基于LabVIEW 的多功能虚拟信号发生器设计

引言如今科学技术研究随社会的发展不断的进步的同时，虚拟仪器也随之快速发展，虚拟仪器的开发和利用是现有测量仪器领域的一个重大突破。它从源头上改变了人们对传统测量仪器的理解与认识，并且彻底刷新了测量仪器的模式，虚拟仪器从根本上来说是以计算机为中心的测量仪器，而当今科技发展的重要势头是将计算机软件和实验仪器硬件完美的结合后发挥更重要的作用。在已经实现采集效果较好的情况下，降低成本、简化设备结构成为现在的主要研究方向。LabVIEW通过使用图形代替编程进而很大程度的化简了程序操作，通过这种方法可以根据我们的需求去快速设计并完成一个多功能的仪器系统。在通过使用LabVIEW上VI程序的控制模板和函数模板选择相应的控制件和显示件以及所需要的函数的基础之上，从而完成多功能虚拟信号发生器的设计。而本次设计中我们主要通过将信号发生器分成各个子模块，最后再将各个子模块的功能相结合后实现。因此，多功能虚拟信号发生器在可以快捷的显示实验所需波形的基础上，还增添了对信号的分析功能。第一章绪论1.1研究背景与意义现如今信号发生器在当代科学实验的发展中扮演着非常重要的角色，并且在其他各领域中也被频繁的使用着。然而中国一些主要的高端台式仪器仍然得依赖外国进口，因为这些仪器的加工过程较为复杂,在制造和生产方面的突破要求十分高。与这些仪器相比，虚拟技术依靠虚拟软件开发平台，通过购买合适的通用仪器硬件来购买适当的高性能和低成本的仪器系统[1]。通过将硬件仪器和虚拟仪器进行完美的结合后设计完成的信号发生器可以生成很多不同满足我们需求的波形[2]。信号发生器由于所使用的硬件少而且所需的成本非常低，所以就极易实现。信号发生器的生成只需在电脑中安装上虚拟开发软件然后再配置相应的USB采集卡。这一研究的出现为各高校日后的实验教学以及研究人员的科学研究奠定了便利的研究资源基础。今天，由于诸如正弦信号和可以产生不同频率和幅度的方波信号的共同波形信号，信号发生器广泛用于工业，教学和科学领域。传统的信号发生器一般分为两种类型：一种是通用信号发生器，另一种是专用信号发生器[3]。但是仪器的个别性能则十分影响信号发生器的使用价值以及在什么场合去应用。通用信号经常用于各高校实验教学和工业测试工作中并且价格比较低廉。专用信号发生器由于通常在科学研究的过程中被使用，所以价格比较昂贵。相对于传统的信号发生器功能固定、无法扩展而且电路元件较多来说，虚拟仪器在一定意义上化简了结构、价格低廉、使用性高、可重复开发，十分具有研究意义。1.2国内外研究现状虚拟仪器的研究最早是由国外的仪器开发行业提出的。90年代就有公司提出了数字与智能向虚拟过度的产品理念。1986年，有关虚拟仪器的概念被正式的提出，这为虚拟仪器日后的开发以及利用奠定了坚实的基础。在1990年以后，很多基于虚拟仪器相关的产品相继出现，这使得虚拟仪器的发展得到了快速提升[4]。九十年代初，我国电子和通信等领域的发展处于起步阶段，与此同时在传统仪器测控方面的技术上也很局限，虚拟仪器作为计算机与电子通信相结合后的产物，但是由于中国计算机和电子通信领域的发展不太乐观，所以导致虚拟仪器的发展比较缓慢。在缺少软硬件技术支持条件下，直到1990年才在计算机领域中应用虚拟仪器的概念，因此在虚拟仪器的应用方面还处于懵懂状态。而近些年，为了在测量移动通信手机和基站设备的同时满足从1G到3G移动通信设备的测量应用，出现了一种成为矢量信号发生器的新仪器[5]。