北大普通物理综合实验课件17虚拟仪器测量功能的开发与应用

LabVIEW和虚拟仪器在电学实验方面的开发和应用电子学系什么是labview•LabVIEW是一种基于流程图的图形化编程方式。它提供了一个集成开发环境的平台，使得开发标准化总线和网络化、软件化的仪器成为可能虚拟仪器•虚拟仪器VI（virtualinstruments）是LabVIEW首先提出的创新概念。•虚拟仪器是以计算机硬件为平台，有传感器，模块化硬件接口卡，以及测量软件库构成的虚实并存的测量仪器虚拟仪器的概念实际上是一种编程思想•一个VI可以由前面板，数据流框图和图标连接端口组成。•前面板相当于真实物理仪器的操作面板。•数据流框图就相当于仪器的电路结构。•图标连接端口则负责前面板窗口和框图窗口之间的数据传输和交换。•从模拟技术向数字技术过渡，从完全由硬件实现其功能向软硬件结合方向过渡，从简单的功能组合向以个人计算机为核心的通用虚拟仪器平台过渡。实验目的•对labview的测量功能进行开发和应用主要工作以弗兰克赫兹实验为对象，逐步开发labview的测量功能，并将这些功能使用在F-H实验中，进一步改进F-H实验的测量部分。程序设计思想：程序设计流程图DAQ模块采集这是整个实验的基础，只有采集到了大量并且可信的数据整个实验才可能成功。此部分的关键问题是如何使DAQassistant功能模块中的各参数设置较好上图模块是一个数据采集模块，它可以控制外部连续采集。数据采集卡的采样率以及样本数，其内部设置如右图所示。利用它我们可以控制采集卡进行三种模式的采集：1）Acquire1sample(单点采集)；2）AcquireNSample(N点采集)；3）AcquireContinuously(连续采集。）关于采样率的一些讨论•采集卡实际上是将连续的信号按照一定的时间间隔离散的采集，理论上讲自然式采样率越高越好，但是如果遇到如图所示的信号，采样率过高，反而不好。•采样率过高会将噪声或干扰信号也采集，导致信号处理十分繁琐•本次实验中我们选择了采样率2000Hz,采集样本数200的条件。图中蓝点表示低采样率绿点表示高采样率显示部分傅氏分析•这部分在赫兹实验中并没有要求，但是在现代物理实验中，傅氏分析是一种十分常用而且重要的分析手段。傅立叶分析可以显示出来在频域范围内的多种结果，所以我们在这里考虑加入傅立叶分析。平滑部分•由于物理实验仪器中扫描电压纹波系数过大，实测曲线中间始终夹杂噪声，结果不能得到理想的曲线。因此我们需要对实测数据进行平滑处理。•在这个过程中我们遇到了一些难以解决的问题：F—H实验测量得到的曲线不是一条可以用基本数学函数描述的曲线，如何设计一个适当的算法成为一个棘手的问题。尝试算法•最初从数学上寻求解决办法，尝试了线性插值、分段线性插值、样条插值等多种经典的数学拟合办法。•效果都不太好解决办法•放弃了从数学角度拟合的思想，转而从信号处理的角度入手。由于不平滑的部分是因为噪声造成的，所以我们可以考虑利用数字滤波器，把噪声给滤掉。滤波器图片f(t)y(t)++--RC原理：•对于任意给定的一个函数f(t)，若积分对任意的均收敛，则它所定义的函数被称为f(t)的傅立叶变换，或者傅氏变换。可记做()()itFftedt(,)()F[()]()ftFF•傅氏变换将函数从时域转换到了频域上，使我们对其频域特性可以很方便的进行分析。•对于一个有噪声或者干扰的信号，对其进行傅氏变换：FFTFIR滤波器平滑前平滑后自动检峰存在问题•由于干扰信号不能在滤波时完全消除，所以输出波形中仍然有一些因为这些信号导致的“伪峰值”。•检峰时这些值也被检出，所以自动检峰还是有点问题，但是错误的峰值很容易判断出来•有待改进LabVIEW在赫兹实验中的应用•如何利用LabVIEW程序进行数据采集和测量。•在弗朗克——赫兹实验中利用LabVIEW程序进行数据测量结果。•虚拟仪器在物理实验中的应用前景展望LabVIEW的前面板设计LabVIEW的前面板设计•关于第一激发态的测量（180摄氏度&140摄氏度）•关于更高激发态的测量（126摄氏度）关于第一激发态的测量（180摄氏度）关于第一激发态的测量（180摄氏度）LabVIEW曲线和手动测量曲线的比较LabVIEW与手动测量峰值分析比较LabVIEW测量曲线得到的峰值如下：扫描电压峰值：1234567891011127.1V11.916.7V21.6V26.5V31.6V36.741.8V47.0V52.2V57.4V62.7V电子能级：12345678910114.8V4.8V4.9V4.9V5.1V5.1V5.1V5.1V5.2V5.2V5.2V手动测量曲线得到的峰值如下：扫描电压峰值：1234567891011127.3V12.1V16.9V21.9V26.9V31.9V36.9V42.3V47.3V52.8V58.1V63.6V电子能级：12345678910114.84.8V5.0V5.0V5.0V5.4V5.5V5.3V5.5V5.3V5.5关于第一激发态的测量（140摄氏度）关于第一激发态的测量（140摄氏度）关于第一激发态的测量（140摄氏度）关于更高激发态的测量（126摄氏度）关于更高激发态的测量（126摄氏度）关于更高激发态的测量(温度)关于更高激发态的测量(Ug1g2)关于更高激发态的测量(UKg1)关于更高激发态的测量(Ug2p)前景及展望