基于LabVIEW的仿真波形的产生及显示

1、沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学 课课 程程 设设 计计 （论文）（论文） 题目题目 基基 LabVIEWLabVIEW 的仿真波形的产生及显示的仿真波形的产生及显示 班班 级级 学学 号号 0505 学学 生生 姓姓 名名 指指 导导 教教 师师 李元龙李元龙 沈阳航空航天大学 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 课 程 名 称 虚拟仪器课程设计 院（系） 自动化学院 专业 测控技术与仪器 班级 学号 05 姓名 张雯雯 课程设计题目 基于 LabVIEW 的仿真波形的产生及显示 课程设计时间: 2012 年 12 月 17 日至 2012 年 12 月 28 日 课程设计的内容及要求

2、： 1. 内容 利用 LabVIEW 设计一个信号合成器，可以实现对多种标准信 号及噪声信号的合成。 2. 要求 （1）实现多种标准信号及其频率、相位、幅值的选择； （2）实现多种噪声信号的选择； （3）实现多种标准信号与多种噪声信号的合成； （4）显示时域及频域波形； （5）虚拟仪器前面板的设计美观大方、操作方便，后面板的 设计简洁、布线合理、功能完善。 指导教师 年 月 日 负责教师 年 月 日 学生签字 年 月 日 沈阳航空航天大学 课课 程程 设设 计计 成成 绩绩 评评 定定 单单 课 程 名 称 虚拟仪器课程设计 院（系） 自动化学院 专业 测控技术与仪器 课程设计题目 基于 La

3、bVIEW 的仿真波形的产生及显示 学号 05 姓名 张雯雯 答辩日期 2012 年 12 月 28 日 指导教师（答辩组）评语： 课程设计成绩 指导教师（答辩组）签字 2012 年 12 月 28 日 目目 录录 0.前言前言 .1 1.总体方案设计总体方案设计 .2 1.1 信号合成器的前面板设计.3 1.2 信号合成器的后面板设计.3 2.信号合成器运行图信号合成器运行图 .4 2.1 正弦波与均匀白噪声及高斯白噪声合成.5 2.2 三角波与均匀白噪声及高斯白噪声合成.6 2.3 方波与均匀白噪声及高斯白噪声合成方波与均匀白噪声及高斯白噪声合成 .7 2.调试及结果分析调试及结果分析 .

4、8 4. 结论及进一步设想结论及进一步设想 .8 参考文献参考文献 .9 课设体会课设体会 .10 附录 1 LABVIEW 中的程序框图 .11 附录 2 LABVIEW 的前面板 .12 基于基于 LabVIEWLabVIEW 的仿真波形的产生及显示的仿真波形的产生及显示 摘要：利用 LabVIEW 设计一个信号合成器，实现了正弦波、三角波和方波的频率、 相位、幅值的选择，并实现了均匀白噪声、高斯白噪声的选择，还可以调节两种 噪声幅值的大小。通过将三.种标准信号与两种噪声信号分别合成后，显示它们 的时域图及频域图。 关键词：频率；相位；幅值；噪声选择；信号合成 0. 前言 在理工科各门功课

5、的学习及测试技术实践中, 经常涉及有关波形产生的与显 示问题。 一般都是通过购买各种相应硬件设备来实现, 需要大量的信号发生器 和各种测量分析设备。 购买这些设备不但需要花费大量经费, 而且以后设备的 维护和维修也要花费大量的人力物力, 显然对于我们这个正处在发展中的国家是 特别困难的，基于LabVIEW的虚拟仪器的出现为我们很好地解决了这一难题。 虚拟仪器是通过应用程序将通用计算机与功能模块硬件结合起来的一种全新 的测控仪器系统。在通用计算机平台上，用户根据自己的需求定义和设计仪器的 测试功能，利用计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式 表达输出检测结果，利用计算机强大的软

6、件功能实现信号数据的运算、分析、处 理，由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，其实质是充分利用最新计算 机技术来实现和扩展传统仪器的功能。 LabVIEW 是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench( 实 验室虚拟仪器集成环境)的简称, 是美国国家仪器公司NI( National Instruments) 的创新软件产品, 被誉为“科学家与工程师”的语言。 虚拟仪器 是LabVIEW的精髓, 通过虚拟仪器的延伸与扩展, 使LabVIEW的应用更加广泛. 虚 拟仪器是计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模式, 它通常是

