基于labview虚拟信号发生器的设计.docx

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基于labview虚拟信号发生器的设计

学号：

常州大学

毕业设计（论文）

（2012届）

题目虚拟信号发生器的设计

学生

学院信息科学与工程学院专业班级

校内指导教师专业技术职务

校外指导老师无专业技术职务无

二○一二年五月

虚拟信号发生器的设计

摘要

虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成一种新的仪器模式。

本设计采用USB6008数据采集卡，将虚拟仪器技术用于信号发生器的设计。

该系统具有生成正弦波、方波、三角波、锯齿波，序列信号及任意波形的功能。

其序列信号发生器是在n位寄存器的基础上，根据D触发器原理，加上异或反馈电路构成的。

并且实现了存储波形和远程通信控制的功能。

本文首先介绍了信号发生器的相关理论，给出了信号发生器的基本原理框图，并了解了虚拟仪器的总线及其标准、框架结构、LABVIEW开发平台。

在分析本系统功能需求的基础上，介绍了数据采集卡、LABVIEW的编程模式等设计中所涉及到的硬件和技术。

本设计是虚拟仪器模拟真实仪器的尝试。

实践证明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够实现各种硬件可以完成的任务。

关键词:

虚拟仪器，数据采集卡，信号发生器，LABVIEW

Thedesignofsignalgeneratorbasedonvirtualinstrument

Abstract

Virtualinstrumentisformedbytheinstrumenttechnology,computertechnology,bustechnologyandsoftwaretechnology.Powerfuldigitalprocessing’sabilityofcomputerisusedtoachievethemainfunctionsofinstrument.Virtualinstrumentbroketheframeworkofthetraditionalinstruments,andbuiltanewdevicemodel.

ThisdesignusesUSB6008dataacquisitioncard.Thevirtualinstrumenttechnologyhasbeenutilizedinthedesignofsignalgenerator.Thesystemhasabilitytoproducesinewave,squarewave,andtrianglewave,sawtoothwave,sequencesignalsandarbitrarywaveformssignals.Theseriesgeneratorsisonthebasisofthen-bitregisters,andisunderdtriggerprinciple,coupledwiththeexclusiveoroffeedbackcircuit.Andthewaveformstorageandremotecommunicationcontrolfunctionhasbeenrealized.Thisarticleintroducesthetheoryofsignalgenerator,givesabasicblockdiagramofsignalgenerator,alsotheframestructureandLABVIEWdevelopmentplatformofthevirtualinstrumentwiththeinquiryofthebus’sstandard.Basedontheanalysisofthissystem’sfunctionalrequirements,thisarticleintroducesthehardwareandtechnologywhichinvolvedindesignofthedataacquisitioncardandtheLABVIEW’sprogrammingmodes.

Thedesignisanattemptofvirtualinstrumenttosimulatetherealityinstrument.Itshowsthevirtualinstrumentisanexcellentsolutiontoachievethetaskwhichisachievedbytraditionalhardwareinthepast.

KeyWords:

VirtualInstruments，DataAcquisitionCards，SignalGenerators，

LABVIEW

1绪论

1.1引言

信号发生器作为科学实验必不可少的装置，被广泛地应用到教学、科研等各个领

域。

高等学校特别是理工科的教学、科研需要大量的仪器设备，例如信号源、示波器

等，常用仪器都必须配置多套，但是有些仪器设备价格昂贵，如果按照传统模式新建

或者改造实验室投资巨大，造成许多学校仪器设备缺乏或过时陈旧，严重影响教学科

研。

如果运用虚拟仪器技术构建系统，代替常规仪器、仪表，不但可以满足实验教学

的需要、节约大量的经费、降低实验室建设的成本，而且能够提高教学科研的质量与

效率。

1.2信号发生器概述

1.2.1信号发生器简介

信号发生器是生产实践和科学研究中应用十分广泛的电子测量仪器。

目前常用的模拟信号发生器，外型笨重，功能单一；数字信号发生器虽然有一定的功能扩展，但价格昂贵，维护升级成本高，短时间内难以普及应用。

近年来，出现了一种基于计算机和软件的新型仪器——虚拟仪器。

虚拟仪器以计算机为核心，功能由用户定义和设计，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现。

虚拟仪器的关键是用软件来实现硬件的功能，实现“软件即仪器”。

在高等院校理工科教学中，实验教学是整个教学过程中的重要环节，特别是基础课、专业基础课的实验教学在本科教学中尤为重要，他对学生的专业知识起着有效的支撑作用。

但是，近年来随着学生人数的增加、实验教学改革不断深入，原有实验室的设备和规模难以满足发展的需要。

虚拟仪器的出现很好地解决了这些问题。

虚拟仪器是以计算机为核心，功能由用户定义和设计，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现。

虚拟仪器的关键是用软件来实现硬件的功能，实现“软件即仪器”。

本文应用虚拟仪器开发平台LabVIEW开发了一种多功能虚拟信号发生器，扩展了信号发生器的分析和计算能力，降低了仪器的价格，增强了仪器的通用性，实现了波形显示、存储、打印和读取以及多个测量参数自动显示、相位差自动计算等功能。

1.2.2信号发生器的发展

信号发生器是一种悠久的测量仪器，早在20年代电子设备刚出现时它就产生了。

随着通信和雷达技术的发展，40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发

生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器发展成定量分析的测量仪器。

同时还出现

了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。

由于早期的信号发生器

机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，因此发展速度比较慢。

直到1964

年才出现第一台全晶体管的信号发生器。

自60年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器，这个时期的信

号发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，

且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形，由于模拟电路的漂移较

大，使其输出的波形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格

贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。

自从70

年代微处理器出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器，硬件和软件使信

号发生器的功能扩大，产生比较复杂的波形。

这时期的信号发生器多以软件为主，实

质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。

软件控制波形

的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要是由CPU的工作速度决定的，如果

想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期时间或提高CPU的时钟周期，但这些

办法是有限度的，根本的办法还是要改进硬件电路。

随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子

测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了

仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号

处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来。

其基本原理如图1.1所示。

图1.1信号发生器基本原理框图

信号发生器的应用非常广泛，种类繁多。

首先，信号发生器可以分通用和专用两

大类，专用信号发生器主要为了某种特殊的测量目的而研制的，如电视信号发生器、

脉冲编码信号发生器等，这种发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。

其次，信

号发生器按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器、函数发生器和

任意波发生器等。

再次，按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。

一般传

统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，来获得

所需频率。

1.3信号发生器的分类

1.3.1正弦信号发生器

正弦信号主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。

按频率覆盖范围分为低频信号发生器、高频信号发生器和微波信号发生器；按输出电平可调节范围和稳定度分为简易信号发生器（即信号源）、标准信号发生器（输出功率能准确地衰减到-100分贝毫瓦以下）和功率信号发生器（输出功率达数十毫瓦以上）；按频率改变的方式分为调谐式信号发生器、扫频式信号发生器、程控式信号发生器和频率合成式信号发生器等。

低频信号发生器：

包括音频（200～20000赫）和视频（1赫～10兆赫）范围的正弦波发生器。

主振级一般用RC式振荡器，也可用差频振荡器。

为便于测试系统的频率特性，要求输出幅频特性平和波形失真小。

高频信号发生器：

频率为100千赫～30兆赫的高频、30～300兆赫的甚高频信号发生器。

一般采用LC调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。

主要用途是测量各种接收机的技术指标。

输出信号可用内部或外加的低频正弦信号调幅或调频，使输出载频电压能够衰减到1微伏以下。

微波信号发生器：

从分米波直到毫米波波段的信号发生器。

信号通常由带分布参数谐振腔的超高频三极管和反射速调管产生，但有逐渐被微波晶体管、场效应管和耿氏二极管等固体器件取代的趋势。

仪器一般靠机械调谐腔体来改变频率，每台可覆盖一个倍频程左右，由腔体耦合出的信号功率一般可达10毫瓦以上。

简易信号源只要求能加1000赫方波调幅，而标准信号发生器则能将输出基准电平调节到1毫瓦，再从后随衰减器读出信号电平的分贝毫瓦值；还必须有内部或外加矩形脉冲调幅，以便测试雷达等接收机。

扫频和程控信号发生器：

扫频信号发生器能够产生幅度恒定、频率在限定范围内作线性变化的信号。

在高频和甚高频段用低频扫描电压或电流控制振荡回路元件（如变容管或磁芯线圈）来实现扫频振荡；在微波段早期采用电压调谐扫频，用改变返波管螺旋线电极的直流电压来改变振荡频率，后来广泛采用磁调谐扫频，以YIG铁氧体小球作微波固体振荡器的调谐回路，用扫描电流