基于虛擬儀器的信號發(fā)生器的設計與實現_畢業(yè)設計論文

1、學 號：畢業(yè)設計說明書設計題目：基于虛擬儀器的信號發(fā)生器的設計與實現學生姓名： 專業(yè)班級：07通信1班 學 院： 信息工程學院指導教師： 講師 2011年06月08日摘 要摘 要傳統(tǒng)的信號發(fā)生器其功能完全靠硬件實現，功能單一而且用戶的購置、維護費用高。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、計算機技術、總線技術和軟件技術緊密的融合在一起，利用計算機強大的數字處理能力實現儀器的大部分功能，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

2、很大程度上解決了傳統(tǒng)信號發(fā)生器的諸多弊端。本文主要研究虛擬儀器在信號發(fā)生器領域里的軟件編程。本虛擬儀器可完成輸出多種信號波形的同時產生與輸出，信號輸出頻率、幅度等參數實時可調。本文研究的虛擬信號發(fā)生器主要具有如下優(yōu)點：用戶可自由定義其功能；系統(tǒng)功能升級擴充方便快捷、可與電腦等設備方便的互聯。關鍵詞: 虛擬儀器 , 信號發(fā)生器 , 虛擬信號發(fā)生器 , LabVIEW -35-AbstractAbstractThe functions of traditional signal generators are carried out solely on hardware, and at the sa

3、me time the functions of traditional signal generators are singleness and costly for purchasing and maintaining, What is more important is that the functions of traditional signal generators can not be altered once they are fixed. Users must get new ones so long as they want new functions. Thus, the

4、 defects of traditional signal generators are obvious. Virtual instrument is formed by the instrument technology, computer technology, bus technology and software technology. Powerful digital processings ability of computer is used to achieve the main functions of instrument. Virtual instrument brok

5、e the framework of the traditional instruments, and built a new device model. This dissertation has accomplished the theoretical research, and made up the various shortcomings of traditional signal generators to great degree. This virtual signal generator can achieve the input and output of multi si

6、gnals, and such parameters as signal output frequency and amplitude can be adjusted timely. The advantages of this virtual signal generator include the following: low cost of hardware, user custom functions, convenience of the upgrading and enlargement of systematic functions, and connectable with c

7、omputers.Keywords: Virtual Instrument , Signal Generator , Virtual Signal Generator , Labview目 錄目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1研究背景及動態(tài)11.2本項目的研究意義及本文主要研究內容21.2.1本項目的研究意義21.2.2本文的主要研究內容2第2章 虛擬儀器和Labview簡介42.1虛擬儀器的產生背景42.2虛擬儀器的概念52.3 虛擬儀器的分類52.4虛擬儀器系統(tǒng)的構成62.4.1虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構成72.4.2虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構成72.5虛擬儀器的優(yōu)勢82.6 虛擬

8、儀器的發(fā)展方向92.7圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺LABVIEW 簡介92.8 本章小結12第3章 信號發(fā)生器133.1信號發(fā)生器概述133.2 信號發(fā)生器的分類.143.2.1正弦信號發(fā)生器143.2.2函數發(fā)生器153.2.3脈沖信號發(fā)生器153.2.4 隨機信號發(fā)生器.153.3本章小結16第4章 基于虛擬儀器的信號發(fā)生器的設計174.1虛擬儀器的簡單應用174.1.1 創(chuàng)建虛擬儀器174.1.2 為前面板添加控件194.1.3 修改信號224.1.4 本節(jié)小結244.2虛擬儀器實現多功能信號發(fā)生器244.2.1“信號發(fā)生器1”的設計254.2.2“信號發(fā)生器2”的設計294.2.3“信號發(fā)生

9、器3”的設計314.2.4 本節(jié)小結334.3 本章小結34結 論35參考文獻36謝 辭37 河北聯合大學信息工程學院畢業(yè)設計說明書第1章 緒論在有關電參量的測量中，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，它可以產生不同頻率的正弦信號、方波、三角波、鋸齒波、正負脈沖信號、調幅信號、調頻信號和隨機信號等，其輸出信號的幅值也可以按需要進行調節(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行定義及編程的功能，一個傳統(tǒng)實驗室很難同時擁有多類信號發(fā)生器，然而，基于虛擬儀器技術的信號發(fā)生器則能夠實現這一要求。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，虛擬儀器技術在

10、數據采集、自動測試和儀器控制領域得到了廣泛的應用，促進和推動測試系統(tǒng)和儀器控制的設計方法與實現技術發(fā)生了深刻的變化?！败浖词莾x器”已成為測試與測量技術發(fā)展的重要標志。虛擬信號發(fā)生器就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的LabVIEW軟件來完成各種測試、測量和自動化應用。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、現狀和實現方法，探索虛擬儀器的發(fā)展方向，在LABVIEW平臺中設計了多功能信號發(fā)生器，該發(fā)生器可以產生方波，三角波，鋸齒波和正弦波。信號的頻率、幅值可調，同時可以實現任意兩種信號的疊加。在設計基本信號發(fā)生器之余，還添加了卷積和相關控件，

