基于LabVIEW的多功能信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì).doc

深圳大學(xué)研究生課程論文題目 基于LabVIEW的多功能信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 成績(jī) 專業(yè) 控制工程（秋） 課程名稱 LabVIEW軟件與虛擬儀器設(shè)計(jì)實(shí)踐 年級(jí) 2015級(jí) 姓名 張曉杰 學(xué) 號(hào) 2151160401 時(shí)間 2016 年4 月 任課教師 李天利 基于LabVIEW的多功能信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)張曉杰2151160401深圳大學(xué)機(jī)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(kāi)發(fā)的程序, 組建了多功能信號(hào)發(fā)生器。該發(fā)生器不僅能產(chǎn)生信號(hào)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(hào)相互疊加后的波形信號(hào), 從而產(chǎn)生其它任意波形，同時(shí)還可輕松、快捷地將這些信號(hào)波形顯示出來(lái)。解決了傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器只能產(chǎn)生基本波形的局限性, 為學(xué)習(xí)和實(shí)踐測(cè)試提供了一條捷徑。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；多功能信號(hào)發(fā)生器；LabVIEW1 課題背景和意義 虛擬儀器是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上,由用戶自己設(shè)計(jì)定義 , 具有虛擬面板, 測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng) 。信號(hào)發(fā)生器作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)中比較重要的裝置, 被廣泛地應(yīng)用到教學(xué) 、 科研等各個(gè)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域 。傳統(tǒng)的模擬信號(hào)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(guó)高檔臺(tái)式儀器, 如數(shù)字示波器、頻譜分析儀等還主要依賴進(jìn)口。這些儀器加工工藝復(fù)雜,對(duì)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(guò)只采購(gòu)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(kāi)發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)出所需的高性能價(jià)格比的儀器系統(tǒng)。物理儀器(計(jì)算機(jī)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(jì)出一種可以產(chǎn)生多種波形的物理信號(hào)發(fā)生器。由于采用硬件少、成本低，該種信號(hào)發(fā)生器極易實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)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(tái)性能可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器。該方案為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究和野外測(cè)試工作提供了方便快捷的信號(hào)源。目前，信號(hào)發(fā)生器已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)測(cè)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(hào)、方波信號(hào)、鋸齒波信號(hào)和三角波信號(hào)等常用波形信號(hào)。傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器種類(lèi)繁多，總體分為通用信號(hào)發(fā)生器和專用信號(hào)發(fā)生器。根據(jù)儀器性能優(yōu)劣，信號(hào)發(fā)生器的價(jià)格和應(yīng)用場(chǎng)合也存在很大差異。通用信號(hào)發(fā)生器價(jià)格一般在幾百元到幾千元，主要應(yīng)用在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工業(yè)測(cè)試工作中；專用信號(hào)發(fā)生器的價(jià)格高達(dá)幾萬(wàn)元，主要應(yīng)用在科研工作中。傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器主要存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：功能固定，不能擴(kuò)展；電路元件多，不同類(lèi)型的輸出信號(hào)要求不同的電子元件；儀器組裝與維修工作復(fù)雜；價(jià)格較貴，不易攜帶。2 多功能信號(hào)發(fā)生器軟件設(shè)計(jì)思路2.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) 本文采用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是LabVIEW，該軟件是目前最流行的美國(guó)National Instruments(簡(jiǎn)稱NI)公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的。在LabVIEW軟件環(huán)境中開(kāi)發(fā)的每個(gè)程序稱為Virtual Instrument(簡(jiǎn)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(hào)的測(cè)試處理、計(jì)算分析和輸出顯示過(guò)程中，虛擬儀器代替物理儀器，不僅減少測(cè)試成本，還縮減了開(kāi)發(fā)周期，并能夠提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和維護(hù)的靈活性。2.2 多功能信號(hào)發(fā)生器的基本功能 信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn) 8 個(gè)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(duì)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(jìn)行調(diào)節(jié) ;3)對(duì)波形添加噪聲信號(hào)( 高斯白噪聲 Gamma 噪聲和周期性隨機(jī)噪聲) ;4)通過(guò)運(yùn)算實(shí)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(jìn)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(chǔ)和讀取波形數(shù)據(jù) ,為分析數(shù)據(jù)提供方便。