基于LABVIEW的课程设计.docx

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基于LABVIEW的课程设计

摘要:

虚拟仪器是由一些必要的硬件获取调理信号，并以通用计算机为平台，实现不同测量软件对采集获得信号进行分析处理及显示。

它改变了传统电子测量仪器的概念和模式，用户完全可以自己定义仪器的功能和参数，即“软件既是仪器”。

计算机技术与网络技术的飞速发展，使得虚拟仪器已经成为现代电子测量仪器发展的趋势。

本文介绍了一种以LabVIEW为开发平台，能够产生正弦波、三角波、方波、锯齿波和任意波测试信号发生器，其平率、幅值、相位、电压偏置等参数可以设置，不但输出波形参数可调、而且可同步显示。

本系统通过采用TCP/IP技术来实现远程数据传输功能，当两台计算机设置好端口后，就可以进行数据传输。

与传统仪器相比，本系统具有高效、开放、使用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，可用于医疗，工程等精密仪器的测试，具有较强的实用性和开发价值。

关键词:

虚拟仪器，Labview，函数信号发生器，网络通信。

第一章虚拟信号发生器设计

1.1设计目的及要求

目的：

综合使用Labview编程技术，结合实际应用设计一款虚拟信号发生器。

要求：

能产生常用信号；可设置波形的频率、幅值、直流偏移量、占空比。

1.2设计过程

虚拟信号发生器就是利用采集卡的模拟输出功能来连续产生一些设定好的信号，相对于传统信号发生器，它具有更加丰富的功能。

图1-1即为一个虚拟信号发生器的实例。

前面板中间的几个控件用于设置信号的频率、幅值等基本参数以及设置信号的类型。

最左边的控件用于物理通道以及输出的电压最大值和最小值、采样频率、采样点数等。

图1-1虚拟信号发生器前面板

在Labview中要实现这样的一虚拟信号发生器，看是困难，其实并不复杂，其程序代码分为“初始化”和“主体程序”2个模块，使用一个顺序结构将它们组合在一起就能完成整个软件的构架，下面是具体设计过程。

1.2.1初始化

初始化就是为一些控件或变量赋初值，以便程序具有合理的初始参数和严格的逻辑性，减少程序出错的几率。

虚拟信号发生器的“初始化”程序框图如图1-2所示，它们位于层叠式顺序结构的第0帧，这里主要进行了两项设置：

通过属性节点来设置波形图显示控件的显示区域背景色以及清空显示波形。

图1-2虚拟信号发生器的“初始化”程序框图

1.2.2主体程序

初始化完成后，进入层叠式顺序结构的第一帧，这里是虚拟信号发生器的主体程序，实际上就是一个连续模拟信号输出。

这里给出一种虚拟信号发生器的信号生成机制，如图1-3所示。

创建任务并配置通道后，首先将函数节点生成的信号模板写入到输出缓存中，然后，启动任务开始模拟输出，接下来进入循环，在循环中继续生成信号模板并写入输出缓存。

这样在硬件设备将缓存中的数据连续输出到数模转换器的同时，程序定时将一段新的信号模板写入缓存，只要设置合适的缓存大小，就能使写入和输出互不干扰，此时，只要保持前后输入的信号模板连续，输出信号也就连续。

采用该机制不需要信号模板是整周期的，并且信号参数的改变也不会影响任务的执行，只是占用了稍多的CPU和内存资源，但从使用的角度也不失为一种较好的丰富。

图1-3虚拟信号发生器的信号生成机制

虚拟信号发生器的主体程序如图1-4所示，这里首先使用执行能效较高的DAQmx驱动完成模拟输出代码的编制。

当程序运行时，在While循环体内面调用“波形生成”子VI生成信号模板，由于采用DAQmx驱动时，输出缓存大小是由第一次写入缓存的数据长度决定的，因此，设置第一次进入循环是生成的信号模板的长度是以后长度的2倍，这样，缓存的一半空间可用于接收输入的信号模板，同时另一半空间中的数据不断地模拟输出。

