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设置被测信号极限值 代码宽度=
2分辨率 在实际测量中，我们经常需要同时对多个信号进行采集，这时可以采用多通 道的数据采集卡来实现。多通道的数据采集卡通常有两种方案：（1）共用一个 A/D 转换器的模拟多路开关，如图 1-2（a）所示；（2）多个独立 A/D 转换器的数字多 路开关，如图 1-2（b）所示。 这两种方式各有其优缺点：（1）共用一个 A/D 转换器的模拟多路开关的优点 是成本低、结构简单，但各通道间有时间差，采样频率低一些；（2）多个独立 A/D 转换器的数字多路开关的优点是采样频率高，各通道可以同时采集与转换，各通 道间没有时间差，但是成本比较高。本论文是采用了第一种方案，即模拟通道共 用一个 A/D。 数据采集卡的主要任务是把模拟信号转换成数字信号，形成计算机能够处理 的数组。数据采集卡与计算机的接口方式直接影响着数据传输的速度，所以在选 取数据采集卡的时候要充分考虑接口方式对整个虚拟仪器的影响。目前，PC 机与 数据采集部分的连接，除了利用 PC 机内各种总线的插卡外，多采用并口及串口 方式。但是，串口方式速度太慢；并口方式较快，但不足之处是在中断方式时， 优先级较低，将影响系统的实时和在线采集性能，且采集卡和打印机不能同时使 用。而最近几年迅速发展起来的 USB 接口方式克服了串、并口采集方式的上述缺 点，并且目前的计算机已将 USB 作为标准配置，且大部分计算机有不止一个 USB 接口，不会影响计算机其他 USB 接口部件的使用。
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基于 LabVIEW 实现信号的处理
正是因为 USB 接口具有其他接口形式无法比拟的优势，所以选择 DAQ 时， 本论文采用了北京迪阳公司的 U18 型数据采集卡，硬件结构如图 1-3 所示，它采 用了 ADS774 模数转换芯片，优点是解决了采样频率低的缺点。
U18 型数据采集卡的性能和技术指标如下： (1) 模拟信号输入部分
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大连民族学院 2006 届通信工程专业本科毕业论文
图 1-3 U18 型数据采集卡原理结构框图 在 Windows 环境下将 U18 数据采集卡插入到计算机的 USB 接口中，利用计 算机提示的安装向导，然后指到北京迪阳科技公司提供的该卡的硬件驱动程序并 安装。等安装驱动完毕后，系统会提示“找到新硬件，可以使用”。这时说明 USB 设备已经安装成功，用户可以对 U18 数据采集卡进行使用了。 1.1.2 PC 机的选取 硬件平台的核心是计算机，计算机的合理选择直接影响着整个仪器系统的性 能。计算机技术日新月异的发展，使得计算机的性能不断提高。所以在 PC 机的 选用中一般可以使用台式计算机，但如果考虑到工程现场测试的需求，仪器系统 的计算机即要有高的运算速度，又要易于携带、便于使用，可以使用笔记本式计 算机。本论文选用的是台式计算机。
分辨率是数据采集设备的精度指标，用 A/D 转换的数字位数表示。如果把数 据采集设备的分辨率看作尺子上的刻度，同样长度的尺子上刻度线越多，测量就 越精确。同样的，数据采集设备 A/D 转换的位数越多，把模拟信号划分得就越细， 可以检测到的信号变化量也就越小。在图 1-3 所示中用一 3 位的 A/D 转换芯片去 转换振幅为 5V 的正弦信号，它将峰—峰为 10V 的电压分成 23 =8 段，则每次采样 的模拟信号转换为其中的一个数字段，用 000~111 之间的码来表示。而用它得到 正弦波的数字图象是非常粗糙的。若改用 16 位的 A/D 转换芯片，则将 10V 电压 分成 216 =65536 段，经过 A/D 转换之后的数字图象是相当精细，完全能反映出原 始的模拟信号。