11、用于實現兩個信號的卷積。其中卷積和相關控件可以實現信號的卷積、反卷積、自相關、互相關。1.1研究背景及動態(tài)隨著計算機、通信、微電子技術的日益完善，以及以Internet為代表的計算機網絡時代的到來和信息化要求的不斷提高，傳統(tǒng)的通信方式突破了時空限制和地域限制，大范圍通信變得越來越容易，對測控系統(tǒng)的組建也產生了越來越大的影響。一個大的復雜測試系統(tǒng)的輸入、輸出、結果分析往往分布在不同的地理位置，僅用一臺計算機并不能勝任測試任務，需要由分布在不同地理位置的若干計算機共同完成整個測試任務。集成測試越來越不能滿足復雜測試任務的需要，因此，“網絡化儀器”的出現成為必然。網絡技術應用到虛擬信號發(fā)生器中是虛擬

12、儀器發(fā)展的大趨勢。同傳統(tǒng)的編程語言相比，采用LabVIEW圖形化編程方式可以節(jié)省大約80%的程序開發(fā)時間，并且其運行速度幾乎不受影響，其一般特征是將虛擬信號發(fā)生器、外部設備、被測點以及數據庫等資源納入網絡，實現資源共享，共同完成測試任務。使用網絡化虛擬信號發(fā)生器，可在任何地點、任意時刻獲取測量數據。和以PC為核心的虛擬信號發(fā)生器相比，網絡化將虛擬儀器的發(fā)展產生一次革命，網絡化虛擬儀器將把單臺虛擬儀器實現的三大功能（數據采集、數據分析、及圖形化顯示）分開處理，分別使用獨立的基本硬件模塊實現傳統(tǒng)儀器的三大功能，以網線相連接，實現信息資源的共享。“網絡就是儀器”概念的確立，使人們明確了今后儀器儀表的

13、研發(fā)戰(zhàn)略，促進并加速了現代測量技術手段的發(fā)展與更新。1.2本項目的研究意義及本文主要研究內容1.2.1本項目的研究意義本項目中的虛擬信號發(fā)生器是通過LabVIEW圖形化語言，將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在儀器，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過LabVIEW實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。因為虛擬信號發(fā)生器可與計算機同步發(fā)展，與網絡及其他周邊設備互聯，用戶只需改變軟件程序就可以不斷賦予它或擴展增強它的測量功能。這就是說，儀器的設計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計者的時代，這將

14、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、質量高。基于Labview的虛擬函數信號發(fā)生器具有人機交互性好、易于操作等特點，能夠廣泛的應用與于科研、生產等領域。1.2.2本文的主要研究內容本文第二章主要介紹了虛擬儀器的概念、產生發(fā)展背景、分類、系統(tǒng)組成、優(yōu)勢及發(fā)展現狀，闡述與本論文編程有關的虛擬儀器在信號處理中的應用。第三章主要講述信號發(fā)生器的概述，闡述信號發(fā)生器的原理及分類，各種信號發(fā)生器的優(yōu)缺點。第四章分兩個部分，在第一部分虛擬儀器的簡單應用中，

15、通過實現簡單的正弦信號發(fā)生器，熟悉Labview軟件及l(fā)abview相應的工具箱的使用，第二部分是全文的重點，設計了多功能信號發(fā)生器，該發(fā)生器可以產生方波，三角波，鋸齒波和正弦波。信號的頻率、幅值可調，同時可以實現任意兩種信號的疊加。在設計信號發(fā)生器之余，還添加了卷積和相關控件，用于實現兩個信號的卷積。其中卷積和相關控件可以實現信號的卷積、反卷積、自相關、互相關。河北聯合大學信息工程學院畢業(yè)設計說明書第2章 虛擬儀器和Labview簡介2.1虛擬儀器的產生背景當今我們處于一個正在高度發(fā)展的信息社會，要求在有限的時空上實現大量信息的交換，必然帶來信息密度的急劇增大，要求電子系統(tǒng)對于信息的處理速度

16、越來越高，功能越來越強，這使得系統(tǒng)結構日趨復雜。對體積、耗電和價格的要求使得系統(tǒng)及IC的集成度越來越高，同時激烈的市場競爭使得產品價格及研制生產周期縮短，傳統(tǒng)的測試儀器已經越來越不能滿足時代的要求，主要表現在以下幾個方面：1、要求測試儀器不僅能單獨測量某個電量，而且測試儀器之間必須具備控制通道和數據交換通道，以便完成對各個被測量同時進行自動分析、信息綜合及準確判斷，傳統(tǒng)的測試儀器在這方面受到極大的限制。2、微處理器和DSP技術的飛速發(fā)展及它們價格的不斷降低，改變了傳統(tǒng)的電子設計概念，原來許多由硬件完成的功能現在逐步由運行在微處理器和DSP芯片上的軟件來完成，這樣給產品帶來了巨大的好處：自動化、

