1、锁 相 放 大 器 的 LabVIEW实 现- I -摘 要锁 相 放 大 器 （ Lock-inAmplifier,LIA） 是 一 种 根 据 相 关 检 测 原 理 设 计 的 同 步 相 干 检 测仪 ， 能 够 准 确 检 测 提 取 出 淹 没 在 强 噪 声 背 景 中 的 周 期 性 有 用 信 号 ， 是 微 弱 信 号 检 测（ WeakSignalDetection） 领 域 中 最 重 要 和 最 有 效 的 精 密 仪 器 之 一 ， 广 泛 地 应 用 与 基 础 科学 研 究 、 国 防 科 技 、 生 物 医 学 信 号 、 物 理 探 伤 等 领 域 。相 敏
2、 检 波 器 （ PhaseSensitiveDetector,PSD） 是 锁 相 放 大 器 的 核 心 器 件 ， 能 够 实 现 对待 测 信 号 和 参 考 信 号 进 行 相 关 运 算 ； 而 低 通 滤 波 器 的 通 频 带 宽 决 定 了 相 敏 检 波 器 输 出 信号 的 谐 波 成 分 ， 进 而 对 锁 相 放 大 器 的 精 度 产 生 影 响 。 因 此 ， 本 文 着 重 研 究 了 相 敏 检 波 器和 低 通 滤 波 器 的 设 计 环 节 ， 并 在 参 考 信 道 设 置 了 两 路 正 交 的 参 考 信 号 以 避 免 了 输 出 结 果对 相 位
3、 差 的 依 赖 。本 文 通 过 分 析 锁 相 放 大 器 的 工 作 原 理 ， 利 用 虚 拟 仪 器 技 术 ， 基 于 LabVIEW软 件 开 发平 台 实 现 了 双 锁 相 放 大 器 的 设 计 方 案 。 经 测 试 证 明 ， 本 文 设 计 的 正 交 矢 量 型 数 字 锁 相 放大 器 具 有 较 好 的 抑 噪 性 能 ， 能 够 大 幅 度 提 高 输 出 信 号 的 信 噪 比 。关 键 词 ：锁相放大器；虚拟仪器；相敏检波器锁 相 放 大 器 的 LabVIEW实 现- II -Function realization of lock-in amplifi
4、er by LabVIEW programmingAbstractLock-in Amplifier (LIA),based on the principle of correlation-detecting, is one of themost effective meansin weak signal detections and prove to be able to detect and measureperiodical signals, the magnitude of which are usually so weak against the surrounding noise,
5、widely used in the fields of scientific research, national defense science and technology,biomedicalengineering,physicaldetection,andsoon.Phase sensitive detector(PSD) is the core of the lock-in amplifier and can identify themeasured signals whose frequency is the same as the reference signal; and i
6、ts output isdetermined by the pass band-width of frequency of the LPF, which also affects the precisionof the lock-in amplifier. Thus, this paper studies the realization of the PSD and the LPF, andset up two orthogonal reference signal channels to avoid the dependence on the phasedifference.The pape