模拟输入电压范围： 5V、10V、0 10V ； 模拟通道输入数：16 路单端/8 路双端； 模拟输入阻抗：100M ； 模拟输入共模电压范围： 2V ； (2) A/D 转换电路部分 A/D 分辨率：12Bit（4096）； 非线性误差： 1LSB （最大）； 转换时间：10 s ； 系统测试精度： 0.1% ； (3) D/A 转换电路部分 输出通道数：4 路； 模拟输出电压范围： 0 5V、0 10V、 5V、10V ； D/A 分辨率：12Bit（4096）； 非线性误差： 1LSB （最大）； D/A 输出精度（满量程）： 1LSB ； 建立时间：10 s （0.01%精度）； 输出阻抗： 0.2 (4) 开关量输入输出部分 16 路数字量输入； 16 路数字量输出； 数字端口满足标准 TTL 电气特性； 数字量输入最低的高电平/最高的低电平：2V/0.8V 数字量输出最低的高电平/最高的低电平：3.4V/0.5V
大连民族学院 2006 届通信工程专业本科毕业论文
第一章 系统开发平台 1.1 硬件平台
硬件平台是虚拟仪器的物理基础，所以为了完成虚拟仪器的设计，首先必须 要选择合适的硬件平台。本文设计的系统，硬件平台主要由两部分组成：数据采 集卡（DAQ）、PC 机。硬件平台的结构如图 1-1 所示。
图 1-1 硬件结构平台 1.1.1 数据采集卡的选取
图 1-5 分别为工具、控制和功能三类模板 使用 LabVIEW 软件编制的程序称为虚拟仪器程序，简称 VI。VI 包括三个 部分：程序前面板、框图程序和图标/连接器。 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。 在程序前面板上，输入量称为控制（Controls），输出量被称为显示( Indicators)。 控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表等， 这使得前面板直观易懂。 1.2.2 LabVIEW 软件开发过程介绍 下面通过建立一个模拟温度测量的 VI 例子来说明如何使用 LabVIEW 软件 创建一个 VI。假设传感器输出电压与温度成正比。例如，当温度为 70°时，传感 器输出电压为 0.7V。本程序也可以用摄氏温度来代替华氏温度显示。
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大连民族学院 2006 届通信工程专业本科毕业论文
本程序用软件代替了 DAQ 数据采集卡。使用 Demo Read Voltage 子程序来仿 真电压测量，然后把所测得的电压值转换成摄氏或华氏温度读数。步骤如下：
前面板：
图 1-6 模拟温度测量前面板 1． 用 File 菜单的 New 选项打开一个新的前面板窗口。 2． 把温度计指示部件放入前面板窗口。
由于计算机所能识别的信号是数字信号，振动、温度、湿度等信号经过传感 器和放大器可以输出为模拟电信号，必须经过离散化和数字化才能被计算机所识 别，数据采集卡就是实现这一转换功能，为整个后续对信号处理中起到了乘前启 后的关键作用。一般常用的数据采集卡（DAQ）的结构如图 1-2 所示。
图 1-2（a） 共用一个 A/D
1.2 软件平台
虚拟仪器的开发必须基于一定的软件开发平台，经过广泛调研，考察、比较 各种虚拟仪器软件开发平台(Visual C++ , Visual Basic ,Delphi , C++ Builder)的优 缺点，本论文最终采用了美国 NI（National Instrument）公司开发的面向仪器与 测控过程的图形化开发平台—— LabVIEW 7.1 作为软件开发环境，如图 1-4 所示。
a. 在面板窗口的空白处点击鼠标键，然后弹出的 Boolean 子模板中选择 Vertical Switch,在文本框中输入“温度值单位”,再点击鼠标键或者工 具栏中的 V 按钮。
b. 使用标签工具 A，在开关的“条件真”（true）位置旁边输入自由标签 “摄氏”,再在“条件假”（false）位置旁边输入自由标签“华氏”。
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基于 LabVIEW 实现信号的处理
图 1-4 LabVIEW 7.1 软件环境 1.2.1 LabVIEW 软件介绍
LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟 仪器工程平台）是美国 NI 公司（National Instrument Company，简称 NI 公司） 推出的一种基于 G 语言（Graphics Language，图形化编程语言）的虚拟仪器开发 软件。LabVIEW 具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作 模板可以在屏幕上随意移动，并可以在屏幕的任一位置放置。操纵模板共有三类, 为工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和功能（Functions）模板，如图 1-5 所示。