17、程序高、可靠性高、價格低、容易升級、系統(tǒng)具有寬適應范圍的柔性結構、可維護性好等等。硬件軟化的設計方法對當今測試儀器的設計產生了深刻的影響。3、良好的人機界面的要求促進了傳統(tǒng)測試儀器的改造。對于越來越復雜的被測系統(tǒng)，如果仍然使用傳統(tǒng)的測試儀器必然會需要眾多的儀器設備，面對各個生產廠家的不同設備，使用者需要學習不同設備的使用方法后方可使用。這樣的測試儀器不僅使用效率及利用效率都很低，而且硬件存在巨大的冗余。4、微計算機的廣泛使用，給基于微計算機的測試儀器提供了巨大的市場，人們在使用計算機及測試儀器時越來越明顯的感覺到測試儀器的許多功能不僅可以由已有的計算機來完成，而且需要增加某種測試功能時，只增加

18、少量的模塊化功能硬件即可，同時基于微計算機的測試儀器具有更多的優(yōu)點?？梢姡环矫骐娮蛹夹g及市場的發(fā)展從客觀上要求測試儀器向自動化及柔性化的方向發(fā)展，另一方面，電子技術及市場的發(fā)展也給虛擬儀器的產生提供了可能。在這種形式下，基于微計算機的虛擬儀器逐步變得現實，它的出現和廣泛使用為測試系統(tǒng)的設計提供一個極佳的模式，并且使工程師們在測量和控制方面得到強大功能和靈活性。2.2虛擬儀器的概念虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)的概念是由美國國家儀器公司(NI)在20世紀80年代最早提出的。虛擬儀器就是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計定義、具有虛擬前面板、測試功能由測試軟

19、件實現的一種計算機儀器系統(tǒng)。其核心的思想是利用計算機的強大資源使本來需要硬件實現的技術軟件化，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)功能與靈活性。虛擬儀器代表著從傳統(tǒng)硬件為主的測試系統(tǒng)到以軟件為中心的測試系統(tǒng)的根本性轉變。虛擬儀器的出現是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，對科學技術的發(fā)展和工業(yè)生產的進步將產生不可估量的影響。虛擬儀器利用個人計算機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對儀器的控制，數據分析與顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器價格，使用戶可以根據自己的需要定義儀器的功能。虛擬儀器可廣泛應用于電子測

20、量、電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動分析、聲學分析、故障診斷及教學科研等諸多領域。2.3 虛擬儀器的分類虛擬儀器隨著計算機的發(fā)展和采用總線方式的不同，一般可分為五種類型。1、PC總線插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計算機內的數據采集卡與專用的軟件如LABVIEW相結合。美國NI公司的LABVIEW是圖形化編程工具，它可以通過各種控件自己組建各種儀器。LABVIEW/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言Visual C+, Visual Basic, LABVIEW/cvi構成測試系統(tǒng)，它充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源

21、功率不足，機箱內部的噪聲電平較高，插槽數目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經淘汰，PCI總線的虛擬儀器價格比較昂貴。2、并行口式虛擬儀器最新發(fā)展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內。儀器軟件裝在計算機上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計、數字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數據記錄儀、數據采集器。美國LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機相連，實現臺式和便攜式兩用，非常方便

22、。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學實驗室應用。3、GPIB總線方式的虛擬儀器GPIB技術是IEEE488標準的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口可帶多達14臺儀器，電纜長度可達40米。GPIB技術可用計算機實現對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。GPIB測量系統(tǒng)的結構和命令簡單，主要應用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對計

23、算機高速傳輸狀況時應用。4、VXI總線方式虛擬儀器VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在VI領域的擴展，它具有穩(wěn)定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標準開放、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應用。經過多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。5、PXI總線方式虛擬儀器PXI總線方式是PCI總線內核技術增加了成熟的技術規(guī)范和要求形成的，增加了多

24、板同步觸發(fā)總線的技術規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴展性。PXI具有8個擴展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3-4個擴展槽，通過使用PCIPCI橋接器，可擴展到256個擴展槽，臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領域的擴展優(yōu)勢結合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。2.4虛擬儀器系統(tǒng)的構成虛擬儀器由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設備與接口可以是各種以PC為基礎的內置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設備，或者是其它各種可程控的外置測試設備，設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序，虛擬儀器通

