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1、目 录引言1第1章 绪论31.1 虚拟仪器的基本概念31.2 虚拟仪器的构成41.3 虚拟仪器的特点4第2章 虚拟实验室基本系统概述62.1 研究虚拟实验室的意义62.1.1 传统实验室的弊端62.1.2 虚拟实验室的优点72.2 软件LabVIEW简介92.3 虚拟实验系统的基本构成10第3章 软件设计183.1 虚拟仪器模块183.1.1 虚拟信号发生器模块183.1.2 虚拟数字示波器模块193.1.3 虚拟频谱分析仪模块213.1.4 虚拟数字滤波器模块223.2 虚拟实验室的实验列举253.2.1 信号的调制与解调实验253.2.2 信号的合成与分解实验273.2.3 系统频率响应特
2、性的实现28第4章 总结和展望314.1 总结314.2 展望32致谢33参考文献34引言在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物。八十年代末，美国国家仪器公司(NI)提出了“软件就是仪器”的口号，将日益普及的计算机技术与仪器仪表技术完美结合起来，提出虚拟仪器(Virtual Instruments)的概念。LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的缩写。它是NI 公司研制的图形化编程软件，是目前最为成功、应用最
3、为广泛的虚拟仪器软件开发环境。应用虚拟仪器技术，使我们能够在计算机上按照自己的需求来设计仪器，方便灵活而且开发周期短。它不仅降低了仪器成本，更提高了工作效率。在最近几年里,快速可靠的计算机通信网络获得了惊人的发展，局域网或广域网上的计算机可以进行信息和命令交换，这样网络服务拓展了虚拟仪器的使用范围，给虚拟仪器技术注入了强大的活力，进一步增强了数字化仪器的优势，从而成功地进入了网络化虚拟仪器阶段。LabVIEW具有非常强大的网络功能，其内置Web Server，可以进行网页发布，使客户端仅用Web浏览器便可以进行实验。通过将网络技术与虚拟仪器技术相结合，远程虚拟实验室为远程教育的实验课程提供了解
4、决方案。国内部分重点大学在这方面已开始了初步的研究和应用。但是在通信专业教学上的应用还无先例。通信原理教学实验包括：数字基带信号、数字调制与解调、模拟信号的波形编码、循环纠错编码等，其主要目的是帮助学生理解通信系统的整体概念及基本理论，对于培养学生的通信系统观念、提高实际动手能力有极其重要的作用。在这些教学实验中，需要的仪器有:数字万用表、任意波形发生器、数字存储示波器、频谱分析仪、失真度仪、频率计。特别是频谱分析仪作为频域分析仪器在教学实验中有着非常重要的作用，但因频谱分析仪价格的昂贵，至今没有配备。与传统仪器相比，虚拟仪器除了在性能、易用性、用户可定制性等方面具有更多优点外，在工程应用和社
5、会经济效益方面也具有突出优势。此外，传统的通信原理实验主要通过硬件电路实现各功能模块，由信号发生器产生信号，用示波器观察各点波形。由于实验条件的限制，往往得不到丰富实验结果，而且学生面对复杂的电路板难以从系统的观点去分析各点波形关系。设计出一套与传统实验相配合的虚拟实验软件，采用软件模拟的方法，通过灵活调节各个实验参数，灵活控制实验进程,便可很好的弥补传统通信原理实验的不足。因此，将虚拟仪器技术引入到教学实验中就成为行之有效的解决方案。1实现远程虚拟实验室有众多意义，但是目前最重要的也是最现实的意义就是应用于教育系统上。随着我国高等教育体制的深化改革以及招生规模扩大方针实施以来,学生规模急剧膨
6、胀的普通高等院校普遍陷入了实验教学的困境。从现实的意义上来说，在高等工程教育中采用虚拟实验室，可以从根本上解决实验与实习经费严重短缺问题。同时，利用虚拟仪器技术与计算机网络相结合还可以实现对仪器设备的远程、分布式控制,在教育、科研等领域中具有广阔的发展空间和应用前景,是实验教学的一个新的发展方向。第1章 绪论电子信息类的专业课程有两大特点，一是比较抽象，如信号与系统、数字信号处理、高频电子电路、通信原理、模拟和数字电子技术等课程，需要通过实验环节来帮助学生理解；有的则必须通过学生的实践才能掌握，网络技术、软件编程等课程，实验环节在电子信息实验教学中占有非常重要的地位，是提高学生动手能力、培养创
7、造能力和综合素质的一个有效的手段。很多学科都是以实验课程为基础的，缺少了实验的支持，学科的教学和科研活动就无法进行。学生只有通过足够的验证型实验和一定数量的综合设计型实验才能加深理解和掌握所学的理论知识和应用技术，也只有通过实验，才能将理论与实践很好地结合起来。二是电子信息技术作为新的支柱产业，发展非常迅速，技术更新快，导致高校的课程特别是实验课程往往落后于技术的进步，无法满足实验教学的需要。国内高校传统的实验设备在实验教学中暴露出的无实验模拟功能、辅助实验教学功能等种种弊端。与时俱进地开发出虚拟仪器实验教学系统进行实验教学，达到培养学生的动手能力和创新意识的目标。目前国内高校电子信息类实验大
8、多采用各门课程的实验箱和传统仪器搭建起来的实验平台，传统仪器和实验箱是功能固定且单一，通常只能作一些演示性和验证性实验，无法实现功能扩展和资源共享。电子信息类教学实验常用仪器仪表为：函数发生器、示波器、万用表及各种专用实验设备等。1.1 虚拟仪器的基本概念虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)是在以计算机为核心的硬件平台上，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，从而完成各种测试功能的仪器系统。计算机在虚拟仪器中处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成了一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点等都发