7)通過(guò)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(gè)參數(shù)) ;2.2 基于虛擬儀器控件生成波形信號(hào)的數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建2.2.1正弦交流信號(hào)的數(shù)學(xué)模型位： （i=1,2,3.N）上式中：調(diào)節(jié)Um可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)幅的目的；調(diào)節(jié)憊值可以改變信號(hào)的頻率；改變N值可以調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的采樣率；改變口可以調(diào)節(jié)信號(hào)的初相角；調(diào)節(jié)士睪可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(gè)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(hào)的數(shù)學(xué)模型:設(shè)每個(gè)周期信號(hào)的采樣點(diǎn)為N個(gè)，鋸齒波上升階段的采樣點(diǎn)為M個(gè)，信號(hào)的最大幅值為u。嚴(yán)生鋸齒波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型為： 在上式中，常數(shù)+-Um/2用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的直流偏置作用，+Um/2可以實(shí)現(xiàn)信喜沿著y軸方向增加Um/2伏特；反之一Um/2可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)沿著y軸方向減少Um/2伏特。 2.2.3 三角波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型 三角波信號(hào)是鋸齒波信號(hào)的一種特殊形式。當(dāng)鋸齒波信號(hào)的上升時(shí)間與下降時(shí)間相等時(shí)，鋸齒波信號(hào)就轉(zhuǎn)換成三角波信號(hào)口。在上圖中，令N一2M，就可以產(chǎn)生三角波信號(hào)。 2.2.4方波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型方波信號(hào)只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平。設(shè)每半個(gè)周期輸出信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)為N，Um為信號(hào)幅值，產(chǎn)生該信號(hào)的數(shù)學(xué)模型為: 2.2.5直流信號(hào)數(shù)學(xué)模型 在整個(gè)信號(hào)輸出期間，信號(hào)始終保持一個(gè)常數(shù)不變，即：U=Um(i一0，1，2，3，n)3 多功能信號(hào)發(fā)生器的前面板設(shè)計(jì)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(shí)儀器的操作面。根據(jù)傳統(tǒng)信號(hào)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(jì)面板上放入模擬實(shí)際信號(hào)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(kāi)關(guān)，選擇器顯示器用于顯示輸出的信號(hào)波形，數(shù)據(jù)輸入控鍵用于輸出信號(hào)的信號(hào)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(hào)類(lèi)型 。打開(kāi) LABVIEW 前面板編輯窗口，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，顯示控制模板，選擇GraphWavefovmgraph作為信號(hào)發(fā)生器的顯示器,在顯示器模板上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵,對(duì)其進(jìn)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(duì)顯示器橫(時(shí)間),縱(幅度)坐標(biāo)的刻度重新設(shè)置。用Graph 控鍵設(shè)計(jì)的顯示器是完全同步的,波形穩(wěn)定。多功能信號(hào)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(kāi)始停止模塊。此如圖所示 。通過(guò)調(diào)節(jié)波形選擇旋鈕, 該多功能信號(hào)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(guò)頻率選擇旋鈕實(shí)現(xiàn)頻率的倍乘( 即只要撥動(dòng)很小的范圍就能實(shí)現(xiàn)很大范圍的頻率調(diào)節(jié)) ,還可以通過(guò)點(diǎn)擊幅值衰減按鈕改變幅度范圍( 幅度衰減公式為 dB =20logX) 。點(diǎn)擊開(kāi)始波形疊加，還原波形分離。前面板整體設(shè)計(jì)如下圖3.1 圖3.1 前面板總體框圖4多功能信號(hào)發(fā)生器的后面板設(shè)計(jì) 4.1 后面板設(shè)計(jì)概訴多功能信號(hào)發(fā)生器的后面板( 程序框圖) 用LabVIEW圖形編程語(yǔ)言編寫(xiě), 可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼 ?？驁D程序由節(jié)點(diǎn) 、 端點(diǎn)、 圖框和連線構(gòu)成, LabVIEW 中的節(jié)點(diǎn)類(lèi)似于文本語(yǔ)言程序的語(yǔ)句、函數(shù)或者子程序 。 LabVIEW 有兩種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型函數(shù)節(jié)點(diǎn)和子 VI 節(jié)點(diǎn)。端點(diǎn)是只有一路輸入/輸出,且方向固定的節(jié)點(diǎn)。LabVIEW 有三類(lèi)端點(diǎn)前面板對(duì)象端點(diǎn) 、 全局與局部變量端點(diǎn)和常量端點(diǎn) 。對(duì)象端點(diǎn)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(gè) VI 的前面板上的對(duì)象( 控制或顯示) 都在框圖中有一個(gè)對(duì)象端點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)。