25、過底層設備驅動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應的各種控件。用戶用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。2.4.1虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構成虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。因此，計算機技術在顯示、存儲能力、處理器性能、網絡、總線標準等方面的發(fā)展，導致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。按照測控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標

26、準體系結構，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數轉換。2.4.2虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構成測試軟件是虛擬儀器的主心骨。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實用成果時，就用軟件就是儀器來表達虛擬儀器的特征，強調軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據不同的測試任務，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現當代科學技術復雜的測試任務。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應用計算機直接參與測試信號的產生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機的軟硬件資源來完

27、成它們的功能。虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分。1、儀器面板控制軟件儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計算機強大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術，從控制模塊上選擇你所需要的對象，放在虛擬儀器的前面板上。2、數據分析處理軟件利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強大的函數庫可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數據分析處理能力，節(jié)省開發(fā)時間。3、儀器驅動軟件虛擬儀器驅動程序是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟件。儀器驅動器與通信接口及使用開發(fā)環(huán)境相聯系，它提供一種高級的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開發(fā)環(huán)境信息。儀器驅動器是虛擬儀器的核心，是用戶完成

28、對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅動程序的核心是驅動程序函數/VI集，函數/VI是指組成驅動的模塊化子程序。驅動程序一般分為兩層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入參數、收發(fā)數據、查看儀器狀態(tài)等。高層是應用函數/VI層，它根據具體測量要求調用底層的函數/VI。4、通用I/O接口軟件 在虛擬儀器系統(tǒng)中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件結構中承上啟下的一層，其模塊化與標準化越來越重要。VXI總線即插即用聯盟，為其制定了標準，提出了自底向上的I/O接口軟件模型即VISA。作為通用I/O標準，VISA具有與儀器硬件接口無關性的特點， 即這種軟件結構是面向器件功能而不是面向接口總線的。

29、應用工程師為帶GPIB接口儀器所寫的軟件，也可以于VXI系統(tǒng)或具有RS232接口的設備上，這樣不但大大縮短了應用程序的開發(fā)周期，而且徹底改變了測試軟件開發(fā)的方式和手段。2.5虛擬儀器的優(yōu)勢1、性能高虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現成即用的PC技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數據高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網和越來越快的計算機網絡使得虛擬儀器技術展現其更強大的優(yōu)勢。2、擴展性強NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當前的技術中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的

30、硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。3、開發(fā)時間少在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟件構架能與計算機、儀器 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器構成比較儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。NI設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。4、無縫集成虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成

31、這些不同設備總是要耗費大量的時間。NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設備提供了標準的接口，幫助我們輕松地將多個測量設備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務的復雜性。2.6 虛擬儀器的發(fā)展方向虛擬儀器作為新興的儀器儀表，其優(yōu)勢在于用戶可自行定義儀器的功能和結構等，且構建容易、轉換靈活，它已廣泛應用于電子測量、聲學分析、故障診斷、航天航空、機械工程、建筑工程、鐵路交通、生物醫(yī)療、教學及科研等諸多方面。隨著計算機軟硬件技術、通信技術及網絡技術的發(fā)展，給虛擬儀器的發(fā)展提供了廣闊的天地，國內外儀器界正看中這個大市場。測控儀器將會向高效、高速、高精度和高可靠性以及自動化、智能化和網絡化的方向發(fā)展。開放式數據采集標

32、準將使虛擬儀器走上標準化、通用化、系列化和模塊化的道路。虛擬儀器作為教學的新手段，已慢慢地走進了電子技術的課堂和實驗室，正逐漸改變著電子技術教學的傳統(tǒng)模式，這也是現代教育技術發(fā)展的必然。在電工電子實驗室的建設中，實驗室常規(guī)設備有的已經老化，有的技術上有些落后，在當前學校經費較少的情況下，如果配置常規(guī)儀器、儀表，學校財力難以支付，也不符合目前學校的實際。而且，隨著測試儀器的數字化、計算機化的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)測試儀器漸漸有被取代的趨勢。如果運用虛擬儀器技術，以微機為基礎，構建集成化測試平臺，代替常規(guī)儀器、儀表，不但滿足電工電子實驗教學的需要，而且將這批微機可作為其他有關計算機課程教學用機，大大提高了

33、設備利用率，降低了實驗室建設的成本。當前應該解決的是如何使虛擬儀器和現有儀器配合，挖掘現有儀器的潛力，達到逐步淘汰和取代傳統(tǒng)儀器的目的?？傊摂M儀器有很廣闊的發(fā)展空間，并最終要取代大量的傳統(tǒng)儀器成為儀器領域的主流產品，成為測量、分析、控制、自動化儀表的核心。2.7圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺LABVIEW 簡介LABVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (實驗室虛擬儀器集成開發(fā)環(huán)境)的簡稱，是由美國國家儀器公司(National instruments, IN)創(chuàng)立的一個功能強大而又靈活的儀器和分析應用開發(fā)工具。Labvi

