基于LabVIEW的信號發(fā)生器設計

1、目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc271225668 1 LabVIEW簡介 PAGEREF _Toc271225668 h 3 HYPERLINK l _Toc271225669 1.1 虛擬儀器概念 PAGEREF _Toc271225669 h 3 HYPERLINK l _Toc271225670 1.2 LabVIEW介紹 PAGEREF _Toc271225670 h 4 HYPERLINK l _Toc271225671 1.2.1 Labview開發(fā)平臺 PAGEREF _Toc271225671 h 4 HYPERLINK l _Toc27

2、1225672 1.2.2 程序前面板 PAGEREF _Toc271225672 h 4 HYPERLINK l _Toc271225673 1.2.3 框圖程序 PAGEREF _Toc271225673 h 5 HYPERLINK l _Toc271225674 1.2.4 圖標/連接器 PAGEREF _Toc271225674 h 5 HYPERLINK l _Toc271225675 1.2.5 Labview中的操作模板 PAGEREF _Toc271225675 h 5 HYPERLINK l _Toc271225676 1.2.6 Labview中的框圖程序 PAGEREF

3、_Toc271225676 h 6 HYPERLINK l _Toc271225677 2 虛擬信號發(fā)生器的設計思想 PAGEREF _Toc271225677 h 6 HYPERLINK l _Toc271225678 3 虛擬信號發(fā)生源的方案設計 PAGEREF _Toc271225678 h 7 HYPERLINK l _Toc271225679 3.1 實驗方案一 PAGEREF _Toc271225679 h 7 HYPERLINK l _Toc271225680 3.2 實驗方案二 PAGEREF _Toc271225680 h 7 HYPERLINK l _Toc27122568

4、1 3.3 方案比較 PAGEREF _Toc271225681 h 7 HYPERLINK l _Toc271225682 4 虛擬信號發(fā)生源的實現(xiàn) PAGEREF _Toc271225682 h 7 HYPERLINK l _Toc271225683 前面板的設計 PAGEREF _Toc271225683 h 7 HYPERLINK l _Toc271225684 4.1.2 參數(shù)設置控件 PAGEREF _Toc271225684 h 8 HYPERLINK l _Toc271225685 4.1.3 輸出波形選擇按鈕 PAGEREF _Toc271225685 h 8 HYPERLI

5、NK l _Toc271225686 4.1.4 是否加噪聲信號選擇 PAGEREF _Toc271225686 h 8 HYPERLINK l _Toc271225687 5 調試過程及結果 PAGEREF _Toc271225687 h 10 HYPERLINK l _Toc271225688 5.1 三角波的調試 PAGEREF _Toc271225688 h 10 HYPERLINK l _Toc271225689 正弦波調試 PAGEREF _Toc271225689 h 11 HYPERLINK l _Toc271225690 5.3 方波的調試 PAGEREF _Toc27122

6、5690 h 11 HYPERLINK l _Toc271225691 5.4 鋸齒波的調試 PAGEREF _Toc271225691 h 12 HYPERLINK l _Toc271225692 5.5 高斯白噪聲的調試 PAGEREF _Toc271225692 h 12 HYPERLINK l _Toc271225693 5.6混合信號的調試 PAGEREF _Toc271225693 h 13 HYPERLINK l _Toc271225694 5.7 均勻噪聲信號的調試 PAGEREF _Toc271225694 h 13 HYPERLINK l _Toc271225695 5.8

7、 加均勻噪聲信號調試 PAGEREF _Toc271225695 h 14 HYPERLINK l _Toc271225696 5.9 加信高斯白噪聲信號調試 PAGEREF _Toc271225696 h 14 HYPERLINK l _Toc271225697 5.10 數(shù)字信號RZ的調試 PAGEREF _Toc271225697 h 15 HYPERLINK l _Toc271225698 5.11 數(shù)字信號NRZ的調試 PAGEREF _Toc271225698 h 15 HYPERLINK l _Toc271225699 6 心得體會 PAGEREF _Toc271225699 h

