函數信號發(fā)生器課程設計--基于labview的函數信號發(fā)生器的設計

1、<p><b>　　課 程 設 計</b></p><p>　　設計題目：基于LABVIEW的函數信號發(fā)生器的設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　虛擬儀器技術的實質是利用最新的計算機技術來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能，在許多方面具有傳統(tǒng)儀器所沒有的優(yōu)越性，在實驗教學和工程領域具有極大

2、的應用潛力。實驗表明，設計的虛擬函數信號發(fā)生器輸出信號性能優(yōu)于普通傳統(tǒng)的信號源。</p><p>　　虛擬儀器是1986年美國國家儀器公司（NI）提供的一種新型一起概念。它是計算機技術介入儀器領域所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。在虛擬儀器中計算機處于核心地位，計算機軟件技術和測試系統(tǒng)更緊密地結合成一個有機整體，儀器的結構概念和設計觀點都發(fā)生了根本變化。</p><p>　　虛擬儀

3、器技術的實質是利用最新的計算機技術來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。其基本構成包括計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。在這里，硬件僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個系統(tǒng)的關鍵。當基本硬件確定后，就可以通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。虛擬儀器應用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數據分析、結果輸出和用戶界面等功能。使傳統(tǒng)儀器的某些硬件甚至整個儀器都被計算機軟件所代替。因此從某種意義上說，計算機既是儀器，軟件即是儀器。</p>

4、<p>　　虛擬儀器的軟件是其最核心、最關鍵的部分，其主要功能是對硬件執(zhí)行通信和控制，對信號進行分析和處理，以及對結果進行恰當的表達和輸出等。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺目前主要有兩類：第一類是基于傳統(tǒng)語言的Turbo C，Microsoft公司的Visual Basic ，Borland公司的Delphi，Sybase公司的PowerBuilder。這類語言具有適應面廣、開發(fā)靈活的特點，但開發(fā)人員需有較多的編程經驗和較強的調試能力

5、；第二類用專業(yè)圖形化編程軟件進行開發(fā)。如HP公司的VEE,NI公司的LabVIEW和Lab Windows/CVI等。NI公司的LabVIEW軟件開發(fā)平臺是一種專業(yè)圖形化編程軟件，采用圖形化編程方式，結構流程清晰，但缺點是對硬件的要求較高，比較依賴NI的專用產品，對信號控制方式不夠靈活。而Lab Windows/CVI以ANSI C為核心。將功能強大，使用靈活的C語言平臺與數據采集，分析和表達的測控專業(yè)工具有機地接合起來。它的集成化開發(fā)

6、平臺，交互式編程方法，豐富的控件和庫函數大大增強了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)人員建立檢測系統(tǒng)，自動測量環(huán)境，數據采集系統(tǒng)，過程監(jiān)控系統(tǒng)等</p><p>　　關鍵詞 函數信號發(fā)生器, 數據采集卡,LabVIEW，DAQ卡，示波器</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1設計任務描述4</p>&l

7、t;p>　　1.1 設計題目:4</p><p>　　1.2 設計要求：5</p><p>　　1.3 報告要求：5</p><p>　　1.4 時間進度安排：5</p><p><b>　　2設計思路6</b></p><p><b>　　3軟件流程圖7</

8、b></p><p>　　4各部分程序設計8</p><p>　　4.1 數據采集8</p><p>　　4.2 程序框圖設計8</p><p>　　4.2.3函數信號輸出設計10</p><p>　　4.2.4 前面板設計10</p><p>　　4.3 基本波形檢驗11&

9、lt;/p><p>　　5工作過程分析13</p><p>　　5.1 設計中的程序結構13</p><p>　　5.2 切換開關的介紹14</p><p>　　5.3 程序簡化設計及波形參數計算14</p><p>　　5.3.1 簡化設計思路14</p><p>　　5.3.2 參數

10、計算14</p><p><b>　　6元件清單16</b></p><p>　　7主要元器件介紹17</p><p>　　7.1 DAQ數據采集卡17</p><p>　　7.2 模擬示波器17</p><p>　　7.3 LabVIEW簡介18</p><p

11、><b>　　總 結19</b></p><p><b>　　致 謝20</b></p><p><b>　　參考文獻21</b></p><p><b>　　附錄Ⅰ22</b></p><p><b>　　附錄Ⅱ23</b

12、></p><p><b>　　設計任務描述</b></p><p><b>　　1.1 設計題目:</b></p><p>　　設計基于Labview 的函數信號發(fā)生器的設計。</p><p><b>　　1.2 設計要求：</b></p><p&g