34、ew一種圖形化的編程語言，主要用來開發(fā)數據采集，儀器控制及數據處理分析等軟件，功能強大。目前，該開發(fā)軟件在國際測試、測控行業(yè)比較流行，在國內的測控領域也得到廣泛應用。函數信號發(fā)生器是在科學研究和工程設計中廣泛應用的一種通用儀器。本文將結合一個虛擬函數信號發(fā)生器的設計實現具體介紹基于圖形化編程語言Labview的虛擬儀器編程方法與實現技術。LABVIEW是基于數據流的編譯型圖形編程環(huán)境，可以在不同操作系統(tǒng)下保持兼容，為數據的采集、分析、顯示提供集成的開發(fā)工具，而且還可以通過DDE和TCP/TP實現共享，節(jié)約了80%的程序開發(fā)時間，而速度幾乎不受影響。事實上，LABVIEW已經成為圖形化編程語言的

35、工業(yè)標準。LABVIEW不同于基于文本的的編程語言（如Fortran和C），他是一種圖形編程語言-通常稱為G語言，其編程過程就是同過圖形符號描述程序的運行。NI LABVIEW使用已獲取專利的數據流編程模式，他能是用戶從基于文本程序語言的循序結構中解脫出來，他的執(zhí)行循序是由節(jié)點間的數據而不是由文本行的循序決定的。并且，LABVIEW是唯一具有編譯器的圖形化程序環(huán)境，所生成的的優(yōu)化代碼的執(zhí)行速率可以和C語言媲美。 LABVIEW是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，被公認為是標準的數據采集和儀器控制軟件。它為設計者提供了一個便捷、輕松的設計環(huán)境，利用它設計者可以象搭積木一樣，輕松組建一個測量系統(tǒng)或數

36、據采集系統(tǒng)，并任意構造自己的儀器面板，而無需進行任何繁瑣的計算機程序代碼的編寫，從而可以大大簡化程序的設計。LABVIEW與VC+, Visual Basic, LabWindows/CVI等編程語言不同，后者采用的是基于文本語言的程序代碼，而LABVIEW則是使用圖形化程序設計語言G，用對話框代替了傳統(tǒng)的程序代碼。LABVIEW所運用的設備圖標與科學家、工程師們習慣的大部分圖標基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似。用LABVIEW設計的虛擬儀器可以脫離LABVIEW開發(fā)環(huán)境，最終用戶看一見的是和實際的硬件儀器相似的操作面板。LABVIEW包含有專門用于設計數據采集程序和儀器控制程序的功

37、能庫和開發(fā)工具庫。LABVIEW的程序設計實質上就是設計一個個的“虛擬儀器”，即“VIs(Virtual Instruments) 。在計算機顯示屏幕上利用功能庫和開發(fā)工具庫產生一個前面板(front panel )；在后臺則利用圖形化編程語言編制用于控制前面板的程序。程序的前面板具有與傳統(tǒng)儀器類似的界面，可接受用戶的鼠標指令。一般來說，每一個VI都可以作為其它VI的調用對象，其功能類似于文本語言的子程序。 LABVIEW是帶有可擴展功能庫和子程序庫的通用程序設計系統(tǒng)。它提供了用于GPIB設備控制、VXI總線控制、串行口設備控制、以及數據分析、顯示和存儲的應用程序模塊。LABVIEW可調用Wi

38、ndows動態(tài)鏈接庫和用戶自定義的動態(tài)鏈接庫中的函數。LABVIEW的CIN節(jié)點使用戶可以使用由其它語言，如ANSIC編譯的程序模塊，使LABVIEW成為一個開放的開發(fā)平臺。LABVIEW還直接支持動態(tài)數據交換(DDE)、結構化查詢語言(SQL) , TCP和UDP網絡協議等。此外，LABVIEW還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設置斷點，動態(tài)執(zhí)行程序來觀察數據的傳輸過程，以及進行方便的調試。LABVIEW的運行機制就宏觀上講已經不再是傳統(tǒng)上的馮諾依曼計算機體系結構的執(zhí)行方式。傳統(tǒng)的計算機語言(如C語言)中的順序執(zhí)行結構在LABVIEW中被并行機制所代替：從本質上講，它是一種帶有圖

39、形控制流結構的數據流模式，這種方式確保程序中的節(jié)點只有在獲得它的全部數據后才能執(zhí)行。也就是說，在這種數據流程序的概念中，程序的執(zhí)行是數據驅動的，它不受操作系統(tǒng)、計算機等因素的影響。LABVIEW程序是數據流驅動的。數據流程序設計規(guī)定，一個目標只有當它的所有輸入有效時才能執(zhí)行；而目標的輸出，只有當它的功能完全時才是有效的。這樣，LABVIEW中被連接的對話框之間的數據流控制著程序的執(zhí)行次序，而不象文本程序受到行順序執(zhí)行的約束。從而可以通過相互連接功能對話框快速簡潔地開發(fā)應用程序，甚至還可以有多個數據通道同步運行。LABVIEW的核心是VI。VI有一個人機對話的用戶界面一前面板(front pan