7、r analyses the realization of the lock-in amplifier, and use LabVIEW to realizethedual-phaselock-inamplifier.And,itprovestobeeffectivethroughthesimulations,showsa good performance in the detection of weak signals, and greatly improves the SNR of theoutputsignals.Key Words： Lock-in Amplifier； Virtual
8、 Instrument； Phase Sensitive Detector锁 相 放 大 器 的 LabVIEW实 现- III -目 录摘 要 .IAbstractII1 绪 论 .11.1 课 题 研 究 背 景 及 意 义 11.2 微 弱 信 号 检 测 11.3 锁 相 放 大 器 发 展 概 况 31.4 虚 拟 仪 器 技 术 与 LabVIEW简 介 .41.4.1 虚 拟 仪 器 技 术 .41.4.2 LabVIEW简 介 .61.5 本 章 小 结 .92 锁 相 放 大 器 的 基 本 理 论 .102.1 相 关 检 测 原 理 102.2 相 关 检 测 技 术 1
9、12.3 正 交 矢 量 型 锁 相 放 大 器 122.4 模 拟 与 数 字 锁 相 放 大 器 性 能 对 比 122.4 数 字 滤 波 器 的 设 计 132.5 本 章 小 结 153 数 字 锁 相 放 大 器 的 软 件 设 计 .173.1 数 字 锁 相 放 大 器 的 前 面 板 .173.2 数 字 锁 相 放 大 器 程 序 框 图 .183.3 各 子 模 块 设 计 及 功 能 介 绍 .203.3.1 信 号 生 成 模 块 .203.3.2 前 级 滤 波 模 块 .223.3.3 相 敏 检 波 模 块 .233.3.4 信 号 还 原 模 块 .253.3
10、.5 测 量 显 示 模 块 .263.3 本 章 小 结 274 系 统 性 能 测 试 与 分 析 .284.1 部 分 模 块 功 能 仿 真 与 调 试 284.1.1 信 号 生 成 模 块 仿 真 与 调 试 .284.1.2 前 级 滤 波 模 块 仿 真 效 果 分 析 .29锁 相 放 大 器 的 LabVIEW实 现- IV -4.1.3 相 敏 检 波 模 块 仿 真 测 试 .294.2 整 体 模 块 性 能 测 试 304.2.1 系 统 准 确 性 测 试 .304.2.2 系 统 动 态 检 测 范 围 与 抑 噪 性 能 测 试 .304.3 锁 相 放 大
11、器 与 普 通 带 通 滤 波 器 性 能 比 较 324.4 本 章 小 结 .34结 论 .35参 考 文 献 .36致 谢 .37锁 相 放 大 器 的 LabVIEW实 现- 1 -1 绪 论1.1 课 题 研 究 背 景 及 意 义锁 相 放 大 器 功 能 的 十 分 强 大 和 应 用 极 其 广 泛 ， 属 于 精 密 仪 器 范 畴 ， 设 备 维 护 专 业 化要 求 高 ， 体 积 庞 大 且 价 格 十 分 昂 贵 ， 数 据 处 理 不 太 灵 活 ， 而 且 不 能 够 实 现 多 个 用 户 的 交流 使 用 。 虚 拟 仪 器 技 术 采 用 可 视 化 的 图
12、 形 化 编 程 环 境 和 平 台 ， 提 供 功 能 强 大 的 数 据 处 理软 件 包 ， 具 有 编 程 入 手 快 速 、 使 用 高 效 灵 活 等 特 点 。 因 此 ， 本 文 以 微 弱 信 号 检 测 技 术 中的 较 为 重 要 的 锁 相 放 大 器 为 例 ， 利 用 LabVIEW软 件 开 发 平 台 ， 设 计 了 一 种 虚 拟 锁 相 放 大器 。 虚 拟 仪 器 语 言 LabVIEW具 有 通 用 性 强 、 便 于 移 植 、 维 护 方 便 等 特 点 ， 使 用 LabVIEW制 作 的 锁 相 放 大 器 参 数 配 置 更 加 方 便 灵 活