该矢量信号发生器采用模块化结构，嵌入式微电脑控制，高速总线机箱，已成为信号发生器技术发展的代表。除此之外，任意波形发生器以及各种各样的中国生产的高性能信号发生器，可以满足在不同场合下的各种需求。然而虽然中国的信号发生器起步非常晚，但自从开始发展以后，已渐渐逐步跟上国际发展的步伐，不仅可以设计出满足中国如今技术所需的仪器，还可以设计出具有国际标准的信号发生器[6]。1.3主要研究内容本文简要介绍了课题研究的背景、意义以及主要研究工作，还介绍了虚拟仪器和信号发生器的基本概念、工作原理以及近些年的发展。通过虚拟开发平台LabVIEW软件设计一款多功能信号发生器，不仅化简了设计时的结构，还减少了设计成本。让我们在学习LabVIEW软件的功能的同时，还可以了解虚拟仪器的设计方法。最终通过选定目标项的方法去实现虚拟信号发生器各子模块的功能，从而完成一个能生成正弦波、三角波、矩形波以及其他各种波形且用户可以自主定义参数的多功能虚拟信号发生器。第二章虚拟仪器及信号发生器概况2.1虚拟仪器的概念及结构虚拟仪器的含义是：用户可以使用计算机硬件平台去设计满足个性化需求的操作系统，操作过程中所需的测试功能的实现可以由特定的测试软件实现，而计算机系统则作为虚拟仪器控制操作的面板，这与传统电子仪器的使用模式相悖。换一句话来说，当用户在日常生活中使用计算机时就是在使用虚拟电子仪器[7]。图2.1为虚拟仪器构成方案。图2.1虚拟仪器构成方案虚拟仪器突破了两个方面：虚拟控制面板和虚拟测量测试和分析。虚拟仪器就是将硬件和软件的结合。硬件是通过使用设备完成信号的处理，而软件是通过显示器去完成仪器设备的主要界面，并可以通过各种方式实验得到所需测试结果。2.1.1虚拟仪器的特点和优势相对于传统仪器来说，虚拟仪器在一定意义上化简了结构、价格低廉、使用性高以及可重复开发[8]。表2.1为传统仪器与虚拟仪器的对比。表2-1虚拟仪器与传统仪器比较虚拟仪器传统仪器开发和维护费用低开发和维护费用高技术更新周期短（0.5-1年）技术更新周期长（5-10年）软件是关键硬件是关键价格低价格昂贵开发灵活与计算机同步固定可用网络周边各仪器只可用有限的设备自动化、智能化、多功能、远距离运输功能单一、操作不便2.1.2虚拟仪器的结构硬件系统作为虚拟仪器的最基本部分，主要用来对所需信号进行采集、回放、保存和处理工作[9]。硬件系统的主要组成部分是计算机和I/O接口，PC为虚拟仪器提供高时效的数据处理工作，I/O口是对采集的信号进行检测、放大和数模转换。结构如图2.2所示。文本式和图形化编辑语言在用户进行虚拟仪器软件的开发设计时发挥着十分重要的功能及作用。而LabVIEW软件的开发界面在设计和使用时为用户提供了最大的灵活性和使用环境。图2.2虚拟仪器结构2.1.3虚拟仪器的发展方向虚拟仪器是一种新的测量仪器，让用户自己定义功能和结构并轻松地建立，还可以灵活的转换，因此被大量的应用于航空航天、教学和科研、生物医疗、电子测量等方面[10]。随着当代国内外科学技术的进一步发展，计算机技术，通信技术和网络技术为大型市场中的虚拟仪器的快速发展奠定了十分重要的基础。这就导致虚拟仪器逐步向序列化，标准化和模块化的道路去发展[11]。在各高校内，虚拟仪器成为一种新的教学手段，慢慢走进学生的日常学习中，由于现代教育技术的发展，电子技术教学正在逐步改变传统的教育方式。而且，虚拟仪器的参考不仅提高了设备的利用率，降低了教学成本，而且还满足了电子实验教学的需要。所以当下我们该考虑如何将虚拟与现有文书进行完美的糅合，从而取代和淘汰传统仪器。