13、t;　　1）掌握NI-DAQ使用方法。</p><p>　　2）了解函數信號產生方法。</p><p>　　3） 輸出一路占空比可調的方波信號，一路函數信號（輸出信號類型可選擇）。</p><p><b>　　1.3 報告要求：</b></p><p>　?。?）.課程設計論文是體現(xiàn)和總結課程設計成果的載體，一般不應少于

14、3000字。</p><p>　?。?）.學生應撰寫的內容為：中文摘要和關鍵詞、目錄、正文、參考文獻等。課程設計論文的結構及各部分內容要求可參照《沈陽工程學院畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范》執(zhí)行。應做到文理通順，內容正確完整，書寫工整，裝訂整齊。</p><p>　?。?）.論文要求打印，打印時按《沈陽工程學院畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范》的要求進行打印。</p><p>　

15、?。?）.課程設計論文裝訂順序為：封面、任務書、成績評審意見表、中文摘要和關鍵詞、目錄、正文、參考文獻。</p><p>　　1.4 時間進度安排：</p><p><b>　　設計思路</b></p><p>　　本次設計的是虛擬的可以顯示正弦波、方波、三角波及鋸齒波四種波形的函數信號發(fā)生器。</p><p>　　創(chuàng)建

16、波形時首先根據題目要求，在LabVIEW函數選版內選擇 “編程”到“波形”到“模擬波形”子選板下還提供了“波形生成”子選板。選擇不同的波形就產生正弦波波形（Sine Wave）、三角波形(Triangle Wave)、方波波形(Squre Wave)、鋸齒波波形(Sawtooth Wave)四種基本類型信號波形。并且要對這些波形的頻率、幅值、初始相位進行可調節(jié)控制。其中只有方波有占空比，所以在創(chuàng)建方波時需要加入占空比。</p>

17、;<p>　　由于在虛擬儀器LabVIEW內產生的是模擬信號，所以不需要進行D/A轉化。直接將轉化后的信號接入示波器，即可以觀察到這幾類基本波形。</p><p>　　該函數信號發(fā)生器除了可以顯示四種基本波形外，還加入了參數計算功能，例如波峰、均值、有效值及波峰因數和波形因數的計算，利用計算公式就可以得出參數數值。其中由于有效值與均值需要積分與微分，所以積分與微分可以在LABVIEW函數選板下的“數

18、學”子選板下的“積分與微分”選板中選擇。</p><p><b>　　軟件流程圖</b></p><p>　　圖3.1 軟件流程圖</p><p><b>　　各部分程序設計</b></p><p><b>　　4.1 數據采集</b></p><p>

19、　　虛擬儀器獲取數據的方法是通過對I/O接口設備的驅動完成的。通過數據采集獲取數據是虛擬儀器獲取數據的渠道之一，通過數據采集卡獲取數據在虛擬儀器中又稱為NI-DAQ卡式儀器。</p><p>　　此次虛擬函數信號發(fā)生器數據的輸入輸出靠對數據采集卡輸出輸入口的定義來實現(xiàn)。本設計采用的SC-2075數據采集卡是一塊性價比較好的產品, 具備數/模轉換的功能,能將產生的數字信號轉換成模擬信號且數模轉換精度高。同時也可以進

20、行模/數轉換。</p><p>　　首先要建立DAQ,然后對其進行初始化。操作方法如圖4.1.1、圖4.1.2所示</p><p>　?。╝）初始化前 （b）初始化后</p><p>　　圖4.1.1 建立DAQ </p><p>　　圖4.1.2 DAQ初始化</p><p>　　

21、4.2 程序框圖設計</p><p>　　波形產生是函數信號發(fā)生器軟件的核心。LABVIEW在函數選板的“編程”→“波形”→“模擬波形”子選板下還提供了“波形生成”子選板。然后選擇正弦信號、三角波信號、鋸齒波信號和方波信號。</p><p>　　基本函數發(fā)生器（Basic Function Generator.vi）可產生4種基本信號波形：正弦波、三角波、方波、鋸齒波。對于虛擬信號發(fā)生器而

22、言，它的主要功能就是為我們提供激勵信號，所以在流程圖設計中，我們首先要選擇產生信號的圖標以及循環(huán)控制的While 循環(huán)。</p><p>　?、旁诹鞒虉D設計窗口中打開“函數”模塊, 調入While循環(huán)，控制程序的運行。以便程序可以連續(xù)流暢的運行。</p><p>　?、?執(zhí)行“函數”、“信號處理”、“波形生成”導入幾類基本波形。</p><p>　?、菆?zhí)行“函數”、

