实验一虚拟信号发生器的的设计.docx

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实验一虚拟信号发生器的的设计

实验一虚拟信号发生器的的设计

学号：

044100116班级：

通信041姓名：

马吉炜

【实验目的】

1.学习和掌握基于LabVIEW开发环境的编程技术

2.学习和掌握LabVIEW中信号发生节点的使用

3.熟悉虚拟仪器的组成

【实验仪器和软件平台】

名称

数量

备注

PC机

一台

预装Windows2000和LabVIEW等

LabjackU12数据采集控制器

一套

用于连接示波器与PC机

USB接口线

一根

LabVIEW7.1

一套

装入PC机

示波器

一台

用于观测信号发生器实际输出波形

【实验内容】

设计一基于PC机的信号发生器，能够产生方波、正弦波、三角波、锯齿波以及任意函数的波形，并能满足一定的性能指标。

一、信号发生器的用途

在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率、不同波形的电压、电流信号并加到被测器件、设备上，用其他测量仪器观察、测量被测者的输出响应，以分析确定它们的性能参数，如图所示。

这种提供测试用电信号的装置，统称为信号发生器，用在电子测量领域，也称为测试信号发生器。

和示波器、电压表、频率计等仪器一样，信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。

二、信号发生器按输出波形分类

根据使用要求，信号发生器可以输出不同波形的信号。

按照输出信号的波形特性，信号发生器可分为正弦信号发生器和非正弦信号发生器。

非正弦信号发生器又可包括：

脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列信号发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。

三、信号发生器的性能指标

输出波形----能产生正弦波，余弦波，方波，锯齿波，三角波以及任意函数的波形，可以根据需要改变波形的频率和幅值。

频率范围----理论上全频段，但具体涉及到计算机性能。

输出电压----一般指输出电压的峰—峰值。

波形特性----不同波形有不同的表示法。

一般正弦波和三角波的特性用非线性失真系数表示；而方波的特性参数是上升时间。

如正弦信号发生器的输出在理想情况下应为单一频率的正弦波，但由于信号发生器内部放大器等元、器件的非线性，会使输出信号产生非线性失真，除了所需要的正弦波频率外，还有其他谐波分量。

人们通常用信号频谱纯度来说明输出信号波形接近正弦波的程度，并用非线性失真系数γ表示：

是基频分量的振幅，

是第i次谐波分量的振幅。

又如脉冲信号的主要参数：

①脉冲幅度Um：

定义为脉冲波从底部到顶部之间的数值。

②脉冲上升时间tr：

定义为脉冲波从0.1Um上升到0.9Um所经历的时间，也叫脉冲前沿。

③脉冲下降时间tf：

定义为脉冲波从0.9Um下降到0.1Um所经历的时间，也叫脉冲后沿。

④脉冲宽度：

即脉冲的持续时间，一般指脉冲前、后沿分别等于0.5Um时相应的时间间隔。

⑤平顶降落：

表征脉冲顶部不能保持平直而呈现倾斜降落的数值，也常用其对脉冲幅度的百分比值来表示。

⑥脉冲过冲：

脉冲过冲包括上冲和下冲。

上冲指上升边超过顶值Um以上所呈现的突出部分，下冲是指下降边超过底值以下所呈现的向下突出部分。

⑦脉冲周期和重复频率：

周期性脉冲相邻两脉冲之间的时间间隔称为脉冲周期，用T表示，脉冲周期的倒数称为重复频率，用f表示。

⑧脉冲的占空系数：

脉冲宽度与脉冲周期T的比值称为占空系数或空度比

输出阻抗----作为测试信号源希望所带负载范围宽，其阻抗应低。

四、虚拟信号发生器特性

1．能产生正弦波，余弦波，方波，锯齿波，三角波等常用信号，也能产生由公式设定的任意波形信号。

2．能存储波形，显示光标，并显示存储过程。

3．可设定波形的频率范围，幅度，相位，直流偏移量，占空比和相位。

【实验步骤】

1.编写设计方案

根据上面的实验要求以及本实验用到的数据采集控制器的特点，进行VI总体设计，确定功能模块结构图和详细的流程图。

保证所需的软件平台、板卡驱动程序及相应的DLL已经安装在PC机上。

2.设计虚拟信号发生器前面板

参照实际信号发生器的外部操作平台，结合虚拟仪器面板自身的特点及功能要求，在充分考虑操作界面的友好性及美观的基础上，首先设计出虚拟信号发生器前面板的大致布局，并在前面板中依次放入所需控件。

