本技能。 • 第3章：程序结构 • 第4章： 数组、簇、波形 • 第5章：图形控件和图形数据显示 • 第6章：Express VI • 第7章：字符串和数据文件 • 第8章：硬件内容：数据采集及信号调理 • 第9章：数据分析与处理 第10章：动态程序控制 • 第11-20章：专题内容： • 第11章：仪器控制、 • 第15章：频率测量 • 第19章：网络应用
模拟仪器->数字化仪器->智能仪器; 单台仪器->层叠式仪器系统阶段 从80年代进入虚拟仪器系统时代, 虚拟仪器技术是21世纪仪器的发展方向！ 虚拟仪器将在许多品种和领域内逐步取代 传统硬件仪器，使成千上万种传统仪器演 变为计算机软件！
The Software is The Instrument!
虚拟仪器的构成及分类
虚拟仪器技术
传统仪器:特定功能和仪器外观. 传统仪器:特定功能和仪器外观.
虚拟仪器(VI,Virtual Instrumentation):是一种以 虚拟仪器(VI, Instrumentation):是一种以 ): 计算机和测试模块的硬件为基础 以计算机软件为核 硬件为基础, 计算机和测试模块的硬件为基础,以计算机软件为核 所构成的, 心所构成的,并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面 以及由计算机所完成的仪器功能, 板,以及由计算机所完成的仪器功能,都可由用户软 件来定义的计算机仪器. 件来定义的计算机仪器.
第2页
《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
如:虚拟示波器
Vi
输入电路
A/D
RAM
控制系统
PC机
第3页
《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
虚拟数字电压表
基于虚拟仪器的 温度检测与控制
第4页
《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
2. 虚拟仪器的特点
从虚拟仪器的组成结构上来看: 从虚拟仪器的组成结构上来看: (1)虚拟仪器的硬件是通用的(包括通用计算机硬件平台和通用 )虚拟仪器的硬件是通用的( 的测量功能硬件);
第13页
《虚拟仪器技术》 虚拟仪器技术》
1990年代,虚拟仪器得到业界广泛认可和应用, 1990年代,虚拟仪器得到业界广泛认可和应用,相继 年代 推出了基于GPIB总线 总线( 推出了基于GPIB总线(General Purpose Interface Bus), -DAQ( Bus),PC-DAQ(Data Acquisition)和VXI总线 ),PC Acquisition) VXI总线 Instrumentation,1987年 (VMEbus eXtension for Instrumentation,1987年), PXI总线 PXI总线(PCI eXtension for Instrumentation,1997年) 总线( Instrumentation,1997年 等多种虚拟仪器系统. 等多种虚拟仪器系统. 虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术. 虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术. 底层驱动和上层应用软件融为一体. 底层驱动和上层应用软件融为一体. 虚拟仪器软件的标准化: VPP(VXI即插即用 即插即用, 虚拟仪器软件的标准化: VPP(VXI即插即用, VXIplug&play,1993年 VXIplug&play,1993年) 和VISA(Virtual VISA( Instrument Software Architecture, 虚拟仪器软件体系 Architecture, 结构). IVI( Instruments, 结构). IVI(Interchangeable Virtual Instruments, 可互换式虚拟仪器,1997年 可互换式虚拟仪器,1997年).
虚拟仪器技术
虚拟仪器简介虚拟仪器的相关介绍2.1 虚拟仪器技术虚拟仪器技术是以计算机软硬件技术为核心，以自动控制技术、传感器技术、现代信号处理技术、现代网络技术、数值分析技术为支撑，以各专业学科为应用背景的现代测试技术。
它利用高性能的模块化集成概念和方法，结合软件设计平台高效、简便的程序编译功能，依据用户各类特殊需求创建出人机对话界面，实现并取代各类特殊、昂贵的测试仪器的功能，目前已经成为测试理论和应用实验研究的重要支撑。
传统电子仪器存在的诸多弱点使传统仪器已渐渐不能满足工业自动化和测量领域的需要。
随着计算机技术日新月异的飞速发展，计算机强大的数据处理能力使得它的应用范围越来越广。
1986年，美国NI公司（National Instruments）提出虚拟仪器的概念，以“软件即仪器”为口号，彻底打破了传统电子仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起仪器和自动化工业的一场革命。
简单地说，虚拟仪器技术就是利用计算机技术实现的对测控系统的抽象。
平常使用的示波器、数字万用表、信号发生器、数据记录仪，以及传感器等传统仪器，都可使用通用计算机和专用的控制器和显示器来模拟，实现向虚拟仪器的转变。
用户在计算机屏幕上用鼠标和键盘就可设置参数、观察波形，取代以往的在传统仪器面板上调节旋钮、观察曲线等操作，更为快捷方便。
可见虚拟仪器反映的是一种“硬件软件化”的思想和趋势。
虚拟仪器是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器的发展方向。
而Labview是世界上最优秀的虚拟软件开发平台。
使用Labview的最开发虚拟仪器最大的好处是提高开发的效率。