13、 ， 用 户 可 以 根 据 自 身 需 求 更 改 配 置 ； 成 本 低 廉 ，只 有 软 件 、 标 准 化 硬 件 的 开 发 成 本 ， 而 且 标 准 化 硬 件 的 通 用 性 使 其 相 对 成 本 较 低 ； 操 作方 便 ， 只 需 在 计 算 机 上 对 前 面 板 操 作 即 可 实 现 模 拟 实 际 仪 器 的 功 能 ， 用 户 不 需 要 对 仪 器内 部 的 设 计 完 全 了 解 也 可 以 根 据 说 明 进 行 操 作 和 应 用 ； 数 据 处 理 方 便 且 便 于 多 用 户 共 享 ，可 接 住 LabVIEW提 供 的 工 具 包 将 数 据
14、写 入 文 本 文 档 或 电 子 表 格 中 ， 直 接 保 存 在 计 算 机 的硬 盘 上 ， 为 实 验 数 据 处 理 带 来 了 极 大 的 便 利 条 件 ， 还 可 以 直 接 通 过 打 印 机 等 设 备 将 数 据 、波 形 等 打 印 出 来 ； 而 且 可 利 用 互 联 网 实 现 远 程 仪 器 共 享 ， 方 便 多 用 户 交 流 使 用 。本 文 采 用 LabVIEW 软 件 开 发 平 台 设 计 了 一 种 虚 拟 数 字 锁 相 放 大 器 ， 实 现 了 测 量 仪 器的 智 能 化 、 多 样 化 、 模 块 化 ， 并 且 用 数 字 锁 相
15、放 大 器 完 成 了 参 数 测 量 实 验 ， 可 以 将 测 量结 果 实 时 、 直 观 地 显 示 出 来 ， 具 有 较 好 的 抑 噪 能 力 和 信 噪 改 善 比 。1.2微 弱 信 号 检 测科 学 家 和 工 程 师 们 在 探 索 地 球 物 理 现 象 、 规 律 及 其 工 程 应 用 中 ,时 常 会 碰 到 感 兴 趣 的微 弱 有 用 信 号 （ 可 达 毫 微 伏 量 级 ） 被 背 景 噪 声 覆 盖 的 问 题 ,比 如 生 物 电 信 号 测 量 、 机 械震 动 波 的 频 谱 特 性 分 析 以 及 弱 电 信 息 的 噪 声 过 滤 等 ,微 弱
16、 信 号 检 测 技 术 的 迅 速 发 展 使 这些 问 题 的 解 决 成 为 可 能 。微 弱 信 号 检 测 是 一 门 综 合 利 用 电 子 学 、 信 息 论 及 物 理 学 的 方 法 ， 探 索 噪 声 源 的 产 生和 统 计 学 规 律 ， 研 究 感 兴 趣 的 未 知 信 号 的 特 性 和 相 干 关 系 ， 从 而 检 测 并 恢 复 被 背 景 噪 声覆 盖 的 微 弱 信 号 的 新 兴 学 科 。 微 弱 信 号 一 般 来 讲 具 备 两 个 特 征 含 义 ： 既 表 示 有 用 信 号 本身 的 幅 度 绝 对 值 较 小 ， 也 指 相 对 背 景
17、噪 声 比 较 微 弱 甚 至 于 被 噪 声 淹 没 。 噪 声 是 一 种 无 法预 知 任 一 瞬 时 量 的 随 机 信 号 ， 对 有 用 信 号 的 检 测 和 提 取 造 成 了 干 扰 。 研 究 如 何 提 取 背 景锁 相 放 大 器 的 LabVIEW实 现- 2 -噪 声 下 的 微 弱 信 号 是 当 今 信 号 分 析 与 处 理 领 域 的 热 点 之 一 ， 在 雷 达 与 电 子 对 抗 、 无 线 通信 、 传 感 器 、 系 统 辨 识 、 地 球 物 理 勘 测 等 领 域 有 着 非 常 广 泛 的 应 用 前 景 。微 弱 信 号 检 测 技 术 的
18、 研 究 重 点 在 于 抑 制 噪 声 和 改 善 信 噪 比 。 当 前 ， 学 术 上 对 微 弱 信号 检 测 技 术 的 研 究 重 点 内 容 包 括 ： （ 1） 研 究 噪 声 的 成 因 和 统 计 学 规 律 ， 寻 找 抑 制 措 施 ；（ 2） 输 出 信 号 多 次 平 均 ， 提 高 信 噪 改 善 比 ； （ 3） 根 据 功 率 谱 的 理 论 获 取 单 次 信 号 ； （ 4）改 善 传 感 器 的 低 噪 声 前 置 放 大 器 的 设 计 ； （ 5） 快 速 瞬 变 的 处 理 ； （ 6） 减 少 测 量 时 间 及随 机 噪 声 的 平 均 ； （
19、 7） 检 测 恢 复 低 占 空 比 信 号 ； （ 8） 模 拟 锁 相 量 化 混 合 数 字 平 均 技 术 。从 强 噪 声 背 景 下 提 取 并 检 测 微 弱 信 号 ， 在 无 线 通 信 、 传 感 器 及 机 械 故 障 诊 断 等 领 域应 用 广 泛 。 传 统 的 检 测 理 论 和 算 法 主 要 包 括 相 关 检 测 法 、 取 样 积 分 法 、 光 子 计 数 技 术 和现 代 谱 估 计 理 论 等 。 常 规 的 微 弱 信 号 检 测 方 法 具 有 一 定 的 限 制 ， 一 般 要 求 有 较 高 的 检 测阈 值 。 近 年 来 ， 一 些 学