记住要给各控件取名，以便区分。

该步在前面板编辑窗口中进行。

3.设计框图程序

设计时要充分考虑如何实现本虚拟信号发生器的功能要求，并使程序简洁化，便于阅读与维护。

这一步有很多工作要做，包括编制直接与硬件关系的CLF节点、实现某些功能的SubVI、各功能模块等，最后按一定的逻辑关系，进一步合理组织各功能模块。

该步在框图程序编辑窗中进行。

注意：

对于较为复杂的程序，第（3）步和第

（2）步往往是交叉进行的。

4.调试程序

程序的调试应分为两个部分，一是在编辑各SubVI及某些功能模块时，就进行相应的调试；二是整个程序完成后，进行调试。

第二部分要做的工作包括：

保证程序没有语法错误，能够运行；确保程序能和硬件协同工作，对硬件进行各种控制；确保硬件输出的信号波形和用户设置的一致；保证程序能实现预先设计的全部功能。

5.进一步完善前面板并对程序属性进行设置。

进一步对仪器前面板进行布置和美化，同时要确保面板的易操作性。

6.生成应用程序，编写说明文档。

7.实验报告：

整理程序和相关的文档资料，提交实验报告。

实验结果：

前面板：

后面板：

运行结果：

正弦波：

三角波：

方波：

锯齿波：

实验二实验虚拟频谱分析仪的设计

学号：

044100116班级：

通信041姓名：

马吉炜

【实验目的】

掌握虚拟仪器整体设计方法，熟悉数据采集和IVI仪器驱动器，掌握信号分析常用算法，设计虚拟频谱分析仪。

【实验仪器和软件平台】

名称

数量

备注

PC机

一台

预装Windows2000和LabVIEW等

信号发生器

一台

用于产生信号

LabjackU12数据采集控制器

一套

用于连接信号发生器与PC机

USB接口线

一根

LabVIEW7.1

一套

装入PC机

【实验内容】

利用U12数据采集控制器、PC机和LabVIEW软件设计一台实验用虚拟频谱分析仪，能从外界采集数据并在PC机上显示，并能对波形进行频谱分析和存储。

熟悉DSO-2902综合虚拟仪器的使用，特别是双通道频谱分析仪的使用。

信号处理几乎涉及到所有的工程技术领域，而频谱分析正是信号处理中一个非常重要的分析手段。

一般的频谱分析都依靠传统频谱分析仪来完成，价格昂贵，体积庞大，不便于工程技术人员的携带。

虚拟频谱分析仪改变了原有频谱分析仪的整体设计思路，用软件代替了硬件。

使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析。

1．分析仪的一般分析功能

1.1时间域分析

　时间域（时域）分析是最直观也是第一步的分析。

从时域分析中既可做出一些原始判断，又可确定进一步分析的方向和目标。

1.2幅值域分析

　幅值域分析一般用直方图表示。

1.3频率域分析之一——频谱分析

　将时域信号变换成频域信号再分析称为频谱分析。

由于时域信号分为连续信号和离散信号，连续信号又可分为绝对可积、平方可积和均方可积；离散信号又可分为绝对可和、科方可和和均方可和，故对应的频谱也可分为多种。

1.4频率域分析之二——频响函数

　　频率响应函数FRF（FrequencyResponseFunction）是分析仪最常用的分析功能，它可作为原始数据提供给应用者作模态分析或在曲线拟合时使用。

2．分析仪的特殊分析功能

2.1倒频谱分析

　输入x（t）和输出y（t）的关系用公式y（t）=x（t）×h（t）表示。

系统自然也包括传递途径，此时x（t）为信号源（振源或声源），h（t）为路径特性，y（t）为传递后失真的信号，失真包括衰减、频散、反射和回波等。

　　倒频谱在力学、声学等各方面得到以下应用：

　　1）把信号源和路径分离，得到信号源原始波和路径特性（例如传递路径的长度），有多个传递路径时还能加以区分。

　　2）去除回波或回声。

带多次回波的原始信号可理解为原始信号与一系列δ函数卷积，当传递路径较近时，回波与原始波形叠加，混淆了原始波形的形状，利用倒频谱可去掉回波。

　　3）把复杂的频谱中各种信频分开。

例如某种机器有两个不同转速的轴产生了两个不同的基频和大量倍频。

设f1=30Hz,f2=31Hz,则谱图中将出现频率为30,31,60,62,90,93,...一大堆波峰，利用倒频谱就可将它们清晰地分离开来。

同理，倒频谱也可分离各种边带频率。

　　2.2希尔伯特变换

　　希尔伯特变换又简称希氏变换在信号的包络检测、系统的非线性分析、相关分析等方面都有重要的用途。

希氏变换将信号从时域变到时域，或从频域变到频域,以时域变换为例，公式为：

　　时域单边信号，傅立叶谱的实部和虚部互为希氏变换。

渐近稳定的LTI（线性非时变）系统，其单位脉响函数h（t）为绝对可积的单边函数，其傅立叶变换即频响函数的实部和虚部Rr[H（f）]和Im[H（f）]互为频域希氏变换。

