基于Labview的函数信号发生器的设计(开放性实验).doc

摘 要本次设计基于美国国家仪器（NI）的虚拟仪器开发平台Labview，使用图形化语言编程，设计了一款虚拟函数信号发生器。该虚拟函数信号发生器能够产生正弦波、三角波、方波、锯齿波等波形，其中输出信号的频率、幅值、相位、偏移量以及方波的占空比等都可以在较宽的范围内动态的调节，能够更好的得到满意的波形。关键词：虚拟仪器；Labview；函数信号发生器；图形化编程目 录第1章 绪 论1第2章 虚拟函数信号发生器的设计22.1 概述22.2 函数信号发生器程序框图设计22.2.1 基本函数信号发生器的配置22.2.2 while循环的设计32.2.3 程序中的延时机制42.2.4 波形显示控件的设计42.3 前面板的界面布局72.4 帮助信息9第3章 程序调试10第4章 实验设计总结12参考文献13附 录14第1章 绪 论在有关电参量的测量中，我们需要用到信号源，而信号发生器则为我们提供了在测量中所需的信号源，它可以产生不同频率的正弦信号、方波、三角波、锯齿波、正负脉冲信号、调幅信号、调频信号和随机信号等，其输出信号的幅值也可以按需要进行调节。传统信号发生器种类繁多，价格昂贵，而且仪器功能固定单一，不具备用户对仪器进行定义及编程的功能，一个传统实验室很难同时拥有多类信号发生器，然而，基于虚拟仪器技术的实验室则能够实现这一要求。 随着计算机技术的迅猛发展，虚拟仪器技术在数据采集、自动测试和仪器控制领域得到了广泛的应用，促进和推动测试系统和仪器控制的设计方法与实现技术发生了深刻的变化。“软件即是仪器”已成为测试与测量技术发展的重要标志。虚拟信号发生器就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的LabVIEW软件来完成各种测试、测量和自动化应用。第2章 虚拟函数信号发生器的设计2.1 概述在传统的测量中， 为了得到测量结果我们往往需要一个信号源对测量电路进行激励，这就需要用到函数信号发生器。正弦波、三角波、方波、锯齿波等是实验和测量中常用的信号波，但是传统仪器的功能的固定性和费用的高昂限制了传统仪器的推广和使用。本次设计利用labview设计包含传统仪器各种功能的虚拟函数信号发生器。2.2 函数信号发生器程序框图设计函数信号发生器的程序框图的设计包含基本函数信号发生器的配置和while循环的设计。2.2.1 基本函数信号发生器的配置本次设计采用美国国家仪器（NI）的虚拟仪器开发平台labview 2011版本来实现。启动labview2011进入软件启动界面，然后新建VI并命名为“基本函数信号发生器”。通过菜单栏中“窗口显示程序框图”（或者快捷键ctrl+E）进入程序框图的编辑界面。在程序框图的空白处鼠标右键单击显示函数选板，打开“信号处理波形生成”的子选板，选择“基本函数发生器”，将其拖放至程序框图中。为了方便观察和操作，可以右键点击函数发生器，快捷菜单中“显示为图标”前面的勾去掉即可，其如图2.1所示。图2.1 基本函数发生器的选择移动光标到函数发生器的“频率”端口上，鼠标右键单击，在其快捷菜单中选择“创建输入控件”，程序会自动帮助完成输入控件与函数发生器的连接，同过同样的步骤完成“幅值”、“相位”、“信号类型”、“重置信号”、“偏移量”、“采样信息”等端口输入控件的创建和连接，合理调整它们的位置，使得界面布局合理。创建完成如图2.2所示。图2.2 输入控件的创建2.2.2 while循环的设计While循环模块的功能实现程序连续运行及波形参数的实时调节与输出显示。在while循环的条件接线端接入的是一个布尔变量，用以控制循环的结束。在程序框图的函数选板中，打开“编程结构while循环”，鼠标左键单击选中“while循环”后在程序框图的合适位置拖放出一个矩形框，该矩形框需要将程序框图的所有节点都包含进去。为了能够更好地操作程序，在while循环的右下角有个条件接线端，右键点击循环的条件接线端，在其快捷菜单中选择“创建输入控件”。如图2.3所示。图2.3 while循环的放置2.2.3 程序中的延时机制 为了有效的控制代码的执行速率和降低CPU的占用率，需要在while循环中采用定时机制。在程序框图界面中，打开函数选版，选择“编程定时等待（ms）”函数节点，将该函数节点拖放至循环结构的内部。移动光标到“等待（ms）”函数节点的“等待时间（毫秒）”端口上，单击鼠标右键，从弹出的快捷菜单中执行“创建/常量”的命令，放置一个数值常量并修改其数值为50，其如图2.44所示。 