基于LabVIEW的多功能信號發(fā)生器設(shè)計.doc

深圳大學(xué)研究生課程論文題目 基于LabVIEW的多功能信號發(fā)生器設(shè)計 成績 專業(yè) 控制工程（秋） 課程名稱 LabVIEW軟件與虛擬儀器設(shè)計實踐 年級 2015級 姓名 張曉杰 學(xué) 號 2151160401 時間 2016 年4 月 任課教師 李天利 基于LabVIEW的多功能信號發(fā)生器設(shè)計張曉杰2151160401深圳大學(xué)機電與控制工程學(xué)院摘要： 本文利用虛擬儀器技術(shù)采用 LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的程序, 組建了多功能信號發(fā)生器。該發(fā)生器不僅能產(chǎn)生信號的參數(shù)可調(diào)的正弦波、方波、三角波和鋸齒波這4種基本波形, 還能將各種基礎(chǔ)波形相互疊加，或者與噪聲信號相互疊加后的波形信號, 從而產(chǎn)生其它任意波形，同時還可輕松、快捷地將這些信號波形顯示出來。解決了傳統(tǒng)信號發(fā)生器只能產(chǎn)生基本波形的局限性, 為學(xué)習(xí)和實踐測試提供了一條捷徑。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；多功能信號發(fā)生器；LabVIEW1 課題背景和意義 虛擬儀器是在以通用計算機為核心的硬件平臺上,由用戶自己設(shè)計定義 , 具有虛擬面板, 測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng) 。信號發(fā)生器作為科學(xué)實驗中比較重要的裝置, 被廣泛地應(yīng)用到教學(xué) 、 科研等各個實驗領(lǐng)域 。傳統(tǒng)的模擬信號發(fā)生器一般只能產(chǎn)生幾種常規(guī)的波形, 而在一些復(fù)雜和特殊的應(yīng)用中, 要求輸出任意波形且要易于程控 。目前 ,我國高檔臺式儀器, 如數(shù)字示波器、頻譜分析儀等還主要依賴進口。這些儀器加工工藝復(fù)雜,對制造水平要求高 , 生產(chǎn)突破有困難, 而采用虛擬技術(shù)后 ,就可通過只采購適合自己應(yīng)用情況的通用儀器硬件,依靠虛擬儀器軟件開發(fā)平臺,設(shè)計出所需的高性能價格比的儀器系統(tǒng)。物理儀器(計算機和采集卡)和虛擬儀器(LabVIEW軟件中一些V1控件)相結(jié)合方法，設(shè)計出一種可以產(chǎn)生多種波形的物理信號發(fā)生器。由于采用硬件少、成本低，該種信號發(fā)生器極易實現(xiàn)。在計算機普及的今天，只要在PC內(nèi)安裝LabVIEW軟件，并配置一塊普通的USB采集卡，就可以產(chǎn)生一臺性能可調(diào)的信號發(fā)生器。該方案為高校實驗教學(xué)、科學(xué)研究和野外測試工作提供了方便快捷的信號源。目前，信號發(fā)生器已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)測試和教學(xué)科研等許多領(lǐng)域中，它可以產(chǎn)生不同頻率、不同幅值的正弦信號、方波信號、鋸齒波信號和三角波信號等常用波形信號。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器種類繁多，總體分為通用信號發(fā)生器和專用信號發(fā)生器。根據(jù)儀器性能優(yōu)劣，信號發(fā)生器的價格和應(yīng)用場合也存在很大差異。通用信號發(fā)生器價格一般在幾百元到幾千元，主要應(yīng)用在高校實驗教學(xué)和工業(yè)測試工作中；專用信號發(fā)生器的價格高達(dá)幾萬元，主要應(yīng)用在科研工作中。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器主要存在以下幾個缺點：功能固定，不能擴展；電路元件多，不同類型的輸出信號要求不同的電子元件；儀器組裝與維修工作復(fù)雜；價格較貴，不易攜帶。2 多功能信號發(fā)生器軟件設(shè)計思路2.1 軟件開發(fā)平臺 本文采用的開發(fā)平臺是LabVIEW，該軟件是目前最流行的美國National Instruments(簡稱NI)公司開發(fā)出來的。