40、el)以及類似于源代碼功能的對話框(diagram)。前面板接受來自對話框的指令。在VI的前面板中，控制器(controls)模擬了儀器的輸入裝置并把數據提供給VI的對話框；而指示器(indicators)則模擬了儀器的輸出裝置并顯示由對話框獲得或產生的數據。當把一個控件或指示器放置到前面板上時，LABVIEW在對話框中相應地放置了一個端口(terminals)，這個從屬于控件或指示器的端口不能隨意刪除，只有刪除它對應的控件或指示器時它才隨之一起被刪除。用LABVIEW編制對話框程序時，不必受常規(guī)程序設計語法細節(jié)的限制。首先，從功能菜單中選擇需要的功能方框，將之置于面板上適當的位置；然后用導線

41、(wires)連接各功能方框在對話框中的端口，用來在功能方框之間傳輸數據。這些方框包括了簡單的算術功能，高級的采集和分析VI以及用來存儲和檢索數據的文件輸入輸出功能和網絡功能。 用LABVIEW編制出的圖形化VI是分層次和模塊化的?？梢詫⒅糜陧攲?top level)程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一個VI用在其它V工中，稱之為sub VI 。 sub VI在調用它的程序中同樣是以一個圖標的形式出現的。LABVIEW依附并發(fā)展了模塊化程序設計的概念。用戶可以把一個應用題目分解為一系列的子任務，每個子任務還可以進一步分解成許多更低一級的子任務，直到把一個復雜的題目分解為許多子任務的組合

42、。首先設計sub VI完成每個子任務，然后將之逐步組合成能夠解決最終問題的VI 。歸納起來LABVIEW軟件開發(fā)平臺具有以下優(yōu)點: 1、圖形化的編程方式，設計者無需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語言。2、提供了豐富的數據采集、分析及存儲的庫函數。3、既提供了傳統(tǒng)的程序調試手段，如設置斷點、單步運行，同時提供有獨到的高亮執(zhí)行工具，使程序動畫式運行，利于設計者觀察程序運行的細節(jié)，使程序的調試和開發(fā)更為便捷。4、32bit的編譯器編譯生成32bit的編譯程序，保證用戶數據采集、測試和測量方案的高速執(zhí)行。5、囊括了DAQ, GPIB, PXI, VXI, RS-232/485在內的各種儀器通信

43、總線標準的所有功能函數，使得不懂總線標準的開發(fā)者也能夠驅動不同總線標準接口設備與儀器。6、提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，諸如DLL(動態(tài)連接庫)、DDE(共享庫)、ActiveX等。7、強大的Internet功能，支持常用網絡協議，方便網絡、遠程測控儀器的開發(fā)。 圖形化程序設計編程簡單、直觀、開發(fā)效率高。隨著虛擬儀器技術的不斷發(fā)展，圖形化的編程語言必將成為測試和控制領域內最流行的發(fā)展趨勢。2.8 本章小結 本章主要講述了虛擬儀器的基本概念以及虛擬儀器的組成。虛擬儀器利用個人計算機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對儀器的控制，數據分析與顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀

44、器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器價格，使用戶可以根據自己的需要定義儀器的功能。虛擬儀器可廣泛應用于電子測量、電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動分析、聲學分析、故障診斷及教學科研等諸多領域。最后介紹了Labview這種被廣泛應用的虛擬儀器。河北聯合大學信息工程學院畢業(yè)設計說明書第3章 信號發(fā)生器3.1信號發(fā)生器概述信號發(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備。在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。信號發(fā)生器是一種悠久的測量儀器，早在20年代電子設備剛出現時它就產生了。隨著通信和雷達

45、技術的發(fā)展，40年代出現了主要用于測試各種接收機的標準信號發(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。同時還出現了可用來測量脈沖電路或用作脈沖調制器的脈沖信號發(fā)生器。由于早期的信號發(fā)生器機械結構比較復雜，功率比較大，電路比較簡單，因此發(fā)展速度比較慢。直到1964年才出現第一臺全晶體管的信號發(fā)生器。自60年代以來信號發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現了函數發(fā)生器，這個時期的信號發(fā)生器多采用模擬電子技術，由分立元件或模擬集成電路構成，其電路結構復雜，且僅能產生正弦波、方波、鋸齒波和三角波等幾種簡單波形，由于模擬電路的漂移較大，使其輸出的波形的幅度穩(wěn)定性差，而且模擬器件構成的電路存在著