据统计使用Labview开发虚拟仪器比使用基于文本的语言开发效率可以提高10—15倍，程序的执行速度去几乎不受影响；时时在信号处理等方面的强大功能方面是组态软件不可以比拟的。
2.2 虚拟仪器的组成与分类虚拟仪器包括硬件和软件两大部分。
硬件主要是获取现实世界的被测信号, 提供信号传输的通道。
虚拟仪器技术课件第1章
函数模板功能说明
应用控制
文件I/O 图形与声 音
外部程序或VI调 用、打印菜单， 帮助管理
仪器接口的驱动 程序
3D图形、绘图及 声音处理
报表生成
报表的创建、存 储、打印设置
同步
同步功能
随机数产生
前面板设计窗口
随机数产生
流程图编辑窗口
随机数产生
流程图编辑窗口
随机数产生：
产生0-1之间的双精度浮点数。产生的数字 大于等于0，小于1，呈均匀分布。
摄氏温度转换华氏温度的数学关系为
F C 1.8 32
(1-1)
华氏温度转换摄氏温度的数学关系为
C (F 32) 5
9
(1-2)
温度转换对应关系
℃
℉
0℃ →
32 ℉
100 ℃ →
212 ℉
每一份 ℃= （212-32）/100 ℉=（180）/100 ℉=9/5 ℉
结论： 1℃=9/5 ℉
文本编辑 创建文本
用于弹出对象的属性 对象菜单 菜单，作用与鼠标右
键一样
滚动工具 实现窗口漫游功能
工具模板功能
断点工具
在调试程序时，为程 序设置断点
在数据线或节点上设 探针工具 置探针来观察数据变
化
取色工具 提取对象当前颜色
着色工具 用于给对象定义颜色
控制模板功能说明
在进行前面板设计时， 使用控制模板。
固定的，仪器间相互配合较差
开发与维护费用降至最低
开发与维护开销高
技术更新周期短（0.5—1年）
技术更新周期长（5—10年）
编程软件 显示选项 时间记录 自动化
自己编程硬件，二次开发强 无限显示选项 完整的时间记录和测试说明 自动化的测试过程
虚拟仪器技术
(3)LabVIEW 提供程序调试功能, 可以在源代码中设置断点、单步执行源代码、在源代码中的数据流连线上 设置探针, 观察程序运行过程中数据流 的变化等。
应用实例
应用实例
概述
阿尔卡特美国公司是全球领先的世界上电信设备制造商领导者之一。位于加州佩塔卢马的接入部，开发 Litespan接入平台一种光纤数字环路载波（DLC）。DLC能够将公司中心机房普通铜线上的业务传递到更远的地方。 通过LabVIEW，在相对短的时间内开发了一个全面测试方案。同时测试对每个信道单元的16个ANSI要求的环路和4 条ISDN线路的一个信道单元进行测试时，每项测试所花费的时间为12分钟。由于一些信道单元需要测试某个温度 范围内的状况，因而整个测试需要几天的时间。
Allen Klein美国阿尔卡特公司Litespan硬件质量部的一位工程师，在程序中增加了一项功能，使得测试可 以全天进行，甚至在周末也行。这项功能极大地扩展丰富了测试平台，提高了测试效率。
虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器 原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术于一体。
产品优势
产品优势
虚拟仪器技术的四大优势：
性能高
虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业 技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。 此外，不断发展的因特和越来越快的计算机络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。
虚拟仪器技术的国内外
虚拟仪器技术的国内外汇报人：日期:•引言•虚拟仪器技术在国内的应用•虚拟仪器技术在国外的应用目录•国内外虚拟仪器技术的比较与差异•虚拟仪器技术的未来发展趋势01引言虚拟仪器技术是一种基于计算机的测试和测量技术，通过软件实现传统仪器的功能。
定义特点应用领域虚拟仪器技术具有灵活性、可扩展性、高精度、高可靠性等特点，能够满足各种测试和测量需求。
虚拟仪器技术广泛应用于电子、通信、航空航天、汽车等领域。
030201虚拟仪器技术概述国内外发展现状国外发展现状虚拟仪器技术起源于美国，经过多年的发展，已经形成了完整的产业链和标准体系。
国外虚拟仪器技术发展迅速，产品种类繁多，功能强大，性能稳定。
国内发展现状我国虚拟仪器技术起步较晚，但发展迅速。
近年来，国内虚拟仪器技术取得了长足的进步，一些企业开始推出自主开发的虚拟仪器产品，但整体水平与国外还有一定差距。
同时，国内虚拟仪器技术标准体系尚不完善，需要进一步加强标准化建设。
02虚拟仪器技术在国内的应用虚拟仪器技术在国内科研领域广泛应用于实验室建设，提供先进的测试和测量解决方案。
实验室建设科研人员利用虚拟仪器技术进行各种科研项目的研究，如信号处理、图像处理、控制系统等。
科研项目国内学术会议和期刊杂志上经常发表关于虚拟仪器技术的学术论文，促进了该领域的学术交流和发展。
学术交流科研领域国内许多高校开设了虚拟仪器技术相关课程，并出版了专门的教材。
教材与课程利用虚拟仪器技术进行实践教学，提高学生的实践能力和创新精神。
实践教学国内教育机构积极推广虚拟仪器技术，建设了丰富的在线教育资源，方便学生自学。
教育资源教育领域企业应用产品研发虚拟仪器技术广泛应用于企业产品研发过程中，提高了研发效率和产品质量。
生产过程控制企业利用虚拟仪器技术对生产过程进行精确控制，提高生产效率和产品质量。
售后服务企业通过虚拟仪器技术为客户提供更好的售后服务，如远程故障排除、在线技术支持等。
03虚拟仪器技术在国外的应用数据分析虚拟仪器技术可以采集、处理和分析大量的实验数据，提高科研工作的效率和准确性。
虚拟仪器技术ppt课件
处理工作，而且可以用强大的软件去代替传
统仪器的某些硬件功能。
.