在LabVIEW軟件環(huán)境中開發(fā)的每個程序稱為Virtual Instrument(簡稱VI)，這些虛擬儀器充分體現(xiàn)了LabVIEW的核心思想，即“軟件就是儀器“。在信號的測試處理、計算分析和輸出顯示過程中，虛擬儀器代替物理儀器，不僅減少測試成本，還縮減了開發(fā)周期，并能夠提高系統(tǒng)的可擴展性和維護的靈活性。2.2 多功能信號發(fā)生器的基本功能 信號發(fā)生器實現(xiàn) 8 個功能:1)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波形( 如正弦波、方波 、 三角波和鋸齒波) , 還有任意波形的產(chǎn)生( 如公式波) ;2)對波形幅度 、頻率 、相位、方波占空比( 0 100% ) 、 偏置( - 5 5 V) 等參數(shù)進行調(diào)節(jié) ;3)對波形添加噪聲信號( 高斯白噪聲 Gamma 噪聲和周期性隨機噪聲) ;4)通過運算實現(xiàn)幅度衰減( 輸出波形幅度范圍 : - 5 5 V ; 衰減范圍 : 20 dB、 40 dB、60 dB) ;5)能夠?qū)︻l率進行微調(diào)及倍乘( 微調(diào)范圍 :0. 000 1 1 Hz, 頻率選擇范圍 0. 000 0 4. 999 9Hz) ;6)能夠存儲和讀取波形數(shù)據(jù) ,為分析數(shù)據(jù)提供方便。7)通過輸入公式產(chǎn)生不同的波形( 表達(dá)式中只能包含 a 、 w 、 n 、 t 、f 這五個參數(shù)) ;2.2 基于虛擬儀器控件生成波形信號的數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建2.2.1正弦交流信號的數(shù)學(xué)模型位： （i=1,2,3.N）上式中：調(diào)節(jié)Um可以實現(xiàn)信號調(diào)幅的目的；調(diào)節(jié)憊值可以改變信號的頻率；改變N值可以調(diào)節(jié)輸出信號的采樣率；改變口可以調(diào)節(jié)信號的初相角；調(diào)節(jié)士睪可以實現(xiàn)信號的直流偏置作用。取余函數(shù)MOD(iN)可以控制循環(huán)變量i分布在若干個相同的整數(shù)區(qū)間O，N，下面公式中的取余函數(shù)腳D(iN)的作用也是如此。2.2.2鋸齒波信號的數(shù)學(xué)模型:設(shè)每個周期信號的采樣點為N個，鋸齒波上升階段的采樣點為M個，信號的最大幅值為u。嚴(yán)生鋸齒波信號的數(shù)學(xué)模型為： 在上式中，常數(shù)+-Um/2用來實現(xiàn)輸出信號的直流偏置作用，+Um/2可以實現(xiàn)信喜沿著y軸方向增加Um/2伏特；反之一Um/2可以實現(xiàn)信號沿著y軸方向減少Um/2伏特。 2.2.3 三角波信號的數(shù)學(xué)模型 三角波信號是鋸齒波信號的一種特殊形式。當(dāng)鋸齒波信號的上升時間與下降時間相等時，鋸齒波信號就轉(zhuǎn)換成三角波信號口。在上圖中，令N一2M，就可以產(chǎn)生三角波信號。 2.2.4方波信號的數(shù)學(xué)模型方波信號只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平。設(shè)每半個周期輸出信號的采樣點數(shù)為N，Um為信號幅值，產(chǎn)生該信號的數(shù)學(xué)模型為: 2.2.5直流信號數(shù)學(xué)模型 在整個信號輸出期間，信號始終保持一個常數(shù)不變，即：U=Um(i一0，1，2，3，n)3 多功能信號發(fā)生器的前面板設(shè)計前面板是用戶界面，有輸入、輸出控制和數(shù)據(jù)顯示三部分組成，它模擬真實儀器的操作面。根據(jù)傳統(tǒng)信號發(fā)生器面板控鍵的功能利用LABVIEW中的控制模板 分別在設(shè)計面板上放入模擬實際信號發(fā)生器控鍵的數(shù)據(jù)輸入控鍵，顯示器，數(shù)據(jù)輸出控件，開關(guān)，選擇器顯示器用于顯示輸出的信號波形，數(shù)據(jù)輸入控鍵用于輸出信號的信號頻率，采樣頻率，采樣數(shù)，振幅和相位， 數(shù)據(jù)輸出控鍵則用于選擇信號類型 。