基于虛擬儀器的信號發(fā)生器設(shè)計(jì)word格式

1、南京信息工程大學(xué)遙控遙測技術(shù)題目：基于虛擬儀器的信號發(fā)生器設(shè)計(jì) 姓名： 學(xué)號： 專業(yè)：電子信息工程 院系：電子與信息工程學(xué)院摘 要傳統(tǒng)的信號發(fā)生器其功能完全靠硬件實(shí)現(xiàn)，功能單一而且用戶的購置、維護(hù)費(fèi)用高。更重要的是，對于傳統(tǒng)的信號發(fā)生器，其功能一旦確定便不能更改，用戶要想使用新的功能則必須重新購買新的儀器，傳統(tǒng)信號發(fā)生器的不足是顯而易見的。虛擬儀器是將儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、總線技術(shù)和軟件技術(shù)緊密的融合在一起，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)字處理能力實(shí)現(xiàn)儀器的大部分功能，打破了傳統(tǒng)儀器的框架，形成的一種新的儀器模式。本課題完成了“虛擬信號發(fā)生器”的理論研究，在很大程度上解決了傳統(tǒng)信號發(fā)生器的諸多弊端。本文主

2、要研究虛擬儀器在信號發(fā)生器領(lǐng)域里的軟件編程。本虛擬儀器可完成輸出多種信號波形的同時產(chǎn)生與輸出，信號輸出頻率、幅度等參數(shù)實(shí)時可調(diào)。本文研究的虛擬信號發(fā)生器主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：用戶可自由定義其功能；系統(tǒng)功能升級擴(kuò)充方便快捷、可與電腦等設(shè)備方便的互聯(lián)。關(guān)鍵詞: 虛擬儀器 , 信號發(fā)生器 , 虛擬信號發(fā)生器 , LabVIEW 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(jià)格昂貴，而且儀器功能固定

3、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)的信號發(fā)生器則能夠?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。本課題介紹了基于LabVIEW的虛擬信號發(fā)生器的研究背景和發(fā)展動態(tài),了解虛擬儀器的特點(diǎn)、現(xiàn)狀和實(shí)現(xiàn)方法，探索虛擬儀器的發(fā)展方向，在LABVIEW

4、平臺中設(shè)計(jì)了多功能信號發(fā)生器，該發(fā)生器可以產(chǎn)生方波，三角波，鋸齒波和正弦波。信號的頻率、幅值可調(diào)，同時可以實(shí)現(xiàn)任意兩種信號的疊加。在設(shè)計(jì)基本信號發(fā)生器之余，還添加了卷積和相關(guān)控件，用于實(shí)現(xiàn)兩個信號的卷積。其中卷積和相關(guān)控件可以實(shí)現(xiàn)信號的卷積、反卷積、自相關(guān)、互相關(guān)。信號發(fā)生器信號發(fā)生器(signal generator)又稱信號源或振蕩器，是一種能提供各種頻率、波形和輸出電平電信號，常用作測試的信號源或激勵源的設(shè)備。在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。信號發(fā)生器是一種悠久的測量儀器，早在20年代電子設(shè)備剛出現(xiàn)時它就產(chǎn)生了。隨著通信和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，40年代出現(xiàn)了主要用于測試各種接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)信

5、號發(fā)生器，使信號發(fā)生器從定性分析的測試儀器發(fā)展成定量分析的測量儀器。同時還出現(xiàn)了可用來測量脈沖電路或用作脈沖調(diào)制器的脈沖信號發(fā)生器。由于早期的信號發(fā)生器機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功率比較大，電路比較簡單，因此發(fā)展速度快。信號發(fā)生器的應(yīng)用非常廣泛，種類繁多。首先，信號發(fā)生器可以分通用和專用兩大類，專用信號發(fā)生器主要為了某種特殊的測量目的而研制的，如電視信號發(fā)生器、脈沖編碼信號發(fā)生器等，這種發(fā)生器的特性是受測量對象的要求所制約的。其次，信號發(fā)生器按輸出波形又可分為正弦波信號發(fā)生器、脈沖波信號發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器和任意波發(fā)生器等。再次，按其產(chǎn)生頻率的方法又可分為諧振法和合成法兩種。一般傳統(tǒng)的信號發(fā)生器都采用諧