总而言之，虚拟仪器在中国日后的发展过程中还有巨大的空间，它们可以逐步取代大多数传统仪器，渐渐成为国际仪器领域的重要核心。2.1.4虚拟仪器软硬件平台虚拟仪器主要结合了相应的硬件测试功能作为输入源和输出接口[12]。计算机显示器(包括显示器、灯、旋钮、开关、按钮等)、键盘、鼠标等成为人们操作虚拟仪器的工具，所以可以在操作面板上设置旋钮，从而控制仪器的功能，设置各种操作参数，启动或停止单片机。所有功能在这个虚拟接口将得到全面实施，例如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等,也可以实现在普通仪器无法实现这种方式允许用户通用PC性能升级,测量系统的功能将是非常完美的,也是非常灵活的,人们真的很期待。该技术与计算机的相关性越来越强，其核心的计算机相关技术、虚拟仪器以及一些先进的硬件实现功能以及一些扩展功能。解决输入和输出信号,系统的中心是一个软件,软件是现代和传统的仪表仪器。虚拟仪器更加灵活、更经济,测量仪能够适应现代科学技术的不断更新,扩大计算机硬件功能的性能需求。虚拟仪器和I/0接口设备基于计算机技术和不同的总线硬件两个部分。PCI总线卡PC-daqvi系统:GPIB总线模式VI系统、VXI总线模块系统、计算机串口、并行或USB端口VI系统、现场总线标准现场总线系统五种模式[13]。2.2信号发生器简介信号发生器被广泛地用于当今的生产实践和技术当中。在测量电信设备或者电信系统的传输特性、振幅特性、频率特性以及其他电参数时用作信号源或激发源。还可用于测试各种组件的参数和特性。2.2.1信号发生器概述信号发生器是电子测量仪器的生产实践和科学研究的结合。虽然模拟信号发生器体积大，功能单一，维护和升级成本高，但它具有一些扩展功能，难以在短时间内普及。而虚拟仪器是基于计算机的硬件系统和LabVIEW软件工具的基础之上的产物。虚拟仪器的虚拟面板可以让使用者在使用过程中自定义，而它的核心功能则是测试软件的测试功能。在各高校的日常教学过程中，实验操作的基础课程扮演者一个非常重要的角色。所以虚拟仪器的出现完美的解决了由于学生数量的日渐增加，现代实验教学的不断改革，导致旧的实验设备和规模难以满足现代化的需求的问题。所以使用LabVIEW开发的信号发生器的优点是不仅可以提高对信号的分析和计算能力、降低所需仪器的使用量及成本、提高仪器的实用性。还可以进行波形显示、存储、打印和读取。2.2.2信号发生器的工作原理现如今人们使用较为频繁的信号发生器基本上都是由集成电路和晶体管组成，而此类信号发生器普遍通过恒流充放电的方式来实现三角波信号以及方波信号的生成。在充电量值和放电量的值完全不相同时，三角波信号就会转换成锯齿波信号，在此基础上，方波信号就会转换成脉冲。除此之外，正弦波信号可以通过波形转换电路生成。最后这些信号波形通过放大器后输出。图2.3为简化原理框图。图2.3信号发生器简化原理框图第三章多功能虚拟信号发生器的设计3.1设计思路本设计通过使用LabVIEW软件去完成多功能虚拟信号发生器，为了满足波形选择以及波形显示功能，可以通过以下几部分实现。第一部分：信号发生器总开关。用while循环来控制信号发生器的开与关。第二部分：波形选择。通过使用Case条件结构来实现波形的选择，将相应波形对应与之匹配的分支条件，在前面板通过使用鼠标选择相应的波形旋钮。第三部分：信号输出。通过组合框来实现波形选择的显示，数值输入控件或旋钮可以实现相关参数的调节，并由数值显示控件来显示，输出信号通过波形图显示来实现。