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( 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(diǎn)用來(lái)實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用,圖框用來(lái)實(shí)現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)控制命令, 而連線代表程序執(zhí)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)流 , 并定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。 4.2 輸出波形選擇按鈕用一個(gè) CASE結(jié)構(gòu)來(lái)控制波形的產(chǎn)生可以選擇輸出為正弦信號(hào)或是方波信號(hào)、三角波、調(diào)制信號(hào)等。具體操作為在前面板的設(shè)計(jì)窗口中打開(kāi)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(diǎn)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(hào)發(fā)生器子 VI 的設(shè)計(jì)后面板中調(diào)用的子 VI 有波形選擇子 VI 、 添加噪聲信號(hào)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(guò)調(diào)用 sin( x) 函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) , 每一正弦波周期由 105 點(diǎn)組成,利用類(lèi)似 C 語(yǔ)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(gè)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(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)實(shí)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(gè)數(shù)組。旋鈕上的 0 -4 作為索引值, 通過(guò)調(diào)用數(shù)組索引函數(shù),對(duì)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(yǔ)言中的“Case”語(yǔ)句) , 利用該控件與條件選擇端口相連來(lái)選擇相應(yīng)的波形信號(hào)。2)添加噪聲信號(hào)子 VI 。LabVIEW中有許多噪聲信號(hào)子 VI 可以直接調(diào)用, 和純凈信號(hào)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(gè)下拉列表控件與條件選擇端口相連來(lái)選擇相應(yīng)的噪聲波形信號(hào)的產(chǎn)生 。 下拉列表中有 : 高斯白噪聲、周期性隨機(jī)噪聲 、反冪律噪聲、 Gamma 噪聲 、 泊松噪聲 、 二項(xiàng)分布的噪聲波形和 Binomial 噪聲波形 。由于在實(shí)際應(yīng)用中常常需要添加噪聲信號(hào) , 本文通過(guò)在下拉控件中選擇加入了高斯白噪聲，Gamma 噪聲兩個(gè)噪聲可供選擇。 然后在輸出端用加號(hào)控件把輸出噪聲信號(hào)和純凈信號(hào)波形進(jìn)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(jì)類(lèi)似,由 6 個(gè)頻率倍乘值組成數(shù)組, 數(shù)組元素通過(guò)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(shí)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(gè)純計(jì)數(shù)單位 ,本意是表示兩個(gè)量的比值大小,沒(méi)有單位,是按照對(duì)數(shù)定義的一個(gè)幅度單位 。對(duì)于電壓值, dB 以 20lgX 給出; 對(duì)于功率值 ,以10lgX 給出。dB 的意義就是把一個(gè)很大( 后面跟一長(zhǎng)串 0) 或者很小( 前面有一長(zhǎng)串 0) 的數(shù)比較簡(jiǎn)短地表示出來(lái)。 5 運(yùn)行結(jié)果當(dāng)我們完成了設(shè)計(jì)后， 若流程圖設(shè)計(jì)窗口工具條中的箭頭圖標(biāo)顯示為向右箭頭，就說(shuō)明我們的流程圖設(shè)計(jì)是正確的，可以運(yùn)行檢驗(yàn)該程序了。連接各個(gè)模塊，設(shè)置其合理參數(shù)，先分別單獨(dú)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(jì)方案，本文成功地研制一臺(tái)多功能信號(hào)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(hào)等多種信號(hào)，而且還能將各種信號(hào)互相疊加產(chǎn)生新的信號(hào)，測(cè)試結(jié)果如下圖所示： 正弦波和方波分開(kāi)顯示 正弦波和方波疊加 三角波和鋸齒波分開(kāi)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(yǔ)基于Labview 的虛擬信號(hào)發(fā)生器利用軟件方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)生器的功能它可給各種設(shè)備提供多種信號(hào)，且頻率可調(diào)， 具有友好的圖形界面， 操作簡(jiǎn)單方便， 達(dá)到一機(jī)多用的目的如果在應(yīng)用中需要更多的信號(hào)。只需修改程序，功能的擴(kuò)展并不增加費(fèi)用，且性能更新周期短，性價(jià)比低，另外虛擬信號(hào)發(fā)生器易于同外部設(shè)備連接，便于存儲(chǔ)分析處理等。通過(guò)LabVlEW多功能信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，虛擬儀器將是以后一個(gè)主要的發(fā)展方向。相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)儀器，虛擬儀器功能強(qiáng)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(gè)鄰域，引起儀器深層次變革。LabVIEW作為一個(gè)圖形化編程軟件,是開(kāi)發(fā)測(cè)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(kāi)放性、專用性, 使測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期短、 成本低、質(zhì)量高基于 LabV