1、深圳大學研究生課程論文題目 基于LabVIEW的多功能信號發生器設計 成績 專業 控制工程（秋） 課程名稱 LabVIEW軟件與虛擬儀器設計實踐 年級 2015級 姓名 張曉杰 學 號 2151160401 時間 2016 年4 月 任課教師 李天利 基于LabVIEW的多功能信號發生器設計張曉杰2151160401深圳大學機電與控制工程學院摘要： 本文利用虛擬儀器技術采用 LabVIEW環境下開發的程序, 組建了多功能信號發生器。該發生器不僅能產生信號的參數可調的正弦波、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, 從而產生其它任意波

2、形，同時還可輕松、快捷地將這些信號波形顯示出來。解決了傳統信號發生器只能產生基本波形的局限性, 為學習和實踐測試提供了一條捷徑。關鍵詞：虛擬儀器；多功能信號發生器；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,由用戶自己設計定義 , 具有虛擬面板, 測試功能由測試軟件實現的一種計算機儀器系統 。信號發生器作為科學實驗中比較重要的裝置, 被廣泛地應用到教學 、 科研等各個實驗領域 。傳統的模擬信號發生器一般只能產生幾種常規的波形, 而在一些復雜和特殊的應用中, 要求輸出任意波形且要易于程控 。目前 ,我國高檔臺式儀器, 如數字示波器、頻譜分析儀等還主要依賴進口。這

3、些儀器加工工藝復雜,對制造水平要求高 , 生產突破有困難, 而采用虛擬技術后 ,就可通過只采購適合自己應用情況的通用儀器硬件,依靠虛擬儀器軟件開發平臺,設計出所需的高性能價格比的儀器系統。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)相結合方法，設計出一種可以產生多種波形的物理信號發生器。由于采用硬件少、成本低，該種信號發生器極易實現。在計算機普及的今天，只要在PC內安裝LabVIEW軟件，并配置一塊普通的USB采集卡，就可以產生一臺性能可調的信號發生器。該方案為高校實驗教學、科學研究和野外測試工作提供了方便快捷的信號源。目前，信號發生器已廣泛地應用在工業測試和教學科

4、研等許多領域中，它可以產生不同頻率、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。傳統的信號發生器種類繁多，總體分為通用信號發生器和專用信號發生器。根據儀器性能優劣，信號發生器的價格和應用場合也存在很大差異。通用信號發生器價格一般在幾百元到幾千元，主要應用在高校實驗教學和工業測試工作中；專用信號發生器的價格高達幾萬元，主要應用在科研工作中。傳統的信號發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雜；價格較貴，不易攜帶。2 多功能信號發生器軟件設計思路2.1 軟件開發平臺 本文采用的開發平臺是LabVI

5、EW，該軟件是目前最流行的美國National Instruments(簡稱NI)公司開發出來的。在LabVIEW軟件環境中開發的每個程序稱為Virtual Instrument(簡稱VI)，這些虛擬儀器充分體現了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，還縮減了開發周期，并能夠提高系統的可擴展性和維護的靈活性。2.2 多功能信號發生器的基本功能 信號發生器實現 8 個功能:1)產生標準波形( 如正弦波、方波 、 三角波和鋸齒波) , 還有任意波形的產生( 如公式波) ;2)對波形幅度 、頻率 、相位、方波

6、占空比( 0 100% ) 、 偏置( - 5 5 V) 等參數進行調節 ;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)能夠對頻率進行微調及倍乘( 微調范圍 :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據 ,為分析數據提供方便。7)通過輸入公式產生不同的波形( 表達式中只能包含 a 、 w 、 n 、 t 、f 這五個參數) ;2.2 基于虛擬儀器控件生成波形信號的

7、數學模型的構建2.2.1正弦交流信號的數學模型位： （i=1,2,3.N）上式中：調節Um可以實現信號調幅的目的；調節憊值可以改變信號的頻率；改變N值可以調節輸出信號的采樣率；改變口可以調節信號的初相角；調節士睪可以實現信號的直流偏置作用。取余函數MOD(iN)可以控制循環變量i分布在若干個相同的整數區間O，N，下面公式中的取余函數腳D(iN)的作用也是如此。2.2.2鋸齒波信號的數學模型:設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。嚴生鋸齒波信號的數學模型為： 在上式中，常數+-Um/2用來實現輸出信號的直流偏置作用，+Um/2可以實現信喜沿著y軸方向增加

8、Um/2伏特；反之一Um/2可以實現信號沿著y軸方向減少Um/2伏特。 2.2.3 三角波信號的數學模型 三角波信號是鋸齒波信號的一種特殊形式。當鋸齒波信號的上升時間與下降時間相等時，鋸齒波信號就轉換成三角波信號口。在上圖中，令N一2M，就可以產生三角波信號。 2.2.4方波信號的數學模型方波信號只有兩種狀態，不是高電平，就是低電平。設每半個周期輸出信號的采樣點數為N，Um為信號幅值，產生該信號的數學模型為: 2.2.5直流信號數學模型 在整個信號輸出期間，信號始終保持一個常數不變，即：U=Um(i一0，1，2，3，n)3 多功能信號發生器的前面板設計前面板是用戶界面，有輸入、輸出控制和數據顯

