隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和電子測(cè)試技術(shù)的迅猛發(fā)展，一種全新的測(cè)試儀器擬儀器(Virtual Instrument，VI) 種新型的、富有生命力的儀器種類。首先提出了虛擬儀器的概念。這一概硬件支撐，充分應(yīng)用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回訪、調(diào)用、顯示以及文件管理等智能式功能，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)功能軟件化，使之與計(jì)算機(jī)融于一體，這樣便構(gòu)成了一臺(tái)從外觀到功能都能與傳統(tǒng)儀器相同，同時(shí)又充分享用了計(jì)算機(jī)智能資源的全新儀器 虛擬儀器的主要功能由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測(cè)試和分析、結(jié)果輸出顯示三大部分組成。其中數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出完全可由基于計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)來(lái)完成，因此只要另外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可構(gòu)成由計(jì)算機(jī)組成的測(cè)量?jī)x器。
一、圖形化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering workbench)是一個(gè)圖形化程序 開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、測(cè)試和儀器控制等領(lǐng)域。它與傳統(tǒng)編程語(yǔ)言有著 諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及層次化、模塊化 的編程特點(diǎn)等。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語(yǔ)言用文本語(yǔ)言編程；而LabVIEW使用圖 形語(yǔ)言(即各種圖標(biāo)、圖形符號(hào)、連線等)，以框圖的形式編寫程序。[2]
一個(gè)LabVIEW程序包括三個(gè)主要部分：前面板、框圖程序、圖標(biāo)路線端口。前面板是 LabVIEW程序的交互式圖形化用戶界面，用于設(shè)置用戶輸入和顯示程序輸出，目的是仿真真 實(shí)儀器的前面板。框圖程序則是利用圖形語(yǔ)言對(duì)前面板上的控制量和指示量進(jìn)行控制。圖標(biāo) 路線端口用于把LabVIEW程序定義成一個(gè)子程序，以便在其它程序中加以調(diào)用，這使LabVIEW 得以實(shí)現(xiàn)層次化、模塊化編程。[3]
二、虛擬相位差計(jì)的設(shè)計(jì)
1、系統(tǒng)組成與功能
本虛擬儀器采用美國(guó) NI 公司的Lab-PC-1200 型數(shù)據(jù)采集卡，將其直接插入到計(jì)算機(jī)相 應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的總線擴(kuò)展插槽內(nèi)構(gòu)成PC-DAQ(Data Acquisition)插卡式虛擬儀器。主要測(cè)量?jī)蓚€(gè) 同頻正弦信號(hào)的幅值、頻率、相位差等。系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示：
2、面板設(shè)計(jì)
軟面板程序?yàn)橛脩籼峁┮粋€(gè)友好的圖形化界面，面板中的所有對(duì)象基本上可分為控制量 和顯示量，控制量用來(lái)模擬傳統(tǒng)儀器上的開(kāi)關(guān)和旋鈕；顯示量用于顯示測(cè)量和處理的結(jié)果。
LabVIEW 提供了非常豐富的界面控件對(duì)象，可以快捷地設(shè)計(jì)出生動(dòng)、直觀、操作方便的用戶 界面。本文設(shè)計(jì)的虛擬相位差計(jì)軟面板如圖2 所示。
該軟面板左邊為實(shí)時(shí)波形顯示，可顯示從0 通道和1 通道實(shí)時(shí)采樣的兩個(gè)波形；右邊為 李沙育圖形，下面是波形調(diào)整、波形選擇和頻率、幅值、相位、相位差的測(cè)量結(jié)果。另外， 在運(yùn)行該虛擬儀器時(shí)會(huì)彈出一個(gè)存儲(chǔ)窗口，可把程序運(yùn)行結(jié)束之前所有的歷史測(cè)量記錄保存 在所指定的文件中，以備觀察分析和做進(jìn)一步的處理。
3、程序框圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
