基于Labview的函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)(開放性實(shí)驗(yàn)).doc

摘 要本次設(shè)計(jì)基于美國國家儀器（NI）的虛擬儀器開發(fā)平臺Labview，使用圖形化語言編程，設(shè)計(jì)了一款虛擬函數(shù)信號發(fā)生器。該虛擬函數(shù)信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等波形，其中輸出信號的頻率、幅值、相位、偏移量以及方波的占空比等都可以在較寬的范圍內(nèi)動態(tài)的調(diào)節(jié)，能夠更好的得到滿意的波形。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；Labview；函數(shù)信號發(fā)生器；圖形化編程目 錄第1章 緒 論1第2章 虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)22.1 概述22.2 函數(shù)信號發(fā)生器程序框圖設(shè)計(jì)22.2.1 基本函數(shù)信號發(fā)生器的配置22.2.2 while循環(huán)的設(shè)計(jì)32.2.3 程序中的延時機(jī)制42.2.4 波形顯示控件的設(shè)計(jì)42.3 前面板的界面布局72.4 幫助信息9第3章 程序調(diào)試10第4章 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總結(jié)12參考文獻(xiàn)13附 錄14第1章 緒 論在有關(guān)電參量的測量中，我們需要用到信號源，而信號發(fā)生器則為我們提供了在測量中所需的信號源，它可以產(chǎn)生不同頻率的正弦信號、方波、三角波、鋸齒波、正負(fù)脈沖信號、調(diào)幅信號、調(diào)頻信號和隨機(jī)信號等，其輸出信號的幅值也可以按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)信號發(fā)生器種類繁多，價格昂貴，而且儀器功能固定單一，不具備用戶對儀器進(jìn)行定義及編程的功能，一個傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室很難同時擁有多類信號發(fā)生器，然而，基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室則能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、自動測試和儀器控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)和推動測試系統(tǒng)和儀器控制的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)生了深刻的變化?！败浖词莾x器”已成為測試與測量技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志。虛擬信號發(fā)生器就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的LabVIEW軟件來完成各種測試、測量和自動化應(yīng)用。第2章 虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)2.1 概述在傳統(tǒng)的測量中， 為了得到測量結(jié)果我們往往需要一個信號源對測量電路進(jìn)行激勵，這就需要用到函數(shù)信號發(fā)生器。正弦波、三角波、方波、鋸齒波等是實(shí)驗(yàn)和測量中常用的信號波，但是傳統(tǒng)儀器的功能的固定性和費(fèi)用的高昂限制了傳統(tǒng)儀器的推廣和使用。本次設(shè)計(jì)利用labview設(shè)計(jì)包含傳統(tǒng)儀器各種功能的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器。2.2 函數(shù)信號發(fā)生器程序框圖設(shè)計(jì)函數(shù)信號發(fā)生器的程序框圖的設(shè)計(jì)包含基本函數(shù)信號發(fā)生器的配置和while循環(huán)的設(shè)計(jì)。2.2.1 基本函數(shù)信號發(fā)生器的配置本次設(shè)計(jì)采用美國國家儀器（NI）的虛擬儀器開發(fā)平臺labview 2011版本來實(shí)現(xiàn)。