虚拟仪器

测量仪器发展至今，大体可以分为四个阶段：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。

模拟仪器：这类仪器是以电磁感应基本定律为基础的指针仪器仪表。

基本结构是电磁机械式的，借助指针来显示最终结果，如指针式万用表、三级管电压表等。

这类仪器在某些实验室仍能看到。

数字化仪器：这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。

这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。

智能仪器：这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理功能。

智能仪器的功能模块全部是以硬件和固化的软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。

虚拟仪器：是现代计算机软、硬件技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器发展的一个重要方向。

虚拟仪器技术是美国国家仪器公司（National Instruments，NI）在1986年提出的一种构成仪器系统的新概念，其基本思想是：用计算机资源取代传统仪器中的输入、处理和输出等部分，实现仪器硬件核心部分的模块化和最小化；用计算机软件和仪器软面板实现仪器测量和控制功能。

所谓虚拟仪器，就是以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。

虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用I/O接口设备完成信号的采集、测量和调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。

使用者利用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。

因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器和计算机的界限模糊了。

虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义：（1）虚拟仪器的面板是虚拟的。

虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。

虚拟仪器定义：虚拟仪器是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。

特点：（1）突出“软件就是仪器”的概念（2）丰富和增强了传统仪器的功能（3）仪器由用户自己定义（4）开放的工业标准（5）便于构成复杂的测试系统，经济性好。

发展趋势：1.网络化2.标准化 3.不断吸收新技术给虚拟仪器带来生机开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路。

高性能计算机的发展推动着仪器发展，计算机具有仪器所需要的最先进及性能价格比最好的显示与存储能力，尤其是计算机总线技术的发展虚拟仪器软件环境将朝着为广大用户提供简单易用的图形化开发环境，用于测试、测量与控制应用系统的开发，帮助工程师和科学家们实现更高的开发效率方向前进。

数据采集产品的性能的不断提高，为测试技术水平的提高提供了可靠保证。

随着网络技术的发展，”网络即仪器”将成为新的概念，网络化仪器必将在新世纪推动仪器界新的革命。

GPIB器件：执行IEEE488.2协议的各种设备统称为“GPIB器件”职能：1.控者职能2.讲者职能3.听者职能Gpib三线挂钩过程：（源方（讲者与控者）与受方（听者））①听者置NRFD为高，表示已做好接收数据准备；听者是线或连接至nrfd②讲者发现NRFD呈高后，讲者发送数据至DIO线上，并令DAV为低电平；表示dio上数据已经稳定且有效③听者发现DAV为低后，就令NRFD为低，表示准备接收数据；④听者接收数据时，ndac一直保持低电平，直至每个听者都收完数据后，置NDAC为高；⑤当讲者检出NDAC为高后，就令DAV为高，表示总线上数据不再有效。

⑥听者检出DAV为高，就令NDAC为低，准备下一个循环。

VXI总线标准是在VME总线标准在仪器领域的扩展。

VXI总线以其开放的系统结构、模块化的设计、紧凑的机械结构、良好的电磁兼容性，以及可靠性高、小型便携和灵活通信能力等一系列优点满足了工业领域需求，被公认为21世纪仪器总线系统和自动测试系统的优秀平台。

虚拟仪器（VI，Virtual Instrumentation）：是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的，并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板，以及由计算机所完成的仪器功能，都可由用户软件来定义的计算机仪器。

从虚拟仪器的组成结构上来看：（1）虚拟仪器的硬件是通用的（包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件）；(2）良好的人机界面。