7、由 个人计算机、模块化的功能硬件与用于数据分析、过程通信及图形用户界面的应 用软件有机结 合构成,使计算机成为一个具有各种测量功能的数字化测量平台，它利用软 件在屏幕上生成各种仪器面板, 完成对数据的处理、表达、传送、存储、显示等 功能,通过LabVIEW即G语言设计相应虚拟仪器,可以很容易实现波形的发生与显示。 1. 总体方案设计 设计一个虚拟信号合成器，首先要进行前面板的设计，前面板的设计主要需 要考虑到所设计的信号合成器实现什么功能，再根据这些功能，在控件选板中选 择相应的控件，放在前面板相应的位置上，摆放也有一定的讲究，使前面板看起 来比较协调。再者是后面板的设计。由于程序不是只执行一

8、次，所以要涉及到循 环结构，本文的程序用到的循环结构有 while 循环结构、条件结构。程序调试成 功后就产生一个虚拟信号合成器。整体设计的流程图如图 1 所示。 启动程序 设置波形属性和噪声属 性 生成标准波和噪声 标准波和噪声叠加 求叠加后的波形的子功 率谱 显示叠加后的波形时域 图和频域图 结束 是 结束程序？ 否 图 1 信号合成器整体流程图 1.1 信号合成器的前面板设计 首先应该添加两个波形显示窗口（一个直观的波形图是必不可少的，操作人 员可以通过波形图对信号的波形进行定性或者是定量分析） ，一个显示用于标准 信号的显示，并设置三个控制器，用于控制信号的频率、幅值和相位，再设置一

9、个菜单选择控件，用于选择信号的类型，可供选择的信号类型有正弦波、三角波 和方波。第二个窗口用于显示标准信号与噪声信号叠加后的波形，此外，前面板 还有一个可以选择噪声的控件，和控制噪声幅值的控件。 1.2 信号合成器的后面板设计 首先设置一个基本信号发生器，可供选择三种标准波，分别是正弦波、三角 波、方波。然后利用条件结构，对两种噪声（均匀白噪声、高斯白噪声）进行选 择，再将两者叠加，输出时域图和频域图。在面板的最下端，是实现延时的功能， 以减小对系统内存的占用率。本设计的基本信号发生器发生的信号仅仅是仿真信 号，它的主要作用是供给 DAC，以发生真正的模拟信号，其图标如下： 其功能是根据设定的

10、类型及参数产生一个输出波形。 参数说明： offset:波形的直流偏移量，缺省值为 0.0。数据类型 DBL reset signal:将波形相位重置为相位控制值且将时间标志置为 0。缺省值为 FALSE。 signal type:产生的波形的类型，缺省值为正弦波。 frequency:波形频率（单位 Hz） ，缺省值为 10. amplitude:波形幅值，也称为峰值电压，缺省值为 1.0。 phase：波形的初始相位（单位 度）缺省值为 0.0。 error in：在该 VI 运行之前描述错误环境。缺省值为 no error.如果一个错误 已经发生，该 VI 在 error out 端返回

11、错误代码。该 VI 仅在无错误时正常运行。 错误簇包含如下参数。 status:缺省值为 FALSE，发生错误时变为 TRUE。 code:错误代码，缺省值为 0。 source:在大多数情况下是产生错误的 VI 或函数的名称，缺省值为一个空串。 sampling info:一个包括采样信息的簇。共有 Fs 和#s 两个参数。 Fs：采样率，单位是样本数/秒，缺省值为 1000。 #s:波形的样本数，缺省值为 1000。 duty cycle(%):占空比，对方波信号是反映一个周期内高低电平所占的比例， 缺省值为 50%。 signal out:信号输出端。 phase out:波形的相位，单

12、位：度。 error out:信息错误。如果 error in 只是一个错误，error out 包含同样的错 误信息。否则，它描述 VI 引起的错误状态。 2.信号合成器运行图 将三种标准信号与两种噪声信号混合而形成的时域图及频域图。下面对白噪 声进行一下简单的介绍。白噪声是指在较宽的频率范围内，各等带宽的频带所含 的噪声能量相等的噪声。一般物理上把它翻译成白噪声。白噪声或白杂讯，是一 种功率频谱密度为常数的“白色的” ，此信号也因此被称作白噪声。相对的，其 他不具有这一性质的噪声信号被称为有色噪声。 所谓高斯白噪声中的高斯是指概率分布是正态函数，而白噪声是指它的二阶 矩不相关，一阶为常数，

