基于虚拟仪器的多功能信号发生器方案设计书大学本科方案设计书.docx

1、基于虚拟仪器的多功能信号发生器方案设计书大学本科方案设计书摘 要虚拟仪器技术是将仪器技术、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。本设计采用NI USB-6211数据采集卡，将虚拟仪器技术用于多功能信号发生器的设计。该系统具有生成正弦波、方波、三角波、锯齿波及PWM(Pulse Width Modulation)波的功能。本文首先概述了信号发生器及虚拟仪器技术在国内外的发展及趋势，然后介绍了信号发生器的相关理论及信号发生器的基本原理框图，并探讨了虚拟仪器的总线及其标准、框架结构、LABVIE

2、W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。证明本文很有参考价值。关键词： 虚拟仪器，数据采集卡，信号发生器，LABVIEWThe design of multi-functional signal generator base on virtual instrument technologyABSTRACTVirtual instrument technology is formed by the instrument technology, computer technology, bus technology and

3、software technology. Powerful digital processings ability of computer is used to achieve the main functions of instrument. Virtual instrument broke the framework of the traditional instruments, and builta new device model. This design uses NI USB-6211 data acquisition card. The virtual instrument te

4、chnology has been utilized in the design ofmulti-functional signal generator. The system has ability to produce sine wave, square wave, and triangle wave, saw tooth waveand PWM (Pulse Width Modulation) wave. This article summarizes the development and trend of the signal generator and virtual instru

5、ment at home and abroad at first. And then introduces the theory of signal generator and gives a basic block diagram of signal generator, also the frame structure and LABVIEW development platform of the virtual instrument with the inquiry of the buss standard. Based on the analysis of this systems f

6、unctional requirements, this articleintroduces the hardware and technology which involved in design of the data acquisition card and the LABVIEW programming modes.Testify this article have great reference value.Key Words：Virtual Instruments， Data Acquisition Cards， Signal Generators， LABVIEW第一章 绪论 1

7、1.1 引言 11.1.1 信号发生器的发展史. 11.1.2 虚拟仪器的发展趋势. 21.1.3课题的主要任务.3第二章 虚拟仪器.42.1 虚拟仪器的特点及机制 42.1.1虚拟仪器系统与传统仪器的比较.42.1.2虚拟仪器的特点及优势.42.1.3系统的组成.52.1.4 I/O接口设备.62.1.5软件结构.82.2虚拟仪器的开发软件.82.2.1虚拟仪器的开发语言.82.2.2图形化虚拟仪器开发平台LABVIEW.92.2.3基于LABVIEW平台的虚拟仪器程序设计.9第三章系统设计的硬件平台.113.1 PC机.113.2数据采集卡的选择.113.2.1数据采集卡的性能指标.113

8、.2.2数据采集卡(DAQ卡)的组成.123.2.3 NI USB-6211数据采集卡.12第四章系统总体的设计与实现.134.1系统设计和程序框图的流程.134.1.1系统设计.134.1.2程序框图的主要设计流程.134.2系统的具体应用程序.134.2.1程序框图的具体设计步骤.134.2.2基本波形及PWM波形信号发生器.164.3硬件调试与程序的实现.184.3.1硬件连接调试.184.3.2整体程序的具体实现.18结论.20参考文献.21致谢.22第一章 绪 论1.1 引言随着计算机技术的发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。虚拟仪器是20世纪90年代提出的新概念，是现代计算机技

9、术，仪器技术及其他新技术完美结合的产物。虚拟仪器技术的提出与发展，是21世纪自动测试与电子测量仪器技术发展的一个重要方向1。信号发生器作为科学实验必不可少的装置，被广泛地应用到教案、科研等各个领域。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案的需要、节约大量的经费、降低实验室建设的成本，而且能够提高教案科研的质量与效率2。1.1.1信号发生器的发展史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，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

10、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。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

11、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，

12、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按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种

13、波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。 1.1.2虚拟仪器的发展趋势电子测量仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器，分立元件仪器，数字化仪器，智能仪器和虚拟仪器。（1）第一代模拟仪器这类仪器在某些实验室仍能看到，是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表，指针式电压表等，这类指针式仪器借助指针来显示最后结果。（2） 第二代分立元件式仪器当20世纪50年代出现电子管，60年代出现晶体管时，便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代测试仪器分立元件式仪表。（3） 第三代数字化仪器20世纪70年代，随着集成电路的出现，诞生了以集成电路芯片为基础的

14、第三代仪器数字式仪器。这类仪器现在相当普及，如数字式电压表，数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。(4)第四代智能仪器 随着微电子技术的发展和微处理器的普及，以微处理器为核心的第四代仪器智能式仪表迅速普及。这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处理功能，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。其缺点是它的功能全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论是开发或者应用都缺乏灵活性。虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易、转换灵活，它已广泛应用于电子测量、

15、声学分析、故障诊断、航天航空、机械工程、建筑工程、铁路交通、生物医疗、教案及科研等诸多方面。随着计算机软硬件技术、通信技术及网络技术的发展，给虚拟仪器的发展提供了广阔的天地，国内外仪器界正看中这个大市场。测控仪器将会向高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、智能化和网络化的方向发展。开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路8总之，虚拟仪器有很广阔的发展空间，并最终要取代大量的传统仪器成为仪器领域的主流产品，成为测量、分析、控制、自动化仪表的核心。此外，新型笔记本电脑又把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。所有这些必将加快虚拟仪器的发展，使它的功能和应用领域