虛擬相位差計(jì)的框圖程序如圖 3 所示，它采用的是圖形化編程語(yǔ)言，非常直觀。該框圖 包含了波形采集、波形顯示和調(diào)整、波形測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)四部分。
?。?）波形采集：本虛擬儀器采用的是美國(guó)NI 公司的 Lab-PC-1200 型數(shù)據(jù)采集卡，最高 采樣頻率為100KHz,輸入信號(hào)范圍為-5V~+5V，設(shè)置了1，0 兩個(gè)采樣通道。該部分由AIConfig、AI Start、AI Read、AI Single Scan 和AI Clear 組成。其中用了Max&Min 與一個(gè)移 位寄存器控制對(duì)采樣數(shù)據(jù)的讀取速度。
?。?）波形顯示和調(diào)整：首先將數(shù)據(jù)采集子程序采集到的兩個(gè)模擬輸入信號(hào)（二維數(shù)組） 按采集通道的不同用Index Array 函數(shù)分成兩個(gè)一維數(shù)組，再將它們分別用Bundle 函數(shù)組成 起點(diǎn)x0 = 0，時(shí)間間隔Δx = 0.001的簇，最后用Build Array函數(shù)將兩個(gè)簇組成簇?cái)?shù)組送入 波形圖可觀察到兩列實(shí)時(shí)波形。若直接將兩個(gè)一維數(shù)組用Bundle 函數(shù)組成簇送入波形圖可 觀察兩列正弦波的李沙育圖形?？驁D中的三個(gè)Case 結(jié)構(gòu)的作用是控制軟面板上幅基調(diào)節(jié)、 時(shí)基調(diào)節(jié)、波形選擇，通過(guò)鼠標(biāo)調(diào)節(jié)這些旋鈕和垂直指針滑動(dòng)條可調(diào)整實(shí)時(shí)波形在屏幕上的 顯示效果。
（3）波形測(cè)量：主要測(cè)量?jī)闪姓也ǖ念l率、振幅和相差，其中著重研究了相差的測(cè)量 方法。本文采用的是譜分析法測(cè)相位，其原理是通過(guò)Amplitude and Phase Spectrum 子程序 求取兩個(gè)正弦信號(hào)的頻域特性，取兩信號(hào)相頻特性曲線中對(duì)應(yīng)于信號(hào)各頻率分量的相位值， 再根據(jù)采樣信號(hào)的周期數(shù)用Index Array 函數(shù)確定兩個(gè)信號(hào)主頻分量的相位，將其相減即得 相位差[4]?？驁D程序如圖4 所示。
?。?）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分由Open/Creat/Replace File、Write File 、Close File 和Simple Error Handler 組成，另外采用了Format into String 功能定義了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的格式，并用Get Data/Time String 功能返回每次測(cè)量的時(shí)間?？驁D程序如圖5 所示。
4、測(cè)量結(jié)果討論
利用“移相橋”電路進(jìn)行測(cè)試，在某一狀態(tài)下得到測(cè)量結(jié)果如下，與各參數(shù)的理論值相 比較略有誤差。其原因在于一方面數(shù)據(jù)在采集、傳送和轉(zhuǎn)換過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生各種噪 聲和干擾，外界的干擾也會(huì)侵入到系統(tǒng)中來(lái)，因此在數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中，數(shù)字化測(cè)量將會(huì)造 成一定的誤差；另一方面信號(hào)的頻率應(yīng)該是確定的，但實(shí)際中會(huì)存在頻率偏差，這也是引起 相差測(cè)量不準(zhǔn)的原因。另外，器件所標(biāo)參數(shù)值與實(shí)際值之間也存在誤差，但不斷改良測(cè)量算 法和采用性能更加優(yōu)良的數(shù)據(jù)采集卡會(huì)取得更好的測(cè)量效果。
三．結(jié)束
目前，美國(guó)的NI 公司和HP 公司在虛擬儀器的研究方面處于領(lǐng)先地位，能購(gòu)買其虛擬 儀器產(chǎn)品必將有助于我們的科研和教學(xué)工作，但價(jià)格十分昂貴。因此，根據(jù)自己的需要自行 研究和開(kāi)發(fā)虛擬儀器也是可行的。本文介紹的虛擬相位差計(jì)結(jié)合了示波器和相位差計(jì)的基本 功能，使用靈活方便，有效改善了本院電工實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件。相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)控技術(shù) 的不斷發(fā)展，虛擬儀器將成為未來(lái)教學(xué)科研的重要方法和手段，將逐漸取代傳統(tǒng)儀器成為測(cè) 試儀器的主流。