20、 者 在 对 非 线 性 系 统 进 行 深 入 的 研 究 后 ， 提 出 了 诸 如 混 沌 振 子 、 谐波 小 波 、 随 机 共 振 和 其 他 的 新 理 论 和 研 究 成 果 ， 并 把 这 些 理 论 逐 步 应 用 于 微 弱 信 号 检 测领 域 。1928年 ， Johnson在 研 究 电 子 热 骚 动 运 动 产 生 的 噪 声 过 程 中 ， 提 出 了 随 机 共 振 与 混 沌等 理 论 ， 在 微 弱 信 号 检 测 领 域 有 了 突 破 性 的 研 究 成 果 。 1992年 ， D L Birx和 S JPipenberg利 用 混 沌 复 杂 转
21、换 前 馈 网 络 初 步 研 究 了 如 何 对 背 景 噪 声 下 的 信 号 进 行 分 类 和 提 取 等 ， 之后 J Stark和 B V Arumugam又 研 究 了 从 强 噪 声 背 景 下 提 取 微 弱 小 信 号 的 新 算 法 。D S Broomhead等 人 在 非 线 性 反 滤 波 的 基 础 上 提 出 了 相 空 间 重 构 方 法 ， 并 成 功 地 提 取出 淹 没 在 噪 声 中 的 有 用 信 号 。 1993年 ， SimonHaykin和 LiXiaoBob在 对 海 面 弱 信 号 回 波中 的 微 弱 目 标 信 号 检 测 中 应 用
22、了 混 沌 理 论 和 神 经 网 络 检 测 算 法 。 次 年 ， 他 们 又 研 究 了 混沌 背 景 下 微 弱 信 号 的 检 测 问 题 ， 并 建 立 了 基 于 BP算 法 训 练 的 多 层 感 知 器 网 络 的 模 型 ， 分别 提 出 了 相 干 与 非 相 干 检 测 法 。 1997年 WardSmallIV和 PeterM.Celliers人 成 功 研 发 出 双色 红 外 测 温 仪 ， 如 锁 相 放 大 器 通 过 光 纤 和 低 温 的 测 量 ， 使 用 探 测 器 调 制 ， 再 通 过 锁 相 放大 器 解 调 检 波 器 的 信 号 ， 实 现
23、了 对 低 温 对 象 发 射 微 弱 信 号 的 检 测 。 2000年 西 北 轻 工 业 学院 刘 建 等 人 依 据 相 关 性 原 理 ， 通 过 80C552处 理 器 成 功 滤 除 了 信 号 中 的 白 噪 声 ， 并 在 信 号处 理 电 路 中 配 置 了 信 号 通 道 以 及 参 考 信 号 通 道 ， 研 制 出 “ BHJ 400” 型 红 外 测 温 仪 ， 有效 地 把 深 埋 在 强 噪 声 中 的 微 弱 信 号 提 取 出 来 。 2001年 哈 尔 滨 工 业 大 学 戴 景 民 教 授 领 导 课题 组 提 出 由 折 反 式 闪 耀 光 栅 分 光
24、 红 外 光 学 系 统 ， 八 元 碲 镉 汞 探 测 器 阵 列 接 收 光 谱 辐 射 能量 和 相 敏 检 波 检 测 微 弱 信 号 的 方 案 ， 并 成 功 研 制 出 了 红 外 多 光 谱 辐 射 温 度 测 量 系 统 实 现了 微 弱 光 电 信 号 的 检 测 。 2003年 ， 戴 景 民 教 授 又 利 用 双 向 反 射 分 布 函 数 (BRDF)NU量 理 论进 行 研 究 ， 设 计 出 了 一 套 集 光 、 机 、 电 于 一 体 的 BRDF自 动 测 量 系 统 .2007年 ， 郝 剑 、 柯锁 相 放 大 器 的 LabVIEW实 现- 3 -熙
25、 政 、 李 建 勋 等 人 曾 对 有 限 精 度 下 的 时 空 混 沌 伪 随 机 序 列 进 行 了 深 入 研 究 ， 取 得 了 一 定的 成 果 。很 长 的 一 段 时 间 里 ， 国 内 外 学 者 对 于 微 弱 信 号 的 检 测 主 要 还 是 基 于 相 关 检 测 的 原 理 。相 关 检 测 技 术 的 发 展 方 向 是 进 一 步 提 高 灵 敏 度 和 信 号 处 理 能 力 ， 使 定 位 精 度 得 到 增 强 。相 关 检 测 技 术 是 根 据 待 测 信 号 的 周 期 性 和 噪 声 的 随 机 性 的 特 点 ， 与 之 进 行 自 相 关 或
