虚拟仪器课程设计基于labview的任意波形发生器设计本科论文.docx
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虚拟仪器课程设计基于labview的任意波形发生器设计本科论文
沈阳航空航天大学
课程设计
（论文）
题目基于labVIEW的任意波形发生器设计
班级
学号
学生姓名
指导教师
沈阳航空航天大学
课程设计任务书
课程名称虚拟仪器课程设计
院（系）自动化学院专业测控技术与仪器
班级3学号姓名
课程设计题目基于LabVIEW的任意波形发生器设计
课程设计时间:
2016年7月4日至2016年7月15日
课程设计的内容及要求：
1.内容
任意波形发生器是仿真实验的最佳仪器，任意波形发生器是信号源的一种，它具有信号源所有的特点。
基于此，利用LabVIEW设计一个任意波形发生器。
2.要求
（1）可以产生三种以上波形（如正弦、锯齿、方波、三角波等），波形的幅值及频率可以调节；
（2）可以实现不同波形的转换并显示；
（3）可以实现波形数据的存储及回放；
（4）虚拟仪器前面板的设计美观大方、操作方便。
指导教师年月日
负责教师年月日
学生签字年月日
目录
0.前言1
1.总体方案设计1
2.程序流程图2
3.程序框图设计3
3.1波形的产生及参数的设计3
3.1.1正弦波3
3.1.2方波4
3.1.3锯齿波4
3.1.4三角波5
3.1.5公式波形6
3.2波行转换设计6
3.3噪声波形实现7
3.4波形的存储与回放8
4.前面板的设计9
5.调试过程与结果显示10
5.1波形的调试10
5.1.1正弦波的工作过程及波形验证10
5.1.2方波的工作过程及波形验证11
5.1.3三角波的工作过程及波形验证12
5.1.4锯齿波的工作过程及波形验证12
5.1.5公式波形的工作过程及波形验证13
5.2波形的存储与回放14
5.3噪声波形的显示15
t6结论15
参考文献16
附录17
课设体会18
基于LabVIEW的任意波形发生器设计
余洪伟沈阳航空航天大学自动化学院
摘要：
随着电子技术、计算技术和网络技术的高速发展，传统的电子测量仪器的功能和作用已发生了质的变化，新型的虚拟仪器应运而生。
其实质是利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。
计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。
实验表明，设计的虚拟函数信号发生器输出信号性能优于普通传统的信号源。
虚拟仪器是1986年美国国家仪器公司（NI）提供的一种新型一起概念。
其基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。
在这里，硬件仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。
当基本硬件确定后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。
虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能。
使传统仪器的某些硬件甚至整个仪器都被计算机软件所代替。
虚拟仪器的软件是其最核心、最关键的部分，其主要功能是对硬件执行通信和控制，对信号进行分析和处理，以及对结果进行恰当的表达和输出等。
虚拟仪器的软件开发平台目前主要有两类。
NI公司的Labview软件开发平台是一种专业图形化编程软件，采用图形化编程方式，结构流程清晰，但缺点是对硬件的要求较高，比较依赖NI的专用产品，对信号控制方式不够灵活。
本文所述主要是任意波形发生器的设计原理及功能。
是基于Labview2014软件的设计。
能够产生正弦波、方波、锯齿波、三角波、公式输入任意波形等几种波形，并实现波形的转换和波形幅值和频率的调节；同时可以实现波形的存储与回放。
在此基础上还给每个波形添加了4种噪声。
根据现实中常用信号源的基本要求，本文设计合理的数学模型，实现了任意波形的发生。
关键词虚拟仪器任意波形发生器
0.前言
虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）是利用PC计算机显示器（CRT）的显示功能模拟传统仪器的控制面板以多种形式表达输出检测结果；利用PC计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理；由I／O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机系统。
虚拟仪器可通过Labview设计平台实现，并可在脱离Labview开发环境下运行，用户最终看见的是与实际硬件仪器相似的虚拟仪器面板。
信号分析与处理要求所得信号的特征值，如峰值、有效值、均值、方差、频谱、相关函数、概率密度函数等。
若用硬件电路来实现，其电路既复杂又昂贵，甚至不易实现，然而用软件编程的方式是很容易实现的。
这也是虚拟仪器比传统仪器具有优势的所在。
本文以虚拟仪器技术为开发平台，采用条件结构实现不同波形之间的切换。
测量电路和编写程序尽量做到了简单简洁，减小了错误。
1.总体方案设计
本文主要利用case结构添加多个条件分支，在每个分支中添加相应的波形生成控件，并用特定的数据类型表示不同的波形。
在case结构中的条件选择端口加一个【文本下拉列表】，输入各个可以产生的波形（下拉列表的编辑项必须与条件分支中的标签一一对应），来实现不同波形之间的转换，在达到基本要求的基础上添加了公式输入产生任意波形的分支。
通过添加【转盘】、【旋钮】和【量表】控件来实现频率、幅值偏移量、初始相位以及方波占空比的调节与显示。
在波形的显示功能中，通过case结构添加了噪声波形显示，为了前面板的设计方便美观大方，采用选项卡结构来调节四种噪声波形的参数。
并创建了引用节点的可见功能来实现噪声参数是否在前面板显示（当值为真时显示，值为假时隐藏）。
分别利用【写入电子表格文件】控件和【读取电子表格文件】控件来实现波形存储与回放功能，直接使用【从动态数据转换】控件将波形数据转换成数据来保存在文件中。
并采用选择路径来回放保存的波形。
在前面板中波形的显示与回放采用选项卡来实现显示与回放的转换，设计美观方便！
2、程序流程图
公式输入
波形的存储与回放
图2.1程序流程图
3.程序框图设计
程序框图部分所实现的主要功能是波形的产生及参数的设计、波形的转换、噪声波形的实现、波形的存储以及波形的回放。
3.1波形的产生及参数的设计
采用了case条件结构，改变【选择器标签】中的数据类型，并添加所需要的条件分支。
每一个分支就对应一个波形。
并根据这个波形的特点，选择不同的参数。
【分支选择器】的数据类型必须与【选择器标签】中的数据类型一致。
为了使我们所得到的波形的参数更加准确，可以再添加一个显示控件；这样，调节参数的同时，也可以观测它的值，看是否达到要求。
3.1.1正弦波
采用【正弦波形生成】控件，它一共有四个参数：
频率、幅值、相位、直流偏移量。
只要把四个参数都设置为变量，就能实现各个参数的调节，进而产生能满足不同要求的波形。
正弦波的设计原理图如下所示：
图3.1.1正弦信号程序框图
3.1.2方波
选择【方波波形生成】控件，它一共有五个参数：
频率、幅值、相位、直流偏移量、占空比。
其中，占空比尤其重要，不仅要能调节，而且要准确的显示它的数值。
同样，把其它四个参数都设置为变量，就能实现各个参数的调节，进而能满足需要。
方波的设计原理图如下所示：
图3.1.2方波信号程序框图
3.1.3锯齿波
选择【锯齿波形生成控件，一共有四个参数：
频率、幅值、相位、直流偏移量。
把四个参数都设置为变量，就能实现各个参数的调节。
锯齿波的设计原理图如下所示：
图3.1.3锯齿波信号程序框图
3.1.4三角波
选择【三角波波形形生成】控件，它一共有四个参数：
频率、幅值、相位、直流偏移量。
同时，把四个参数都设置为变量，就能实现各个参数的调节。
三角波的设计原理图如下所示：
图3.1.4三角波信号程序框图
3.1.5公式输入波形
选择【公式波形生成】控件，创建公式输入控件，用于输入任意波形。
它还有其它四个参数：
频率、幅值、相位、直流偏移量。
同时，把四个参数都设置为变量，就能实现各个参数的调节。
公式波形的设计原理图如下所示：
图3.1.5公式波形程序框图
3.2波形转换设计