8、 16 HYPERLINK l _Toc271225700 7 參考文獻 PAGEREF _Toc271225700 h 16基于LABVIEW的虛擬信號發(fā)生器設計1 LabVIEW簡介1.1 虛擬儀器概念傳統(tǒng)儀器一般是一臺獨立的裝置，從外觀上看，它是一般由操作面板、信號輸入端口、檢測結果輸出這幾個部分組成。操作面板上一般有一些開關、按鈕、旋鈕等。檢測結果的輸出方式有數(shù)字顯示、指針式表頭顯示、圖形顯示及打印輸出等。而所謂的虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設計儀器的功能，用戶操作計算機的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。虛擬儀器以計算機為核心，充分利用計算機強大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，

9、提供對測量數(shù)據(jù)的分析和顯示功能。虛擬儀器技術給用戶一個充分發(fā)揮自己的才能、想象力的空間。用戶可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求，設計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的用戶需求。如果在計算機內插上一塊數(shù)據(jù)采集卡，就可以把傳統(tǒng)儀器的所有功能模塊都集成在一臺計算機中了。而軟件就成為了虛擬儀器的關鍵，任何一個使用者都可以通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能，這就是美國NI公司“軟件就是儀器”一說的來歷。影響最大的虛擬儀器編程語言是美國NI公司的LabVIEW 和Lab Windows/CVI。以下是傳統(tǒng)測試儀器和虛擬儀器的一個比較：表1-1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器對照表傳統(tǒng)儀器虛擬儀器開發(fā)和維護費用高基于軟件體系的

10、結構，大大節(jié)省開發(fā)和維護的費用功能由儀器廠商定義功能由用戶自己定義與其他儀器設備的連接十分有限面向應用的系統(tǒng)結構，可以方便地與外設、網(wǎng)絡或其他應用連接數(shù)據(jù)無法編輯數(shù)數(shù)據(jù)可編輯、存儲、打印硬件是關鍵部分軟件是關鍵部分價格昂貴價格低廉（是傳統(tǒng)價格的五至十分之一）技術更新慢（5-10年）技術更新快（一般1-2年）系統(tǒng)封閉、功能固定、擴展性低基于計算機技術開放的功能模塊可構成多種儀器正是因為意識到了虛擬儀器的諸多優(yōu)點及傳統(tǒng)儀器的一些弊端，所以，我們計劃開發(fā)了這樣一臺基于Labview(美國NI公司)的多功能虛擬數(shù)字發(fā)生器。其集成了示波，動態(tài)/靜態(tài)波形分析，頻譜分析，頻率計，波形參數(shù)分析，信號發(fā)生，以及

11、遠程示波等功能。在示波功能上，除了對波形的精確顯示外，還的波形參數(shù)進行了顯示和對其時域信號、頻域信號進行了分析。1.2 LabVIEW介紹1. Labview開發(fā)平臺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，是有美國國家儀器公司(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。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 L

12、abview使用已獲取專利的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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就有開放的環(huán)境，能和第三放軟件輕松連接，通過Labview，用戶可以把現(xiàn)有的應用程序和.NET組件、ActiveX、 DLL以及廣泛的網(wǎng)絡協(xié)議相連，同樣用戶可以在Labview中創(chuàng)建能在其軟件環(huán)境中調用的獨立執(zhí)行程序或動態(tài)連接庫。在設計集成系統(tǒng)中，特別是做硬件數(shù)據(jù)采集，儀器控制等，有其一套快速開發(fā)組件，從而大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，著

13、是其他開發(fā)平臺所沒法比較的。下面對Labview基于圖形化語言作簡要介紹：1. 程序前面板 程序前面板用于設置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（Controls），輸出量被稱為顯示（Indicators）。控制和顯示是以各種圖標形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開關、按鈕、圖表、圖形等，這使這得前面板直觀易懂。1. 框圖程序每一個程序前面板都對應著一段框圖程序?？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、圖框和連線構成。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)點被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調用，圖框

