基于LabVIEW的虚拟函数信号发生器的研究b解读.docx

1、基于LabVIEW的虚拟函数信号发生器的研究b解读计 算 机 与 现 代 化 2008年第 5期J I S UANJ I Y U X I A NDA I HUA总第 153期文章编号 :100622475(2008 0520107204收稿日期 :2008201229作者简介 :丁硕 (19792 , 男 , 天津人 , 渤海大学信息科学与工程学院助教 , 硕士 , 研究方向 :电子技术与计算机应用 。基于 Lab V I E W 的虚拟函数信号发生器的研究丁 硕(渤海大学信息科学与工程学院 , 辽宁 锦州 121000摘要 :简要地介绍 Lab V I E W 的结构和特点 , 并详细地介绍

2、一种基于 Lab V I E W 环境下自行开发的虚拟函数信号发生器 。 该仪器不但界面友好 , 而且功能强大 、 操作简便 。 经过仿真实验表明 , 它能够产生实验室常用的正弦波 、 三角波 、 方波 、 锯 齿波信号 , 而且还可以产生白噪声及多频波 , 并能通过输入公式 , 产生测试领域的非周期特殊信号 。输出波形频率范围 宽 , 具有相关参数可调 、 同步显示和幅度频谱分析功能 。 可以完成不同环境下的测量要求 。 关键词 :虚拟仪器 ; Lab V I E W; 函数发生器 中图分类号 :TP311. 52 文献标识码 :AResearch on V i rtua l Functi

3、on S i gna l I E WING (and Bohai University, J inzhou 121000, China Abstract:the structure and characteristics of Lab V I E W , and p r ovides a detailed descri p ti on of the design of a kind on signal generat or based on Lab V I E W. This instru ment has a friendly interface, powerful functi on an

4、d easy operati on . The results of si m ulated experi m ents indicate that this virtual functi on signal generat or can generate sine wave, tri 2angle wave, square wave, sa w -t ooth wave as well as white noise signal and multit one wave . Besides, it can p r oduce non -peri 2odical s pecial signals

5、 f or test after for mula input . It p r ovides a wider range of frequency of wavefor m out put, a functi on of in -phase dis p lay of a mp litude frequency s pectru m, and the para meters are adjustable . Thus it can possibly meet the vari ous measur 2ing require ments in different situati ons .Key

6、 words:virtual instru ment; LabV I E W ; functi on signal generat or0 引 言函数信号源是使用最广的通用信号源 , 传统台式 测量仪器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封 闭结构 , 它有固定的输入 、 输出接口和仪器操作面板 , 每种仪器实现一类特定的测量功能 , 并以确定的方式提供给用户 , 与传统仪器不同 , 虚拟仪器 (V irtual I n 2stru ments, V I 则是由用户定义功能 , 它是一种由计算机操纵的模块化仪器系统 。虚拟仪器是应用于通用 计算机上的一种软件与硬件的组合 , 以通用计算机和配备标

7、准数字接口的 测量仪 器 (GP I B , RS -232, VX I 等 为基础 , 直接利用计算机丰富的硬件 (微处理器 , 存储器 , 显示器等 和软件 (软面板 , 图形界面 ,数据处理 , 信息交换等 资源 , 将计算机和测量组件 等硬件资源与计算机软件资源有机地结合起来 , 用显 示及文件管理等智能化功能 , 把传统仪器的专业化功 能软件化 , 使之与计算机融为一体 , 构成一台从外观 到功能都完全与传统硬件仪器相同 , 同时又充分享用 计算机智能资源的全新的仪器系统 。 Lab V I E W (La 2borat ory V irtual I nstrument Engine

8、ering Workbench 是美国国家仪器公司 (N I 的创新产品 , 是目前国际上 进行虚拟仪器开发的一个最佳平台 , 是新一代测试系 统的核心 。 Lab V I E W 是一种功能齐全的图形化编程 语言 , Lab V I E W 以其获得专利的数据流编程模式为 您摆脱基于文本编程语言的顺序架构的桎梏 , 所以又 称以 Lab V I E W 为代表的图形化程序语言为“ G ”语 108 计 算 机 与 现 代 化 2008年第 5期言 。 Lab V I E W 与其他计算机语言的显著区别是 :其 他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码 , Lab V I E W 使用的是图

9、形化编辑语言 (“ G ” 语言 编写 程序 , 产生的程序是框图的形式 。 与文本的顺序行所 不同 , 结点间的数据流确定了 Lab V I E W 的执行次序 。 用户可以轻松地创建可并行执行多种操作的程序框 图 。 此外 , Lab V I E W 并行执行的本质令多任务和多 线程的执行得以简化 。使用 Lab V I E W 的调试工具 , 用户可监控数据在程序中的移动并精确掌握数据通 过线缆在函数间移动的情况 。这种方式与基于文本 的语言不同 , 基于文本的语言要求用户监控每个函数 用以跟踪程序的执行状况 , 而 LabV I E W 拥有所有的 通用编程环境 , 如数据结构 、 循