3.2标准频率模拟频率与采样频率的比值被称为数字频率，也叫作标准频率，它的单位是周期数/采样点。将波形的频率参数设置为5Hz，幅值设置为10V，采样率以及样本数设置为1000。设置完各参数后运行程序。这时前面板的波形图表就会显示波形的频谱分析图。可以明确的发现，当采样率和样本数完全相等时，波形的周期数就会与最初设置的频率完全一致。也就是说，当采样率与样本数一致时，波形所显示的周期数会随着设置频率的改变而随之改变。3.3主流程图及模块分析3.3.1主流程图根据总体设计思路，将多功能虚拟信号发生器系统的软件设计分为以下几模块，波形选择主要实现了对波形进行选择的功能；参数调节可以对所选波形的相关参数进行调节，从而实现我们所需的波形；是否加入噪声可以清晰地观察到加入噪声前后波形的变化；频谱分析可以快速对波形进行分析，最后通过波形显示模块将波形显示出来。图3.1主流程图3.3.2主要模块分析1、波形选择模块首先使用布尔控制选择器控制输出值，然后累加将所有选择器的输出，最后让输出结果进入Case条件结构。程序框图如图3.2。图3.2波形选择模块程序框图2、Case条件结构在LabVIEW程序框图的编程里选择条件结构。并在每个分支中选择各种波形和相关的参数以及控制设置。程序框图如图3.3。图3.3Case条件结构程序框图3、添加噪声模块通过布尔控制来控制条件的分支，以确定是否添加了噪声并且控制了噪声的幅度。程序框图如图3.4。图3.4添加噪声模块程序框图3.4多功能波形设计3.4.1正弦波信号产生及参数设计在LabVIEW软件中有很多方法可以生成波形，而本次设计的正弦波波形则通过“波形生成”来实现。在设计过程中为实现各参数的调节，只需将这四个参数都作为变量。设计中使用Case条件结构，便可完成波形的选择。为了充分利用其功能，可以添加与不同波形特征对应的条件分支，并通过更改“选择标签”数据类型来更改不同的参数。显示控制可捕捉到更精准的波形参数，所以即便在调节参数时，也可以判断他的值是否满足要求。正弦波的设计框图如图3.5所示。图3.5正弦波设计框图3.4.2三角波信号产生及参数设计在“波形生成”使用三角波形，如果要调整参数，可以将参数都设置成变量。使用Case条件结构，改变“选择器标签”的数据类型，添加所需的分支，并使每个分支对应一个波形。“分支选择器”必须与“选择器标签”的数据类型匹配。为了方便调节参数的同时也可以观测它的值，我们只需添加一个显示控件即可。三角波的设计框图如图3.6。图3.6三角波设计框图3.4.3方波信号产生及参数设计选用“波形生成”中的方波波形，占空比必须得精准的显示它的数值，还要能调节。将频率、幅值、相位和DC偏移这四个参数设置为变量，我们可以再满足需求的同时调整参数。这一操作既可实现方波，也可随时切换到其他波形。为了方便调节参数的同时也可以观测它的值，我们只需添加一个显示控件即可。方波的设计框图如图3.7。图3.7方波设计框图3.4.4锯齿波信号产生及参数设计与上述方法一样即可获得锯齿波信号并可对其参数进行调节。锯齿波的设计框图如图3.8。图3.8锯齿波设计原理图3.4.5公式波信号产生及参数设计选择“波形生成”中的公式波信号，将相关参数设置为变量。公式波设计框图如图3.9。图3.9公式波设计原理图第四章系统仿真与结果4.1多功能虚拟信号发生器系统多功能虚拟信号发生器不仅可以生成实验室中常用的波形，还可以产生其他各种实验所需但是可以通过输入公式所生成的不常见的信号。