14、被用來實現(xiàn)結構化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內的數(shù)據(jù)流動方向。1. 圖標/連接器 圖標/連接器是子VI被其它VI調用的接口。圖標是子VI在其他程序框圖中被調用的節(jié)點表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點數(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。連接器一般情況下隱含不顯示，除非用戶選擇打開觀察它。1. Labview中的操作模板Labview具有多個圖形化的操作模板，用于創(chuàng)建和運行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動，并可以放置在屏幕的任意位置。操縱模板共有三類，為工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和功能（Fu

15、nctions）模板。工具模板為編程者提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調試VI程序的工具。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在Windows菜單下選擇Show Tools Palette命令以顯示該模板。當從模板內選擇了任一種工具后，鼠標箭頭就會變成該工具相應的形狀。當從Windows菜單下選擇了Show Help Window功能后，把工具模板內選定的任一種工具光標放在框圖程序的子程序（Sub VI）或圖標上，就會顯示相應的幫助信息。用控制模板可以給前面板添加輸入控制和輸出顯示。每個圖標代表一個子模板。如果控制模板不顯示，可以用Windows菜單的Show Controls Palette功能打開它，也可

16、以在前面板的空白處，點擊鼠標右鍵，以彈出控制模板。功能模板是創(chuàng)建框圖程序的工具。該模板上的每一個頂層圖標都表示一個子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用Windows菜單下的Show Functions Palette功能打開它，也可以在框圖程序窗口的空白處點擊鼠標右鍵以彈出功能模板。1.2.6 Labview中的框圖程序框圖程序是由節(jié)點、端子、圖框和連線四種元素構成的。節(jié)點類似于文本語言程序的語句、函數(shù)或者子程序。Labview有二種節(jié)點類型函數(shù)節(jié)點和子VI節(jié)點。兩者的區(qū)別在于：函數(shù)節(jié)點是Labview以編譯好了的機器代碼供用戶使用的，而子VI節(jié)點是以圖形語言形式提供給用戶的。用戶可以訪問和修改

17、任一子VI節(jié)點的代碼，但無法對函數(shù)節(jié)點進行修改。端子是只有一路輸入/輸出，且方向固定的節(jié)點。Labview有三類端子前面板對象端子、全局與局部變量端子和常量端子。對象端子是數(shù)據(jù)在框圖程序部分和前面板之間傳輸?shù)慕涌?。一般來說，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子與之一一對應。當在前面板創(chuàng)建或刪除面板對象時，可以自動創(chuàng)建或刪除相應的對象端子?？刂茖ο髮亩俗釉诳驁D中是用粗框框住的。它們只能在VI程序框圖中作為數(shù)據(jù)流源點。顯示對象對應的端子在框圖中是用細框框住的。圖框是Labview實現(xiàn)程序結構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

18、控制VI程序的執(zhí)行方式。代碼接口節(jié)點（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調。當需要連接兩個端子時，在第一個端子上點擊連線工具（從工具模板欄調用），然后移動到另一個端子，再點擊第二個端子。端子的先后次序不影響數(shù)據(jù)流動的方向。當把連線工具放在端子上時，該端子區(qū)域將會閃爍，表示連線將會接通該端子。當把連線工具從一個端口接到另一個端口時，不需要按住鼠標鍵。當需要連線轉彎時，點擊一次鼠標鍵，即可以正交垂直方向地彎