9、示三部分組成，它模擬真實儀器的操作面。根據傳統信號發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生器控鍵的數據輸入控鍵，顯示器，數據輸出控件，開關，選擇器顯示器用于顯示輸出的信號波形，數據輸入控鍵用于輸出信號的信號頻率，采樣頻率，采樣數，振幅和相位， 數據輸出控鍵則用于選擇信號類型 。打開 LABVIEW 前面板編輯窗口，點擊鼠標右鍵，顯示控制模板，選擇Graph>>Wavefovmgraph作為信號發生器的顯示器,在顯示器模板上點擊鼠標右鍵,對其進行屬性設置,如根據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

10、器橫(時間),縱(幅度)坐標的刻度重新設置。用Graph 控鍵設計的顯示器是完全同步的,波形穩定。多功能信號發生器的前面板主要由 4 部分構成: 波形選擇函數模塊 、 公式波形參數設置模塊、波形顯示模塊和開始停止模塊。此如圖所示 。通過調節波形選擇旋鈕, 該多功能信號發生器能夠實現正弦波 、 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頻率的倍乘( 即只要撥動很小的范圍就能實現很大范圍的頻率調節) ,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。前面板整體設計如下圖3.1 圖3.1 前面板總體框圖

11、4多功能信號發生器的后面板設計 4.1 后面板設計概訴多功能信號發生器的后面板( 程序框圖) 用LabVIEW圖形編程語言編寫, 可以把它理解成傳統程序的源代碼 ?？驁D程序由節點 、 端點、 圖框和連線構成, LabVIEW 中的節點類似于文本語言程序的語句、函數或者子程序 。 LabVIEW 有兩種節點類型函數節點和子 VI 節點。端點是只有一路輸入/輸出,且方向固定的節點。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 。對象端點是數據在框圖程序部分和前面板之間傳輸的接口; 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。圖框是

12、LabVIEW 實現程序結構控制命令的圖形表示 ,如循環控制( While 循環 、For 循環和 Timed Loop循環) 、 條件分支控制( Case structure) 和順序控制( Stacked Sequence Structure 和 Flat SequenceStructure) 等。節點用來實現函數和功能調用,圖框用來實現程序結構控制命令, 而連線代表程序執行過程中的數據流 , 并定義了框圖內的數據流動方向。 4.2 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或是方波信號、三角波、調制信號等。具體操作為在前面板的設計窗口中打開控制模塊執行 A

13、LL-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 等并設置其先后順序。4.3多功能信號發生器子 VI 的設計后面板中調用的子 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 。正弦波的產生原理是通過調用 sin( x) 函數來實現 , 每一正弦波周期由 105 點組成,利用類似 C 語言中的 For 循環為 x 賦值, 每執行一次 For 循環, 便可以生成一個周期正弦波所需的數據 ,然后利用 W

14、hile 循環 ,使程序反復執行,就可以連續輸出正弦波形。方波、鋸齒波、三角波的產生原理與正弦波產生原理相近, 都是通過數學運算來實現代表波形的數字序列。波形選擇子 VI 中, 由五種波形組成一個數組。旋鈕上的 0 -4 作為索引值, 通過調用數組索引函數,對數組元素索引并輸出,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構（ 相當于 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 可以直接調用, 和純凈信號波形的輸出一樣,多種噪聲也采用選擇結構 ,在后面板的函數模板的

15、結構子模板中選取“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的噪聲波形信號的產生 。 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 的設計類似,由 6 個頻率倍乘值組成數組, 數組元素通過s

16、、 數組索引函數索引并輸出 ,利用輸出值與選擇結構端口相連實現頻率的倍乘選擇 。4)幅值衰減子 VI。幅值衰減單位 dB( Deci-bel ,分貝) 是一個純計數單位 ,本意是表示兩個量的比值大小,沒有單位,是按照對數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) 的數比較簡短地表示出來。 5 運行結果當我們完成了設計后， 若流程圖設計窗口工具條中的箭頭圖標顯示為向右箭頭，就說明我們的流程圖設計是正確的，可以運行檢驗該程序了。連接各個模塊，設置其合理參數，先分

17、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 基于以上設計方案，本文成功地研制一臺多功能信號發生器，它可以產生幅值、頻率可調的正弦波、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生新的信號，測試結果如下圖所示： 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 結語基于Labview 的虛擬信號發生器利用軟件方式設計實現了信號發生器的功能它可給各種設備提供多種信號，且頻率可調， 具有友好的圖形界面， 操作簡單方便， 達到一機多用的目的如果在應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，另外虛擬信號發生器易于同外部設備連接，便于存儲分析處理等。通過LabVlEW多功能信號發生器設計，虛擬儀器將是以后一個主要的發展方向。相比于傳統的現實儀器，虛擬儀器功能強大且效率也很高，伴隨著信息技術的發展。虛擬儀器也將逐漸地深入到生產生活的各個鄰域，引起儀器深層次變革。LabVIEW作為一個圖形化編程軟件,是開發測試系統的一種功能強大、方便快捷的編程工具。其良好的相通性、開放性、專用性, 使測試系統的開發周期短