26、 互 相关 运 算 ， 从 而 达 到 滤 除 噪 声 的 目 的 。 也 就 是 说 ， 相 关 检 测 主 要 是 对 信 号 和 噪 声 进 行 相 关性 分 析 ， 最 大 限 度 压 缩 带 宽 和 抑 制 噪 声 以 实 现 检 测 出 微 弱 信 号 的 功 能 。 由 于 互 相 关 检 测的 抗 干 扰 性 能 比 自 相 关 好 ， 因 此 本 文 中 以 互 相 关 检 测 为 原 理 。随 着 对 检 测 理 论 和 算 法 研 究 的 不 断 深 入 ， 高 精 密 设 备 在 微 弱 信 号 检 测 中 使 用 越 来 越多 。 高 性 能 和 低 成 本 的 数
27、字 集 成 电 路 器 件 如 数 字 信 号 处 理 器 （ DSP,DigitalSignalProcessing） 、 现 场 可 编 程 逻 辑 器 件 （ FPGA,FieldProgrammableGateArray） 等 ， 模 拟电 路 部 分 功 能 数 字 化 实 现 了 先 进 的 信 号 处 理 算 法 ， 因 此 大 幅 度 改 善 和 提 升 检 测 设 备 的 测试 性 能 。 数 字 化 、 智 能 化 和 便 携 式 是 微 弱 信 号 检 测 设 备 的 发 展 方 向 。 目 前 ， 技 术 相 对 成熟 的 微 弱 信 号 检 测 仪 器 主 要 有 ：
28、 锁 相 放 大 器 、 光 子 计 数 器 、 低 噪 声 放 大 器 和 取 样 积 分 器等 。1.3锁 相 放 大 器 发 展 概 况锁 相 放 大 器 是 在 相 关 检 测 技 术 的 基 础 上 ， 依 据 互 相 关 原 理 研 发 的 一 种 相 干 检 测 设 备 。具 体 来 讲 ， 锁 相 放 大 器 是 一 种 对 检 测 信 号 和 参 考 信 号 进 行 互 相 关 运 算 的 电 子 设 备 ， 利 用参 考 信 号 与 待 测 有 用 信 号 相 关 而 与 噪 声 频 谱 不 相 关 的 特 性 ， 从 背 景 噪 声 中 检 测 出 微 弱 有用 信 号
29、。 不 同 于 一 般 的 带 通 放 大 器 ， 锁 相 放 大 器 输 出 的 信 号 不 是 输 入 信 号 的 简 单 放 大 ，而 是 把 交 流 分 量 放 大 并 变 成 响 应 的 直 流 信 号 输 出 。 由 于 具 有 稳 定 的 中 心 频 率 、 较 窄 的 通频 带 、 较 高 的 品 质 因 数 等 优 越 性 能 ， 锁 相 放 大 器 在 微 弱 信 号 检 测 领 域 得 到 了 广 泛 应 用 。美 国 EG& PARC（ SIGANLRECOVERY公 司 前 身 ） 公 司 于 1962年 成 功 发 明 出 了 世 界上 第 一 台 锁 相 放 大
30、器 （ Lock-inAmplifier,LIA， 也 称 锁 定 放 大 器 ） ， 解 决 了 微 弱 信 号 检测 过 程 中 去 除 噪 声 的 技 术 难 关 ， 极 大 促 进 了 微 弱 信 号 检 测 与 提 取 技 术 的 发 展 。 近 20年 以来 ， 学 者 们 不 断 向 前 推 进 和 深 入 锁 相 放 大 器 的 研 究 ， 使 其 各 项 检 测 技 术 性 能 也 获 得 了 极大 的 改 善 。 目 前 微 弱 信 号 检 测 技 术 和 仪 器 的 不 断 发 展 ， 已 经 广 泛 应 用 在 诸 多 基 础 科 学 研究 和 实 际 工 程 实 践
31、技 术 领 域 中 ， 科 学 研 究 引 领 着 当 前 锁 相 放 大 器 的 发 展 方 向 ， 同 时 工 程应 用 反 过 来 对 锁 相 放 大 器 的 检 测 性 能 也 提 出 了 更 高 的 要 求 指 标 。以 前 的 锁 相 放 大 器 都 是 通 过 模 拟 电 子 线 路 来 实 现 ， 在 动 态 范 围 、 线 性 失 真 、 噪 声 以及 零 点 漂 移 等 方 面 表 现 不 佳 。 由 于 数 字 技 术 的 出 现 和 不 断 发 展 ， 促 使 出 现 了 模 数 技 术 相锁 相 放 大 器 的 LabVIEW实 现- 4 -结 合 的 模 拟 锁 相