3
虚拟仪器技术
结果表达
图形显示
文件
数据采集与控制
打印
数据采集卡
网络输出
测
GPIB接口仪器
控
VXI仪器
对 象
PXI仪器
控制对象(输入)
显示对象 (输出)
.
17
LabVIEW应用程序构成
框图程序
端口 节点 图框 连线
函数：随机 数发生器
与前面板控件对 应的连线端子
与前面板控件对 应的连线端子
结构：循环
随机信号发生器的流程图
.
18
LabVIEW应用程序构成
图标/连结器（Icon/Connector）
是子VI被其它VI调用的接口。图标是子VI在其 他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则 表示节点数据的输入/输出口，就象函数的参数。必 须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。
.
29
（Functions Palette）子模板1
１
Structure （结构）
包括程序控制结构命令，例如循环控制 等，以及全局变量和局部变量。
２
Numeric （数值运算）
包括各种常用的数值运算，还包括数制 转换、三角函数、对数、复数等运算，
以及各种数值常数。
３
Boolean （布尔运算）
包括各种逻辑运算符以及布尔常数。
包括簇的处理函数，以及群常数等。这里 的群相当于C语言中的结构。
包括各种比较运算函数，如大于、小于、 等于。
虚拟仪器简介
虚拟仪器
测量仪器技术 计算机技术
总线技术
全新旳仪器 技术
3 虚拟仪器旳特点
1 打破了老式仪器旳封闭性
2 把仪器旳绝大部分硬件变成计算机上旳文件
特 点
3 顾客能够自行定义、自行设计、自行组建自己需要旳仪器 4 可将组建旳多种仪器存储在计算机旳仪器库中 5 配以通讯卡和传感器
6 构成功能、性能、外观和操作方式都和老式仪器相同或 超出老式仪器旳新型概念仪器系统
利用计算机强大旳软件 功能实现信号调理和数 据旳运算、分析、处理
利用相应旳接口设备完 成信号旳采集、输入/输 出，从而完毕多种仪器 功能
虚拟仪器和老式仪器旳比较
仪器厂约定义 硬件是关键 仪器旳功能和规模已固定 多为试验室拥有 技术更新慢 开发和维护费用高 价格昂贵 系统封闭，与其他设备旳 连接受限
基于Linux旳虚拟仪器更轻易满足多任务并行处理及现场检测和控制要求
6 虚拟仪器旳发展趋势
PC-DAQ式虚 拟仪器是目前比 较流行旳虚拟仪 器系统，但是， 因为基于PC I总 线旳虚拟仪器在 插入DAQ时都需 要打开机箱等，
比较麻烦
主机上旳PC I插 槽有限，再加上 测试信号直接进 入计算机，多种 现场旳被测信号 对计算机旳安全 造成很大旳威胁
4
5
6
智能化电子仪器仪 表
（以大规模和超大 规模集成电路为基 础）
多功能自动测试系
虚拟仪器技术新阶
统（融合电子测量、 段
自动控制和计算机
技术，是基于物理 硬件为基础旳老式 仪器技术发展旳高
（展二方十一世纪旳发 向）
级阶段）
2 虚拟仪器旳基本概念
在以计算机为关键旳硬件平台上 配合以相应旳输入/输出口 具有计算机显示旳虚拟面板 由测试软件来实现测试功能 一种计算机仪器系统
虚拟仪器复习资料
虚拟仪器复习资料南昌大学虚拟仪器复习资料第一章1.智能式传感器特点：（1）具有判断和信息处理能力，可对测量值进行修正、误差补偿，测量精度高。
（2）具有自诊断和自校准功能，提高了可靠性。
（3）测量数据可以存取，灵活方便。
（4）具有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。
（5）可以实现多传感器多参数综合测量，使用范围扩大。
2.网络传感器一般是由信号采集、数据处理和网络接口三部分组成。
3.智能传感器基本结构：被测量—>传感器—>信号调理电路—>微处理器—>输出接口—>数字量输出第三章1.什么是虚拟仪器？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。
虚拟仪器主要是由通用的计算机资源、应用软件和仪器硬件等构成。
2.虚拟仪器中的硬件主要用于解决信号的调理以及输入输出问题。
软件主要用于实现对数据的读取、分析处理、显示以及对硬件的控制等功能，这些功能传统电子仪器中往往通过硬件来实现。
3.虚拟仪器有什么特点？虚拟仪器特点：（1）虚拟仪器的软件和硬件具有开放性、模块化、互换性、可重复使用等特点。
（2）在通用硬件平台搭建后，由软件来是实现仪器的具体功能，即软件在虚拟仪器中具有重要的作用。
（3）虚拟仪器的功能是由用户根据实际需要通过软件来定义的，而不是事先由仪器厂商定义的。
（4）虚拟仪器的研制的周期较传统仪器大为缩短。
（5）虚拟仪器的性价比高。
（6）虚拟仪器技术更新较快、成本较低、测试自动化程度较高，而且可与网络及其他设备互联。