6、振法，即用具有頻率選擇性的回路來產(chǎn)生正弦振蕩，來獲得所需頻率。 信號發(fā)生器的分類正弦信號發(fā)生器正弦信號主要用于測量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及靈敏度等。按頻率覆蓋范圍分為低頻信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器和微波信號發(fā)生器；按輸出電平可調(diào)節(jié)范圍和穩(wěn)定度分為簡易信號發(fā)生器（即信號源）、標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器（輸出功率能準(zhǔn)確地衰減到-100分貝毫瓦以下）和功率信號發(fā)生器（輸出功率達(dá)數(shù)十毫瓦以上）；按頻率改變的方式分為調(diào)諧式信號發(fā)生器、掃頻式信號發(fā)生器、程控式信號發(fā)生器和頻率合成式信號發(fā)生器等。函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器又稱波形發(fā)生器。它能產(chǎn)生某些特定的周期性時間函數(shù)波形（主要是正弦波、方波、三角波、鋸齒波

7、和脈沖波等）信號。頻率范圍可從幾毫赫甚至幾微赫的超低頻直到幾十兆赫。除供通信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領(lǐng)域。脈沖信號發(fā)生器用于產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，或用模擬信號來測試?yán)走_(dá)、多路通信和其他脈沖數(shù)字系統(tǒng)的性能。脈沖發(fā)生器主要由主控振蕩器、延時級、脈沖形成級、輸出級和衰減器等組成。主控振蕩器通常為多諧振蕩器之類的電路，除能自激振蕩外，主要按觸發(fā)方式工作。通常在外加觸發(fā)信號之后首先輸出一個前置觸發(fā)脈沖，以便提前觸發(fā)示波器等觀測儀器，然后再經(jīng)過一段可調(diào)節(jié)的延遲時間才輸出主信號脈沖，其寬度可以調(diào)節(jié)。有的能輸出成對的主脈沖，有

8、的能分兩路分別輸出不同延遲的主脈沖。 隨機(jī)信號發(fā)生器隨機(jī)信號發(fā)生器分為噪聲信號發(fā)生器和偽隨機(jī)信號發(fā)生器兩類。 噪聲信號發(fā)生器： 完全隨機(jī)性信號是在工作頻帶內(nèi)具有均勻頻譜的白噪聲。常用的白噪聲發(fā)生器主要有：工作于1000兆赫以下同軸線系統(tǒng)的飽和二極管式白噪聲發(fā)生器；用于微波波導(dǎo)系統(tǒng)的氣體放電管式白噪聲發(fā)生器；利用晶體二極管反向電流中噪聲的固態(tài)噪聲源（可工作在18吉赫以下整個頻段內(nèi)）等。噪聲發(fā)生器輸出的強(qiáng)度必須已知，通常用其輸出噪聲功率超過電阻熱噪聲的分貝數(shù)（稱為超噪比）或用其噪聲溫度來表示。噪聲信號發(fā)生器主要用途是：在待測系統(tǒng)中引入一個隨機(jī)信號，以模擬實(shí)際工作條件中的噪聲而測定系統(tǒng)的性能；外加一

9、個已知噪聲信號與系統(tǒng)內(nèi)部噪聲相比較以測定噪聲系數(shù)；用隨機(jī)信號代替正弦或脈沖信信號，以測試系統(tǒng)的動態(tài)特性。例如，用白噪聲作為輸入信號而測出網(wǎng)絡(luò)的輸出信號與輸入信號的互相關(guān)函數(shù)，便可得到這一網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng)函數(shù)。 偽隨機(jī)信號發(fā)生器：用白噪聲信號進(jìn)行相關(guān)函數(shù)測量時，若平均測量時間不夠長，則會出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)性誤差，這可用偽隨機(jī)信號來解決。當(dāng)二進(jìn)制編碼信號的脈沖寬度墹T足夠小，且一個碼周期所含墹T數(shù)N很大時，則在低于fb=1/墹T的頻帶內(nèi)信號頻譜的幅度均勻，稱為偽隨機(jī)信號。只要所取的測量時間等于這種編碼信號周期的整數(shù)倍，便不會引入統(tǒng)計(jì)性誤差。二進(jìn)碼信號還能提供相關(guān)測量中所需的時間延遲。偽隨機(jī)編碼信號發(fā)生器由帶有

