基于LabVIEW的多功能信号发生器设计

深圳大学研究生课程论文题目基于LabVIEW的多功能信号发生器设计成绩专业控制工程（秋）课程名称LabVIEW软件与虚拟仪器设计实践年级2015级姓名张晓杰学号2151160401时间2016年4月任课教师李天利基于LabVIEW的多功能信号发生器设计张晓杰2151160401深圳大学机电与控制工程学院摘要：本文利用虚拟仪器技术采用LabVIEW环境下开发的程序,组建了多功能信号发生器。该发生器不仅能产生信号的参数可调的正弦波、方波、三角波和锯齿波这4种基本波形,还能将各种基础波形相互叠加，或者与噪声信号相互叠加后的波形信号,从而产生其它任意波形，同时还可轻松、快捷地将这些信号波形显示出来。解决了传统信号发生器只能产生基本波形的局限性,为学习和实践测试提供了一条捷径。关键词：虚拟仪器；多功能信号发生器；LabVIEW1课题背景和意义虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台上,由用户自己设计定义,具有虚拟面板,测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。信号发生器作为科学实验中比较重要的装置,被广泛地应用到教学、科研等各个实验领域。传统的模拟信号发生器一般只能产生几种常规的波形,而在一些复杂和特殊的应用中,要求输出任意波形且要易于程控。目前,我国高档台式仪器,如数字示波器、频谱分析仪等还主要依赖进口。这些仪器加工工艺复杂,对制造水平要求高,生产突破有困难,而采用虚拟技术后,就可通过只采购适合自己应用情况的通用仪器硬件,依靠虚拟仪器软件开发平台,设计出所需的高性能价格比的仪器系统。物理仪器(计算机和采集卡)和虚拟仪器(LabVIEW软件中一些V1控件)相结合方法，设计出一种可以产生多种波形的物理信号发生器。由于采用硬件少、成本低，该种信号发生器极易实现。在计算机普及的今天，只要在PC内安装LabVIEW软件，并配置一块普通的USB采集卡，就可以产生一台性能可调的信号发生器。该方案为高校实验教学、科学研究和野外测试工作提供了方便快捷的信号源。目前，信号发生器已广泛地应用在工业测试和教学科研等许多领域中，它可以产生不同频率、不同幅值的正弦信号、方波信号、锯齿波信号和三角波信号等常用波形信号。传统的信号发生器种类繁多，总体分为通用信号发生器和专用信号发生器。根据仪器性能优劣，信号发生器的价格和应用场合也存在很大差异。通用信号发生器价格一般在几百元到几千元，主要应用在高校实验教学和工业测试工作中；专用信号发生器的价格高达几万元，主要应用在科研工作中。传统的信号发生器主要存在以下几个缺点：功能固定，不能扩展；电路元件多，不同类型的输出信号要求不同的电子元件；仪器组装与维修工作复杂；价格较贵，不易携带。2多功能信号发生器软件设计思路2.1软件开发平台本文采用的开发平台是LabVIEW，该软件是目前最流行的美国NationalInstruments(简称NI)公司开发出来的。在LabVIEW软件环境中开发的每个程序称为VirtualInstrument(简称VI)，这些虚拟仪器充分体现了LabVIEW的核心思想，即“软件就是仪器“。在信号的测试处理、计算分析和输出显示过程中，虚拟仪器代替物理仪器，不仅减少测试成本，还缩减了开发周期，并能够提高系统的可扩展性和维护的灵活性。2.2多功能信号发生器的基本功能信号发生器实现8个功能:1)产生标准波形(如正弦波、方波、三角波和锯齿波),还有任意波形的产生(如公式波);2)对波形幅度、频率、相位、方波占空比(0～100%)、偏置(-5～5V)等参数进行调节;3)对波形添加噪声信号(高斯白噪声Gamma噪声和周期性随机噪声);4)通过运算实现幅度衰减(输出波形幅度范围:-5～5V;衰减范围:20dB、40dB、60dB);5)能够对频率进行微调及倍乘(微调范围:0.0001～1Hz,频率选择范围0.0000～4.9999Hz);6)能够存储和读取波形数据,为分析数据提供方便。