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基于 LabVIEW 实现信号的处理
图 1-2（b） 多个 A/D 一般数据采集设备的两个主要指标： 1. 采样率
对数据采集设备来说，采样率是 A/D 芯片转换的速率，不同的设备具有不同 的采样率，进行测试系统设计时应该根据测试信号的类型选择适当的采样率，盲 目提高采样率，会增加测试系统的成本。 2. 分辨率
框图程序：
图 1-7 模拟温度测量后面板 1. 从 Windows 菜单下选择 Show Diagram 功能打开框图程序窗口。 2. 点击框图程序窗口的空白处，弹出功能模板，从弹出的菜单中选择所需的
对象。本程序用到下面的对象：
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基于 LabVIEW 实现信号的处理
Demo Read Voltage VI 程序（Tutorial 子模板）。在本例中，该程序模拟从 DAQ 卡的 0 通道读取电压值。 Multiply（乘法）功能（Numeric 子模板）。在本例中，将读取电压值乘以 100.00，以获得华氏温度。 Subtract（减法）功能（Numeric 子模板）。在本例中，从华氏温度中减去 32.0，以转换成摄氏温度。 Divide（除法）功能（Numeric 子模板）。在本例中，把相减的结果除以 1.8 以转换成摄氏温度。 Select（选择）功能（Comparison 子模板）。取决于温标选择开关的值。 该功能输出华氏温度（当选择开关为 False）或者摄氏温度（选择开关为 True）数值。 数值常数。用连线工具，点击你希望连接一个数值常数的对象，并选择 Create Constant 功能。若要修改常数值，用标签工具双点数值，再写入新 的数值。 字符串常量。用连线工具，点击你希望连接字符串常量的对象，再选择 Create Constant 功能。要输入字符串，用标签工具双击字符串，再输入新 的字符串。 3. 使用移位工具（Positioning tool），把图标移至图示的位置，再用连线工具 连接起来。
图 1-3 A/D 芯片的位数对反映原始信号的影响
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目前工程上常用的数据采集卡分辨率为 12 位，可以满足一般应用的要求。对 于有较高要求的场合，可以使用 16 位或 24 位的数据采集卡。可是，选择高分辨 率的数据采集卡无疑是增加了测试成本，但可以通过对 A/D 芯片位数的充分利用 可以在不增加投资的情况下达到预期的要求。合理使用数据采集卡的途径有两个： 1. 合理设置设备的量程范围 设备的量程范围是 A/D 芯片可以数字量化的最大和最小模拟信号的电压值。数据 采集卡的性能指标给出的分辨率是满量程状态时的参数。如果实际上被测信号的 电压幅值达不到满量程的范围，可以通过设置使设备的实际量程范围与模拟信号 的电压范围相匹配，这样就充分利用了设备现有的分辨率。 2. 合理进行信号极限设置 并不是永远能够通过设备的范围的设置来充分利用 A/D 芯片的分辨率。有些设备 的范围不允许用户设置，还有时同时监测几个信号，它们的电压范围差别非常大。 在设备无能为力的时候，通过信号的极限设置能很好地解决问题。信号的极限设 置实际上就是单独确定每一个通道被检测的模拟信号的最大值和最小值，而且合 理的极限设置可以让 A/D 转换时更多地划分信号，使数字图象能完好地反映出原 始信号。但是设置过低的极限是没有意义的。下面给出一个公式用于计算数据采 集设备可检测到的输入模拟信号最小变化量。
a. 在前面板窗口的空白处点击鼠标键，然后从弹出的 Numeric 子模板中 选择 Thermometer。
b. 在高亮的文本框中输入“温度计”,再点击鼠标键按钮。 3． 重新设定温度计的标尺范围为 0.0 到 100.0。使用标签工具 A，双击温度
计标尺的 10.0，输入 100.0，再点击鼠标键或者工具栏中的 V 按钮。 4．ຫໍສະໝຸດ Baidu在前面板窗口中放入竖直开关控制。