啟動labview2011進(jìn)入軟件啟動界面，然后新建VI并命名為“基本函數(shù)信號發(fā)生器”。通過菜單欄中“窗口顯示程序框圖”（或者快捷鍵ctrl+E）進(jìn)入程序框圖的編輯界面。在程序框圖的空白處鼠標(biāo)右鍵單擊顯示函數(shù)選板，打開“信號處理波形生成”的子選板，選擇“基本函數(shù)發(fā)生器”，將其拖放至程序框圖中。為了方便觀察和操作，可以右鍵點(diǎn)擊函數(shù)發(fā)生器，快捷菜單中“顯示為圖標(biāo)”前面的勾去掉即可，其如圖2.1所示。圖2.1 基本函數(shù)發(fā)生器的選擇移動光標(biāo)到函數(shù)發(fā)生器的“頻率”端口上，鼠標(biāo)右鍵單擊，在其快捷菜單中選擇“創(chuàng)建輸入控件”，程序會自動幫助完成輸入控件與函數(shù)發(fā)生器的連接，同過同樣的步驟完成“幅值”、“相位”、“信號類型”、“重置信號”、“偏移量”、“采樣信息”等端口輸入控件的創(chuàng)建和連接，合理調(diào)整它們的位置，使得界面布局合理。創(chuàng)建完成如圖2.2所示。圖2.2 輸入控件的創(chuàng)建2.2.2 while循環(huán)的設(shè)計(jì)While循環(huán)模塊的功能實(shí)現(xiàn)程序連續(xù)運(yùn)行及波形參數(shù)的實(shí)時調(diào)節(jié)與輸出顯示。在while循環(huán)的條件接線端接入的是一個布爾變量，用以控制循環(huán)的結(jié)束。在程序框圖的函數(shù)選板中，打開“編程結(jié)構(gòu)while循環(huán)”，鼠標(biāo)左鍵單擊選中“while循環(huán)”后在程序框圖的合適位置拖放出一個矩形框，該矩形框需要將程序框圖的所有節(jié)點(diǎn)都包含進(jìn)去。為了能夠更好地操作程序，在while循環(huán)的右下角有個條件接線端，右鍵點(diǎn)擊循環(huán)的條件接線端，在其快捷菜單中選擇“創(chuàng)建輸入控件”。如圖2.3所示。圖2.3 while循環(huán)的放置2.2.3 程序中的延時機(jī)制 為了有效的控制代碼的執(zhí)行速率和降低CPU的占用率，需要在while循環(huán)中采用定時機(jī)制。在程序框圖界面中，打開函數(shù)選版，選擇“編程定時等待（ms）”函數(shù)節(jié)點(diǎn)，將該函數(shù)節(jié)點(diǎn)拖放至循環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。移動光標(biāo)到“等待（ms）”函數(shù)節(jié)點(diǎn)的“等待時間（毫秒）”端口上，單擊鼠標(biāo)右鍵，從彈出的快捷菜單中執(zhí)行“創(chuàng)建/常量”的命令，放置一個數(shù)值常量并修改其數(shù)值為50，其如圖2.44所示。 圖2.4 延時機(jī)制的設(shè)置2.2.4 波形顯示控件的設(shè)計(jì)在程序框圖的菜單欄中，由“窗口顯示前面板”（或者快捷鍵ctrl+E）切換至前面板。在前面板的空白處右鍵點(diǎn)擊調(diào)出“控件選板”，打開“新式圖形”，將“波形圖”控件節(jié)點(diǎn)拖放至前面板的合適的位置，并在程序框圖中和函數(shù)發(fā)生器的“信號輸出”端口連接起來。如圖2.5所示。圖2.5 函數(shù)信號發(fā)生器的顯示控件的放置鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊“波形圖”控件，在其快捷菜單中選擇屬性選項(xiàng)，對其“外觀”、“顯示格式”、“曲線”等選項(xiàng)卡進(jìn)行設(shè)置，具體的設(shè)置如下面的各個圖形所示。圖2.6 圖形表控件的外觀選項(xiàng)卡的設(shè)置圖2.7 圖形表控件的顯示格式選項(xiàng)卡的設(shè)置圖2.8 圖形表控件的曲線選項(xiàng)卡的設(shè)置至此，整個函數(shù)信號發(fā)生器的程序框圖已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢，完整的 程序框圖如下圖2.9所示.圖2.9 整體程序框圖2.3 前面板的界面布局當(dāng)控件，但是它們都雜亂無章的排列著，這時候就需要我們來手動調(diào)整并合理的布局了。Labview虛擬儀器開發(fā)平臺在人機(jī)交互界面（HMI）的設(shè)計(jì)上有很多她的獨(dú)到之處。