32、 放 大 器 ， 一 则 是 在 输 入 信 号 通 道 、 参 考 信 号 通 道 和 输 出 信 号 通 道 增 加 了数 字 滤 波 功 能 来 抑 制 部 分 噪 音 ， 又 或 者 在 模 拟 锁 相 放 大 器 的 原 来 设 备 上 增 加 了 一 些 模 拟数 字 转 换 、 数 字 模 拟 转 换 和 各 种 普 通 数 字 接 口 功 能 ， 能 够 实 现 由 计 算 机 操 作 、 监 控 和 显示 等 附 加 功 能 ， 但 其 核 心 相 敏 检 波 器 或 调 制 解 调 器 仍 使 用 模 拟 电 子 技 术 实 现 ， 实 质 上 也是 模 拟 锁 相 放 大
33、 器 。 直 到 相 敏 检 波 器 或 解 调 器 也 使 用 数 字 电 路 实 现 后 ， 就 出 现 了 真 正 意义 上 的 数 字 锁 相 放 大 器 ， 数 字 锁 相 放 大 器 比 模 拟 锁 相 放 大 器 有 许 多 杰 出 的 优 点 而 备 受 欢迎 ， 成 为 现 在 微 弱 信 号 检 测 领 域 的 热 点 。 数 字 技 术 的 不 断 向 前 推 进 ， 逐 渐 出 现 了 使 用FPGA、 DSP或 者 单 片 机 技 术 实 现 的 新 型 数 字 锁 相 放 大 器 ， 系 统 误 差 小 、 稳 定 性 好 、 功能 丰 富 、 独 立 于 温 度
34、和 直 流 偏 置 影 响 之 外 ， 从 而 对 锁 相 放 大 器 的 主 流 发 展 方 向 产 生 了 深刻 影 响 。 特 别 是 基 于 PC的 系 统 级 模 块 化 数 字 锁 相 放 大 器 ， 其 最 大 优 点 在 于 数 字 处 理 单 元的 核 心 是 由 内 部 资 源 库 巨 大 、 性 能 十 分 强 大 的 CPU构 成 ， 各 种 应 用 软 件 在 操 作 系 统 平 台上 运 行 ， 且 算 法 设 计 不 受 硬 件 平 台 的 限 制 ， 大 大 提 高 了 数 字 锁 相 放 大 器 的 可 扩 展 性 。外 国 的 科 研 机 构 对 于 锁 相
35、 放 大 器 的 研 究 较 早 ， 技 术 相 对 成 熟 。 当 前 市 场 上 通 用 的 主流 锁 相 放 大 器 主 流 产 品 都 来 自 美 国 和 日 本 ， 其 中 比 较 典 型 有 美 国 斯 坦 福 研 究 系 统 （ SRC，StanfordResearchSystem） 设 计 与 生 产 的 SR8XX系 列 ， 美 国 信 号 还 原 公 司 （ SignalRecovery） 提 出 的 Model7256系 列 产 品 ， 和 日 本 NF公 司 的 LI5630/5640产 品 等 。 这 些 锁 相放 大 器 具 有 非 常 高 的 稳 定 性 和 灵
36、敏 度 ， 已 然 成 为 自 动 化 与 测 控 领 域 的 标 准 。相 比 国 外 ， 国 内 方 面 对 锁 相 放 大 器 的 研 究 要 晚 一 些 ， 主 要 集 中 在 一 些 高 等 院 校 及 科研 机 构 。 目 前 国 内 自 主 研 制 的 通 用 锁 相 放 大 器 产 品 种 类 还 较 少 ， 主 要 有 南 京 大 学 唐 洪 宾等 研 发 的 FS型 和 ND型 系 列 产 品 ， 中 电 第 四 十 一 所 研 制 的 AV3891型 锁 相 放 大 器 等 。1.4虚 拟 仪 器 技 术 与 LabVIEW简 介1.4.1 虚 拟 仪 器 技 术1986
37、年 ， 美 国 国 家 仪 器 （ NationalInstrumentsCorp， 简 称 NI） 推 出 了 虚 拟 仪 器 (VirtualInstrument,简 称 VI)的 概 念 。 虚 拟 仪 器 技 术 深 层 结 合 了 现 代 计 算 机 技 术 与 仪 器 技 术 ， 成 为计 算 机 辅 助 测 试 （ Computer-aidedTest， CAT） 领 域 中 的 一 项 重 要 技 术 1。在 过 去 的 20年 里 ， 计 算 机 的 迅 速 普 及 极 大 地 推 动 了 用 于 测 试 、 测 量 和 自 动 化 等 领 域的 仪 器 发 展 。 虚 拟