利用这个特性可以判断系统是否存在非线性。

求出频响函数后，对其实部（或虚部）作希氏变换再与实测的虚部（或实部）做重叠比较，如两者有差异，则为非线性,差异越大，非线性越严重。

3．分析仪的辅助功能

　　3.1加窗

　　时域加窗可减少泄漏，频域加窗可去除波形中毛刺（平滑），常用一些时域窗有矩形窗，海宁窗、海明窗、平顶窗指数窗等,注意每种窗都是既有优点、又有缺点。

　　矩形窗：

它的功能仅为以采样时间为窗长度截断原始信号，它的泄漏较大，仅用于无泄漏场合。

　　海明窗：

用于减少泄漏,缺点在于频域主瓣比矩形窗主瓣宽,确定峰值频率时误差较大。

加海窗会降低峰值高度。

　　平顶窗：

平顶窗主要用于提高分析仪的幅值读数精度。

输入一个峰值已知的正弦波，用平顶窗在频域读数，就可发现它的读数最接近于真正峰值。

3.2平均

　　平均的目的在于：

　　1）随机噪声污染的确定性信号,通过平均提高倍噪比。

　　2）对纯随机信号,通过平均提高置信度。

4．虚拟FFT频谱分析仪

　虚拟FFT频谱分析仪集在线分析和离线分析于一体，主要用于平稳信号的分析，分析功能包括时域波形分析、幅值域分析、频域分析、细化分析、解调分析、数字滤波及自相关分析等。

【实验步骤】

1.编写设计方案

2.设计虚拟频谱分析仪前面板

3.设计框图程序

4.调试程序

5.进一步完善前面板并对程序属性进行设置。

6.生成应用程序，编写说明文档。

7.实验报告：

实验结果：

前面板：

后面板：

运行结果：

实验三数字存储示波器的设计

学号：

044100116班级：

通信041姓名：

马吉炜

【实验目的】

掌握虚拟仪器整体设计方法，熟悉数据采集和IVI仪器驱动器，掌握仪器控制，设计大型基于虚拟仪器软硬件系统的数字存储示波器。

【实验仪器和软件平台】

名称

数量

备注

PC机

一台

预装Windows2000和LabVIEW等

信号发生器

一台

用于产生信号

LabjackU12数据采集控制器

一套

用于连接信号发生器与PC机

USB接口线

一根

LabVIEW7.1

一套

装入PC机

示波器

一台

用于观测信号发生器实际输出波形

【实验内容】

设计一大型基于虚拟仪器软硬件系统的数字存储示波器，能从外界采集数据并在PC机上显示，并能对波形进行频谱分析和存储。

熟悉DSO-2902综合虚拟仪器的使用。

示波器是显示、观察和测量电信号的典型装置。

它能观察电信号的动态过程和测量电信号的各种参数，例如交流电的周期、幅度、频率及相位等；在测试脉冲信号时，响应非常迅速，而且波形清晰可辨。

另外当非电信号转变为电信号时，示波器也可用来测量温度、压力、热等非电工程和物理量，用途非常广泛。

示波器的种类很多，按用途和特点可分为以下几种：

1．通用示波器

它是采用单束示波管的宽带示波器。

2．多踪示波器

它能同时显示两个以上的波形，并对其进行定性、定量地比较和观测，而且每个波形是由单独的电子束产生的。

3．取样示波器

它采用取样技术，把高频信号模拟成低频信号，再用通用示波器的原理显示其波形。

4．数字示波器

它不但具有通用示波器的功能，而且还具有对信号波形进行存储、提取和运算的功能。

数字示波器由衰减器、垂直放大器、模数转换器、触发器、通道存储器、微处理器、显示屏等部分组成。

衰减器能调整输入波形的刻度，设置输入耦合和示波器的输入衰减；垂直放大器提供输入波形的其他刻度调整，把波形送入模数转换器和触发器；模数转换器对输入波形进行采样，并把它转换成样本点；示波器把样本点保存在通道存储器中，以进一步的处理；微处理器从通道存储器得到样本点，并在显示屏上绘制样本点之前进行所选择的任何后处理。

5．虚拟式示波器

虚拟示波器是在数字示波器的理论基础上发展起来的，也是最早、最成功的虚拟仪器产品之一。

借助计算机平台的运算处理功能和Windows等操作系统的图形用户界面（GUI），虚拟示波器能够实现大量存储、方便输出、实时捕捉和智能化的显示交互、比较测量、自动测量，以及对数据进行不同的处理，包括FFT、时频分析等功能，且其采样频率由数据采集卡决定，范围一般为0—100MHz。