打開 LABVIEW 前面板編輯窗口，點擊鼠標(biāo)右鍵，顯示控制模板，選擇GraphWavefovmgraph作為信號發(fā)生器的顯示器,在顯示器模板上點擊鼠標(biāo)右鍵,對其進行屬性設(shè)置,如根據(jù)被顯示波形的頻率與幅度值的變化,利用工具模板中的文字工具,對顯示器橫(時間),縱(幅度)坐標(biāo)的刻度重新設(shè)置。用Graph 控鍵設(shè)計的顯示器是完全同步的,波形穩(wěn)定。多功能信號發(fā)生器的前面板主要由 4 部分構(gòu)成: 波形選擇函數(shù)模塊 、 公式波形參數(shù)設(shè)置模塊、波形顯示模塊和開始停止模塊。此如圖所示 。通過調(diào)節(jié)波形選擇旋鈕, 該多功能信號發(fā)生器能夠?qū)崿F(xiàn)正弦波 、 方波 、三角波 、 鋸齒波和公式波等多種波形的輸出。通過頻率選擇旋鈕實現(xiàn)頻率的倍乘( 即只要撥動很小的范圍就能實現(xiàn)很大范圍的頻率調(diào)節(jié)) ,還可以通過點擊幅值衰減按鈕改變幅度范圍( 幅度衰減公式為 dB =20logX) 。點擊開始波形疊加，還原波形分離。前面板整體設(shè)計如下圖3.1 圖3.1 前面板總體框圖4多功能信號發(fā)生器的后面板設(shè)計 4.1 后面板設(shè)計概訴多功能信號發(fā)生器的后面板( 程序框圖) 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程序由節(jié)點 、 端點、 圖框和連線構(gòu)成, LabVIEW 中的節(jié)點類似于文本語言程序的語句、函數(shù)或者子程序 。 LabVIEW 有兩種節(jié)點類型函數(shù)節(jié)點和子 VI 節(jié)點。端點是只有一路輸入/輸出,且方向固定的節(jié)點。LabVIEW 有三類端點前面板對象端點 、 全局與局部變量端點和常量端點 。對象端點是數(shù)據(jù)在框圖程序部分和前面板之間傳輸?shù)慕涌? 一個 VI 的前面板上的對象( 控制或顯示) 都在框圖中有一個對象端點與之對應(yīng)。圖框是 LabVIEW 實現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)控制命令的圖形表示 ,如循環(huán)控制( While 循環(huán) 、For 循環(huán)和 Timed Loop循環(huán)) 、 條件分支控制( Case structure) 和順序控制( Stacked Sequence Structure 和 Flat SequenceStructure) 等。節(jié)點用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用,圖框用來實現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)控制命令, 而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流 , 并定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。 4.2 輸出波形選擇按鈕用一個 CASE結(jié)構(gòu)來控制波形的產(chǎn)生可以選擇輸出為正弦信號或是方波信號、三角波、調(diào)制信號等。具體操作為在前面板的設(shè)計窗口中打開控制模塊執(zhí)行 ALL-Control-ring-&Enum-Test ring ,修改名為波形選擇然后右鍵點擊 prpperties選擇 edit 在表格中添加和編輯 sine save 等并設(shè)置其先后順序。4.3多功能信號發(fā)生器子 VI 的設(shè)計后面板中調(diào)用的子 VI 有波形選擇子 VI 、 添加噪聲信號子 VI 、 頻率選擇子 VI 和幅值衰減子 VI 。1)波形選擇子 VI 。正弦波的產(chǎn)生原理是通過調(diào)用 sin( x) 函數(shù)來實現(xiàn) , 每一正弦波周期由 105 點組成,利用類似 C 語言中的 For 循環(huán)為 x 賦值, 每執(zhí)行一次 For 循環(huán), 便可以生成一個周期正弦波所需的數(shù)據(jù) ,然后利用 While 循環(huán) ,使程序反復(fù)執(zhí)行,就可以連續(xù)輸出正弦波形。