在调节相关参数的同时，还可以选择是否加入噪声，最终完成不同环境下的测量要求。本次设计的前面板图以及程序框图如图所示。图4.1前面板框图图4.2程序框图4.2波形显示子VI通过使用显示窗口、调节旋钮、开关按键等部件完成多功能虚拟信号发生器的前面板，但是一些操作还是需要通过鼠标完成。完成程序框图的设计之后，最终实现设计中预定波形的显示。正弦波信号通过在LabVIEW的VI的前面板选择正弦波并调节正弦波的相关参数，运行后得到正弦信号的波形图及频谱分析图。图4.3正弦波信号波形图及频谱分析图2、三角波信号通过在LabVIEW的VI的前面板选择三角波并调节三角波的相关参数，运行后得到三角波信号的波形图及频谱分析图。图4.4三角波信号波形图及频谱分析图3、方波信号通过在LabVIEW的VI的前面板选择方波并调节方波的相关参数，唯一不同的是方波信号的波形显示还与占空比相关。运行后得到方波信号的波形图及频谱分析图。图4.5方波信号波形图及频谱分析图4、锯齿波信号通过在LabVIEW的VI的前面板选择锯齿波并调节锯齿波的相关参数，运行后得到锯齿波信号的波形图及频谱分析图。图4.6锯齿波信号波形图及频谱分析图5、公式波信号通过在LabVIEW的VI的前面板选择公式波并调节公式波的相关参数，并在公式输入框中输入，运行后得到公式波信号的波形图及频谱分析图。图4.7公式波信号波形及频谱分析图6、加入噪声后正弦波信号通过在LabVIEW的VI的前面板选择正弦波并调节正弦波的相关参数，添加噪声后并更改噪声幅度，运行后得到加入噪声后正弦波信号的波形图及频谱分析图。图4.8加入噪声后正弦波信号波形图及频谱分析图从上述设计分析的过程中可以发现通过LabVIEW软件中的“波形生成”函数模块可以快速生成我们所需的波形，Case条件结构可以进行信号选择，在“频谱分析”模块可以实现对信号的分析及处理功能。总而言之，在虚拟模拟环境下，通过将计算机硬件系统与LabVIEW软件系统的相关功能紧密结合后实现的多功能虚拟信号发生器，不仅可以完美替代结构复杂的信号发生器，还可以减少设计过程中的操作。结论本文通过对虚拟仪器和信号发生器进行研究，将计算机的硬件系统与虚拟仪器开发平台LabVIEW软件的相关功能相结合，最终实现了多功能虚拟信号发生器的设计。在本次毕业论文的设计中，通过使用虚拟仪器来设计并完成多功能信号发生器。在某些方面来说，该仪器不仅可以生成参数可调的实验常见波形，还可以通过输入特定的公式从而生成其他特殊波形，并且在此基础上增添了对信号的分析及处理等功能。例如，在使用Case条件结构的基础上，可以通过鼠标选择各波形相对应的旋钮去实现波形的选择；选用LabVIEW中的“波形生成”模块可以快速生成设计过程中所需波形；通过使用“频谱测量”函数可以快捷有效地实现对各信号的分析功能；将信号的各个参数都设置成变量的同时，选择性的加入噪声，可以清晰地观察到信号改变前后波形的变化，最后通过波形显示模块将各信号的波形清晰地显示出来。通过以上设计及仿真结果可知：利用虚拟仪器代替传统仪器开发软件，不仅效率高、用时短、操作性高，而且可重复使用。虚拟仪器LabVIEW平台结合了硬件和软件，所以可以通过直接传递来自多功能虚拟信号发生器的信号来获得设计所需的素材。参考文献[1]周晶晶,吴文全,孙金明,章耀文.基于虚拟仪器系统的多功能信号发生器设计[J].现代电子技术,2014,37(17):120-121，124.

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