10、环结构和事件处理 。 Lab V I E W 有一个内置编译器 , 可在编辑时间编译所 有代码 。 选择 LabV I E W决定性因素是其开发速度 。通常 , I E 4倍 。 ,函数库 , 、 GP I B 和 数据分析 、 显示 、 , 为用户节省了宝贵的开发时 间 。 同时 Lab V I E W 还支持非常强大的网络处理功 能 , 方便进行远程仪器开发 。 这样就可以通过网络来 远程完成仪器开发和数据采集 。 Lab V I E W 还提供与 其他编程语言的接口来完成更复杂的数值分析任务 。 信号发生器主要用来产生幅度不同 , 频率各异的各种 激励信号 , 是电工电子实验室 、 自动

11、控制系统和科学 研究领域经常用的一种测量仪器 。普通台式信号发 生器价格昂贵 , 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 。所以采用虚拟仪器 技术设计函数信号发生器 , 可以降低成本 , 缩短开发 周期 , 并且能够和其它虚拟仪器构成一个完整的实验 系统 , 也可以增加一些数字信号处理功能 , 极大地方 便用户 。 所以 , 虚拟函数信号发生器的设计在电子测 量领域中将会发挥极大的作用 。1 虚拟函数信号发生器的总体设计指标 本虚拟函数信号发生器的设计 , 基于 LabV I E W 这个软件开发平台 。虚拟函数发生器的设计参考了 常见信号发生器的功能 , 并结合虚拟

12、仪器基于计算机 的特点 , 在功能上有所扩展 。 仪器主要功能和指标如 下 :(1 可产生 10Hz 100MHz 的正弦波 、 方波 、 三角波 、 锯 齿波 、 白噪声以及多频波 ;(2 任意波形的发生 , 任意波可实现公式输入 ;(3 信号频率 、 幅度 、 相位 、 偏移量可调可控 ;(4 方波占空比可调 ;(5 噪声任意可加 、 创建友好界面 、 信号波形显示 ;(6 输出频谱特性 ;(7 所有调制都可微调与粗调 。图 1 虚拟函数信号发生器的前面板2 虚拟函数信号发生器的前面板设计 软件设计是虚拟函数信号发生器设计的核心 。 Lab V I E W 程序由两部分组成 :前面板程序和

13、框图程 序 。 整个程序基于多线程设计 , 即前面板和系统程序 各占用一个线程 。虚拟函数信号发生器的前面板如 图 1所示 。前面板是用户接口 , 即交互式界面 , 用于 用户向程序中输入各种控制参数和观察输出量 , 在前 面板中 , 使用了各种仿真图标 , 如开关 、 旋钮等 , 并以 数字或实时趋势图等各种形式的输出测试结果来模 拟真实仪器的面板 。 前面板的设计 , 充分发挥了 Lab 2 V I E W 的特长 , 即建立了友好的人机操作界面 , 是虚 拟信号发生器的最上层 。在使用中直接通过鼠标和 键盘设定信号的相关参数 。使用波形显示器对输出 波形进行观察和测量 , 并且可以直接读

14、出信号的幅值 和频率 。3 系统程序设计本函数信号发生器的后面板框图程序主要包含 四个模块 :(1 基本函数波形产生模块 。该模块后面板框图程序如图 2所示 。这一模块是应用 波形产生子模板中的 Basic Functi on Generat or. V I (基本函数 发生器 节点来产生正弦波 、 三角波 、 方波 、 锯齿波等四种信 号 。 在波形产生子模板中的所有模块不仅输出包含指定波形 图形的数字型数组 , 而且包含时间参数 , 这种数据类型在 Lab 2 2008年第 5期 丁硕 :基于 Lab V I E W 的虚拟函数信号发生器的研究 109 图 2 基本函数波形产生模块框图程序

15、V I E W 中称作波形数据 。 波形数据以簇的形式给出 , 包括起始时间 t0、 采样时间间隔 dt 和一个由采样数据构成的数组 。示 波器显示波形的周期数目 =时间长度 /信号周期 。这个程序 作为主程序 Case 结构的一个分支 。(2 多频信号产生模块。 图 3 多频信号产生模块框图程序多频信号是指一个离散频率的正弦波集合 , 其模拟信号 数学表达式为 :x (t = A i sin (h i 1t +i 式中 , A i 是第 i 个正弦波的幅值 ; 1是基波角频率 ; h i 是 第 i 个正弦波的角频倍数 ; i 是第 i 个正弦波的初相角 。 多频 信号在现代测量技术中应用很

