引 言

虛擬儀器是隨著計算機(jī)技術(shù)、電子測量技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型儀器。它充分利用計算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和顯示能力，利用軟件完成數(shù)據(jù)的采集、控制、數(shù)據(jù)分析和處理以及測試結(jié)果的顯示等，通過軟、硬件的配合，實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能，真正實現(xiàn)了“軟件即儀器”的概念，用戶可以方便地對儀器進(jìn)行維護(hù)和擴(kuò)展。

電壓是電路中常用的電信號，通過電壓測量，利用基本公式可以導(dǎo)出其他的參數(shù)。因此，電壓測量是其他許多電參數(shù)和非電參數(shù)量的基礎(chǔ)。測量電壓相當(dāng)普及的一種測量儀表就是電壓表，但常用的是模擬電壓表。模擬電壓表根據(jù)檢波方式的不同。分為峰值電壓表、均值電壓表和平均值電壓表，它們都各自做成獨立的儀表。這樣，使用模擬電壓表進(jìn)行交流電壓測量時，必須根據(jù)測量要求選擇儀表。另外，多數(shù)電壓表的表頭是按正弦交流有效值刻度的，而測量非正弦波時，必須經(jīng)過換算才能得到正確的測量結(jié)果，從而給實際工作帶來不便。

采用虛擬電壓表，可將表征交流電壓特征的峰值、平均值和有效值集中顯示在一塊面板上，測量時可根據(jù)波形在面板上選擇儀表，用戶僅通過面板指示值就能對測量結(jié)果進(jìn)行分析比較，大大簡化了測量步驟。

1 虛擬電壓表的設(shè)計思路

LabVIEw 8．2版本的工程技術(shù)比以往任何一個版本都豐富．它采用了中文界面，各個控件的功能一目了然。利用它全新的用戶界面對象和功能，能開發(fā)出專業(yè)化、可完全自定義的前面板。LabVIEW 8．2對數(shù)學(xué)、信號處理和分析也進(jìn)行了重大的補(bǔ)充和完善，信號處理分析和數(shù)學(xué)具有更為全面和強(qiáng)大的庫，其中包括500多個函數(shù)。所以在LabVIEW 8．2版本下能夠更方便地實現(xiàn)虛擬電壓表的設(shè)計。

虛擬電壓表是基于計算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)的模塊化系統(tǒng)，通常它由控制模塊、儀器模塊和軟件組成，由軟件編程來實現(xiàn)儀器的功能。在虛擬儀器中，計算機(jī)顯示器是惟一的交互界面，物理的開關(guān)、按鍵、旋鈕以及數(shù)碼管等顯示器件均由與實物外觀相似的圖形控件來代替，操作人員只要通過鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開關(guān)、按鍵等設(shè)置各種參數(shù)，就能根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。在虛擬電壓表的設(shè)計中，考慮到儀器主要用于教學(xué)和實驗，使用對象是學(xué)生，因此將引言中提到的三種檢波方式的儀器合為一體，既簡化了面板操作，又便于直接對比。

該電壓表主要用于電路分析和模擬電子技術(shù)等實驗課的教學(xué)和測量儀器，能夠使學(xué)習(xí)者了解和掌握電壓的測量和電壓表對各種波形的不同響應(yīng)。因此，虛擬電壓表應(yīng)具備電源開關(guān)控制、波形選擇，以及顯示峰值、有效值和平均值三種結(jié)果，且輸入信號的大小可調(diào)節(jié)等功能。虛擬電壓表由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口包括儀器接口設(shè)備和計算機(jī)，設(shè)備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通信，并以虛擬儀器面板的形式在計算機(jī)屏幕上顯示與真實儀器面板操作相對應(yīng)的各種控件。在此，用軟件虛擬了一個信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器可產(chǎn)生正弦波、方波和三角波，還可以輸入公式，產(chǎn)生任意波形。根據(jù)需要，可調(diào)節(jié)面板上的控件來改變信號的頻率和幅度等可調(diào)參數(shù)，然后檢測電壓表的運(yùn)行情況。因此，在LabVIEW圖形語言環(huán)境下設(shè)計的虛擬電壓表主要分為兩個部分：第一部分是虛擬電壓表前面板的設(shè)計；第二部分是虛擬電壓表流程圖的設(shè)汁。

