基于虚拟仪器的信号发生器设计.docx

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基于虚拟仪器的信号发生器设计

南京信息工程大学

遥控遥测技术

题目：

基于虚拟仪器的信号发生器设计

姓名：

学号：

专业：

电子信息工程

院系：

电子与信息工程学院

摘要

传统的信号发生器其功能完全靠硬件实现，功能单一而且用户的购置、维护费用高。

更重要的是，对于传统的信号发生器，其功能一旦确定便不能更改，用户要想使用新的功能则必须重新购买新的仪器，传统信号发生器的不足是显而易见的。

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，形成的一种新的仪器模式。

本课题完成了“虚拟信号发生器”的理论研究，在很大程度上解决了传统信号发生器的诸多弊端。

本文主要研究虚拟仪器在信号发生器领域里的软件编程。

本虚拟仪器可完成输出多种信号波形的同时产生与输出，信号输出频率、幅度等参数实时可调。

本文研究的虚拟信号发生器主要具有如下优点：

用户可自由定义其功能；系统功能升级扩充方便快捷、可与电脑等设备方便的互联。

关键词:

虚拟仪器,信号发生器,虚拟信号发生器,LabVIEW

绪论

在有关电参量的测量中，我们需要用到信号源，而信号发生器则为我们提供了在测量中所需的信号源，它可以产生不同频率的正弦信号、方波、三角波、锯齿波、正负脉冲信号、调幅信号、调频信号和随机信号等，其输出信号的幅值也可以按需要进行调节。

传统信号发生器种类繁多，价格昂贵，而且仪器功能固定单一，不具备用户对仪器进行定义及编程的功能，一个传统实验室很难同时拥有多类信号发生器，然而，基于虚拟仪器技术的信号发生器则能够实现这一要求。

随着计算机技术的迅猛发展，虚拟仪器技术在数据采集、自动测试和仪器控制领域得到了广泛的应用，促进和推动测试系统和仪器控制的设计方法与实现技术发生了深刻的变化。

“软件即是仪器”已成为测试与测量技术发展的重要标志。

虚拟信号发生器就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的LabVIEW软件来完成各种测试、测量和自动化应用。

本课题介绍了基于LabVIEW的虚拟信号发生器的研究背景和发展动态,了解虚拟仪器的特点、现状和实现方法，探索虚拟仪器的发展方向，在LABVIEW平台中设计了多功能信号发生器，该发生器可以产生方波，三角波，锯齿波和正弦波。

信号的频率、幅值可调，同时可以实现任意两种信号的叠加。

在设计基本信号发生器之余，还添加了卷积和相关控件，用于实现两个信号的卷积。

其中卷积和相关控件可以实现信号的卷积、反卷积、自相关、互相关。

信号发生器

信号发生器（signalgenerator）又称信号源或振荡器，是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号，常用作测试的信号源或激励源的设备。

在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

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，因此发展速度快。

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。

信号发生器的分类

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。

函数发生器

函数发生器又称波形发生器。

它能产生某些特定的周期性时间函数波形（主要是正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号。

频率范围可从几毫赫甚至几微赫的超低频直到几十兆赫。

除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。

脉冲信号发生器

用于产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。

脉冲发生器主要由主控振荡器、延时级、脉冲形成级、输出级和衰减器等组成。

主控振荡器通常为多谐振荡器之类的电路，除能自激振荡外，主要按触发方式工作。

通常在外加触发信号之后首先输出一个前置触发脉冲，以便提前触发示波器等观测仪器，然后再经过一段可调节的延迟时间才输出主信号脉冲，其宽度可以调节。

有的能输出成对的主脉冲，有的能分两路分别输出不同延迟的主脉冲。

随机信号发生器

随机信号发生器分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。

噪声信号发生器：

完全随机性信号是在工作频带内具有均匀频谱的白噪声。

常用的白噪声发生器主要有：

工作于1000兆赫以下同轴线系统的饱和二极管式白噪声发生器；用于微波波导系统的气体放电管式白噪声发生器；利用晶体二极管反向电流中噪声的固态噪声源（可工作在18吉赫以下整个频段内）等。

噪声发生器输出的强度必须已知，通常用其输出噪声功率超过电阻热噪声的分贝数（称为超噪比）或用其噪声温度来表示。

噪声信号发生器主要用途是：

①在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统的性能；②外加一个已知噪声信号与系统内部噪声相比较以测定噪声系数；③用随机信号代替正弦或脉冲信信号，以测试系统的动态特性。