（7）虚拟仪器具有友好灵活的人机界面，传统仪器的界面较呆板。
4.简述虚拟仪器的硬件系统。
虚拟仪器的硬件系统主要是由传感器、信号调理电路、数据采集设备以及计算机组成。
计算机是虚拟仪器平台的核心；传感器是虚拟仪器系统中的前置部件，将被测的非电量转化为电量；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、隔离等；数据采集设备的主要功能是对被测信号进行采样、放大、模数转换。
电气测量学第八章 虚拟仪器技术
3．数据分析子程序 数据分析包括单次过电压的数据分析及多次过电压数据 的统计分析。
单次过电压的数据分析前面板
多次过电压数据的统计分析前面板
基于虚拟仪器技术，利用LabVIEW图形软件设计的过电 压监测虚拟仪器系统适用于监测和分析各种类型的过电压，信 息量大，界面丰富，与传统的测量仪器相比其开发效率、智能 化程度、可操作性、可维护性等方面都具有明显的优势。
3．主机 母线三相电压和中性电压被采集后，直接传输到计算机 内存或存入硬盘的文件中，在计算机中利用LabVIEW开发平 台，完成过电压的监测、分析和计算。
三、软件系统
软件系统的结构分为仪器驱动层和应用程序层。 应用程序是用户实现虚拟 仪器各功能的主要环节。通过 应用程序的编制，实现模式选 择项、输出显示窗口等人机交 互界面，生成并响应系统操作 界面，管理和执行测量任务， 控制测量的顺序、循环、分支 等。具体包括管理子程序、数 据采集子程序、数据分析子程 序等，总体软件流程如图。
功能模板
第三节 基于虚拟仪器 的电力系统瞬态过电压测量
一、过电压监测系统的功能
（1）显示历史波形；
（2）母线相对地过电压幅值及对应时刻；
（3）幅值最小相电压与相间过电压幅值之比； （4）过电压幅值与相对地过电压幅值之比； （5）过电压波头长度； （6）过电压最大上升陡度。
由于过电压出现的随机性较大，且有明显的统计特性，
二、虚拟仪器的构成
由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和软件两大部
分构成。
1．虚拟仪器的硬件平台
（1）计算机 （2）I/O接口设备
① PC-DAQ的虚拟仪器
② GPIB 仪器 ③ VXI 总线仪器 ④ PXI总线仪器 ⑤ 串行口仪器 2．虚拟仪器软件 构成：应用程序和I/O接口仪器驱动程序，实现虚拟面板 功能的前面板软件程序和定义测试功能的流程图软件程序。
虚拟仪器技术文献综述
虚拟仪器技术文献综述虚拟仪器技术综述1引言随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。
在这种背景下，美国国家仪器公司(National Instruments Corporation，简称NI)在20世纪80年代最早提出虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)的概念。
其核心的思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性[1]。
2虚拟仪器的概念和特点虚拟仪器是模拟仪器、数字化仪器、智能仪器后的新一代仪器技术。
目前虚拟仪器技术已应用于各个行业，在医学、航空等行业已开发出DAQ仪器、VXI 及PXI等标准体系结构的虚拟仪器，这些仪器应用方便，成本低廉，从而导致了虚拟仪器技术在其他行业的迅猛发展。
虚拟仪器利用现有的个人计算机, 加上特殊设计的仪器硬件和专用软件, 形成既有普通仪器的基本功能又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器它对实验水平和生产效率的提高产生不可佑里的影响其特点如下[2]（1）功能由用户自己定义；（2）面向应用的系统结构，可方便地与网络外设、应用等连接；（3）展现全汉化图形界面、计算机直接读数；（4）数据可编辑、存储、打印；（5）软件是关键部分；（6）价格低廉, 可重复利用；（7）基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器；（8）技术更新快(周期为1——2 年)；（9）基于软件体系的结构, 大大节省开发维护费用。
3虚拟仪器的构成3.1虚拟仪器的硬件构成根据虚拟仪器的总线类型，可以把虚拟仪器分为三大类：GPIB体系结构、VXI体系结构和PXI体系结构。
(1)基于数据采集的虚拟仪器系统这种方式借助于插入计算机的数据采集卡与专用的软件，如LabVIEW（或LabWindows/CVI）相结合，通过A/D变换将模拟信号采集到计算机进行分析、处理、显示等，通过D/A转换实现反馈控制。
《虚拟仪器简介》课件
目 录