虚拟仪器的面板（或称软面板）是虚拟的（通过“控件”虚拟出面板）；（3）功能强。

虚拟仪器的功能是由用户软件定义的;（4）虚拟仪器之“虚拟”含义:虚拟仪器面板；软件实现仪器功能。

如：基于高速数据采集硬件，通过计算机软件编程可实现“虚拟示波器”、“虚拟频谱仪”、“虚拟交流数字电压表”、“虚拟频率计”、“虚拟相位计”等不同仪器。

（5）因此，软件是虚拟仪器的核心，NI 提出“软件即仪器”（The software is the instrument）。

与传统仪器相比，虚拟仪器技术特点：1）功能强、性价比高、开放性（可扩充性）好；充分利用计算机丰富的软硬资源。

仪器功能可通过软件灵活设计（基于相同的硬件，通过软件设计可实现不同的虚拟仪器）。

仪器升级方便，性价比高（一机多用）。

基于计算机网络技术，可实现“网络化虚拟仪器”。

（2）操作方便；通过图形用户界面（GUI）操作虚拟仪器面板。

（3）硬件模块化、系列化；基于仪器总线技术，设计出模块化、系列化硬件。

1. 虚拟仪器系统组成及各部分基本功能虚拟仪器的系统构成硬件和软件两大部分构成。

硬件是基础，软件是核心。

各部分基本功能虚拟仪器的内部功能，可划分为信号调理与采集、数据分析和处理、参数设置和结果表达三大功能模块。

信号采集与控制主要由虚拟仪器的通用硬件平台，并配合仪器驱动程序共同完成，而数据分析与处理、结果表达与输出则主要由用户应用软件完成。

第二章LabVIEW 概述LabVIEW的特点-图形化的仪器编程环境提供显示和控制对象，如表头、旋钮、图表等。

虚拟仪器总结引言在科学研究和工程领域中，实验仪器是不可或缺的工具。

然而，仪器的购买和维护成本高昂，并且在某些情况下可能不可行。

这就引入了虚拟仪器的概念。

虚拟仪器是一种通过计算机模拟实验仪器功能和响应的工具。

本文将对虚拟仪器进行总结，并探讨其应用和优势。

什么是虚拟仪器?虚拟仪器是一种通过计算机软件模拟实验仪器的功能和响应的工具。

它使用计算机算法和模型来模拟仪器的操作和输出。

虚拟仪器可以模拟各种实验仪器，包括示波器、频谱仪、信号发生器等。

通过虚拟仪器，用户可以在计算机上进行实验和数据采集，而不需要真实的物理仪器。

虚拟仪器通常具有图形用户界面，以便用户可以方便地操作和观察实验结果。

虚拟仪器的应用虚拟仪器在许多领域有广泛的应用。

以下是一些常见的应用领域：1. 教育和培训虚拟仪器在教育和培训中起到了重要的作用。

它可以提供一个实验环境，让学生在不占用实际实验室资源的情况下进行实验。

虚拟仪器还可以提供一个安全的学习环境，避免了可能的实验事故。

教师还可以创建自定义的实验模拟，以满足不同学生的需求。

2. 研究和开发虚拟仪器在科学研究和工程开发中也被广泛使用。

研究人员可以使用虚拟仪器来验证理论模型和算法。

它还可以帮助工程师在产品开发过程中进行实验和优化。

虚拟仪器可以提供快速、准确和可重复的实验结果，加快研究和开发的进展。

3. 远程实验虚拟仪器还可以用于远程实验。

远程实验是一种通过互联网连接到远程实验室进行实验的方式。

虚拟仪器的使用使得远程实验更容易实现。

学生不需要亲自访问实验室，而是可以通过虚拟仪器在计算机上进行实验。

这种方式可以克服时区和地理位置的限制，使得远程教育更具可行性。

虚拟仪器的优势与传统实验仪器相比，虚拟仪器具有以下几个优势：1. 成本效益虚拟仪器的成本远低于实际的仪器。

购买和维护实际仪器是一项昂贵的投资，而虚拟仪器只需要一台计算机和相应的软件。

这使得虚拟仪器成为一种经济实用的替代方案。

2. 灵活性和可扩展性虚拟仪器具有更大的灵活性和可扩展性。

虚拟仪器的结构和组成方式虚拟仪器是一种基于计算机技术和软件算法的仪器模拟和模型仿真系统，具有与传统仪器相同的功能和性能。

它由计算机硬件、软件以及人机交互界面等组成，充分利用计算机的强大计算能力和灵活性，实现了仪器的功能和性能仿真。

虚拟仪器的结构可以分为三个主要部分：前端接口、数据处理单元和用户界面。

前端接口用于连接真实世界的物理量和虚拟仪器系统，通常通过传感器、电缆或网络等方式与被测对象或其他外部设备进行连接。

数据处理单元是虚拟仪器系统的核心部分，它包括了数据采集、信号处理、数据分析和控制等功能模块，通过这些模块可以对输入的数据进行处理和分析。

用户界面是虚拟仪器系统与用户进行交互的部分，它提供了直观的操作界面和友好的用户体验，使用户可以方便地控制和监测虚拟仪器系统。

虚拟仪器的组成方式主要包括软件虚拟仪器和硬件虚拟仪器两种。

软件虚拟仪器是通过计算机软件来模拟实现仪器的功能和性能，它能够根据用户的需求进行自定义配置和功能扩展。

软件虚拟仪器通常包括了仪器模型、算法库、数据处理算法和用户界面等组件，通过这些组件的协同工作，实现了对被测对象进行测量、控制和分析等功能。

硬件虚拟仪器是通过硬件电路和逻辑器件来实现仪器的功能和性能，它通常由模拟电路、数字电路和控制器等组件构成，通过这些组件的连接和配置，实现了对被测对象进行数据采集、信号处理和控制等功能。