2分辨率 在实际测量中，我们经常需要同时对多个信号进行采集，这时可以采用多通 道的数据采集卡来实现。多通道的数据采集卡通常有两种方案：（1）共用一个 A/D 转换器的模拟多路开关，如图 1-2（a）所示；（2）多个独立 A/D 转换器的数字多 路开关，如图 1-2（b）所示。 这两种方式各有其优缺点：（1）共用一个 A/D 转换器的模拟多路开关的优点 是成本低、结构简单，但各通道间有时间差，采样频率低一些；（2）多个独立 A/D 转换器的数字多路开关的优点是采样频率高，各通道可以同时采集与转换，各通 道间没有时间差，但是成本比较高。本论文是采用了第一种方案，即模拟通道共 用一个 A/D。 数据采集卡的主要任务是把模拟信号转换成数字信号，形成计算机能够处理 的数组。数据采集卡与计算机的接口方式直接影响着数据传输的速度，所以在选 取数据采集卡的时候要充分考虑接口方式对整个虚拟仪器的影响。目前，PC 机与 数据采集部分的连接，除了利用 PC 机内各种总线的插卡外，多采用并口及串口 方式。但是，串口方式速度太慢；并口方式较快，但不足之处是在中断方式时， 优先级较低，将影响系统的实时和在线采集性能，且采集卡和打印机不能同时使 用。而最近几年迅速发展起来的 USB 接口方式克服了串、并口采集方式的上述缺 点，并且目前的计算机已将 USB 作为标准配置，且大部分计算机有不止一个 USB 接口，不会影响计算机其他 USB 接口部件的使用。
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基于 LabVIEW 实现信号的处理
正是因为 USB 接口具有其他接口形式无法比拟的优势，所以选择 DAQ 时， 本论文采用了北京迪阳公司的 U18 型数据采集卡，硬件结构如图 1-3 所示，它采 用了 ADS774 模数转换芯片，优点是解决了采样频率低的缺点。
U18 型数据采集卡的性能和技术指标如下： (1) 模拟信号输入部分
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图 1-3 U18 型数据采集卡原理结构框图 在 Windows 环境下将 U18 数据采集卡插入到计算机的 USB 接口中，利用计 算机提示的安装向导，然后指到北京迪阳科技公司提供的该卡的硬件驱动程序并 安装。等安装驱动完毕后，系统会提示“找到新硬件，可以使用”。这时说明 USB 设备已经安装成功，用户可以对 U18 数据采集卡进行使用了。 1.1.2 PC 机的选取 硬件平台的核心是计算机，计算机的合理选择直接影响着整个仪器系统的性 能。计算机技术日新月异的发展，使得计算机的性能不断提高。所以在 PC 机的 选用中一般可以使用台式计算机，但如果考虑到工程现场测试的需求，仪器系统 的计算机即要有高的运算速度，又要易于携带、便于使用，可以使用笔记本式计 算机。本论文选用的是台式计算机。
分辨率是数据采集设备的精度指标，用 A/D 转换的数字位数表示。如果把数 据采集设备的分辨率看作尺子上的刻度，同样长度的尺子上刻度线越多，测量就 越精确。同样的，数据采集设备 A/D 转换的位数越多，把模拟信号划分得就越细， 可以检测到的信号变化量也就越小。在图 1-3 所示中用一 3 位的 A/D 转换芯片去 转换振幅为 5V 的正弦信号，它将峰—峰为 10V 的电压分成 23 =8 段，则每次采样 的模拟信号转换为其中的一个数字段，用 000~111 之间的码来表示。而用它得到 正弦波的数字图象是非常粗糙的。若改用 16 位的 A/D 转换芯片，则将 10V 电压 分成 216 =65536 段，经过 A/D 转换之后的数字图象是相当精细，完全能反映出原 始的模拟信号。
模拟输入电压范围： 5V、10V、0 10V ； 模拟通道输入数：16 路单端/8 路双端； 模拟输入阻抗：100M ； 模拟输入共模电压范围： 2V ； (2) A/D 转换电路部分 A/D 分辨率：12Bit（4096）； 非线性误差： 1LSB （最大）； 转换时间：10 s ； 系统测试精度： 0.1% ； (3) D/A 转换电路部分 输出通道数：4 路； 模拟输出电压范围： 0 5V、0 10V、 5V、10V ； D/A 分辨率：12Bit（4096）； 非线性误差： 1LSB （最大）； D/A 输出精度（满量程）： 1LSB ； 建立时间：10 s （0.01%精度）； 输出阻抗： 0.2 (4) 开关量输入输出部分 16 路数字量输入； 16 路数字量输出； 数字端口满足标准 TTL 电气特性； 数字量输入最低的高电平/最高的低电平：2V/0.8V 数字量输出最低的高电平/最高的低电平：3.4V/0.5V