• 虚拟仪器概述 • 虚拟仪器的核心技术 • 虚拟仪器的优势与局限性 • 虚拟仪器的典型案例 • 虚拟仪器的发展趋势与未来展望
01
虚拟仪器概述
定义与特点
01
02
03
定义
虚拟仪器是一种基于计算 机的测试和测量系统，通 过软件实现传统仪器的功 能。
特点
可定制性、灵活性、高效 性、易用性、可扩展性。
案例三：基于虚拟仪器的远程实验系统
总结词
该பைடு நூலகம்统利用虚拟仪器技术，实现远程实验的实时监测和控制，具有方便、安全和高效的 特点。
详细描述
基于虚拟仪器的远程实验系统通过互联网等技术手段，实现对远程实验的实时监测和控 制。该系统具有强大的数据传输和处理能力，可以实时传输实验数据、控制实验设备， 并提供友好的用户界面和数据分析工具。该系统广泛应用于科研、教学、工程等领域，
为远程实验提供了方便、安全和高效的解决方案。
05
虚拟仪器的发展趋势与未来展望
发展趋势
云计算技术的融合
人工智能与机器学习的应用
随着云计算技术的不断发展，虚拟仪器将 与云计算技术深度融合，实现远程控制和 数据共享。
人工智能和机器学习技术在虚拟仪器中的 应用将进一步拓展，提高测试和测量效率 。
无线连接与物联网的集成
信号处理
对采集到的数据进行滤波、放 大、转换等处理。
相关技术
数字信号处理、频谱分析、小 波变换等。
应用领域
测试测量、自动化控制、故障 诊断等。
仪器驱动程序与接口标准
仪器驱动程序
作用
用于控制和操作实验仪器的软件程序 。
实现虚拟仪器与硬件设备的通信和控 制。
虚拟仪器的基础知识
优势
灵活性
虚拟仪器允许用户根据需要自 由组合硬件和软件，实现不同
的测量和控制系统功能。
可扩展性
随着技术的进步，用户可以随时更 新软件部分，而无需更换硬件，从 而延长了仪器的使用寿命。
高效性
虚拟仪器通常具有友好的图形 用户界面，简化了操作过程， 提高了工作效率。
成本效益
由于降低了硬件成本和维护成 本，虚拟仪器为用户节省了大
量资金。
局限性
性能限制
受限于计算机的处理能力和内存大小， 虚拟仪器的性能可能无法与专用硬件 相媲美。
实时性能问题
对于需要高精度和高速度的应用，虚 拟仪器可能无法满足实时性的要求。
可靠性问题
由于虚拟仪器依赖于计算机系统，因 此可能存在因软件故障或病毒感染而 导致系统崩溃的风险。
兼容性问题
不同的虚拟仪器系统可能存在兼容性 问题，导致用户在更换或升级系统时 面临困难。
03
LabWindows/CVI 等。
数据采集硬件
数据采集硬件是虚拟仪器的输入设备， 用于获取现实世界中的信号并将其转 换为数字信号，以便在计算机上进行 处理和分析。
数据采集硬件通常包括各种传感器、 信号调理器和数据采集卡等。
信号处理与分析软件
信号处理与分析软件是虚拟仪器的数据处理中心，它能够对采集到的数据进行处理、分析和可视化。
虚拟仪器的基础知识
• 虚拟仪器概述 • 虚拟仪器的核心组件 • 虚拟仪器的应用领域 • 虚拟仪器的优势与局点
定义
可扩展性
虚拟仪器（Virtual Instrument）是一种基 于计算机的测量和分析系统，通过软件实现 传统仪器的功能。
虚拟仪器通过软件编程实现，可以根据需 求添加或修改功能。
虚拟仪器技术
– 仪器控制
• GPIB仪器、带网络接口的仪器、串口等
– 插卡式仪器：VXI、PXI – 嵌入式仪器
• 研究范围
– 数据采集、仪器控制、测量自动化及运动控制。
四、发展现状
• 代表厂商：美国国家仪器公司(National Instruments Corp.简称NI) 网址： • 软件工具：LabVIEW • 主要硬件产品
储罐底板漏磁检 测器
脑电数据采集
声源定位 振动测量 声音照相机（１）
声源定位 振动测量 声音照相机（２）
声源定位 振动测量 声音照相机 （３）
六、虚拟仪器举例
1. 声卡构成的虚拟仪器（１）
１.声卡构成的虚拟仪器（２）
1．声卡构成的虚拟 仪器（３）
2．相量电压表
３．示波器
４．扫频仪
５．Chirp信号
x(t ) A sin(at bt)
2
七、仪器与测量观念的变化
1 比较
• 传统方式 • 现代方式
仪器：硬件构成
测量＝检测+显示
仪器：硬件与软件组成
测量＝采集+计算+显示
充分利用了计算机强大的 数据处理能力
２．间接测量和软测量
• 例：动态称重 –m、c0和c1分别为秤重装置的 质量、弹簧的弹性系数和装置 内的机械阻尼系数，M是待测 物体的质量。装置中使用位移 传感器，x(t)代表m和M共同的 位移，x(k)则是对x(t)进行采样 并量化了的数字信号序列。
八、如何学习和应用虚拟仪器技术
• 不能因循守旧，不要刻舟求剑
某一测量的原理（注重这个原理而不是别的原理）和方法 （建立这样的方法而不是别的方法）都是和当时测量工具— —仪器的发展水平密切相关的。用旧的教科书 上讲的测量原理和方法设计虚拟仪器很可能要 犯错误！这里确实需要有创新的思维。