通过软件的扩展，可以满足各种通用和专用示波器的需求。

一、虚拟式示波器的系统原理

虚拟示波器必须符合数字示波器的规范和主要的功能指标，需要在以下几方面和传统示波器保持一致。

1．带宽

正弦输入信号衰减3dB所对应的频率范围称为示波器的带宽。

要使测量精度优于2%,所需示波器带宽可由检测信号中的最高频率乘以5确定。

2．采样

即要求A/D量化后的数据和真实信号高度一致。

可以从采样频率和频率分辨率两个方面予以保证。

3．存储及输出功能

保证示波器有记忆功能，虚拟示波器可在硬盘上存储波形数据来实现。

4．触发功能

触发功能决定何时和如何进行采样。

5．分析功能

由于仅在时域里观察波形往往发现不了或者不能准确发现信号中隐含的特征信息，需将原始信号进行一定的处理，从不同的侧面理解信息，发现问题。

数字示波器已经具有很强大的运算和分析处理能力，虚拟示波器则在继承的基础上，扩展了新的功能。

二、虚拟式示波器的功能特征及实现

虚拟示波器由计算机、数据采集卡和分析处理软件构成。

其功能结构如图所示。

其中：

参数测量模块完成包括电压参数、频率和周期等参数的测量功能，具体为：

上升时间（Risetime）、下降时间（Falltime）、频率（Frequency）、周期（Period）、正脉宽（＋width）、负脉宽（－width）、占空比（Dutycy）、延迟（Delay）、峰峰值（VP-P）、最小值（V-MIN）、最大值（V-MAX）、均方值（V-RMS）、幅度（V-AMP）、平均值（V-AVG）。

多波形显示与运算模块提供了A+B、A-B、A、B、-A、-B、XY以及A和B同时显示等显示模式。

1．存储和提取波形

虚拟示波器必须具备两种工作状态：

采样状态和回放状态。

当示波器处于采样状态时，数据来自A/D转换器，此时实时显示输入端的电压波形。

当示波器处于回放状态时，数据来自计算机内存，此状态可显示已采集的数据或读出原先保存的历史数据。

当示波器处于采样状态时，点击“开始”键示波器开始采集数据并实时显示采集的波形；点击“暂停”键可暂停显示；使用“保存”键可把已采集的数据存盘。

当示波器处于回放状态时，点击“开始”键打开文件进行回放显示；点击“暂停”键暂停。

2．数学运算

虚拟示波器可以进行波形的加、减、乘、除、微分、积分、对数、指数、代数表达式运算等，以便发现信号或信号间的关系。

而且，还可以将复杂信号经FFT变换后在频域中观察分析，这是传统示波器难以实现的。

3．丰富的显示

虚拟示波器不仅具有多种动态曲线显示方法、对信号缩小等功能，还具有直方图、XY显示功能。

4．测量和自动测量

虚拟记忆示波器的测量参数主要包括：

振幅----最大值，最小值，峰-峰值，均值，均方根值等。

时间----上升时间，下降时间，正脉宽，负脉宽，占空比，延迟，频率等。

直方图相关测量----波形数，中值，最大值，最小值，峰-峰值，平均值等。

【实验步骤】

1.编写设计方案

根据上面的实验要求以及实验用到的仪器特点，进行VI总体设计，确定功能模块结构图和详细的流程图。

保证所需的软件平台、板卡驱动程序及相应的DLL已经安装在PC机上。

2.设计虚拟示波器前面板

参照实际示波器的外部操作平台，结合虚拟仪器面板自身的特点及功能要求，在充分考虑操作界面的友好性及美观的基础上，首先设计出虚拟示波器前面板的大致布局，并在前面板中依次放入所需控件。

记住要给各控件取名，以便区分。

3.设计框图程序

设计时要充分考虑如何实现本虚拟示波器的功能要求，并使程序简洁化，便于阅读与维护。

注意：

对于较为复杂的程序，第（3）步和第

（2）步往往是交叉进行的。

4.调试程序

程序的调试应分为两个部分，一是在编辑各SubVI及某些功能模块时，就进行相应的调试；二是整个程序完成后，进行调试。

第二部分要做的工作包括：

保证程序没有语法错误，能够运行；确保程序能和硬件协同工作，对硬件进行各种控制；确保硬件输出的信号波形和用户设置的一致；保证程序能实现预先设计的全部功能。

5.进一步完善前面板并对程序属性进行设置。

进一步对仪器前面板进行布置和美化，同时要确保面板的易操作性。

6.生成应用程序，编写说明文档。

7.实验报告：

整理程序和相关的文档资料，提交实验报告。

实验结果：

前面板：

后面板：

运行结果：