方波、鋸齒波、三角波的產(chǎn)生原理與正弦波產(chǎn)生原理相近, 都是通過數(shù)學(xué)運算來實現(xiàn)代表波形的數(shù)字序列。波形選擇子 VI 中, 由五種波形組成一個數(shù)組。旋鈕上的 0 -4 作為索引值, 通過調(diào)用數(shù)組索引函數(shù),對數(shù)組元素索引并輸出,輸出值作為“波形輸入”控件的輸入值 。再采用條件分支控制即選擇結(jié)構(gòu)（ 相當(dāng)于 C 語言中的“Case”語句) , 利用該控件與條件選擇端口相連來選擇相應(yīng)的波形信號。2)添加噪聲信號子 VI 。LabVIEW中有許多噪聲信號子 VI 可以直接調(diào)用, 和純凈信號波形的輸出一樣,多種噪聲也采用選擇結(jié)構(gòu) ,在后面板的函數(shù)模板的結(jié)構(gòu)子模板中選取“Case structure” , 利用一個下拉列表控件與條件選擇端口相連來選擇相應(yīng)的噪聲波形信號的產(chǎn)生 。 下拉列表中有 : 高斯白噪聲、周期性隨機噪聲 、反冪律噪聲、 Gamma 噪聲 、 泊松噪聲 、 二項分布的噪聲波形和 Binomial 噪聲波形 。由于在實際應(yīng)用中常常需要添加噪聲信號 , 本文通過在下拉控件中選擇加入了高斯白噪聲，Gamma 噪聲兩個噪聲可供選擇。 然后在輸出端用加號控件把輸出噪聲信號和純凈信號波形進行疊加, 并在顯示波形區(qū)域顯示添加噪聲后的波形。3)頻率選擇子 VI 。與波形選擇子 VI 的設(shè)計類似,由 6 個頻率倍乘值組成數(shù)組, 數(shù)組元素通過s、 數(shù)組索引函數(shù)索引并輸出 ,利用輸出值與選擇結(jié)構(gòu)端口相連實現(xiàn)頻率的倍乘選擇 。4)幅值衰減子 VI。幅值衰減單位 dB( Deci-bel ,分貝) 是一個純計數(shù)單位 ,本意是表示兩個量的比值大小,沒有單位,是按照對數(shù)定義的一個幅度單位 。對于電壓值, dB 以 20lgX 給出; 對于功率值 ,以10lgX 給出。dB 的意義就是把一個很大( 后面跟一長串 0) 或者很小( 前面有一長串 0) 的數(shù)比較簡短地表示出來。 5 運行結(jié)果當(dāng)我們完成了設(shè)計后， 若流程圖設(shè)計窗口工具條中的箭頭圖標(biāo)顯示為向右箭頭，就說明我們的流程圖設(shè)計是正確的，可以運行檢驗該程序了。連接各個模塊，設(shè)置其合理參數(shù)，先分別單獨輸出每種波形的顯示： 正弦波 方波 高斯白噪聲 GAMME噪聲 基于以上設(shè)計方案，本文成功地研制一臺多功能信號發(fā)生器，它可以產(chǎn)生幅值、頻率可調(diào)的正弦波、鋸齒波、三角波、方波和噪聲信號等多種信號，而且還能將各種信號互相疊加產(chǎn)生新的信號，測試結(jié)果如下圖所示： 正弦波和方波分開顯示 正弦波和方波疊加 三角波和鋸齒波分開顯示 三角波和鋸齒波疊加 正弦波與gammer噪聲分別顯示 正弦波與gammer噪聲疊加顯示6 結(jié)語基于Labview 的虛擬信號發(fā)生器利用軟件方式設(shè)計實現(xiàn)了信號發(fā)生器的功能它可給各種設(shè)備提供多種信號，且頻率可調(diào)， 具有友好的圖形界面， 操作簡單方便， 達(dá)到一機多用的目的如果在應(yīng)用中需要更多的信號。只需修改程序，功能的擴展并不增加費用，且性能更新周期短，性價比低，另外虛擬信號發(fā)生器易于同外部設(shè)備連接，便于存儲分析處理等。通過LabVlEW多功能信號發(fā)生器設(shè)計，虛擬儀器將是以后一個主要的發(fā)展方向。相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)實儀器，虛擬儀器功能強大且效率也很高，伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展。虛擬儀器也將逐漸地深入到生產(chǎn)生活的各個鄰域，引起儀器深層次變革。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)量高基于 LabV