23、“編程”、“定時”、“等待”操作, 調入時鐘圖標。</p><p>　?、冗B線接入可調節(jié)的“信號類型”、“頻率”、“幅值”、“初始相位”、“采樣頻率及采樣點數”形成的函數信號發(fā)生器的波形產生模塊程序框圖如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.2.1 波形產生模塊程序框圖</p><p>　　由于方波信號需要占空比，所以在創(chuàng)建方波信號時需要加入占空比。</p

24、><p>　　圖4.2.2 占空比可調的方波設計框圖</p><p>　　4.2.3函數信號輸出設計</p><p>　　DAQ系統(tǒng)經常需要為被測對象提供激勵信號，也就是輸出模擬量信號。信號發(fā)生器的生成和顯示通過模擬輸出VI：對DAQ設定信號類型、幅度、頻率等；下一步是用DAQ讀取采樣數據,其中數據波形顯示在前面板的信號發(fā)生器中, 并可調節(jié)方波占空比。</p>

25、;<p><b>　?、艅?chuàng)建DAQ</b></p><p>　　⑵在流程圖設計窗口中打開【函數】模塊,執(zhí)行【函數】、【express】、【DAQ助手】，調入DAQ。</p><p>　?、侨鐖D2-5在生成信號中選擇【模擬輸出】、【電壓】輸出，選擇通道ao0,ao1后，創(chuàng)建完成。</p><p>　　⑷函數信號輸出框圖如下圖4.2.

26、3所示。</p><p>　　圖4.2.3 函數信號輸入DAQ初始化</p><p>　　4.2.4 前面板設計</p><p>　　一臺儀器設備首先進入人眼簾的便是它的前面板，通過前面板使用者可以獲取很多信息，每個按鍵上的標簽符號可以傳達出其功能。所以前面板的設計相當重要。其功能鍵的設計和美觀性都相當重要。</p><p>　　4.3 基本

27、波形檢驗</p><p>　　圖4.3.1 正弦波波形圖</p><p>　　圖4.3.2 鋸齒波波形圖</p><p>　　圖4.3.3 方波波形圖</p><p>　　圖4.3.4 三角波波形圖</p><p><b>　　工作過程分析</b></p><p>　　5.

28、1 設計中的程序結構</p><p>　　程序設計中只運用了一種程序結構：條件結構。</p><p>　　條件結構在編程時，將外部控制條件連接至選擇端口，程序運行時選擇端口會判斷送來的控制條件，引導選擇結構執(zhí)行相應框架中的內容。選擇條件端口的外部控制條件的數據類型可以是整型、字符型、布爾型等。如果是布爾型，則結構包括真和假分支。</p><p>　　圖5.1.1 條

29、件結果框圖</p><p>　　選擇框架的個數可以根據實際需要確定，在選擇框架的右鍵彈出菜單中選擇【在后面添加分支】或【在前面添加分支】，即可添加選擇框架。</p><p>　　本設計中用到了兩個條件結構，第一個條件結構控制函數信號發(fā)生器的開與關。當開關打開后，函數信號發(fā)生器開始工作，條件結構為真時，它的里面是對波形參數調整的數據采集DAQ，也就通過幅頻切換開關對波形進行調幅和調頻切換選擇

30、，使采集到的外部數據引入不同的波形參數通道，起到改變波形的目的。</p><p>　　第二個條件結構外部控制條件的數據類型是整型，在這個條件結構中共有四個選擇框架，在每個選擇框架中分別放置個相應函數發(fā)生器，并通過外部控制條件的選擇產生四種不同波形。</p><p>　　圖5.1.2 波形切換時程序框圖</p><p>　　5.2 切換開關的介紹</p>

31、<p>　　首先，布爾選擇按鈕有兩種狀態(tài)“開”、“關”，對應條件結構中的“真”、“假”。當按下布爾按鈕時，函數信號發(fā)生器就開始工作。</p><p>　　還有就是在程序框圖的右半部分中對波形的選擇，這個選擇開關為一個下拉列表，其中在編輯項中插入了四種波形，插入的順序與條件結構中波形發(fā)生器放入的順序一致。通過下拉列表按鍵控制四種波形的切換輸出。對下拉列表編輯項的設置如圖4.1所示。</p>