例如我們在我們將程框圖的程序編輯完切換回前面板后，我們會發(fā)現(xiàn)在前面板發(fā)現(xiàn)很多輸入控件和顯示控件選板中，打開“新式修飾”后我們會看見很多的修飾控件，這些都是為我們更好的裝扮我們的HMI，讓我們的人機(jī)交互界面看起來更加的友好和與眾不同。修飾界面控件如圖2.10所示。圖2.10 控件選板的修飾控件界面經(jīng)過對前面板控件的合理布局及修飾，我們得到如圖2.11所示的最終界面。圖2.11 函數(shù)信號發(fā)生器的前面板2.4 幫助信息在很多軟件中我們都可以看見幫助信息，因?yàn)閹椭畔Τ醮谓佑|該軟件的人員具有一定的引導(dǎo)作用，而不至于打開軟件之后毫無眉目，著對一個軟件的推廣使用也是至關(guān)重要的。本函數(shù)信號發(fā)生器的幫助信息主要是對一些輸入控件的常規(guī)解釋,點(diǎn)擊函數(shù)信號發(fā)生器的右上角的幫助文字幫助信息就會以對話框的形式顯示出來。解釋如下：偏移量：指的是直流信號的偏移。重置信號：如果輸入為真，則重置信號的相位控制值，并且將時間重置為0.信號類型：波形的生成類型，有正弦波、三角波、方波、鉅齒波等。頻率：是指波形的頻率。幅值：是指波形的振幅，同時也是電壓信號的峰值。相位：波形的初始相位為0，如果重置信號輸入為假，則忽略相位。采樣信息：包含采樣率（FS）和采樣數(shù)，采樣率是指每秒鐘的采樣率，而采樣數(shù)是指波形中的樣本數(shù)。方波占空比（%）：是指一個周期內(nèi)，方波高電壓持續(xù)時間占總周期的百分比。圖2.12 函數(shù)信號發(fā)生器的幫助信息第3章 程序調(diào)試單擊前面板工具欄上的運(yùn)行按鈕，運(yùn)行該程序。通過波形圖顯示控件可以觀察到函數(shù)的波形，調(diào)整輸入?yún)?shù)，可以觀察到波形隨著參數(shù)的調(diào)節(jié)而變化，具體程序調(diào)試結(jié)果如下面各圖所示。圖3.1 正弦波的調(diào)試結(jié)果圖3.2 三角波的調(diào)試結(jié)果圖3.3 方波的調(diào)試結(jié)果圖3.4 鋸齒波的調(diào)試結(jié)果第4章 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總結(jié)虛擬信號發(fā)生器通過LabVIEW圖形化語言將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在儀器，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過LabVIEW實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。因?yàn)樘摂M信號發(fā)生器可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)，用戶只需改變軟件程序就可以不斷賦予它或擴(kuò)展增強(qiáng)它的測量功能。這就是說，儀器的設(shè)計(jì)制造不再是廠家的專利。虛擬信號發(fā)生器開創(chuàng)了儀器使用者可以成為儀器設(shè)計(jì)者的時代，這將給虛擬信號發(fā)生器使用者帶來無盡的利益。Labview作為一個圖形化編程軟件，是開發(fā)測試系統(tǒng)的一種功能強(qiáng)大、方便快捷的編程工具。其良好的相通性、開放性、專用性，使測試系統(tǒng)的開發(fā)周期短、成本低、質(zhì)量高?；贚abview的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器具有機(jī)交互性好、易于操作等特點(diǎn)，能夠廣泛的應(yīng)用與于科研、生產(chǎn)等領(lǐng)域 參考文獻(xiàn)1胡仁喜等編著. LabVIEW8.2.1虛擬儀器實(shí)例指導(dǎo)教程. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.11.2張凱等編著. LabVIEW虛擬儀器工程設(shè)計(jì)與開發(fā). 北京:國防工業(yè)出版社,2004.6.3張毅等編著. 虛擬儀器技術(shù)分析與應(yīng)用. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.2.4余成波,馮麗輝等編著. 虛擬儀器技術(shù)與設(shè)計(jì). 重慶:重慶大學(xué)出版社,2006.7.5劉全心,南建平. 基于LabVIEW的虛擬函數(shù)