虚拟仪器技术课程介绍
编程语言选择依据及推荐
• 平台支持: 确保所选编程语言与软件开发平 台和硬件平台兼容。
编程语言选择依据及推荐
推荐语言
输标02入题
• LabVIEW G语言: 对于使用LabVIEW平台的项目， 推荐使用图形化的G语言进行编程，它直观易用， 适合快速原型开发。
01
03
• Python: 对于数据分析、算法开发和科学计算等应 用，推荐使用Python语言，它语法简洁、库丰富， 适合快速开发和原型验证。
虚拟仪器技术将与计算机科学、电子工程、 机械工程等多学科深度融合，推动相关领 域的创新发展。
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知识掌握程度
通过课程学习，学生对虚拟仪器技术的 基本概念、软硬件开发平台及系统设计
方法有了较深入的了解。
团队协作与沟通能力
在课程项目实践中，学生学会了与团 队成员协作、沟通，共同完成任务。
实践能力提升
通过课程实验和项目实践，学生的动 手能力和解决问题的能力得到了显著 提高。
创新思维培养
课程鼓励学生自主思考、创新，通过 课程设计等环节培养学生的创新意识 和能力。
基于计算机的仪器模拟
图形化编程
虚拟仪器利用计算机强大的计算和处 理能力，通过软件模拟传统仪器的功 能和操作界面。
虚拟仪器使用图形化编程语言，如 LabVIEW等，使得用户可以直观地设 计和开发仪器界面与功能。
模块化设计
虚拟仪器采用模块化设计思想，将仪 器功能划分为不同的模块，方便用户 根据需求进行组合和配置。
利用LabVIEW的调试工具对 程序进行单步执行、断点设置 和变量监视等操作，确保程序 的正确性和性能。同时，通过 优化算法和代码结构提高程序 的执行效率。
[整理版]虚拟仪器技术综述
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虚拟仪器技术综述摘要：本文论述了虚拟仪器的发展历程，虚拟仪器的基本概念、组成，虚拟仪器的总线技术，与传统仪器技术进行对比，虚拟仪器技术的优势， LabVIEW 软件的应用，最后对虚拟仪器技术的发展趋势进行了分析总结。
关键词：虚拟仪器、总线技术、LabVIEW一、虚拟仪器的发展历程1．国外发展历程随着个人电脑技术的出现，人们开始考虑使用电脑来处理传统仪器所测数据。
由此，GPIB技术在20世纪70年代发展起来，这也就是IEEE488及后来的IEEE488.2标准。
但由于GPIB总线带宽（1Mbytes／s）限制了数据向计算机的实时传输，所以大量的数据处理工作仍然依靠仪器自身所带有的功能。
20世纪80年代，随着计算机技术的进一步发展，个人电脑可以带有多个扩展槽，就出现了插在计算机里的数据采集卡。
它可以进行一些简单的数据采集，数据的后处理由计算机软件完成，这就是虚拟仪器技术的雏形。
1986年，美国National Instruments公司（以下简称NI公司）提出了“软件即仪器的口号”，推出了NI-LabVIEW直观的流程图编程风格的开发和运行程序平台，开启了虚拟仪器的先河。
20世纪90年代，计算机总线速度进一步加快，PCI总线的数据传输速度达到了132Mbytes/s。
1996年底，美国NI公司在PCI数据总线的基础上提出了第一代PXI系统的技术规范。
现在，PXI技术联盟已经有接近60家成员公司为这一平台开发产品。
2．我国发展历程1985年，我国东方振动和噪声技术研究所（以下简称COINV）开始提出PC卡泰（PCCATAI）—微机卡式采集测试分析仪的概念，并推出了数据采集和信号处理软件（DASP Data Acquisition＆Signal Processing），随后又提出了“把实验室拎着走”的口号，进而进行了虚拟仪器库平台的研发，实现了INV虚拟仪器库。
DASP软件概念突破了传统的随机振动信号分析仪和FFT分析仪概念，实现了向虚拟仪器和计算机采集测试分析仪器概念的过渡。
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G
Uo Ui1 Ui2
1
2
R1 Rg
很显然，调节Rg可以很方便地改变测量放大器的增益大小。
第15页
2．测量放大器主要技术指标
测量放大器的主要技术指标有下面六个方面 1）共模抑制比
共模抑制比CMRR可表示为
CMRR 20 lg Uoc (dB) Uic
2）温度漂移 3）非线性度 4）建立时间 5）恢复时间 6）电源引起的失调
4.2.2 采集信号调理的主要功能 1、被采集信号的特点
传感器感应物理现象并生成与被检测的物理量成比例的电信号。传 感器输出信号的类型，主要有电阻、电压、电流和频率等四类信号。
2、信号调理功能 信号调理功能主要有：