32、<p>　　圖5.2下拉列表設置</p><p>　　5.3 程序簡化設計及波形參數計算</p><p>　　5.3.1 簡化設計思路</p><p>　　設計過程中使在能完成要求功能以及發(fā)揮部分外盡可能簡化程序，程序框圖中運用了局部變量。整個程序框圖看上去就兩部分組成：外部數據采集、波形產生輸出。這兩部分之間就是通過設置的局部變量實現(xiàn)聯(lián)系的。</

33、p><p>　　5.3.2 參數計算</p><p>　　設計中，在調節(jié)波形頻率時如果直接用外部采集得到的信號，產生波形的頻率很低，在示波器上不便于觀察波形效果。所以在設計中將采集得到數據放大二十倍后再控制波形信號的頻率，使得到波形的頻率調節(jié)范圍更加寬闊，也使的在示波器上能清晰觀測。</p><p><b>　　參數計算為:</b></p&g

34、t;<p><b>　　信號幅值為：～。</b></p><p><b>　　方波占空比為：～。</b></p><p><b>　　有效值： </b></p><p><b>　　平均值：</b></p><p><b>　　波峰

35、：</b></p><p><b>　　波峰因數：</b></p><p><b>　　波形因數：</b></p><p>　　采樣頻率（也稱為采樣速度或者采樣率）定義了每秒從連續(xù)信號中提取并組成離散信號的采樣個數，它用赫茲（Hz）來表示。采樣頻率的倒數是采樣周期或者叫作采樣時間，它是采樣之間的時間間隔，所以首

36、先設定適當的采樣頻率和采樣點數。規(guī)定是采樣頻率至少大于最大頻率的二倍。為了確保波形穩(wěn)定應使采樣頻率和采樣點數一致。按下“開始”在上面板上選擇信號類型，以及頻率、幅值、初始相位。即會在面板上顯示其相對應波形。利用DAQ電壓ao0,ao1通道與數字示波器CH1.CH2通道用導線相連接。即會在數字示波器一通道上顯示出相對應的波形。</p><p>　　占空比可調波形在CH2通道上顯示。在面板上有一個開關控制，不搬開關時

37、，其占空比的調節(jié)是在控制面板上實現(xiàn)的。而將開關搬下時，控制面板上占空比調節(jié)則不再起作用。其占空比控制是靠遠程的數據采集卡上調節(jié)來實現(xiàn)的。當將數據采集卡的ao1與數字示波器的CH2通道連接。則可以在示波器上觀看到相應的波形顯示。</p><p><b>　　元件清單</b></p><p><b>　　主要元器件介紹</b></p>

38、<p>　　7.1 DAQ數據采集卡</p><p>　　DAQ，即數據采集儀器是一種典型的虛擬儀器，它的出現(xiàn)和發(fā)展與微型計算機緊密相關。DAQ儀器以微型計算機為平臺，將計算機硬件和計算機軟件結合起來，實現(xiàn)特定的儀器測量和分析。DAQ儀器具有性價比高、設計手段靈活、通用性強等優(yōu)點，應用前景十分廣闊。數據采集(DAQ)是通過DAQ卡采集數據和輸出數據。通常一塊DAQ卡能實現(xiàn)多種功能，其中包括模數轉換(A/

39、D)、數模轉換(D/A)、數字輸入輸出(DI/O)和計算器/定時器功能。</p><p>　　數據采集系統(tǒng)追求的目標主要有兩個：一是精度，二是速度。對任何量的測試都要有一定的精度要求，否則將失去測試的意義；提高數據采集的速度不僅僅是提高了工作效率，更主要的是擴大了數據采集系統(tǒng)的適用范圍，便于實現(xiàn)動態(tài)測試。由于個人計算機的圖形分辨率及圖形處理能力已達到相當高的水準，因此利用PC構成的DQA儀器可視化功能強。<

40、/p><p><b>　　圖7.1 DAQ</b></p><p><b>　　7.2 模擬示波器</b></p><p>　　模擬示波器，采用的是模擬電路（示波管，其基礎是電子槍）電子槍向屏幕發(fā)射電子，發(fā)射的電子經聚焦形成電子束，并打到屏幕上，屏幕的內表面涂有熒光物質，這樣電子束打中的點就會發(fā)出光來。</p>

41、<p>　　圖7.2GDS-1022數字示波器</p><p>　　7.3 LabVIEW簡介</p><p>　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW則采用數據流編程方

42、式，程序框圖中節(jié)點之間的數據流向決定了VI及函數的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW的程序模塊。</p><p>　　LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作