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第一章 系统开发平台 1.1 硬件平台
硬件平台是虚拟仪器的物理基础，所以为了完成虚拟仪器的设计，首先必须 要选择合适的硬件平台。本文设计的系统，硬件平台主要由两部分组成：数据采 集卡（DAQ）、PC 机。硬件平台的结构如图 1-1 所示。
图 1-1 硬件结构平台 1.1.1 数据采集卡的选取
图 1-5 分别为工具、控制和功能三类模板 使用 LabVIEW 软件编制的程序称为虚拟仪器程序，简称 VI。VI 包括三个 部分：程序前面板、框图程序和图标/连接器。 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。 在程序前面板上，输入量称为控制（Controls），输出量被称为显示( Indicators)。 控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表等， 这使得前面板直观易懂。 1.2.2 LabVIEW 软件开发过程介绍 下面通过建立一个模拟温度测量的 VI 例子来说明如何使用 LabVIEW 软件 创建一个 VI。假设传感器输出电压与温度成正比。例如，当温度为 70°时，传感 器输出电压为 0.7V。本程序也可以用摄氏温度来代替华氏温度显示。
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大连民族学院 2006 届通信工程专业本科毕业论文
本程序用软件代替了 DAQ 数据采集卡。使用 Demo Read Voltage 子程序来仿 真电压测量，然后把所测得的电压值转换成摄氏或华氏温度读数。步骤如下：
前面板：
图 1-6 模拟温度测量前面板 1． 用 File 菜单的 New 选项打开一个新的前面板窗口。 2． 把温度计指示部件放入前面板窗口。
由于计算机所能识别的信号是数字信号，振动、温度、湿度等信号经过传感 器和放大器可以输出为模拟电信号，必须经过离散化和数字化才能被计算机所识 别，数据采集卡就是实现这一转换功能，为整个后续对信号处理中起到了乘前启 后的关键作用。一般常用的数据采集卡（DAQ）的结构如图 1-2 所示。
图 1-2（a） 共用一个 A/D
1.2 软件平台
虚拟仪器的开发必须基于一定的软件开发平台，经过广泛调研，考察、比较 各种虚拟仪器软件开发平台(Visual C++ , Visual Basic ,Delphi , C++ Builder)的优 缺点，本论文最终采用了美国 NI（National Instrument）公司开发的面向仪器与 测控过程的图形化开发平台—— LabVIEW 7.1 作为软件开发环境，如图 1-4 所示。
a. 在面板窗口的空白处点击鼠标键，然后弹出的 Boolean 子模板中选择 Vertical Switch,在文本框中输入“温度值单位”,再点击鼠标键或者工 具栏中的 V 按钮。
b. 使用标签工具 A，在开关的“条件真”（true）位置旁边输入自由标签 “摄氏”,再在“条件假”（false）位置旁边输入自由标签“华氏”。
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基于 LabVIEW 实现信号的处理
图 1-4 LabVIEW 7.1 软件环境 1.2.1 LabVIEW 软件介绍
LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟 仪器工程平台）是美国 NI 公司（National Instrument Company，简称 NI 公司） 推出的一种基于 G 语言（Graphics Language，图形化编程语言）的虚拟仪器开发 软件。LabVIEW 具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作 模板可以在屏幕上随意移动，并可以在屏幕的任一位置放置。操纵模板共有三类, 为工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和功能（Functions）模板，如图 1-5 所示。