2 前面板的設(shè)計

前面板模擬真實電壓表的前面板，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬電壓表控制軟件的核心。設(shè)計這部分時，主要考慮界面美觀、操作簡潔，用戶能通過面板上的各種按鈕、開關(guān)等控件來控制虛擬電壓表進(jìn)行測量工作。根據(jù)傳統(tǒng)電壓表面板控件的功能，利用LabVIEW中的控制模板，分別在設(shè)計面板上放入模擬實際電壓表控件的數(shù)據(jù)輸入控件、顯示器、數(shù)據(jù)輸出控件、開關(guān)、選擇器，顯示器用于顯示輸入的信號波形；數(shù)據(jù)輸入控件主要用于輸入被測信號的信號頻率、采樣頻率、采樣數(shù)、振幅和相位；數(shù)據(jù)輸出控件則用于輸出被測信號經(jīng)過處理后得到的峰值、平均值和有效值及標(biāo)準(zhǔn)頻率的有效顯示。打開LabVIEW前面板的編輯窗口，點擊鼠標(biāo)右鍵，顯示控制模板，選擇圖形一波形圖，作為電壓表的顯示器。在顯示器模板上點擊鼠標(biāo)右鍵，對其進(jìn)行屬性設(shè)置，例如根據(jù)示波器的頻率與幅度值的變化，利用工具模板中的文字工具，對示波器橫(時間)、縱(幅度)坐標(biāo)的刻度進(jìn)行重新設(shè)置。用Graph控件設(shè)計的示波器是完全同步的，且波形穩(wěn)定。

選擇控件→數(shù)值→數(shù)值輸入控件／數(shù)值顯示控件，作為電壓表參數(shù)設(shè)置中輸入和測試結(jié)果的數(shù)據(jù)顯示。

選擇控件→下拉列表與枚舉→菜單下拉列表，放置對輸入波形選擇開關(guān)，在下拉列表中單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“編輯項”對其進(jìn)行編輯。

“電源開關(guān)”控件選擇經(jīng)典→經(jīng)典布爾→方形按鈕，當(dāng)按下開關(guān)時，虛擬電壓表開始運(yùn)行，同時電源開關(guān)的指示燈亮。同樣，當(dāng)彈起開關(guān)時，虛擬電壓表停止運(yùn)行。前面板如圖1所示。

3 流程圖的設(shè)計

每一個前面板都對應(yīng)一個流程圖程序。前面板的設(shè)計完成后，可對流程圖程序進(jìn)行設(shè)計。打開LabVIEW設(shè)計環(huán)境中的窗口→顯示程序框圖，進(jìn)入流程圖編輯窗口，與前面板各控件對應(yīng)的端口圖標(biāo)自動出現(xiàn)在流程圖編輯窗口中。利用LabVIEW中的功能模塊，根據(jù)虛擬示波器前面板各控件的作用和聯(lián)系，虛擬示波器運(yùn)作后數(shù)據(jù)流的控制，分別在流程圖設(shè)計面板中放置各個功能模塊，合理擺放后，在用連線工具依次連接，以實現(xiàn)虛擬示波器的功能。數(shù)據(jù)流的編輯主要是對端口圖標(biāo)的連接。用連線工具進(jìn)行連線時，如果端口閃爍，說明相連的數(shù)據(jù)類型匹配，否則不能連接。

3．1 虛擬信號發(fā)生器的實現(xiàn)

由于虛擬電壓表主要用于演示，所以為了方便，可直接利用LabVIEW軟件產(chǎn)生仿真信號。在該設(shè)計中，設(shè)置了正弦波、方波和三角波以及由公式確定的任意波形。在程序設(shè)計框圖中，使用一個Case(選擇)語句對四種波形進(jìn)行選擇。Case語句中，每一個數(shù)字(0，1，2，3，4)都代表一種波形，與前面板控件中5種狀態(tài)相對應(yīng)。至于Case語句的制作，只需將4個圖標(biāo)中的一個，例如正弦波發(fā)生程序，用Case框起來，然后在上面的空白處寫上相應(yīng)的數(shù)字，例如1；然后點擊箭頭，可以設(shè)置第二個圖標(biāo)，如果要添加一個Case的話，可以點擊鼠標(biāo)右鍵，直接添加，編輯相應(yīng)的基本信號發(fā)生器VI中相應(yīng)的節(jié)點即可。在添加公式波時，要把基本信號發(fā)生器VI換成公式波形VI，0代表默認(rèn)狀態(tài)，表示無任何波形輸入。本文給出了Case結(jié)構(gòu)的一個分支，公式波形的流程圖如圖2所示。該子Ⅵ可使用指定時間函數(shù)的公式字符串生成一個函數(shù)波形，它要求公式的自變量必須是t，它所支持的運(yùn)算符和常用的函數(shù)。