43、程序框圖代碼。</p><p>　　LABVIEW的特點有：</p><p>　　盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。</p><p>　　可充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數據處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器。</p><p>　　用戶可以根據自己的需要定義和制造各種儀器。</p><p><b&

44、gt;　　總 結</b></p><p>　　轉眼間短短的一周的虛擬儀器的課程設計已經結束了，回憶這一周，讓人感觸很深。通過一周的課程設計，使我體會到了理論與實踐的差距與區(qū)別。在課設期間我通過到圖書館查資料再到實驗室實踐，將自己的想法一一實現(xiàn)。</p><p>　　我所設計的題目是函數信號發(fā)生器，是實驗室里常見的儀器。在設計中可以參考的例子也很多。雖然我所見的成品是很完美的，但

45、那不是我的。雖然我設計出來的函數信號發(fā)生器其實要做成現(xiàn)實成品是根本不可行的。因為它的很多功能存在著很大的偏差，運行起來也不是很穩(wěn)定。很多時候我認為自己的想法和思路都沒有問題，但就怎么也運行不起來。我懷疑是不是機器出了什么問題。當然現(xiàn)在回頭想想其實是我設計的不夠完善才導致運行不出來的。當經過一遍遍修改、運行，最終運行成功。</p><p>　　通過這次設計，我了解了虛擬儀器強大作用和它巨大的發(fā)展?jié)摿?。通過對該信號發(fā)

46、生器所產生的信號進行測試，結果表明該信號源輸出正弦信號性能優(yōu)于普通傳統(tǒng)信號源產生的信號。可以相信，隨著虛擬儀器技術向縱深發(fā)展和各項高新技術的進步，人們完全可以實現(xiàn)將電子實驗室"裝入"電腦的設想。虛擬儀器不是計算機功能簡單的擴展，也不單純是傳統(tǒng)智能儀器的替代品，虛擬儀器的概念代表了當今測試儀器領域發(fā)展的重要方向之一，有著廣闊的發(fā)展前景。</p><p>　　同時這次課設也使我明白了我們課設主要目

47、的是讓我們通過不斷的使用它來解決實際的問題，才能更好的掌握所學技能。實踐出真理，即“理論與實踐相結合的橋梁”。實踐是檢驗真理的最佳途徑，也是將理論記在腦子里的最好辦法。通過這周的課設和學習，我知道了自己的不足，那就是缺乏相應的知識與經驗，對所學的專業(yè)知識不能夠很好地運用于實踐操作。在接下來的日子里，我會嚴格要求自己，向自己專業(yè)的靠近。</p><p>　　通過這短短的一周課程設計，讓我也懂得了知識是永遠也學不完的

48、，知道了還有許多東西等著我去學習。那一刻，內心的成就感和滿足感是我難以壓制的。就在這悲喜交加里我渡過的這充實又有意義的一周。從今以后我會不短的完善自己，繼續(xù)努力學習，把這種用實踐檢驗真理的精神帶到我的學習和工作當中。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　一周的虛擬儀器技術程設計結束了,按要求我完成了設計任務，可惜沒到達自己預期的效果。

49、</p><p>　　在此次課設中我要感謝我的輔導教師和同學們。感謝老師在工作繁忙，還每天來教室親自指導學生。耐心的給我們講解，細致的分析。往往會為我的設計思路找到突破口。來解決遇到的問題。</p><p>　　與此同時，他也教會我們如何運用自己所學的知識，將知識連成線，應用于自己所需要的地方，這樣以來知識不再是獨立的個體而是相輔相成，相互貫通的有機整體。只有這樣才能設計出來功能齊全的實體

50、。這給了我很大的啟迪，讓我在發(fā)揮部分破感深處。</p><p>　　我要感謝和我并肩作戰(zhàn)的我的同班同學，由于寒假做手術，我的手不方便。感謝他們對我耐心的幫助和照顧。同時身邊的每位同學給我的指導和建議，我們一起在圖書館查閱資料，一起在實驗室討論問題，使我順利的完成了這次課程設計。</p><p>　　我還要感謝教研室的老師，感謝他們能給我們這次課程設計的機會。感謝編著資料的作者們，是你們將自

51、己的經驗和見解無私的用筆記錄下來，與大家一同分享，使我們這些學習路上的晚輩們能夠有據可依，有理可尋。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　雷勇.虛擬儀器設計與實踐.北京:電子工業(yè)出版社,2005</p><p>　　張重雄. 虛擬儀器技術分析與設計.北京:電子工業(yè)出版社,2004</p><p&