隨著計算機技術、微電子技術和電子測試技術的迅猛發(fā)展，一種全新的測試儀器擬儀器(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，充分應用計算機獨具的運算、存儲、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，使之與計算機融于一體，這樣便構成了一臺從外觀到功能都能與傳統(tǒng)儀器相同，同時又充分享用了計算機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)測試和分析、結果輸出顯示三大部分組成。其中數(shù)據(jù)分析和結果輸出完全可由基于計算機的軟件系統(tǒng)來完成，因此只要另外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可構成由計算機組成的測量儀器。
一、圖形化軟件開發(fā)平臺LabVIEW
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering workbench)是一個圖形化程序 開發(fā)環(huán)境，主要用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、測試和儀器控制等領域。它與傳統(tǒng)編程語言有著 諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結構、程序調(diào)試工具，以及層次化、模塊化 的編程特點等。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程；而LabVIEW使用圖 形語言(即各種圖標、圖形符號、連線等)，以框圖的形式編寫程序。[2]
一個LabVIEW程序包括三個主要部分：前面板、框圖程序、圖標路線端口。前面板是 LabVIEW程序的交互式圖形化用戶界面，用于設置用戶輸入和顯示程序輸出，目的是仿真真 實儀器的前面板。框圖程序則是利用圖形語言對前面板上的控制量和指示量進行控制。圖標 路線端口用于把LabVIEW程序定義成一個子程序，以便在其它程序中加以調(diào)用，這使LabVIEW 得以實現(xiàn)層次化、模塊化編程。[3]
二、虛擬相位差計的設計
1、系統(tǒng)組成與功能
本虛擬儀器采用美國 NI 公司的Lab-PC-1200 型數(shù)據(jù)采集卡，將其直接插入到計算機相 應標準的總線擴展插槽內(nèi)構成PC-DAQ(Data Acquisition)插卡式虛擬儀器。主要測量兩個 同頻正弦信號的幅值、頻率、相位差等。系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示：
2、面板設計
軟面板程序為用戶提供一個友好的圖形化界面，面板中的所有對象基本上可分為控制量 和顯示量，控制量用來模擬傳統(tǒng)儀器上的開關和旋鈕；顯示量用于顯示測量和處理的結果。
LabVIEW 提供了非常豐富的界面控件對象，可以快捷地設計出生動、直觀、操作方便的用戶 界面。本文設計的虛擬相位差計軟面板如圖2 所示。
該軟面板左邊為實時波形顯示，可顯示從0 通道和1 通道實時采樣的兩個波形；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、相位差的測量結果。另外， 在運行該虛擬儀器時會彈出一個存儲窗口，可把程序運行結束之前所有的歷史測量記錄保存 在所指定的文件中，以備觀察分析和做進一步的處理。
3、程序框圖結構設計
虛擬相位差計的框圖程序如圖 3 所示，它采用的是圖形化編程語言，非常直觀。該框圖 包含了波形采集、波形顯示和調(diào)整、波形測量、數(shù)據(jù)存儲四部分。
（1）波形采集：本虛擬儀器采用的是美國NI 公司的 Lab-PC-1200 型數(shù)據(jù)采集卡，最高 采樣頻率為100KHz,輸入信號范圍為-5V~+5V，設置了1，0 兩個采樣通道。該部分由AIConfig、AI Start、AI Read、AI Single Scan 和AI Clear 組成。其中用了Max&Min 與一個移 位寄存器控制對采樣數(shù)據(jù)的讀取速度。
（2）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模擬輸入信號（二維數(shù)組） 按采集通道的不同用Index Array 函數(shù)分成兩個一維數(shù)組，再將它們分別用Bundle 函數(shù)組成 起點x0 = 0，時間間隔Δx = 0.001的簇，最后用Build Array函數(shù)將兩個簇組成簇數(shù)組送入 波形圖可觀察到兩列實時波形。若直接將兩個一維數(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Case 結構的作用是控制軟面板上幅基調(diào)節(jié)、 時基調(diào)節(jié)、波形選擇，通過鼠標調(diào)節(jié)這些旋鈕和垂直指針滑動條可調(diào)整實時波形在屏幕上的 顯示效果。
（3）波形測量：主要測量兩列正弦波的頻率、振幅和相差，其中著重研究了相差的測量 方法。本文采用的是譜分析法測相位，其原理是通過Amplitude and Phase Spectrum 子程序 求取兩個正弦信號的頻域特性，取兩信號相頻特性曲線中對應于信號各頻率分量的相位值， 再根據(jù)采樣信號的周期數(shù)用Index Array 函數(shù)確定兩個信號主頻分量的相位，將其相減即得 相位差[4]。框圖程序如圖4 所示。
（4）數(shù)據(jù)存儲：數(shù)據(jù)存儲部分由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)存儲的格式，并用Get Data/Time String 功能返回每次測量的時間。框圖程序如圖5 所示。
4、測量結果討論
利用“移相橋”電路進行測試，在某一狀態(tài)下得到測量結果如下，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)換過程中不可避免的會產(chǎn)生各種噪 聲和干擾，外界的干擾也會侵入到系統(tǒng)中來，因此在數(shù)據(jù)的處理過程中，數(shù)字化測量將會造 成一定的誤差；另一方面信號的頻率應該是確定的，但實際中會存在頻率偏差，這也是引起 相差測量不準的原因。另外，器件所標參數(shù)值與實際值之間也存在誤差，但不斷改良測量算 法和采用性能更加優(yōu)良的數(shù)據(jù)采集卡會取得更好的測量效果。
三．結束
目前，美國的NI 公司和HP 公司在虛擬儀器的研究方面處于領先地位，能購買其虛擬 儀器產(chǎn)品必將有助于我們的科研和教學工作，但價格十分昂貴。因此，根據(jù)自己的需要自行 研究和開發(fā)虛擬儀器也是可行的。本文介紹的虛擬相位差計結合了示波器和相位差計的基本 功能，使用靈活方便，有效改善了本院電工實驗教學條件。相信隨著計算機技術和測控技術 的不斷發(fā)展，虛擬儀器將成為未來教學科研的重要方法和手段，將逐漸取代傳統(tǒng)儀器成為測 試儀器的主流。