虚拟仪器的结构和组成方式使得它具有了许多传统仪器所不具备的优势。

首先，虚拟仪器具有更高的灵活性和可扩展性，可以根据实际需求进行自定义配置和功能扩展，而传统仪器通常具有固定的功能和性能。

其次，虚拟仪器可以实现多种测量和控制功能的集成，不仅可以满足单一仪器的需求，还可以实现多个仪器的功能集成，提高了仪器的综合性能。

再次，虚拟仪器具有更高的精度和准确性，由于采用了先进的算法和模型，可以提供更为精确的测量结果和控制效果。

最后，虚拟仪器可以实现远程控制和监测，通过网络和互联网等通信技术，可以实现对远程被测对象的测量和控制，提高了仪器的适用范围和便利性。

虚拟仪器的结构和组成方式虚拟仪器是一种基于计算机技术的仪器系统，它通过软件模拟实际仪器的功能和性能，提供了一种更加灵活、便捷、可扩展的测试和测量解决方案。

虚拟仪器的结构和组成方式可以分为硬件和软件两个方面。

在硬件方面，虚拟仪器通常由计算机、数据采集卡和外部传感器等组成。

计算机是虚拟仪器的核心部件，它负责处理数据、控制仪器和显示测量结果。

数据采集卡是连接计算机和外部传感器的接口，它负责将传感器采集到的模拟信号转换成数字信号，并传输给计算机进行处理。

外部传感器包括温度传感器、压力传感器、光电传感器等，它们负责将被测量物理量转换成电信号，并通过数据采集卡传输给计算机。

在软件方面，虚拟仪器通常由测量和控制软件组成。

测量软件用于采集、处理和显示测量数据，它可以提供多种测量方式和数据处理算法，同时支持数据的保存和导出。

控制软件用于控制外部设备和执行测量操作，它可以实现自动化测试、远程控制和仪器校准等功能。

虚拟仪器的软件通常具有友好的用户界面，使操作简单直观，并提供了丰富的测量和分析工具，满足不同应用领域的需求。

虚拟仪器的优势在于其灵活性和可扩展性。

由于虚拟仪器的核心是计算机和软件，因此可以根据实际需求选择适合的硬件配置和软件功能。

同时，虚拟仪器的软件可以进行升级和更新，以适应新的测量要求和技术发展。

此外，虚拟仪器还可以与其他仪器和设备进行联网，实现数据共享和远程控制，提高工作效率和数据的可靠性。

虚拟仪器的应用领域非常广泛。

它可以用于科学研究、工业过程控制、医疗诊断、环境监测等领域。

在科学研究中，虚拟仪器可以提供高精度的测量和分析工具，帮助科学家进行实验和数据处理。

在工业过程控制中，虚拟仪器可以实现自动化生产和质量控制，提高生产效率和产品质量。

在医疗诊断中，虚拟仪器可以进行生物信号的采集和分析，帮助医生进行疾病诊断和治疗。

在环境监测中，虚拟仪器可以实时监测环境参数，并生成相应的报告和预警，保护环境安全和人民健康。

一、实验目的1. 了解虚拟仪器的概念和组成；2. 掌握虚拟仪器的应用领域；3. 熟悉虚拟仪器仿真软件的使用方法；4. 通过虚拟仪器仿真实验，验证相关理论，提高实验操作能力。

二、实验原理虚拟仪器（Virtual Instrumentation）是一种基于计算机技术的仪器，通过计算机软件实现对传统仪器的功能模拟，实现数据采集、处理、分析和显示等功能。

虚拟仪器仿真实验利用虚拟仪器技术，模拟真实实验环境，使实验过程更加直观、高效。

三、实验仪器与软件1. 实验仪器：计算机、虚拟仪器仿真软件（如LabVIEW、MATLAB等）2. 实验软件：虚拟仪器仿真软件（如LabVIEW、MATLAB等）四、实验内容1. 虚拟信号发生器实验（1）熟悉虚拟信号发生器软件界面；（2）设置信号发生器参数，如频率、幅度、波形等；（3）观察信号发生器输出信号；（4）分析信号特性。