1）放大功能 2）隔离功能 3）多路复用功能 4）滤波功能 5）激励功能 6）线性化功能
直接型
反馈型
采样保持器电路原理
第22页
《虚拟仪器技术》
3．采样保持器的主要性能指标 主要性能指标如下
（1）捕获时间tAC （2）孔径时间tAP （3）保持建立时间tHS （4）孔径抖动 （5）衰减率
采样保持器的动态特性
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《虚拟仪器技术》
4.3.2 A/D转换器的分类和指标
1．A/D转换器分类
DAQ虚拟仪器又称PC-DAQ仪器系统，其组成如 下图所示。它由一台PC机和基于标准总线的采集 卡（仪器卡）构成，同时还配备有仪器驱动软件 来支持硬件工作。
第2页
《虚拟仪器技术》
4.1 数据采集（DAQ）及数据采集系统（DAS）
4.1.1 数据采集的基本概念
“数据采集”（Data Acquisition,DAQ）是指将模拟
《虚拟仪器技术》
类 型 并联比较式 分级型
主要特点 超高速
高速
分辨率 （位） 转换时间 采样频率 价格
主要用途
6~10
几十ns 几十MS/s
高
超高超 视频处理
8~16
几十~几百ns
几MS/s 高
视频处理 高速数据采
集
逐次逼近式 速度精度价格
等 综合性价比较
高
8~16
几~几十μs
几十~几百kS/s 中
21 D1
20
D0 )
UR 24
D
第17页
2．D/A转换器的主要技术指标
1）分辨率
2）转换精度
3）转换时间
4）尖峰误差
《虚拟仪器技术》
D/A转换器尖峰误差及消峰原理
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《虚拟仪器技术》
3．D/A转换电路输入与输出形式
1）输入方式
2）输出方式
输出输入关系式为
UOUT
1）分辨率与量ห้องสมุดไป่ตู้误差
A/D转换器的量化误差
第26页
2）转换精度
《虚拟仪器技术》
第27页
《虚拟仪器技术》
3）转换速率
转换速率是指A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。这 个指标也可表述为转换时间，即A/D转换从启动到结束所 需的时间，两者互为倒数。例如，某A/D转换器的转换速 率为10MHz，则其转换时间是100ns。转换速度是一项重 要的技术指标，速度越高价格越贵。
第16页
《虚拟仪器技术》
4.2.5 模拟量（激励信号）输出 1. D/A转换原理
R-2R梯形网络 D/A转换器原理
《虚拟仪器技术》
UO
I 16
3R
1 16
UR 3R
3R
1 24
UR
根据叠加原理，D为任意数时四位D/A转换器的总输出电压
UO
UR 24
(23
D3
22
D2
dui dt
tc
1 2
LSB
1 2
U FS 2n
式中， 为A/D转换器的满度值，tc为转换时间， 为输入信号，假定 ，
且 ，则有：
f
1
2 n2 t c
第21页
《虚拟仪器技术》
2．采样保持器的组成原理
采样保持器（S/H）可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定时间内 保持不变。采样保持器有两种工作方式，即采样方式和保持方式。 在采样方式下，采样保持器的输出必须跟踪模拟输入电压；在保持 方式下，采样保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值， 直到保持命令撤销为止。其原理如图所示
第30页
《虚拟仪器技术》
3．分级式ADC 将两个或多个较低分辨率的闪烁式ADC组合起来，构成 一个高分辨率的ADC是能够实现的，这就是目前流行的 分级式ADC，又称流水线或多级式ADC（subranging, pipelined, multi-stage or multistep ADC）。
分级式ADC结构框图
量（模拟信号）采集、转换成数字量（数字信号）后，
再由计算机进行存储、处理、显示或输出的过程。用于
数据采集的成套设备称为数据采集系统（Data
Acquisition System,DAS）。
数据采集是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取
信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成
部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，
《虚拟仪器技术》
第4章 DAQ虚拟仪器硬件技术
引言 4.1 数据采集及数据采集系统 4.2 信号获取与信号调理技术 4.3 采样保持与A/D转换技术 4.4 数据存储与数据传输技术 4.5 PCI总线及其接口技术 4.6 多通道的组建方案 4.7 多功能数据采集卡典型实例分析