13、是指先后信号在时间上的相关性。高斯白噪声是指信号 中包含从负无穷到正无穷之间的所有频率分量，且各频率分量在信号中的权值相 同。白光包含各个频率成分的光，白噪声这个名称是由此而来的。 2.1 正弦波与均匀白噪声及高斯白噪声合成 正弦波与均匀白噪声合成的时域及频域图如图 4 所示，正弦波与高斯白噪声 合成的时域及频域图如图 5 所示。 图 4 图 5 2.2 三角波与均匀白噪声及高斯白噪声合成 三角波与均匀白噪声合成的时域及频域图如图 6 所示，三角波与高斯白噪声 合成的时域及频域图如图 7 所示。 图 6 图 7 2.3 方波与均匀白噪声及高斯白噪声合成 方波与均匀白噪声合成的时域及频域图如图

14、8 所示，方波与高斯白噪声合成 的时域及频域图如图 9 所示。 图 8 图 9 2. 调试及结果分析 首先，基本信号发生器是一种强有力的工具： （1）可仿真复杂的实际信号； （2）产生使用者设定的复杂波形； （3）具有标准函数信号源的功能； （4）产生的波形可以修改。 其次，这次虚拟仪器课程设计的题目是实现基于 LabVIEW 设计一个信号合 成器。经调试后，实现了对标准信号和噪声信号的合成。在观察添加不同的噪声 时，波形不变化是不一样的，而且当噪声的幅值很小时，并不会对标准信号的波 形产生影响。随着幅值的增大，波形受到干扰也越来越大。 4. . 结论及进一步设想 本设计使用虚拟仪器技术实现了

15、信号合成器。前面板应提供良好的人机交互 界面，可以实现实验室里几种常见的信号波形。 如果在这个设计上进一步研究信号发生器，在波形的类型上应该有更多的变 化，对于信号波形的参数有更好更精确的方式，而且在波形失真和噪声方面有更 好的解决办法。在面板美化方面也可以做得更好更漂亮。 通过本设计，深刻地认识到了虚拟仪器技术是当代仪器发展的重要发展方向。 虚拟仪器也以崭新的模式和强大的功能深入人心，伴随计算机技术和信息技术的 发展，虚拟仪器必将拓展到各个领域，引起仪器的深层此改革。 实践证明，在计算机强大的硬件资源和软件资源下，利用 LabVIEW 图形化 编程语言，设计出了功能强大、操作方便的多功能虚拟

16、熟悉信号发生器，与传统 仪器比较，它有许多优点：软件开发效率高；仪器开发周期短；可操作性和可维 护性好等等。虚拟仪器设计已经成为测控与仪器技术发展的一个重要方向，从根 本上改变目前专用仪器的研制和生产方式，具有广阔的应用前景和巨大的潜在经 济效益。 参考文献 1 贾伯年. 传感器应用技术. 东南大学出版社, 2000 年 8 月第二版 2 崔惠柳. 虚拟仪器技术及其新进展. 广西科学院学报, 2005, 2(3): 96-106 3 侯国屏. LabVIEW7.1 编程与虚拟仪器设计M. 北京： 清华大学出版社, 2007. 4 陆绮荣. 基于虚拟仪器技术个人实验室的构建. 北京: 电子工业出

17、版社, 2006 5 王海宝等. LabVIEW 虚拟仪器程序设计与应用. 四川: 西南交通大学出版 社,2005 课设体会 这次课程设计让我更加熟悉 LabVIEW 软件，并且对虚拟仪器也有了更多的了 解。传统的仪器主要由信号的采集、信号的分析与处理、结果的存储与输出控制 三个功能模块组成，而这些功能模块主要是以硬件或固化的软件形式存在,因而 传统仪器设计复杂、灵活性差、制造成本高、无法摆脱人为因素对仪器的影响， 在一些测试环境复杂、参数较多的情况下,使用起来很不方便。随着现代科学技 术的飞速发展，尤其是微电子技术和计算机技术的发展，仪器的结构概念和设计 思想等都发生了突破性的变化,虚拟仪器的出现令人耳目一新。虚拟仪器集成了 信号采集、分析处理、数据存储、结果输出和控制等功能，它与计算机的完美结 合，不仅缩短了仪器的设计、生产到使用的时间，降低了仪器的成本，节省了资 源，更使整个测量控制过程便捷、高效，排除了人为操作仪器所造成的误差。使 用者还可