2. 虚拟示波器实验（1）熟悉虚拟示波器软件界面；（2）设置示波器参数，如时间基、垂直基等；（3）观察示波器显示信号；（4）分析信号特性。

3. 虚拟信号分析仪实验（1）熟悉虚拟信号分析仪软件界面；（2）设置信号分析仪参数，如频谱分析、时域分析等；（3）观察信号分析仪输出结果；（4）分析信号特性。

4. 虚拟仪器编程实验（1）熟悉虚拟仪器编程环境；（2）编写虚拟仪器程序，实现信号发生、采集、处理、显示等功能；（3）运行程序，观察实验结果；（4）分析程序性能。

五、实验步骤1. 打开虚拟仪器仿真软件，创建新项目；2. 根据实验内容，选择相应的虚拟仪器模块；3. 设置模块参数，如频率、幅度、波形等；4. 运行程序，观察实验结果；5. 分析实验结果，验证理论；6. 修改参数，观察实验结果变化；7. 记录实验数据，撰写实验报告。

六、实验结果与分析1. 虚拟信号发生器实验（1）设置信号发生器频率为1kHz，幅度为1V，波形为正弦波；（2）观察信号发生器输出信号，验证正弦波特性；（3）改变频率和幅度，观察信号变化。

虚拟仪器实验报告摘要：虚拟仪器是一种基于计算机技术的仿真实验方法，通过模拟和模型计算来代替传统仪器设备进行实验。

本文主要介绍了虚拟仪器实验的原理和应用，以及在教学和研究领域中的潜力和优势。

通过对虚拟仪器的实验，可以提高实验效率、降低实验成本，并且具有实验数据可重复性高、操作更加安全等优点。

1. 引言虚拟仪器是指利用计算机技术和软件工具来实现仪器设备的模拟和仿真。

与传统的实验仪器相比，虚拟仪器不需要实际的硬件设备，通过软件工具就可以模拟实验的过程和结果。

虚拟仪器的出现，极大地提高了实验的效率和安全性，同时降低了实验成本，被广泛应用于教育和研究领域。

2. 虚拟仪器实验的原理虚拟仪器实验的原理主要包括仪器模型的建立和实验过程的仿真。

首先，通过数学建模和计算机编程，将真实仪器的工作原理和特性抽象成数学模型。

然后，使用虚拟化技术和算法，将这些数学模型转化为计算机程序，实现仪器的仿真运行。

在实验过程中，通过人机交互界面，用户可以进行实验的设置和操作，并观察实验结果。

3. 虚拟仪器实验的应用虚拟仪器实验在教学和研究领域中具有广泛的应用。

在教学方面，虚拟仪器可以提供更加灵活和多样化的实验内容，满足不同层次和不同需求的学生。

虚拟仪器可以模拟各种复杂的实验条件和操作步骤，帮助学生更好地理解和掌握实验原理。

在研究方面，虚拟仪器可以用于快速验证和评估科研方案的可行性，节省时间和成本。

虚拟仪器还可以模拟复杂的实验环境和操作过程，帮助科研人员深入理解和分析实验结果。

4. 虚拟仪器实验的优势和潜力虚拟仪器实验具有一系列的优势和潜力。

首先，虚拟仪器可以提高实验效率，缩短实验周期。

通过虚拟化技术，实验数据和实验过程可以在计算机上进行记录和分析，大大提高了实验数据的质量。

什么是虚拟仪器?一、什么是虚拟仪器?一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软件、低成本的硬件(例如插入式板卡)及驱动软件，他们在一起共同完成传统仪器的功能。

以软件为主的测量系统充分利用了常用台式计算机和工作平台的计算、显示和互联网等诸多用于提高工作效率的强大功能。

软件是在功能强大的硬件基础上创建虚拟仪器系统的真正关键所在。

虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器，因此可以说“软件即仪器”。

虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变。

有了虚拟仪器，用户就可以完全根据自己的需求组建测量和自动化系统，而不用再受功能固定(完全由厂家提供)的传统仪器的限制。

二、虚拟仪器和传统仪器的比较独立的传统仪器，例如示波器和波形发生器，性能强大，但是价格昂贵，且被厂家限定了功能，只能完成一件或几件具体的工作，因此，用户通常都不能够对其加以扩展或自定义其功能。

仪器的旋钮和开关、内置电路及用户所能使用的功能对这台仪器来说都是固定的。

另外，开发这些仪器还必须要用专门的技术和高成本的元部件，从而使它们身价颇高且很不容易更新。

基于PC机的虚拟仪器系统，诞生以来就充分利用了现成即用的PC机所带来的最新科技。

这些科技和性能上的优势迅速缩短了独立的传统仪器和PC机之间的距离，包括功能强大的处理器（如Pentium 4)、操作系统及微软Windows XP、NET技术和Apple Mac OS x。