16、不断增强和扩大。在测量、检测、电信、监控、教育等方面的应用已广泛开展。1.1.3课题的主要任务信号源的波形有正弦波、方波、三角波、锯齿波、PWM(Pulse Width Modulation)波等不同种类。信号的频率、幅值和占空比等波形参数可按需要进行调节。本设计以数据采集卡的物理通道进行设计，从LABVIEW设计的程序中产生的模拟（数字）输入，经过信号调节后，由数据采集卡采集并输出信号，可同时显示、记录和存储多通道输入的波形，并且可以对波形进行数据分析和处理。第二章 虚拟仪器2.1 虚拟仪器概述虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司最先提出的。所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功

17、能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果。利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理。利用1/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测试系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分3。虚拟仪器主要是指这种方式。2.1.1 虚拟仪器系统与传统仪器的比较传统仪器虚拟仪器系统标准仪器厂商定义用户自定义系统关键硬

18、件软件系统更改仪器功能、规模固定系统功能、规模可通过软件修改、增减系统连接系统封闭、与其他设备连接受限开放的系统，可方便的与外设、网络及其他应用连接价格昂贵低，可重复利用技术更新周期510年12年开发、维护费用高低2.1.2 虚拟仪器的特点及优势虚拟仪器虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果。利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理。利用1/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测试系统。而软件是虚拟仪器的核心，如图2.1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的

19、开发与仪器的硬件变化无关。虚拟仪器有了这一优点，使仪器的开发和换代时间将大大缩短。图2.1 虚拟仪器开发框图虚拟仪器的主要特点有：（1）尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。（2）可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。（3）用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器虚拟仪器的主要优势有：（1）性能高。（2）扩展性强。（3）开发时间少。（4）无缝集成。2.1.3系统组成（1）高效的软件： 软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。提供的行业标准图形

20、化编程软件Lab VIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。此外，还提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件Signal Express、用于传统C语言的Lab Windows/CVI、针对微软Visual Studio的Measurement Studio等等，均可满足客户对高性能应用的需求。有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。（2）模块化的I/O硬件：面对如今日益复杂的测试测量应用，已经提供

21、了全方位的软硬件的解决方案。无论您是使用PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是1394总线，都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。（3）用于集成的软硬件平台：专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。PXI作为一种专为工业数据采集与自动化

22、应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件 ，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，您都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。如图2.2所示。图2.2虚拟仪器的内部功能的划分2.1.4 I/O接口设备I/O接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据实际情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡/板(DAQ)、GP

23、IB总线仪器、VXI总线仪器、串口仪器、USB等。虚拟仪器的构成主要有五种类型，如图2.3所示。图2.3虚拟仪器构成方式（1）DAQ(Data Acquisition)数据采集卡是指基于计算机标准总线(如ISA、PCI、USB等)的内置功能插卡。其中USB是最新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性；利用DAQ卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。在性能上，随着A/D转换技术，滤波技术和信号调理技术的发展，DAQ卡的采样速率已达1GB/s，精度高达24位，通道数高达64个，并具有数字I/O，模拟I/O和计数器/定时器等通道。各仪

24、器厂家生产了大量的DAQ卡功能模块供用户选择，如示波器、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在计算机上挂接多个DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有多功能的测试仪器。这种基于计算机的仪器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对我国大多数用户来说，它具有很高的性价比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。（2）GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口总线，是计算机和仪器的标准通信协议。GPIB的硬件规格和软件协议以纳入国际工业标准IEEE-488.1和IEEE-488.2，它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配备了遵循

25、IEEE-488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机，一块基于GPIB总线的接口卡和多台GPBI仪器软件及相应的传感模块硬件。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应的改动。基于GPIB总线结构的接口卡数据传输速率一般低于500kb/s，不适合对系统速度要求较高的应用。（3）VXI(VME bus extension for Instrumentation )是VME总线在仪器领域的扩展，上个世纪1993年VXI总线1.4版本被批准为IEEE-1155标准，成为开放式工业标准。仪器专用总线在吸收IEEE-48

26、8的成功经验基础上，增加了10MHz时钟线、模拟和数字混合总线、星形总线等高速总线，定时关系严格，兼有计算机总线和仪器总线的优点。（4）PXI(PCI extension For Instrumentation)是Compact PCI总线在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是Compact PCI结构和Microsoft Windows软件。PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。PXI增加了用于多个板卡同步的触发总线和10MHz参考时钟，用于精确定时的星形触发总线，以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足实验和用

27、户的要求。（5）串口系统是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器精简平台组成的虚拟测试系统10。RS-232总线是早期采用的通用串行总线，将带有RS-232标准总线接口的仪器作为I/O接口设备，通过RS-232串口总线与计算机组成虚拟仪器系统目前仍然是虚拟仪器构成方式之一，主要适用于速度较低的测试系统。2.1.5 软件结构虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图2.4所示。用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。以美国NI公司的软件产品LABVIEW和Lab Windows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化以及各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。图2.4虚拟仪器软件结构2.2虚拟仪器的软件开发2.2.1虚拟仪器的开发语言虚拟仪器系统的开发语言有：标准C、Visual C+、Visual Basic等通用程序开发语言。但直接由这