38、仪 器 是 计 算 机 普 及 以 来 最 主 要 的 一 个 发 展 产 物 ， 使 得 科 学 家 和 工 程 师们 能 够 在 科 学 研 究 和 工 程 应 用 中 得 以 提 高 生 产 效 率 、 改 善 测 量 仪 器 的 精 度 和 性 能 。 虚 拟仪 器 由 一 个 工 业 标 准 计 算 机 或 工 作 站 配 备 了 功 能 强 大 的 应 用 软 件 、 高 性 价 比 的 模 块 化 软件 （ 如 插 件 板 和 驱 动 软 件 ） ， 共 同 完 成 传 统 仪 器 的 功 能 。 虚 拟 仪 器 代 表 了 从 传 统 的 硬 件为 中 心 的 仪 器 系 统
39、的 根 本 性 转 变 ， 虚 拟 仪 器 的 硬 件 系 统 （ 尤 其 是 I/O接 口 设 备 ） 对 输 入锁 相 放 大 器 的 LabVIEW实 现- 5 -信 号 进 行 采 集 、 测 量 与 调 理 ； 软 件 才 是 仪 器 系 统 的 关 键 ， 计 算 机 软 件 完 成 信 号 数 据 的 运算 、 分 析 和 处 理 过 程 ， 在 计 算 机 显 示 器 上 模 拟 传 统 仪 器 的 控 制 面 板 ， 以 数 据 、 表 格 及 波形 等 各 种 形 式 输 出 检 测 结 果 ， 实 现 满 足 用 户 需 求 的 各 种 测 试 功 能 。 虽 然 计 算
40、 机 技 术 和 集成 技 术 在 过 去 的 20年 里 都 有 了 显 著 的 进 步 ， 但 虚 拟 仪 器 技 术 提 供 了 建 立 在 这 个 强 大 的硬 件 技 术 上 的 虚 拟 仪 器 ， 能 够 更 好 地 使 用 创 新 的 方 法 实 现 测 试 、 测 控 以 及 自 动 化 等 功 能 ，显 著 降 低 成 本 ， 提 高 效 率 。 随 着 虚 拟 仪 器 的 发 展 ， 工 程 师 和 科 学 家 们 得 以 彻 底 满 足 他 们对 设 计 的 需 求 （ 用 户 自 定 义 ） ， 而 不 是 通 过 传 统 仪 器 的 固 化 了 的 功 能 用 于 测
41、 量 和 自 动 化领 域 （ 供 应 商 定 义 ） 。传 统 仪 器 如 示 波 器 、 波 形 发 生 器 等 都 具 备 很 强 大 的 功 能 ， 但 是 一 般 价 格 比 较 昂 贵 ，而 且 只 能 够 按 照 供 应 商 的 定 义 进 行 一 个 或 多 个 任 务 。 一 般 情 况 下 ， 用 户 不 能 跨 领 域 或 自定 义 使 用 的 硬 件 仪 器 设 备 。 提 供 给 用 户 的 传 统 仪 器 的 旋 钮 和 按 钮 ， 内 置 的 电 路 及 其 功 能 ，都 是 特 定 于 仪 器 的 性 质 。 此 外 ， 专 用 的 技 术 和 昂 贵 的 资
42、金 投 入 使 得 这 些 传 统 仪 器 的 开 发周 期 非 常 长 ， 不 利 于 科 学 技 术 和 工 程 应 用 的 长 期 发 展 。 相 比 之 下 ， 由 于 虚 拟 仪 器 是 基 于PC的 ， 可 以 充 分 利 用 最 新 技 术 的 优 势 将 其 纳 入 现 成 的 计 算 机 体 系 内 。 这 些 先 进 的 技 术和 性 能 ， 正 在 迅 速 地 减 小 独 立 仪 器 和 计 算 机 技 术 之 间 的 差 距 。所 谓 虚 拟 仪 器 ， 是 以 通 用 计 算 机 为 核 心 ， 根 据 用 户 度 对 仪 器 的 设 计 定 义 ， 用 软 件 实现
43、 虚 拟 控 制 面 板 和 测 试 功 能 的 一 种 计 算 机 仪 器 系 统 。 在 虚 拟 仪 器 系 统 中 ， 硬 件 积 极 式 为了 解 决 信 号 的 输 入 、 输 出 、 和 调 理 ， 软 件 才 是 整 个 仪 器 系 统 的 关 键 ， 上 使 用 者 可 以 通 过修 改 软 件 ， 方 便 地 改 变 、 增 减 仪 器 系 统 的 功 能 与 规 模 ， 所 以 说 “ 软 件 即 是 仪 器 ” 。虚 拟 仪 器 由 通 用 仪 器 平 台 （ 简 称 硬 件 平 台 ） 和 应 用 软 件 两 大 部 分 构 成 。 随 着 测 试 、测 量 应 用 的