除了融合诸多功能强大的特性，这些平台还为用户提供了简单的联网工具。

此外，传统仪器往往不便随身携带，而虚拟仪器可以在笔记本电脑上运行，充分体现了其便携特性。

需要经常变换应用项目和系统要求的工程师和科学家们需要有非常灵活的开发平台以便创建适合自己的解决方案。

可以使用虚拟仪器以满足特定的需要，因为有安装在PC机上的应用软件和一系列可选的插入式硬件，无需更换整套设备，即能完成新系统的开发。

在计算机辅助教学（CAI）广泛应用的今天，基于计算机技术的虚拟仪器系统也随之出现，它是传统仪器与计算机技术高度的结合，随着计算机集成电路技术的发展。

对测试技术与测试设备的要求也越来越高，虚拟仪器的普及势在必行。

目前虚拟仪器主要有两种，一种是纯软件的虚拟仪器（即仿真技术）；另一种是软件硬件相结合的虚拟仪器VI（Virtual Instruction）1 虚拟仪器的内涵虚拟仪器又称个人计算机仪器，由个人计算机、仪器硬件和应用软件组成。

其基本设计思想是利用当前广泛使用的个人计算机来管理、组织仪器系统，进而逐步代替传统仪器完成某些功能。

如数据的采集、分析、显示、存储及波形产生等，最终达到取代传统电子仪器的目的。

1.1 仿真技术。

在仿真技术中，根据仿真对象的不同，可分为两类，一类是对电子电路的分析仿真工具-EDA技术；另一类是应用于通信、信号处理和控制方面的仿真工具-MATLAB。

①EDA技术。

一套完整的EDA软件是多个设计工具系统集成化的结果，它包含计算机辅助设计CAD、计算机辅助分析CAA和计算机辅助制造CAM等。

市场中的EDA软件主要有Pspice、Mutisim、Wewb和Protel四种。

它们的仿真功能用的是同一个仿真引擎-伯克利分校的Pspice仿真引擎。

②MATLAB软件。

主要工具箱有信号处理、控制系统、神经网络、图像处理、鲁棒控制、非线性系统控制设计、系统识别、最优化、分析与综合、模糊逻辑、小波分析、样条、通信和统计等。

这两种仿真技术都只需要一台计算机和相应的软件，而无需任何硬件的支持，也就是说这种虚拟仪器是纯软件性质的，无论电路、系统本身还是分析工具都是由软件实现的。

1.2 虚拟仪器可分为五种类型。

①PC总线-插卡型虚拟仪器。

这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用软件LabVIEW相结合，通过三种编程语言Visual C++、Visual Basic和Labview/cvi构成测试系统。

虚拟仪器名词解释
虚拟仪器是一种现代计算机技术,允许计算机在执行某些计算任务时,使用外部设备(如测量仪器、分析仪器等)来进行数据处理和分析。

虚拟仪器是一种将外部设备嵌入到计算机系统中的技术,使得这些设备可以与计算机中央处理器(CPU)并行运行,从而提高计算效率。

虚拟仪器通常由一个或多个虚拟仪器库提供,这些库提供了一组标准的虚拟仪器接口,可以被应用程序所使用。

虚拟仪器库可以包括不同类型的虚拟仪器,如测量浮点数的浮点测量库、分析仪器的仪器分析库等。

应用程序可以使用虚拟仪器库中的虚拟仪器来进行数据处理和分析,并将结果输出到标准输出或文件。

除了提高计算效率外,虚拟仪器还可以带来一些其他的优点。

例如,虚拟仪器允许应用程序使用外部设备的数据,而不必手动读取和转换数据。

虚拟仪器还可以降低系统复杂性,因为应用程序不必考虑如何与外部设备通信,而是直接使用虚拟仪器库提供的接口进行数据处理。

随着虚拟仪器技术的不断发展,虚拟仪器的应用越来越广泛。

例如,在人工智能、医学诊断、天文学、化学分析等领域,虚拟仪器已经成为不可或缺的工具。

虚拟仪器技术还可以用于开发更加高效、精确的测量和数据分析应用程序。

虚拟仪器是一种强大的计算机技术,可以提高计算效率和降低系统复杂性,为各种应用程序提供更加可靠的数据处理和分析功能。