46、尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產生較為復雜的信號波形則電路結構非常復雜。自從70年代微處理器出現以后，利用微處理器、模數轉換器和數模轉換器，硬件和軟件使信號發(fā)生器的功能擴大，產生比較復雜的波形。這時期的信號發(fā)生器多以軟件為主，實質是采用微處理器對DAC的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。軟件控制波形的一個最大缺點就是輸出波形的頻率低，這主要是由CPU的工作速度決定的，如果想提高頻率可以改進軟件程序減少其執(zhí)行周期時間或提高CPU的時鐘周期，但這些辦法是有限度的，根本的辦法還是要改進硬件電路。隨著現代電子、計算機和信號處理等技術的發(fā)展，極大促進了數字化技術在電子測量儀器中的應用，使原有的模

47、擬信號處理逐步被數字信號處理所代替，從而擴充了儀器信號的處理能力，提高了信號測量的準確度、精度和變換速度，克服了模擬信號處理的諸多缺點，數字信號發(fā)生器隨之發(fā)展起來。信號發(fā)生器的應用非常廣泛，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、函數發(fā)生器和任意波發(fā)生器等。再次，按其產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)生器都采用諧振法，即用具有頻率選擇性的回路來產生正弦振蕩，來

48、獲得所需頻率。3.2 信號發(fā)生器的分類3.2.1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；按輸出電平可調節(jié)范圍和穩(wěn)定度分為簡易信號發(fā)生器（即信號源）、標準信號發(fā)生器（輸出功率能準確地衰減到-100分貝毫瓦以下）和功率信號發(fā)生器（輸出功率達數十毫瓦以上）；按頻率改變的方式分為調諧式信號發(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。低頻信號發(fā)生器：包括音頻（20020000赫）和視頻 （1赫10兆赫）范圍的正弦波發(fā)生器。主振級一般用RC式振蕩器，也可用差頻振蕩器。為便于

49、測試系統(tǒng)的頻率特性，要求輸出幅頻特性平和波形失真小。高頻信號發(fā)生器：頻率為 100千赫30兆赫的高頻、30300兆赫的甚高頻信號發(fā)生器。一般采用 LC調諧式振蕩器，頻率可由調諧電容器的度盤刻度讀出。主要用途是測量各種接收機的技術指標。輸出信號可用內部或外加的低頻正弦信號調幅或調頻，使輸出載頻電壓能夠衰減到1微伏以下。微波信號發(fā)生器：從分米波直到毫米波波段的信號發(fā)生器。信號通常由帶分布參數諧振腔的超高頻三極管和反射速調管產生，但有逐漸被微波晶體管、場效應管和耿氏二極管等固體器件取代的趨勢。儀器一般靠機械調諧腔體來改變頻率，每臺可覆蓋一個倍頻程左右，由腔體耦合出的信號功率一般可達10毫瓦以上。簡易

50、信號源只要求能加1000赫方波調幅，而標準信號發(fā)生器則能將輸出基準電平調節(jié)到1毫瓦，再從后隨衰減器讀出信號電平的分貝毫瓦值；還必須有內部或外加矩形脈沖調幅，以便測試雷達等接收機。掃頻和程控信號發(fā)生器：掃頻信號發(fā)生器能夠產生幅度恒定、頻率在限定范圍內作線性變化的信號。在高頻和甚高頻段用低頻掃描電壓或電流控制振蕩回路元件（如變容管或磁芯線圈）來實現掃頻振蕩；在微波段早期采用電壓調諧掃頻，用改變返波管螺旋線電極的直流電壓來改變振蕩頻率，后來廣泛采用磁調諧掃頻，以YIG鐵氧體小球作微波固體振蕩器的調諧回路，用掃描電流控制直流磁場改變小球的諧振頻率。掃頻信號發(fā)生器有自動掃頻、手控、程控和遠控等工作方式。

51、頻率合成式信號發(fā)生器：這種發(fā)生器的信號不是由振蕩器直接產生，而是以高穩(wěn)定度石英振蕩器作為標準頻率源，利用頻率合成技術形成所需之任意頻率的信號，具有與標準頻率源相同的頻率準確度和穩(wěn)定度。輸出信號頻率通?？砂词M位數字選擇，最高能達11位數字的極高分辨力。頻率除用手動選擇外還可程控和遠控，也可進行步級式掃頻，適用于自動測試系統(tǒng)。直接式頻率合成器由晶體振蕩、加法、乘法、濾波和放大等電路組成，變換頻率迅速但電路復雜，最高輸出頻率只能達1000兆赫左右。用得較多的間接式頻率合成器是利用標準頻率源通過鎖相環(huán)控制電調諧振蕩器（在環(huán)路中同時能實現倍頻、分頻和混頻），使之產生并輸出各種所需頻率的信號。這種合成器