16、多 。 该模块后面板框图程序如 图 3所示 。 通过调用 M ultit one Generat or . V I (多频发生器 节 点来实现若干不同频率的正弦波集合 , 在本设计中 , 可以实现 四种不同频率的正弦波的合成 。在该节点的 3个输入端口(t one a mp litudes, t one phasea, t one frequences 输入均为一维数组 。 a mp litude (幅度 端口设定值若大于 0, 则各频率成分的 振幅将被缩放 , 若设定值小于 0, 则不进行缩放 。波峰因数输 出端为合成波的幅值与有效值之比 。在进行参数设置时 , 采 样频率至少要大于最高信号

17、频率的 2倍 , 这是为了满足采样 定理的 要 求 。通 过 调 用 Functi on W avefor m W avef or mMeasure ments 子模板中的 FFT Power S pectru m. V I (FFT 功率谱 节点来计算信号的功率谱密度 , 实现对于多频信号的频域 分析 。 这个程序作为主程序 Case 结构的一个分支 。(3 任意函数波形产生模块 。该模块后面板框图程序如图 4所示 。 为了能够产生一些 非周期信号或其它测试领域的特殊信号在本设计中应用波形 产生子模板中的 For mula W avef or m (公式波形 V I节点来产图 4 任意函数波

18、形产生模块框图程序生任意波形 。 该节点可使用指定时间函数的公式字符串生成 一个函数波形 。 在 f or mula 端子输入公式 , 用于生成输出多频 波形信号的表达式 , 表达式中包含的参数有 :f (输入频率 、a (输入幅度 、 n (采样点数 、 t (时间 和 fs (采样频率 。其有效函数由 Lab V I E W 中设定 。 这个程序作为主程序 Case 结构的一个分支 。(图 5 噪声信号产生模块框图程序该模块后面板框图程序如图 5所示 。该模块可以根据需 要对产生的波形信号进行叠加噪声 。 通过选择噪声的标准差 和种子数 , 可以叠加不同的高斯白噪声 。本设计中噪声信号发生

19、器的实现主要是应用波形产生子模板中的 Tones andNoise W ave f or m. V I 节点来产生叠加在正弦波上的高斯白噪声信号。(5 互锁开关的设计 。图 6 互锁开关框图程序互锁开关框图程序如图 6所示 。 这个程序非常简洁地实 现所需的功能 :面板上的四个按钮开关 , 在任何时刻只允许有 一个被按下 (True 状态 。当另一按钮被按下时 , 原先在按下 状态的按钮将自动弹起 。 互锁开关程序的基本算法 :在 W hile 循环中通过一对移位寄存器将当前数组内容 (开关状态 与前 一次循环时的数组内容不断比较 。 如果没有变化 , 则通过“ 相 等判断 ” 将选择器上输入

20、端的数据送到选择器输出端 , 并送到 移位寄存器 。 如果有变化 , 则“ 相等判断 ” 的输出端将把“ F ” 送到选择器 , 选择器将选取其下输入端的数据到输出 。那么下输入端的数据是什么呢 ? 现在我们举例说明 , 假如 4个开 110 计 算 机 与 现 代 化 2008年第 5期关原来的状态从左到右是“ 0100” , 即开关 2闭合 。现在按下 开关 1, 则当前数组内容立即变为“ 1100” 与前一状态“ 0100” 逐位进行异或运算后 , 在异或门输出端得到的结果是“ 1000” , 这个结果送给了选择器下输入端 , 在选择器输出端送到移位 寄存器的同时还通过一个 A rray

21、 的局部变量 , 使数组内容更新 为 “ 1000” , 即使开关 2弹起 。综上所述 , 由于主程序的框图程序较大 , 以上只 能将主程序框图程序中的主要模块单独给出 。本系 统的信号分析要求循环进行 , 而整个过程都希望是人 机交互的 , 因此 , 主程序框图里还包含两个 W hile 循 环结构 。 将基本函数波形产生模块 、 多频信号产生模 块 、 任意函数波形产生模块和噪声信号产生模块一起 作为主程序 Case 结构的四个分支 , 在前面板用互锁 开关按钮实现各功能之间的切换 。4 信号示例公式信号、 图 8、 图 9和图 10所示。 图 7 基本正弦波信号 图 8公式信号 图 9

22、多频信 号频 谱 图 10 加入高 斯白 噪声 后的正 弦信 号5 结束语本虚拟函数信号发生器最大的特点 : 仪器功 能强 、 频带宽 , 该仪器可以产生频率 10Hz 100MHz 的正弦波 、 三角波 、 方波 、 锯齿波 , 白噪声及多频波 ; 仪器界面友好 , 前面板具有功能选择 、 相关输出参数 设定与调整旋钮及数据指示表 、 输出信号的时域波形 和对应幅度频谱显示视窗 。可见 , 基于 PC 机的虚拟 函数发生器具有产生信号精度高 、 功能强 、 使用方便 、 设备费用低 、 用户自定义功能及操作方便灵活等优 点 , 而且由于虚拟仪器的功能是由软件来完成的 , 软 件即仪器 , 。

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