利用了case条件结构，改变【选择器标签】中的数据类型，并添加所需要的条件分支。
每一个分支就对应一个波形。
并根据这个波形的特点，选择不同的参数。
在选择器标签的编辑项中插入正弦波、方波、锯齿波、三角波以及公式输入，如图3-2所示。
【分支选择器】的数据类型必须与【选择器标签】中的数据类型一致。
通过选择前面板的波形类型实现波形的转换。
图3.2波形选择编辑项
3.3噪声波形实现
采用case结构分别添加了Gamma噪声、二项分布的噪声、Bernoulli噪声、泊松分布的噪声的分支，各分支输出的波形与波形产生模块生成的波形叠加，并创建每个噪声控件的参数控制，选用选项卡控件来整合各个输入控件，达到界面的美观整洁。
噪声种类的选择和前文中波形的选择所用的原理与方法完全一样。
此模块还创建了visible可见属性节点，当所给的值为真时，也就是选择添加噪声时，噪声参数选项卡和选择波形的类型控件在前面板显示。
当所给的值为假，即不添加噪声时，噪声参数选项卡和选择波形的类型控件隐藏。
此功能使前面板设计简单灵活。
噪声波形模块程序框图如图3.3所示。
图3.3噪声波形程序框图
3.4波形的存储与回放
采用case结构，在【真】分支中添加【从动态数据转换】控件把动态波形转换为二位标量数组，如图3.4.1所示。
并添加【写入电子表格文件】将二位数据写入到创建的文件路径中，采用字符串连接，并结合【获取日期】控件来命名文件路径。
图3.4.1从动态数据转换控件数据类型转换
存储模块图如下所示：
图3.4.2存储功能模块
同样采用case结构，在【真】分支中添加【读取电子表格文件】控件，并创建文件路径，在回放之前需要选择路径。
并连接波形显示用于回放显示。
回放功能模块如下图所示：
图3.4.3回放功能模块
4.前面板的设计
无论什么仪器设备，我们首先看到的就是它的前面板，通过前面板可以直观的看出仪器的功能及其特点。
所以前面板的设计相当重要。
我们应当秉持着美观、直接、特色、规范的原则设计前面板。
就如人的脸面一样，第一印象特别重要。
本程序的前面板主要利用选项卡控件、下凹盒、上凸盒以及噪声波形模块的属性节点的visible功能来实现。
前面板总设计图如4.1所示。
图4.1前面板的设计图
5调试过程与结果显示
5.1波形的调试
5.1.1正弦波的工作过程及波形验证
点击前面板的【连续运行】，选择正弦波类型。
此时【开关】为“开”的状态，否则没有任何波形的输出。
程序正常运行后，转动“频率”、“幅值”等参数的旋钮，此时会发现显示的波形也随着改变。
例如：
旋转“频率”值为7.42199Hz，“幅值”为3.17044，“偏移量”为0，“初始相位”为4.12041。
验证波形图如下所示：
图5.1.1正弦波的工作过程及验证
5.1.2方波的工作过程及波形验证
点击前面板的【连续运行】，选择方波类型。
此时【开关】为“开”的状态，否则没有任何波形的输出。
程序正常运行后，转动“频率”、“幅值”等参数的旋钮，此时会发现显示的波形也随着改变。
例如：
旋转“频率”值为34.18109Hz，“幅值”为3.25979，“偏移量”为0，“初始相位”为0，“占空比”为60.3754。
验证波形图如下所示：
图5.1.2方波的工作过程及验证
5.1.3三角波的工作过程及波形验证
点击前面板的【连续运行】，选择三角波类型。
此时【开关】为“开”的状态，否则没有任何波形的输出。
程序正常运行后，转动“频率”、“幅值”等参数的旋钮，此时会发现显示的波形也随着改变。
例如：
旋转“频率”值为4。
18109Hz，“幅值”为3.25979，“偏移量”为0，“初始相位”为0。
验证波形图如下所示：
图5.1.3三角波的工作过程及验证
5.1.4锯齿波的工作过程及波形验证
点击前面板【连续运行】，选择锯齿波类型，此时【开关】为“开”的状态，否则没有任何波形的输出。
程序正常运行后，转动“频率”、“幅值”等参数的旋钮，此时会发现显示的波形也随着改变。
例如：
旋转“频率”值为7.4849Hz，“幅值”为2.15748，“偏移量”为0，“初始相位”为0。
验证波形图如下所示：
图5.1.4锯齿波的工作过程及验证
5.1.5公式波形的工作过程及波形验证
点击前面板【连续运行】，选择公式输入波类型，并在输入控件中输入任意波形的公式，此时【开关】为“开”的状态，否则没有任何波形的输出。