将DAQmxStartTask.vi置于一个条件结构中，用于第一次进入循环时启动模拟输出任务。

当单击“停止”按钮后，当前的模拟输出任务结束，信号输出停止。

图1-4虚拟信号发生器的主体程序（DAQmx）

1.2.3“波形生成”子vi的程序设计

图1-5波形生成”子vi的前面板

图1-6波形生成”子vi的程序框图

第二章虚拟数字频率计设计

2.1设计要求

（1）编写LABVIEW虚拟数字频率计实验程序，要求可以对方波、正弦波、三角波、锯齿波等多种周期信号进行频率的测量。

频率调节范围可调。

（2）界面要求：

参数控制、控制按钮、测量频率显示。

（3）观察仿真结果并进行分析。

（4）对该虚拟数字频率计进行性能评价。

2.2设计原理

通过测量多个采样周期的的周期，于是我们可以得到各个周期内信号的频率，然后用多周期求平均值的方法得出所求信号的频率。

至于频率的相对误差，我们可以通过数组的前N个周期内的平均频率减去前N-1个周期内的平均频率，然后除以所求得的频率即可。

信号的频率计算公式我们用的最常见的为Fs=1/T,其中T是指信号的周期。

我们通过波峰检测模块得到各周期波峰所在时刻的数组，然后用循环实现数组内后一项减前一项，得到另外一个数组。

将该数组内各元素进行求倒等处理，得到各个周期内的信号频率。

为了使测量结果更精确，我们利用多周期平均计算方法计算信号频率。

2.3设计过程

2.3.1前面板设计

前面板重要组成部分：

波形器、函数信号发生器模块、原信号输出频率调节、采样频率调节、信号类型选择、测量频率输出、相对误差输出、输入输出的物理通道及输入输出电压的最大值最小值等。

图2-1虚拟数字频率计前面板

2.3.2程序框图设计

程序框图重要组成部分：

基本函数信号发生器模块、波形输出模块、波峰检测模块、数组长度测量及数组索引、条件选择结构、FOR循环结构、FOR循环中移位寄存器等。

本次设计中采用的基本函数发生器模块是采用的上一个实验所设计的信号发生器，因此程序框图就不在此显示。

图2-2虚拟数字频率计程序框图

程序框图原理说明：

本设计采用波峰检测的方法来测量任意波形频率的。

通过波峰检测得到每个波峰所在的时间点，形成一个一维数组a（n）。

对于正弦波、三角波、锯齿波而言，我们可以直接将数组内的时间点相邻递减（均采用后一项减去前一项，即A（n）=a（n+1）-a（n）。

）。

对重组的数组A（n）进行求倒等变换后输出得到另一个数组B（n）,数组B（n）中的元素为每个采样信号的频率。

用FOR循环加移位寄存器对数组B（n）进行求和然后除以数组B（n）的元素个数n，即可得到平均频率，也就是测得频率。

值得注意的是在测量方波信号的时候，这种方式就不适用了。

按照理论分析可知，用波峰检测得到的一组时间点数组即a（n）,其中相邻两项的差值仅为一个完整周期的一部分，故我们应采用间隔递减的方式（即A（n）=a（n+1）-a（n-1））得到数组B（n），其余步骤同上。

2.4测试结果与分析

2.4.1正弦波测试结果

图2-3正弦波测试结果

图2-3中，采样频率为5000Hz，测得频率为40Hz，各周期频率和为80Hz，相对误差为3.55271E-7。

2.4.2三角波测试结果

图2-4三角波测试结果

图2-4中，采样频率为5000Hz，测得频率为40Hz，各周期频率和为80Hz，相对误差为1.77636E-7。

2.4.3方波测试结果

图2-5方波测试结果

图2-5中，采样频率为5000Hz，测得频率为40Hz，各周期频率和为200Hz，相对误差为0。

第三章虚拟双踪示波器设计

3.1设计要求

（1）编写LABVIEW虚拟示波器实验程序，要求可以对两路信号进行观察与测量。

（2）界面要求：

参数控制、控制按钮、波形显示。

（3）观察仿真结果并进行分析。

（4）对该虚拟示波器进行性能评价。

3.2设计思路与预期功能

本设计的想法是尽量与现实中的面板相一致，实现示波器最基本的显示和调节功能。

所以本设计我设计了包含CHA和CHB的双通道示波器，即双踪示波器。

设计时考虑的是以下几个部分:

（1）CHA和CHB通道设计及选择。

设置两个控件控制CHA和CHB选通状况，分别输入正弦波、三角波、方波和锯齿波。

（2）波形产生。

由于没有外界信号输入设备，所以不能用外部数据采集的方法输入信号波形，那么自己设计一个信号发生器，使两个通道都能实现基本模拟信号正弦波、三角波、方波、锯齿波的输入。

（3）波形显示。

采用波形图控件。

（4）波形控制部分。

包括CHA信号幅度调节和幅度偏移、CHB信号幅度调节和幅度偏移、同时开的时候两个信号叠加开关。

（5）停止示波器。

通过while循环的停止按钮设置示波器停止工作。

3.3设计过程

3.3.1总体设计

本设计的VI在创建过程中，首先创建前面板，然后进行程序框图的编写。

在程序的编写中，使用了条件结构，while循环结构以及常用的数据处理函数，同时还用到了信号生成控件VI、旋钮控件VI等多个labVIEW控件。

完整的设计框图如下所示：

图3-1虚拟双踪示波器前面板

图3-2虚拟双踪示波器程序框图

3.3.2通道A、B的选择及波形发生

利用基本函数发生器创建波形发生模块，实现信号源的选择。

具体效果如下：

图3-3波形发生模块

图3-3即为波形发生模块，可以产生基本波形，B通道的实现同理可得。

3.3.3波形控制和调节部分

这部分是为了获得显示波形的详细信息而设计的，其结构如下图：

图3-4单频信息控件

图3-4是提取单频信号控件，可以在前面板上显示信号的幅值和频率。

3.3.4A、B两通道波形显示的程序框图设计

图3-5A通道单独显示波形

图3-5即为A通道单独显示波形的程序框图，利用了一个条件选择结构，此时前面板上显示的只有A通道的波形。

图3-6B通道单独显示波形

图3-6即为B通道单独显示波形的程序框图，前面板输出的只有B通道的波形。

图3-7A、B两通道同时显示波形

图3-7即为A、B两通道同时显示波形的程序框图，此时前面板同时显示两个波形，具体显示的情形在测试结果中会做介绍。

图3-8A、B两通道交替显示波形

图13即为A、B两通道交替显示波形的程序框图，此时前面板将分别交替显示A通道和B通道中的波形。

3.4测试与结果

3.4.1A通道（B通道）单独显示波形

A通道B通道

图3-9单通道波形显示

前面板上，“通道选择”选择A或B，这时，屏幕上显示的即为图15所示的几个波形，都是单独显示的。

3.4.2A、B两通道同时显示波形

图3-10双通道波形显示

前面板上，“通道选择”选择“A+B”，这时，屏幕上显示的即为图3-10所示的波形。

3.4.3A、B两通道交替显示波形

A通道B通道

图3-11正弦波和方波交替显示

图17是正弦波和方波交替显示的情形，先显示完正弦波再显示方波，由于动态无法表示，只能以上图的截图形式来表示。

3.5性能分析

（1）本程序界面友好，基本与实物图相符，生动形象，对于波形输出具有实时的动态效果。

（2）在两通道交替显示波形时，波形会很快的闪动，此时可以适当的增加延迟时间，以便更好的观察波形的变化。

（3）本设计中，两通道都可以正常的显示波形，交替也可以实现，唯一的缺陷就是X轴不能随着移动变化，设计有待改善提高。