44、 日 益 复 杂 ， 目 前 市 场 上 提 供 的 模 块 化 硬 件 产 品 也 非 常 丰 富 ， 比 如 ， 总 线 类 型支 持 PCI、 PXI、 PCMCIA、 USB和 1394总 线 等 ， 产 品 种 类 从 数 据 采 集 、 信 号 调 理 、 声音 和 振 动 测 量 、 视 觉 、 运 动 、 仪 器 控 制 、 分 布 式 I/O到 CAN接 口 等 工 业 通 信 等 。 按 照硬 件 接 口 的 不 同 ， 虚 拟 仪 器 可 分 为 基 于 PC总 线 、 GPIB 总 线 、 VXI 总 线 、 PXI 总 线 和LXI 总 线 的 5 种 标 准 体 系
45、 结 构 。 虚 拟 仪 器 的 软 件 构 架 从 底 层 到 顶 层 ， 由 VISA（ VirtualInstrumentationSoftwareArchitecture） 库 、 仪 器 驱 动 库 、 应 用 软 件 三 部 分 组 成 。 VISA库实 质 上 就 是 标 准 I/O库 函 数 及 相 关 规 范 的 总 称 ， 一 般 将 I/O函 数 库 称 为 VISA库 。 VISA库 驻 留 于 计 算 机 系 统 中 执 行 仪 器 总 线 的 特 殊 功 能 ， 起 着 连 接 计 算 机 与 仪 器 的 作 用 ， 以 实现 对 仪 器 的 控 制 。 仪 器 驱
46、 动 程 序 是 指 能 实 现 某 一 仪 器 控 制 系 统 与 通 信 的 软 件 程 序 集 ， 是语 言 程 序 实 现 仪 器 控 制 的 桥 梁 。 仪 器 的 驱 动 程 序 有 仪 器 生 产 商 以 源 代 码 形 式 提 供 给 用 户使 用 ， 每 个 仪 器 模 块 都 有 自 己 的 仪 器 驱 动 程 序 。 仪 器 驱 动 程 序 又 称 为 驱 动 器 。 目 前 ， 广泛 使 用 的 驱 动 器 规 范 有 VPP（ VXI Plug& Plus， 即 插 即 用 型 驱 动 器 ） 规 范 和 IVI锁 相 放 大 器 的 LabVIEW实 现- 6 -（
47、 InterchangeableVirtualInstruments， 互 换 型 驱 动 器 ） 规 范 两 种 类 型 。 应 用 软 件 是 直 接面 向 操 作 用 户 的 程 序 ， 该 软 件 简 历 在 仪 器 驱 动 程 序 之 上 ， 通 过 提 供 的 测 控 操 作 界 面 （ 或称 仪 器 面 板 ） 、 丰 富 的 数 据 分 析 与 处 理 功 能 等 完 成 自 动 测 试 任 务 。 尤 其 是 应 用 软 件 的 通用 数 字 处 理 软 件 ， 集 中 体 现 了 虚 拟 仪 器 的 特 点 。 虚 拟 仪 器 应 用 软 件 的 开 发 工 具 有 通 用
48、 编程 软 件 和 专 业 图 形 化 编 程 软 件 两 类 。 通 用 编 程 软 件 主 要 有 Microsoft公 司 的 VisualBasic与 VisualC+、 Borland 公 司 的 Dephi 和 Sybase 公 司 的 PowerBuilder。 这 类 软 件 功 能 强大 ， 但 不 是 专 门 为 虚 拟 仪 器 而 设 计 ， 因 此 利 用 通 用 编 程 软 件 开 发 虚 拟 仪 器 需 要 开 发 者 具备 较 高 的 软 件 编 程 技 术 ， 同 时 又 对 虚 拟 仪 器 技 术 也 有 相 当 的 了 解 。 专 业 化 图 形 编 辑 软
49、 件主 要 有 HP公 司 的 VEE， NI的 LabVIEW 和 LabWindows/CVI等 。 这 类 软 件 专 门 为 虚 拟仪 器 的 开 发 而 设 计 ， 对 开 发 者 的 要 求 较 低 ， 只 要 了 解 软 件 的 总 体 功 能 以 及 所 要 设 计 的 虚拟 仪 器 的 功 能 就 可 以 快 捷 方 便 地 进 行 开 发 。 LabVIEW 这 一 行 业 标 准 图 形 化 编 辑 软 件 ，不 仅 能 轻 松 方 便 地 完 成 与 各 种 软 硬 件 的 连 接 ， 更 能 提 供 强 大 的 后 续 数 据 处 理 能 力 ， 设 置数 据 、 转 换 、 存 储 的 方 式 ， 并 将 结 果 显 示 给 用 户 。虚 拟 仪 器 技 术 的 出 现 ， 使 得 科 学 家 和 工 程 师 们 再 也 不 用 封 闭 在 固 定 传 统 仪 器 的 狭 窄的 操 作 空 间 中 ， 能 够 很 容 易 根 据 自 己 的 需 求 建 立 测 量 和 控 制 系 统 。 在 通 信 工 程 、 物 理 勘