7)通过输入公式产生不同的波形(表达式中只能包含a、w、n、t、f这五个参数);2.2基于虚拟仪器控件生成波形信号的数学模型的构建2.2.1正弦交流信号的数学模型位：2])/(sin[mmUaNNiMODkUu（i=1,2,3......N）上式中：调节Um可以实现信号调幅的目的；调节惫值可以改变信号的频率；改变N值可以调节输出信号的采样率；改变口可以调节信号的初相角；调节士睾可以实现信号的直流偏置作用。取余函数MOD(i／N)可以控制循环变量i分布在若干个相同的整数区间[O，N]，下面公式中的取余函数脚D(i／N)的作用也是如此。2.2.2锯齿波信号的数学模型:设每个周期信号的采样点为N个，锯齿波上升阶段的采样点为M个，信号的最大幅值为u。严生锯齿波信号的数学模型为：)...,3,2,1,0(2)/()...,3,2,1,0(2)/({niUNMNUNiMODMNUniUNiMODMUummmmm在上式中，常数+-Um/2用来实现输出信号的直流偏置作用，+Um/2可以实现信喜沿着y轴方向增加Um/2伏特；反之一Um/2可以实现信号沿着y轴方向减少Um/2伏特。2.2.3三角波信号的数学模型三角波信号是锯齿波信号的一种特殊形式。当锯齿波信号的上升时间与下降时间相等时，锯齿波信号就转换成三角波信号口。在上图中，令N一2M，就可以产生三角波信号。2.2.4方波信号的数学模型方波信号只有两种状态，不是高电平，就是低电平。设每半个周期输出信号的采样点数为N，Um为信号幅值，产生该信号的数学模型为:),...,3,2,1,0()/()/({niNiMODUNiMODUumm2.2.5直流信号数学模型在整个信号输出期间，信号始终保持一个常数不变，即：U=Um(i一0，1，2，3，⋯n)3多功能信号发生器的前面板设计前面板是用户界面，有输入、输出控制和数据显示三部分组成，它模拟真实仪器的操作面。根据传统信号发生器面板控键的功能利用LABVIEW中的控制模板分别在设计面板上放入模拟实际信号发生器控键的数据输入控键，显示器，数据输出控件，开关，选择器显示器用于显示输出的信号波形，数据输入控键用于输出信号的信号频率，采样频率，采样数，振幅和相位，数据输出控键则用于选择信号类型。打开LABVIEW前面板编辑窗口，点击鼠标右键，显示控制模板，选择GraphWavefovmgraph作为信号发生器的显示器,在显示器模板上点击鼠标右键,对其进行属性设置,如根据被显示波形的频率与幅度值的变化,利用工具模板中的文字工具,对显示器横(时间),纵(幅度)坐标的刻度重新设置。用Graph控键设计的显示器是完全同步的,波形稳定。多功能信号发生器的前面板主要由4部分构成:波形选择函数模块、公式波形参数设置模块、波形显示模块和开始停止模块。此如图所示。通过调节波形选择旋钮,该多功能信号发生器能够实现正弦波、方波、三角波、锯齿波和公式波等多种波形的输出。通过频率选择旋钮实现频率的倍乘(即只要拨动很小的范围就能实现很大范围的频率调节),还可以通过点击幅值衰减按钮改变幅度范围(幅度衰减公式为dB=20logX)。点击开始波形叠加，还原波形分离。前面板整体设计如下图3.1图3.1前面板总体框图4多功能信号发生器的后面板设计4.1后面板设计概诉多功能信号发生器的后面板(程序框图)用LabVIEW图形编程语言编写,可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由节点、端点、图框和连线构成,LabVIEW中的节点类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。LabVIEW有两种节点类型—函数节点和子VI节点。端点是只有一路输入/输出,且方向固定的节点。LabVIEW有三类端点—前面板对象端点、全局与局部变量端点和常量端点。对象端点是数据在框图程序部分和前面板之间传输的接口;一个VI的前面板上的对象(控制或显示)都在框图中有一个对象端点与之对应。