另外，在模擬狀態(tài)下，信號頻率以赫茲或者每秒周期數(shù)為單位。但是在數(shù)字系統(tǒng)中，通常使用數(shù)字頻率，它是信號頻率與采樣頻率的比值，被稱為標(biāo)準(zhǔn)頻率。所以，在框圖程序中，應(yīng)當(dāng)在信號頻率與采樣頻率之間加載一個除法器。

在波形發(fā)生程序按照規(guī)定的參數(shù)產(chǎn)生波形后，如果將波形直接輸入波形顯示控件，那將是錯誤的。因為波形顯示控件，并不像數(shù)據(jù)顯示控件那樣只需要一個或一組數(shù)據(jù)，因此波形能否按規(guī)定顯示出來，取決于輸入的幾組不同且具有決定性的數(shù)據(jù)，例如周期、相位等。在該設(shè)計中，將z軸起始坐標(biāo)、周期、波形捆綁成一個數(shù)組，同時輸入到波形顯示控件中。

3．2 數(shù)據(jù)處理部分

數(shù)據(jù)處理部分的作用，就是將產(chǎn)生出的信號通過不同形式的檢波、計算，得出規(guī)定的不同的結(jié)果。在該設(shè)計中同時顯示交流有效值、峰值和平均值。對于一個純粹的交流電壓，正半周期信號與負(fù)半周期信號對稱，U的平均值等于零，所以一般不直接測量平均值。在設(shè)計時，按函數(shù)→數(shù)值→絕對值取交流電壓的絕對值，然后求平均值，取全波平均值。交流電壓中的最大值，即為峰值。可以通過比較數(shù)據(jù)求出最大值，這需要使用波形最大、最小子虛擬儀器來處理框圖。有效值顯示：在函數(shù)→信號處理→波形測量中選擇基本平均直流均方根。其框圖符號如圖3所示。

圖3中，DC value為測量的直流分量；RMS為value測量有效值；reset用于重啟過去記錄的時間信號、平均測量的參數(shù)；averaging type是測量中的平均類型，在單個模塊VI中，可依據(jù)輸入記錄長度自動設(shè)置平均時間；Window是在DC／RMS計算之前，用于記錄時間的窗；erroe in是在該VI運(yùn)行之前描述錯誤環(huán)境，默認(rèn)值為no error。如果錯誤已經(jīng)發(fā)生，該VI在errorout端返回錯誤代碼，子VI在無錯誤時才正常運(yùn)行。

3．3 開關(guān)部分

用一個while條件語句設(shè)計整個框圖程序，當(dāng)模擬電壓開關(guān)為“1”時，虛擬電壓表工作，條件語句中的程序開始運(yùn)行；當(dāng)模擬開關(guān)為“0”即關(guān)時，條件語句中的程序停止運(yùn)行，虛擬電壓表不工作。設(shè)計好的流程圖如圖4所示。

4 結(jié) 語

經(jīng)過實際使用，虛擬電壓表所有的控制鍵和功能正常，符合使用要求。需要指出的是，在設(shè)計該虛擬電壓表時，簽于教學(xué)使用的目的，僅從功能上考慮，并未對虛擬電壓表的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行深入研究。事實上，峰值是取樣值的最大值，而取樣點不可能取得太多，否則運(yùn)行速度太慢，因此顯示的峰值與理論值是有差別的，在設(shè)計時應(yīng)注意合理選擇參數(shù)。

在LabVIEW圖形化語言環(huán)境下設(shè)計的虛擬儀器簡單快捷，用戶完全可根據(jù)測試功能的需要，調(diào)用不同功能的軟件模塊，以組建自己的儀器。這對測量者，尤其是高等院校的實驗室是非常方便的。可在同一臺計算機(jī)中，根據(jù)不同的教學(xué)層次，設(shè)計不同檔次的儀器為教學(xué)服務(wù)。如何針對不同的教學(xué)目的，分別對硬件驅(qū)動程序部分、虛擬面板部分、信號的后期處理部分進(jìn)行部分或完整的設(shè)計，信號的后期處理程序可以設(shè)計成一個獨立的功能模塊，能夠?qū)Σ蓸有盘栠M(jìn)行非實時的在現(xiàn)和離線分析，既滿足了學(xué)生的要求，又避免了設(shè)備的重復(fù)購置。