19、曲連線，按空格鍵可以改變轉角的方2 虛擬信號發(fā)生器的設計思想虛擬儀器通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鍵. 虛擬信號發(fā)生器可產生正弦波、方波、鋸齒波、三角波、高斯白噪聲、均勻白噪聲以及加噪聲等信號以及混合信號和數(shù)字信號,根據(jù)需要,可調節(jié)其中面板上的控鍵,改變信號的頻率、幅度與相位,所有信號發(fā)生的結果都可以通過軟件設計的虛擬面板顯示.3 虛擬信號發(fā)生源的方案設計3.1 實驗方案一 通過自己編寫程序來實現(xiàn)三角波、鋸齒波、方波、正弦波、數(shù)字波形的產生； 實驗方案二 通過已有的信號發(fā)生器來實現(xiàn)三角波，鋸齒波，方波，

20、正弦波，數(shù)字波形的產生，熟悉各種語句，使前面板看起來功能相對比較多。3.3 方案比較 方案一需要對控件掌握的要求高些，而方案二對函數(shù)掌握的要求高些，二者同樣都可以實現(xiàn)要求，由于對函數(shù)掌握的程度高些，此次強化訓練我選擇第二種實驗方案。4 虛擬信號發(fā)生源的實現(xiàn)前面板的設計根據(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、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.圖1 前面板上的控件.2 參數(shù)設置控件(

21、1) 在前面板的設計窗口中,打開控制模塊執(zhí)行All cont roll s Numeric Knob 操作,得到幅值等控制旋鈕。(2) 將鼠標移至旋鈕單擊右鍵選擇屬性選項,在隨后彈出的對話框中的外觀選項的標簽中將這些旋鈕分別命名為“頻率調節(jié)”、“幅度調節(jié)”、“相位調節(jié)”、 “采樣頻率”、 “高斯噪聲的標準差或均勻噪聲的振幅” 輸出波形選擇按鈕用一個Case 結構來控制波形的產生. 可以選擇輸出為正弦信號、方波信號、三角波、鋸齒波、數(shù)字波RZ、NRZ、均勻白噪聲、高斯白噪聲等. 具體操作為:在前面板的設計窗口中,打開控制模塊,執(zhí)行Express文本輸入控件 文本下拉列表 ,修改名稱為選擇產生的信

22、號 . 然后右鍵點擊屬性，選擇編輯項,在表格中添加和編輯三角波、正弦波、鋸齒波、方波、高斯白噪聲、均勻白噪聲、RZ、NRZ 等,并設置其先后順序。 是否加噪聲信號選擇和輸出波形選擇按鈕一樣，在表格中添加和編輯不加噪聲，加高斯白噪聲，加均勻噪聲等，并設置其先后順序。4.2 程序框圖的設計對于虛擬信號發(fā)生器而言,它的主要功能就是為我們提供激勵信號,所以在程序框圖設計中,我們首先要選擇產生信號的圖標以及用于產生信號的case 結構。圖2 程序框圖中的程序圖其中的case語句是這次強化訓練的重點，每一個case語句都可以產生一種波形。圖3 程序框圖中case0語句框圖，Case0產生三角波；Case1

23、產生正弦波；Case2產生方波；Case3產生鋸齒波；Case4產生高斯白噪聲；Case5產生均勻噪聲；Case6產生數(shù)字信號RZ；Case7產生數(shù)字信號NRZ；前面五個Case都是用已有的信號發(fā)生器來產生信號；數(shù)字信號是用脈沖信號產生的合成產生的數(shù)字信號；圖4 RZ數(shù)字波的產生框圖5 調試過程及結果5.1 三角波的調試圖5 三角波的調試結果圖6 正弦波的調試結果5.3 方波的調試圖7 方波的調試結果5.4 鋸齒波的調試圖8 鋸齒波的調試結果5.5 高斯白噪聲的調試圖9 高斯白噪聲的調試結果圖10 混合信號的調試結果5.7 均勻噪聲信號的調試圖11 均勻噪聲的調試結果5.8 加均勻噪聲信號調試圖12 加均勻噪聲信號的調試結果5.9 加信高斯白噪聲信號調試圖13 加信高斯白噪聲信