图2.4 延时机制的设置2.2.4 波形显示控件的设计在程序框图的菜单栏中，由“窗口显示前面板”（或者快捷键ctrl+E）切换至前面板。在前面板的空白处右键点击调出“控件选板”，打开“新式图形”，将“波形图”控件节点拖放至前面板的合适的位置，并在程序框图中和函数发生器的“信号输出”端口连接起来。如图2.5所示。图2.5 函数信号发生器的显示控件的放置鼠标右键点击“波形图”控件，在其快捷菜单中选择属性选项，对其“外观”、“显示格式”、“曲线”等选项卡进行设置，具体的设置如下面的各个图形所示。图2.6 图形表控件的外观选项卡的设置图2.7 图形表控件的显示格式选项卡的设置图2.8 图形表控件的曲线选项卡的设置至此，整个函数信号发生器的程序框图已经设计完毕，完整的 程序框图如下图2.9所示.图2.9 整体程序框图2.3 前面板的界面布局当控件，但是它们都杂乱无章的排列着，这时候就需要我们来手动调整并合理的布局了。Labview虚拟仪器开发平台在人机交互界面（HMI）的设计上有很多她的独到之处。例如我们在我们将程框图的程序编辑完切换回前面板后，我们会发现在前面板发现很多输入控件和显示控件选板中，打开“新式修饰”后我们会看见很多的修饰控件，这些都是为我们更好的装扮我们的HMI，让我们的人机交互界面看起来更加的友好和与众不同。修饰界面控件如图2.10所示。图2.10 控件选板的修饰控件界面经过对前面板控件的合理布局及修饰，我们得到如图2.11所示的最终界面。图2.11 函数信号发生器的前面板2.4 帮助信息在很多软件中我们都可以看见帮助信息，因为帮助信息对初次接触该软件的人员具有一定的引导作用，而不至于打开软件之后毫无眉目，着对一个软件的推广使用也是至关重要的。本函数信号发生器的帮助信息主要是对一些输入控件的常规解释,点击函数信号发生器的右上角的帮助文字帮助信息就会以对话框的形式显示出来。解释如下：偏移量：指的是直流信号的偏移。重置信号：如果输入为真，则重置信号的相位控制值，并且将时间重置为0.信号类型：波形的生成类型，有正弦波、三角波、方波、钜齿波等。频率：是指波形的频率。幅值：是指波形的振幅，同时也是电压信号的峰值。相位：波形的初始相位为0，如果重置信号输入为假，则忽略相位。采样信息：包含采样率（FS）和采样数，采样率是指每秒钟的采样率，而采样数是指波形中的样本数。方波占空比（%）：是指一个周期内，方波高电压持续时间占总周期的百分比。图2.12 函数信号发生器的帮助信息第3章 程序调试单击前面板工具栏上的运行按钮，运行该程序。通过波形图显示控件可以观察到函数的波形，调整输入参数，可以观察到波形随着参数的调节而变化，具体程序调试结果如下面各图所示。图3.1 正弦波的调试结果图3.2 三角波的调试结果图3.3 方波的调试结果图3.4 锯齿波的调试结果第4章 实验设计总结虚拟信号发生器通过LabVIEW图形化语言将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在仪器，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过LabVIEW实现对数据的显示、存储以及分析处理。因为虚拟信号发生器可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联，用户只需改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它的测量功能。这就是说，仪器的设计制造不再是厂家的专利。虚拟信号发生器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代，这将给虚拟信号发生器使用者带来无尽的利益。Labview作为一个图形化编程软件，是开发测试系统的一种功能强大、方便快捷的编程工具。其良好的相通性、开放性、专用性，使测试系统的开发周期短、成本低、质量高。基于Labview的虚拟函数信号发生器具有机交互性好、易于操作等特点，能够广泛的应用与于科研、生产等领域 参考文献1胡仁喜等编著. LabVIEW8.2.1虚拟仪器实例指导教程. 北京:机械工业出版社,2007.11.2张凯等编著. LabVIEW虚拟仪器工程设计与开发. 北京:国防工业出版社,2004.6.3张毅等编著. 虚拟仪器技术分析与应用. 北京:机械工业出版社,2004.2.4余成波,冯丽辉等编著. 虚拟仪器技术与设计. 重庆:重庆大学出版社,2006.7.5刘全心,南建平. 基于LabVIEW的虚拟函数