程序正常运行后，转动“频率”、“幅值”等参数的旋钮，此时会发现显示的波形也随着改变。
例如：
旋转“频率”值为0.263314Hz，“幅值”为a，“偏移量”为0，“初始相位”为0。
公式为：
a*sin（w*t）*sin（2*pi
（1）*t）
验证波形图如下所示：
图5.1.5公式输入的工作过程及验证
5.2波形的存储与回放
在前面板点击存储按钮，同时指示灯点亮。
波形数据存储得到计算机的D盘的路径下，回放时先选择存储时产生的文本文件。
然后点击回放按钮就把存储的波形显示出来了。
存储和回放波形图分别如图5-2-1和图5-2-2所示。
5.2.1存储波形图
5.2.2回放波形图
5.3噪声波形的显示
在程序运行时选择确定添加噪声，即可弹出噪声种类的选择控件以及噪声参数调节的选项卡，通过选择不同的噪声会出现不同的噪声波形。
波形如图5-3所示。
5.3噪声波形的显示
6.结论
上面介绍了基于labVIEW的任意波形发生器设计结构，在科研领域，波形信号的产生有很多种方式，就本设计来讲，有以下优缺点。
优点：
利用LabVIEW软件可以把繁杂的操作过程转化为简单程序处理。
可以实现不同波形之间相互转换，并且可以手动调节波形的各个参数，经过调试显示精度高，测量准确。
在公式输入产生波形的方式下，可以很方便的产生想要的波形。
缺点：
在回放的功能中需要先选择路径再回放。
参考文献
[1]吴成东，孙秋夜．Labview虚拟仪器程序设计及应用[M].北京．人民邮电出版社，2008
[2]刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京.电子工业出版社,2003
[3]邓岩，王磊磊．测试技术与仪器应用[M].北京．机械工业出版社，2004
[4]杨乐平，李海涛，杨磊．LabVIEW课程设计与应用[M].北京．电子工业出版社，2005
[5]雷勇．虚拟仪器设计与实践[M].北京．电子工业出版社，2005
附录1前面板显示图
附录2程序框图
课设体会
在指导老师的指导和帮助下，按照课设任务的要求，我用两周时间顺利完成了LABVIEW课设，收获颇多。
当然过程中遇到困难时不可避免的，要想做成一个让人满意的作品必须对程序框图中的程序反复测试和修改。
在老师的帮助下，最后终于把问题都解决了。
有时侯我们也会遇到自己确实不能解决的问题，老师还是会提出解决问题的建议，或是指点应该改进的方向。
课程设计是对所学知识的综合理解与应用，它不仅要求我们对Labview软件特别熟悉，而且还要求我们能够熟练运用各个【编程】中的各种函数结构。
通过设计函数信号发生器，让我懂得发现问题，分析问题，并解决问题可以提高自己的能力。
同时通过分析解决问题，加深对所学知识的理解与掌握。
通过这次课程设计我学到了很多书本上永远都学不到得东西，
在课设期间我每天都去实验室认真思考更好的办法，将自己的想法通过程序框图，并在前面板上面显示出来。
很多时候我坚持认为自己的想法没有问题，但就是怎么也不能达到预期的结果。
甚至我还怀疑是不是机器出了什么问题。
当经过很多次的修改、重新运行，终于成功的那一刻，内心的成就感和自豪感是那么的强烈。
经过这次课程设计，虚拟仪器的强大作用和它巨大的发展潜力让我很振奋。
原来人类的技术进步得那么快，为了让损失最小，通过这种特殊的软件来创造出更好的作品。
对该信号发生器所产生的信号进行测试，结果表明该信号源输出正弦信号性能优于普通传统信号源产生的信号。
虚拟仪器不是计算机功能简单的扩展，也不单纯是传统智能仪器的替代品，虚拟仪器有着广阔的发展前景。
同时这次课设的主要目的就是让我们通过不断的练习，并利用它来解决实际的问题。
实践是检验真理的最佳途径。
通过两周的课设和学习，我知道了自己的不足。
本次的课程设计虽然结束了，但是努力学习并没有结束。
我也收获了很多，也学会了团队精神的重要性，个人的能力是有限的，团结才能有力量，我们都尽自己所能来完成这次课程设计。
这是对我们所学的课本知识的测验，也是对是否能快速吸收新的知识的一种考验。
通过这次课设，我的知识面又得到了扩展。
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