10、反饋環(huán)路的n級移位寄存器組成，所產(chǎn)生的碼長為 N2-1 。Labview基于圖形化語言作簡要介紹程序前面板 程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。控制和顯示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使這得前面板直觀易懂。 框圖程序每一個程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用Labview圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流

11、動方向。圖標(biāo)/連接器圖標(biāo)/連接器是子VI被其它VI調(diào)用的接口。圖標(biāo)是子VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出口，就象函數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對應(yīng)。連接器一般情況下隱含不顯示，除非用戶選擇打開觀察它 Labview中的框圖程序框圖程序是由節(jié)點(diǎn)、端子、圖框和連線四種元素構(gòu)成的。節(jié)點(diǎn)類似于文本語言程序的語句、函數(shù)或者子程序。Labview有二種節(jié)點(diǎn)類型-函數(shù)節(jié)點(diǎn)和子VI節(jié)點(diǎn)。兩者的區(qū)別在于：函數(shù)節(jié)點(diǎn)是Labview以編譯好了的機(jī)器代碼供用戶使用的，而子VI節(jié)點(diǎn)是以圖形語言形式提供給用戶的。用戶可以訪問和修改任一子VI節(jié)點(diǎn)的代碼，

12、但無法對函數(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改。圖框是Labview實(shí)現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)控制命令的圖形表示。如循環(huán)控制、條件分支控制和順序控制等，編程人員可以使用它們控制VI程序的執(zhí)行方式。代碼接口節(jié)點(diǎn)（CIN）是框圖程序與用戶提供的C語言文本程序的接口。連線是端口間的數(shù)據(jù)通道。它們類似于普通程序中的變量。數(shù)據(jù)是單向流動的，從源端口向一個或多個目的端口流動。不同的線型代表不同的數(shù)據(jù)類型。在彩顯上，每種數(shù)據(jù)類型還以不同的顏色予以強(qiáng)調(diào)。當(dāng)需要連接兩個端子時，在第一個端子上點(diǎn)擊連線工具（從工具模板欄調(diào)用），然后移動到另一個端子，再點(diǎn)擊第二個端子。端子的先后次序不影響數(shù)據(jù)流動的方向。當(dāng)把連線工具放在端子上時，該端子區(qū)域?qū)W爍，表

13、示連線將會接通該端子。虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊,并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對應(yīng)的各種控鍵. 虛擬信號發(fā)生器可產(chǎn)生正弦波、方波和三角波等信號,根據(jù)需要,可調(diào)節(jié)其中面板上的控鍵,改變信號的頻率、幅度與相位,并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲,所有信號發(fā)生的結(jié)果都可以通過軟件設(shè)計(jì)的虛擬面板顯示。信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)下面將創(chuàng)建一個VI，該VI產(chǎn)生一個信號并在圖形中顯示出來。啟動labview時將出現(xiàn)下面的窗口如圖1所示。在這個窗口中可創(chuàng)建新VI、選擇最近打開的 LabVIEW文件、查找范例以及打開LabVIEW幫助。圖1 虛擬儀器的啟動界面LabVIEW提

14、供內(nèi)置VI模板，包括用于創(chuàng)建常規(guī)測量應(yīng)用程序所需的子VI、函數(shù)、結(jié)構(gòu)和前面板對象。按照下列步驟，創(chuàng)建一個生成信號并在前面板中顯示該信號的VI。1、啟動LabVIEW。2、在啟動窗口中單擊新建下面的VI鏈接，顯示新建對話框。正弦波發(fā)生器的設(shè)計(jì)1、前面板的設(shè)計(jì)（1）五個輸入型數(shù)字控件。五個輸入型數(shù)子控件提供使用者鍵入生成正弦波的頻率 、初始相位、幅值、總采樣點(diǎn)數(shù)N與采樣頻率 。五次連續(xù)執(zhí)行右鍵數(shù)值輸入控件數(shù)值輸入控件，得到五個輸入型數(shù)子控件，分別標(biāo)記為“信號頻率”、“采樣頻率”、“采樣點(diǎn)數(shù)”、“信號幅值”和“初始相位”。（2）一個輸出顯示型圖形控件。輸出顯示型圖形控件用來顯示所產(chǎn)生的正弦波波形。執(zhí)