图框是LabVIEW实现程序结构控制命令的图形表示,如循环控制(While循环、For循环和TimedLoop循环)、条件分支控制(Casestructure)和顺序控制(StackedSequenceStructure和FlatSequenceStructure)等。节点用来实现函数和功能调用,图框用来实现程序结构控制命令,而连线代表程序执行过程中的数据流,并定义了框图内的数据流动方向。4.2输出波形选择按钮用一个CASE结构来控制波形的产生可以选择输出为正弦信号或是方波信号、三角波、调制信号等。具体操作为在前面板的设计窗口中打开控制模块执行ALL-Control-ring-&Enum-Testring,修改名为波形选择然后右键点击prpperties选择edit在表格中添加和编辑sinesave等并设置其先后顺序。4.3多功能信号发生器子VI的设计后面板中调用的子VI有波形选择子VI、添加噪声信号子VI、频率选择子VI和幅值衰减子VI。1)波形选择子VI。正弦波的产生原理是通过调用sin(x)函数来实现,每一正弦波周期由105点组成,利用类似C语言中的For循环为x赋值,每执行一次For循环,便可以生成一个周期正弦波所需的数据,然后利用While循环,使程序反复执行,就可以连续输出正弦波形。方波、锯齿波、三角波的产生原理与正弦波产生原理相近,都是通过数学运算来实现代表波形的数字序列。波形选择子VI中,由五种波形组成一个数组。旋钮上的0-4作为索引值,通过调用数组索引函数,对数组元素索引并输出,输出值作为“波形输入”控件的输入值。再采用条件分支控制即选择结构（相当于C语言中的“Case”语句),利用该控件与条件选择端口相连来选择相应的波形信号。2)添加噪声信号子VI。LabVIEW中有许多噪声信号子VI可以直接调用,和纯净信号波形的输出一样,多种噪声也采用选择结构,在后面板的函数模板的结构子模板中选取“Casestructure”,利用一个下拉列表控件与条件选择端口相连来选择相应的噪声波形信号的产生。下拉列表中有:高斯白噪声、周期性随机噪声、反幂律噪声、Gamma噪声、泊松噪声、二项分布的噪声波形和Binomial噪声波形。由于在实际应用中常常需要添加噪声信号,本文通过在下拉控件中选择加入了高斯白噪声，Gamma噪声两个噪声可供选择。然后在输出端用加号控件把输出噪声信号和纯净信号波形进行叠加,并在显示波形区域显示添加噪声后的波形。3)频率选择子VI。与波形选择子VI的设计类似,由6个频率倍乘值组成数组,数组元素通过s、数组索引函数索引并输出,利用输出值与选择结构端口相连实现频率的倍乘选择。4)幅值衰减子VI。幅值衰减单位dB(Deci-bel,分贝)是一个纯计数单位,本意是表示两个量的比值大小,没有单位,是按照对数定义的一个幅度单位。对于电压值,dB以20lgX给出;对于功率值,以10lgX给出。dB的意义就是把一个很大(后面跟一长串0)或者很小(前面有一长串0)的数比较简短地表示出来。5运行结果当我们完成了设计后，若流程图设计窗口工具条中的箭头图标显示为向右箭头，就说明我们的流程图设计是正确的，可以运行检验该程序了。连接各个模块，设置其合理参数，先分别单独输出每种波形的显示：正弦波方波高斯白噪声GAMME噪声基于以上设计方案，本文成功地研制一台多功能信号发生器，它可以产生幅值、频率可调的正弦波、锯齿波、三角波、方波和噪声信号等多种信号，而且还能将各种信号互相叠加产生新的信号，测试结果如下图所示：正弦波和方波分开显示正弦波和方波叠加三角波和锯齿波分开显示三角波和锯齿波叠加正弦波与gammer噪声分别显示正弦波与gammer噪声叠加显示6结语基于Labview的虚拟信号发生器利用软件方式设计实现了信号发生器的功能它可给各种设备提供多种信号，且频率可调，具有友好的图形界面，操作简单方便，达到一机多用的目的如果在应用中需要更多的信号。只需修改程序，功能的扩展并不增加费用，且性能更新周期短，性价比低，另外虚拟信号发生器易于同外部设备连接，便于存储分析处理等。通过LabVlEW多功能信号发生器设计，虚拟仪器将是以后一个主