例如，用白噪声作为输入信号而测出网络的输出信号与输入信号的互相关函数，便可得到这一网络的冲激响应函数。

伪随机信号发生器：

用白噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，则会出现统计性误差，这可用伪随机信号来解决。

当二进制编码信号的脉冲宽度墹T足够小，且一个码周期所含墹T数N很大时，则在低于fb=1/墹T的频带内信号频谱的幅度均匀，称为伪随机信号。

只要所取的测量时间等于这种编码信号周期的整数倍，便不会引入统计性误差。

二进码信号还能提供相关测量中所需的时间延迟。

伪随机编码信号发生器由带有反馈环路的n级移位寄存器组成，所产生的码长为N＝2-1。

Labview基于图形化语言作简要介绍

程序前面板

程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。

控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。

框图程序

每一个程序前面板都对应着一段框图程序。

框图程序用Labview图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。

框图程序由端口、节点、图框和连线构成。

其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。

图标/连接器

图标/连接器是子VI被其它VI调用的接口。

图标是子VI在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入/输出口，就象函数的参数。

用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。

连接器一般情况下隐含不显示，除非用户选择打开观察它

Labview中的框图程序

框图程序是由节点、端子、图框和连线四种元素构成的。

节点类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。

Labview有二种节点类型----函数节点和子VI节点。

两者的区别在于：

函数节点是Labview以编译好了的机器代码供用户使用的，而子VI节点是以图形语言形式提供给用户的。

用户可以访问和修改任一子VI节点的代码，但无法对函数节点进行修改。

图框是Labview实现程序结构控制命令的图形表示。

如循环控制、条件分支控制和顺序控制等，编程人员可以使用它们控制VI程序的执行方式。

代码接口节点（CIN）是框图程序与用户提供的C语言文本程序的接口。

连线是端口间的数据通道。

它们类似于普通程序中的变量。

数据是单向流动的，从源端口向一个或多个目的端口流动。

不同的线型代表不同的数据类型。

在彩显上，每种数据类型还以不同的颜色予以强调。

当需要连接两个端子时，在第一个端子上点击连线工具（从工具模板栏调用），然后移动到另一个端子，再点击第二个端子。

端子的先后次序不影响数据流动的方向。

当把连线工具放在端子上时，该端子区域将会闪烁，表示连线将会接通该端子。

虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯,并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控键.虚拟信号发生器可产生正弦波、方波和三角波等信号,根据需要,可调节其中面板上的控键,改变信号的频率、幅度与相位,并可以进行数据存储,所有信号发生的结果都可以通过软件设计的虚拟面板显示。

信号发生器的设计

下面将创建一个VI，该VI产生一个信号并在图形中显示出来。

启动labview时将出现下面的窗口如图1所示。

在这个窗口中可创建新VI、选择最近打开的LabVIEW文件、查找范例以及打开LabVIEW帮助。

图1虚拟仪器的启动界面

LabVIEW提供内置VI模板，包括用于创建常规测量应用程序所需的子VI、函数、结构和前面板对象。

按照下列步骤，创建一个生成信号并在前面板中显示该信号的VI。

1、启动LabVIEW。

2、在启动窗口中单击新建下面的VI链接，显示新建对话框。

正弦波发生器的设计

1、前面板的设计

（1）五个输入型数字控件。

五个输入型数子控件提供使用者键入生成正弦波的频率、初始相位、幅值、总采样点数N与采样频率。

五次连续执行右键》数值输入控件》数值输入控件，得到五个输入型数子控件，分别标记为“信号频率”、“采样频率”、“采样点数”、“信号幅值”和“初始相位”。

（2）一个输出显示型图形控件。

输出显示型图形控件用来显示所产生的正弦波波形。

执行右键>>图形显示控件>>波形图操作，调入图形控件。

其横轴为时间轴。

应考虑到生成信号频率跨度大，在0.1Hz～10KHz范围内，其周期跨度也大，在10s～0.1ms范围内；行成信号幅值的范围应充满整个显示画面，故选用“波形图”显示器。

（3）两个开关控件。

执行右键>>按钮与开关>>垂直滑动杆开关操作，调入开关按钮控件，标记为“复位相位”。

执行右键>>按钮与开关>>停止操作，调入开关按钮控件。

前面板设计完成，如下图：

2、程序框图的设计

（1）在程序框图中执行右键>>执行过程控制>>While循环操作，调入While

在这一部分，系统完成了对信号的生成和预览，但是要将信号送出去就必须将信号发送的循环结构。

（2）执行右键>>算数与比较》数值四次，可以分别放置一个除法器，一个倒数器及两个常数0和10。

（3）在程序框图中执行右键>>信号处理>>信号生成>>正弦信号生成.vi操作,可调入正弦信号生成图标。

（4）在程序框图中执行右键>>编程>>簇、类、变体操作，调入捆绑图标。

（5）在程序框图流程图中执行右键>>执行过程控制>>时间延迟操作，调入时钟图标。

（6）在程序框图中执行右键>>算术与比较>>布尔操作，调入非图标。

注：

所需的数字频率由除法器的输出提供，该除法器完成信号频率与采样频率之比的运算，同时将采样频率取倒数转换为采样间隔，给出正弦波形的采样间隔，便于显示。

如下图：

正弦信号发生器程序框图

3、正弦波运行结果

单击运行快捷按钮，检验设计的功能是否已完全实现。

设置频率信号：

10Hz采样频率：

100Hz采样点数：

100信号幅值：

5V初始相位：

0°其值都是可选的。

运行结果如下图：

正弦信号发生器前面板

功能描述

该虚拟正弦信号发生器可产生正弦信号。

指标为:

频率范围:

1Hz～10000Hz,可选;

初始相位:

0°～180°,可选;

幅值:

1V～510V,可选;

生成波形的总点数:

N=8～512,可选。

虚拟方波发生器的设计

虚拟方波发生器的设计和正弦波发生器的设计大体相同。

设计出来的前面板和程序框图分别如下图所示：

1、前面板：

取信号频率0.8Hz，采样频率10Hz，采样点数200，信号幅值5V，初始相位0°

方波信号发生器前面板

结束语：

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。

世界各国的工程师和科学家们都已将NILabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。

使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。

虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。

通过本次课程我学会了LabVIEW的一些基本使用方法，了解了信号发生器的基本原理，加深了对LabVIEW的理解，以及它在虚拟仪器方面应用的重要性。