第1页
引言
《虚拟仪器技术》
第9页
《虚拟仪器技术》
2．输入通道特点 作为信号获取的门户和通道，输入通道具有以下 特点：
1）输入通道要靠近信号拾取对象 2）输入通道常常是一个模拟和数字的混合电路 3）输入通道电路设计与多种因素相关 4）输入通道的环境无主观选择余地 5）输入通道靠近现场，易受干扰
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《虚拟仪器技术》
Ii
20 lg Vi max Vi min
式中最大允许输出幅值Vimax是指使数据采集系统的放大器发生饱和 或者是使模数转换器发生溢出的最小输入幅值。
瞬时动态范围是指某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量 幅值之比的最大值，即幅度最大频率分量的幅值Afmax与幅度最小频 率分量的幅值Afmin之比的分贝数。用I表示瞬时动态范围，则有
分类方式 按器件工艺结构
按转换器工作原理
按转换器精度
类型
1. 组件型A/D转换器 2. 混合（集成）电路A/D转换器 3. 单片式A/D转换器 （1）双极型（2）MOS型（3）双极-MOS型
1. 间接型A/D转换器 （1）积分型（电压-时间变换型）A/D转换器 （2）电压-频率变换型A/D转换器（V-F变换器） 2. 比较型（直接型）A/D转换器 （1）反馈比较型 （2）无反馈比较型 3. 型A/D转换器
并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与
普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。
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《虚拟仪器技术》
4.1.2 数据采集系统基本组成 1.DAS的基本组成
数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可 分为模拟部分和数字部分。下图是硬件基本组成示意图
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…… …… ……
DAS的基本结构图表示如下
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《虚拟仪器技术》
4.3.3 高速A/D转换器的原理 目前高速ADC主要有逐次逼近式、并行式和分级式等几种 类型，现简介如下。
1．逐次逼近式ADC 逐次逼近式ADC是目前应用最普遍的一种ADC，其电路 结构简单。
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《虚拟仪器技术》
2．并行（或称闪烁）式ADC 并行（或称闪烁）式ADC是一种转换速率最快的ADC
数据采集 工业控制
型 高分辨率 高精度
16~24
积分式 高精度，低
成本 高抗干扰能
力
12~16
几~几十ms 几十~几百ms
几十kS/s 几~几十S/s
中
低
音频处理 数字仪器
数字仪器
V/F型
低成本 高分辨率
8~16 几十~几百
ms 几~几十S/s
低 数字仪器 简易A/D
第25页
《虚拟仪器技术》
2．技术指标 A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。
4）满刻度范围
满刻度范围是指A/D转换器所允许最大的输入电压范围。满刻 度值只是个名义值，实际的A/D转换器的最大输入电压值 总比满刻度值小1/2n（n为转换器的位数）。这是因为0值 也是2n个转换状态中的一个。例如12位的A/D转换器，其 满刻度值为10V，而实际允许的最大输入电压值为
4095 5 4.9988V 4096
4.2 信号获取与信号调理技术
4.2.1 信号获取方法和途径 1．信号获取
作为采集系统，为了获取被测对象的信息，需要拾取必 要的原始参量信号。为此，首先要通过敏感元件、传感 器将现场非电参量，如压力、温度、速度、位移等物理 量转换成电量。
1）通过敏感元件拾取被测信号 2）通过传感器拾取被测信号 3）通过接口直接拾取被测信号 4）通过测量仪表拾取被测信号
《虚拟仪器技术》
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《虚拟仪器技术》
4.1.3 数据采集系统的主要性能指标 （1）系统分辨率
下表列出了满度值为10V时数据采集系统的分辨率。
位数
8 12 16 20 24
级数
1 LSB
1 LSB
（满度值的百分数） （10V满度）
256