15、行右鍵>>圖形顯示控件>>波形圖 操作，調(diào)入圖形控件。其橫軸為時間軸。應(yīng)考慮到生成信號頻率跨度大，在0.1 Hz10K Hz范圍內(nèi)，其周期跨度也大，在10s0.1ms范圍內(nèi)；行成信號幅值的范圍應(yīng)充滿整個顯示畫面，故選用“波形圖”顯示器。（3）兩個開關(guān)控件。執(zhí)行右鍵>>按鈕與開關(guān)>>垂直滑動桿開關(guān)操作，調(diào)入開關(guān)按鈕控件，標(biāo)記為“復(fù)位相位”。執(zhí)行右鍵>>按鈕與開關(guān)>>停止操作，調(diào)入開關(guān)按鈕控件。 前面板設(shè)計(jì)完成，如下圖：2、程序框圖的設(shè)計(jì)（1）在程序框圖中執(zhí)行右鍵>>執(zhí)行過程控制>>While循環(huán)操作，

16、調(diào)入 While在這一部分，系統(tǒng)完成了對信號的生成和預(yù)覽，但是要將信號送出去就必須將信號發(fā)送的循環(huán)結(jié)構(gòu)。 （2）執(zhí)行右鍵>>算數(shù)與比較數(shù)值四次，可以分別放置一個除法器，一個倒數(shù)器及兩個常數(shù)0和10。（3）在程序框圖中執(zhí)行右鍵>>信號處理>>信號生成>>正弦信號生成. vi操作,可調(diào)入正弦信號生成圖標(biāo)。（4）在程序框圖中執(zhí)行右鍵>>編程>>簇、類、變體操作，調(diào)入捆綁圖標(biāo)。（5）在程序框圖流程圖中執(zhí)行右鍵>>執(zhí)行過程控制>>時間延遲操作，調(diào)入時鐘圖標(biāo)。（6）在程序框圖中執(zhí)行右鍵>>算術(shù)與比較

17、>>布爾操作，調(diào)入非圖標(biāo)。注：所需的數(shù)字頻率由除法器的輸出提供，該除法器完成信號頻率與采樣頻率之比的運(yùn)算，同時將采樣頻率取倒數(shù)轉(zhuǎn)換為采樣間隔，給出正弦波形的采樣間隔，便于顯示。如下圖： 正弦信號發(fā)生器程序框圖3、 正弦波運(yùn)行結(jié)果單擊運(yùn)行快捷按鈕，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的功能是否已完全實(shí)現(xiàn)。設(shè)置頻率信號：10Hz 采樣頻率：100Hz 采樣點(diǎn)數(shù)：100 信號幅值：5V 初始相位：0°其值都是可選的。運(yùn)行結(jié)果如下圖：正弦信號發(fā)生器前面板功能描述該虛擬正弦信號發(fā)生器可產(chǎn)生正弦信號。指標(biāo)為:頻率范圍:1 Hz10000 Hz ,可選;初始相位:0° 180°,可選;幅值:1V510V, 可選;生成波形的總點(diǎn)數(shù): N =8512 , 可選。虛擬方波發(fā)生器的設(shè)計(jì)虛擬方波發(fā)生器的設(shè)計(jì)和正弦波發(fā)生器的設(shè)計(jì)大體相同。設(shè)計(jì)出來的前面板和程序框圖分別如下圖所示：1、 前面板：取信號頻率0.8Hz，采樣頻率10Hz，采樣點(diǎn)數(shù)200，信號幅值5V，初始相位0°方波信號發(fā)生器前面板結(jié)束語：虛擬儀器技術(shù)就是