9、生了突破性的变化。从构成上来说，虚拟仪器就是利用计算机，配上相应的硬件和专用软件，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新型仪器。它将计算机采集测试分析引入到电子测量领域，用数字化和软件技术极大地提高了测试的灵活性和可扩充性。1.2 虚拟仪器的构成虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等，软件是整个系统的关键。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。用户可以根掘自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以人大突破传统仪
10、器在数掘的处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。虚拟仪器可广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。21.3 虚拟仪器的特点虚拟仪器利用计算机强大的图形环境功能，建立界面友好的虚拟仪器面板(即软面板)，用户通过鼠标和键盘操作虚拟仪器就像操作传统的电子测量仪器一样。完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。与传统仪器相比，虚拟仪器的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易，转换灵活以及其开放性。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于：虚拟仪器的关键是软件。其主要优点归纳如下：341
11、、打破了传统仪器的功能概念，由计算机完成信号的分析、显示、存储、打印等功能。由于充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，提高了系统使用的灵活性，可以满足综合性的要求。2、强调“软件就是仪器”的新概念，软件在仪器中代替由硬件甚至整机实现的角色。由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度，测量速度和可重复性都大大提高。3、仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减，强调在通用计算机平台的基础上，通过软件和软面板，把由厂家定义的传统仪器转变为由用户定义的、由计算机软件和几种模块组成的专用仪器。虚拟仪器的出现，彻底打破
12、了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空问。4、虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，使资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，使用简便，软/硬件生产、维护和开发的费用降低。虚拟仪器既可以作为单台测试仪器使用，又可以构成较为复杂的测试系统，甚至通过高速计算机网络构成分布式测试系统，进行远程监控及故障诊断。第2章 虚拟实验室基本系统概述2.1 研究虚拟实验室的意义实验对于学生动手能力培养、学习兴趣激发、理论知识理解的作用是纯理论教学所不能替代的。像电路基础、高频电子、电子线路等，学生只有通过足够多高质量的验证性实验和一定数量的综合
13、性实验，给予同学足够的感性认识，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，提高动手实践能力，培养分析问题的能力。随着招生规模的不断扩大，国内普通高等院校实验设备往往比较陈旧，不能及时更新，从而无法跟上教育的飞速发展。虚拟实验室系统则主要依赖于软件和较少的配套硬件，使实验室的维护费用和工作量大大降低。LabVIEW作为虚拟仪器开发系统的代表，可以利用Internet进行虚拟实验室的网络发布，实现了资源共享，避免了仪器重复添置，满足了用户不再受时间、地点限制进行远程的实时合作，提高了用户的学习效果。真正体现了虚拟仪器技术“软件就足仪器”，“一台计算机就是一个虚拟电子实验室”的特殊优势。52.1.1 传统
14、实验室的弊端目前，许多高等工科院校仍沿用传统的实验教学方法，实验内容侧重于理论验证和模仿训练，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高。滞后的实验设备和死板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，实验教学处于应试教育。以往的工业生产以及教学实验室中，传统电子仪器起着主导作用。但是传统电子仪器有其本身的不足之处。传统电子仪器主要由三部分构成：即对被测信号的采集与控制、分析与处理、测量结果的表达与存储。传统电子仪器的这些功能块大多是以硬件或者固化的软件的形式存在的，因此具有以下几个方面的弱点：(1)成本高、技术更新慢。传统电子仪器价格比较昂贵，动辄几万人民币。研发周期长，技术更新慢，使用当中存在元
15、器件老化等问题，从而导致工作状态不稳定，日常常维护费用较高，技术难度大，使用寿命短。(2)数据显示、分析和存储功能不够强大。传统电子仪器的图形显示界面比较小，依靠人工读取数据，误差因观察者的实验方法而不同，并且从中获得的信息量小。另外由于硬件设备的限制，往往无法实现更灵活、更特殊、更准确的数据分析功能，也难以实现实验数据编辑、存储和打印等功能。(3)灵活性和可扩展性差。传统电子仪器具有固定的用户界面、组成模块和数据处理功能。独立仪器只有一块仪器面板，例如。示波器只有示波器面板，频谱仪也只有频谱仪的面板。用户有时只需要用到仪器巾的一小部分功能。而在用到其他功能时却达不到所需指标，如信号的频率受制
16、于实际元器件的限制。用户无法改动厂家同定好的仪器模块，灵活性和可扩展性差。(4)实验室设备利用率低。高校实验室教学设备数量有限，特别是一些贵重仪器，要做到学生与设备一对一配套是不现实的。在传统的实验室中，一般会将学生分为若干小组，以组为单位作实验，使部分同学难以全部参与和投入，没能充分了解和掌握实验全过程。(5)实验信息管理混乱。实验信息，特别是实验数据的存储、分析和查询是实验的一个重要内容。在传统实验教学模式中，学生靠手工记录和分析数据。存在的问题是：第一，记录时人为误差较大；第二，不便于保存、查询和整理。(6)实验教师工作繁杂。实验报告的评阅，典型问题的解答与数据核对，包含大量的重复性工作，给指导教师带来很多不必要的劳动，精力很难集中在实验台上。如何更合理地