52、的最高頻率可達26.5吉赫。高穩(wěn)定度和高分辨力的頻率合成器，配上多種調制功能（調幅、調頻和調相），加上放大、穩(wěn)幅和衰減等電路，便構成一種新型的高性能、可程控的合成式信號發(fā)生器，還可作為鎖相式掃頻發(fā)生器。3.2.2函數發(fā)生器函數發(fā)生器又稱波形發(fā)生器。它能產生某些特定的周期性時間函數波形（主要是正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）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域。3.2.3脈沖信號發(fā)生器用于產生寬度、幅度和重復頻率可調的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應，或用模擬信號來測試雷達、多路通信和其他脈

53、沖數字系統(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，然后再經過一段可調節(jié)的延遲時間才輸出主信號脈沖，其寬度可以調節(jié)。有的能輸出成對的主脈沖，有的能分兩路分別輸出不同延遲的主脈沖。3.2.4 隨機信號發(fā)生器隨機信號發(fā)生器分為噪聲信號發(fā)生器和偽隨機信號發(fā)生器兩類。 噪聲信號發(fā)生器： 完全隨機性信號是在工作頻帶內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

54、器；用于微波波導系統(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）等。噪聲發(fā)生器輸出的強度必須已知，通常用其輸出噪聲功率超過電阻熱噪聲的分貝數（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)中引入一個隨機信號，以模擬實際工作條件中的噪聲而測定系統(tǒng)的性能；外加一個已知噪聲信號與系統(tǒng)內部噪聲相比較以測定噪聲系數；用隨機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絡的輸出信號與輸入信號的互相關函數，便可得到這一網絡的沖激響應函數。 偽隨機信號發(fā)生器：用白噪聲信號進行相關函數測量時，若

55、平均測量時間不夠長，則會出現統(tǒng)計性誤差，這可用偽隨機信號來解決。當二進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N很大時，則在低于fb=1/墹T的頻帶內信號頻譜的幅度均勻，稱為偽隨機信號。只要所取的測量時間等于這種編碼信號周期的整數倍，便不會引入統(tǒng)計性誤差。二進碼信號還能提供相關測量中所需的時間延遲。偽隨機編碼信號發(fā)生器由帶有反饋環(huán)路的n級移位寄存器組成，所產生的碼長為 N2-1 。3.3本章小結信號發(fā)生器是許多電子設備特別是測試設備必備的一部分，用以輸入基準源信號給被測設備，通過接收被測設備返回的信息，來分析研究被檢測設備的情況。本章主要講述了信號發(fā)生器的原理、分類及應用領域。河

56、北聯合大學信息工程學院畢業(yè)設計說明書第4章 基于虛擬儀器的信號發(fā)生器的設計4.1虛擬儀器的簡單應用4.1.1 創(chuàng)建虛擬儀器下面將創(chuàng)建一個VI，該VI產生一個信號并在圖形中顯示出來。啟動labview時將出現下面的窗口如圖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提供內置VI模板，包括用于創(chuàng)建常規(guī)測量應用程序所需的子VI、函數、結構和前面板對象。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或基于模板的VI鏈接，顯示新建對話框。3、在

57、新建列表中選擇VI基于模板使用指南（入門）生成和顯示。 該VI模板可生成并顯示信號。VI模板的預覽和簡要說明位于窗口右側的說明部分。 圖2為新建對話框以及“生成和顯示”VI模板的預覽。圖2 虛擬儀器的新建窗口4、單擊確定按鈕即可創(chuàng)建一個基于該模板的VI。也可通過在新建列表中雙擊VI模板的名稱來創(chuàng)建基于該模板的VI。LabVIEW顯示兩個窗口：前面板窗口和程序框圖窗口。5、在程序框圖窗口中，把鼠標放在方針信號上，右擊鼠標，單擊屬性，可以配置仿真信號，如圖3所示。在圖中，可以選正弦波，方波，鋸齒波等信號類型，這里選正弦波。同時還可以設置頻率，相位，幅值，偏移量等。圖3 配置仿真信號6、單擊確定，回到程序框圖，在程序框圖或者前面板中單擊運行按鈕，將在前面板上顯示一個動態(tài)的正弦波。7、如要停止VI，單擊程序框圖或者前面板中的停止按鈕 ，或者單擊前面板上的停止按鈕。4.1.2 為前面板添加控件前面板上的控件相當于物理儀器中的輸入裝置，即為VI的程序框圖輸送數據。許多物理儀器都具有旋鈕，轉動旋鈕將改變輸入值。按照下列步驟，為前面板添加一個旋鈕控件。在前面板或程序框圖中的任意空白處右鍵單擊，也可顯示臨時的控件或函數選板。