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基于 LabVIEW 实现信号的处理
图 1-2（b） 多个 A/D 一般数据采集设备的两个主要指标： 1. 采样率
对数据采集设备来说，采样率是 A/D 芯片转换的速率，不同的设备具有不同 的采样率，进行测试系统设计时应该根据测试信号的类型选择适当的采样率，盲 目提高采样率，会增加测试系统的成本。 2. 分辨率
框图程序：
图 1-7 模拟温度测量后面板 1. 从 Windows 菜单下选择 Show Diagram 功能打开框图程序窗口。 2. 点击框图程序窗口的空白处，弹出功能模板，从弹出的菜单中选择所需的
对象。本程序用到下面的对象：
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基于 LabVIEW 实现信号的处理
Demo Read Voltage VI 程序（Tutorial 子模板）。在本例中，该程序模拟从 DAQ 卡的 0 通道读取电压值。 Multiply（乘法）功能（Numeric 子模板）。在本例中，将读取电压值乘以 100.00，以获得华氏温度。 Subtract（减法）功能（Numeric 子模板）。在本例中，从华氏温度中减去 32.0，以转换成摄氏温度。 Divide（除法）功能（Numeric 子模板）。在本例中，把相减的结果除以 1.8 以转换成摄氏温度。 Select（选择）功能（Comparison 子模板）。取决于温标选择开关的值。 该功能输出华氏温度（当选择开关为 False）或者摄氏温度（选择开关为 True）数值。 数值常数。用连线工具，点击你希望连接一个数值常数的对象，并选择 Create Constant 功能。若要修改常数值，用标签工具双点数值，再写入新 的数值。 字符串常量。用连线工具，点击你希望连接字符串常量的对象，再选择 Create Constant 功能。要输入字符串，用标签工具双击字符串，再输入新 的字符串。 3. 使用移位工具（Positioning tool），把图标移至图示的位置，再用连线工具 连接起来。
图 1-3 A/D 芯片的位数对反映原始信号的影响
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大连民族学院 2006 届通信工程专业本科毕业论文
目前工程上常用的数据采集卡分辨率为 12 位，可以满足一般应用的要求。对 于有较高要求的场合，可以使用 16 位或 24 位的数据采集卡。可是，选择高分辨 率的数据采集卡无疑是增加了测试成本，但可以通过对 A/D 芯片位数的充分利用 可以在不增加投资的情况下达到预期的要求。合理使用数据采集卡的途径有两个： 1. 合理设置设备的量程范围 设备的量程范围是 A/D 芯片可以数字量化的最大和最小模拟信号的电压值。数据 采集卡的性能指标给出的分辨率是满量程状态时的参数。如果实际上被测信号的 电压幅值达不到满量程的范围，可以通过设置使设备的实际量程范围与模拟信号 的电压范围相匹配，这样就充分利用了设备现有的分辨率。 2. 合理进行信号极限设置 并不是永远能够通过设备的范围的设置来充分利用 A/D 芯片的分辨率。有些设备 的范围不允许用户设置，还有时同时监测几个信号，它们的电压范围差别非常大。 在设备无能为力的时候，通过信号的极限设置能很好地解决问题。信号的极限设 置实际上就是单独确定每一个通道被检测的模拟信号的最大值和最小值，而且合 理的极限设置可以让 A/D 转换时更多地划分信号，使数字图象能完好地反映出原 始信号。但是设置过低的极限是没有意义的。下面给出一个公式用于计算数据采 集设备可检测到的输入模拟信号最小变化量。
a. 在前面板窗口的空白处点击鼠标键，然后从弹出的 Numeric 子模板中 选择 Thermometer。
b. 在高亮的文本框中输入“温度计”,再点击鼠标键按钮。 3． 重新设定温度计的标尺范围为 0.0 到 100.0。使用标签工具 A，双击温度
计标尺的 10.0，输入 100.0，再点击鼠标键或者工具栏中的 V 按钮。 4．ຫໍສະໝຸດ Baidu在前面板窗口中放入竖直开关控制。