基于labview的函数信号发生器的设计

课程设计说明书 电子信息工程教研室一、课程设计的任务的基本要求：1、 能够熟悉利用Labview软件，并用此软件编写程序框图和构造前面板。使设计的面板更直观，漂亮。达到虚拟仪器的功能。2、设计基于Labview 的函数信号发生器。 (1）了解函数信号产生方法。 (2）输出一路占空比可调的方波信号，一路函数信号（输出信号类型可选择）。指导教师签字： 年 月 日二、分工安排：三、 收集的资料及主要参考文献：1、吴成东，孙秋夜，盛科Labview虚拟仪器程序设计及应用人民邮电出版社，2008 2、刘君华. 基于LabVIEW的虚拟仪器设计.电子工业出版社,20033、邓岩，王磊磊测试技术与仪器应用机械工业出版社，2004 4、杨乐平，李海涛，杨磊LabVIEW课程设计与应用电子工业出版社，20055、雷勇虚拟仪器设计与实践电子工业出版社，2005四、评语及成绩评定： 指导教师签字： 2014 年 月 日五、答辩记录：答辩意见及答辩成绩答辩小组教师（签字）： 200 年 月 日总评成绩：（教师评分75%+答辩成绩25%） 目 录一、设计任务描述 6二、设计思路 6三、主程序流程图 8四、各部分程序框图及前面板的设计9五、多功能信号发生器工作过程分析12六、主要元器件介绍16七、结论19八、致谢18九、参考文献19十、附录：程序框图19基于labview的信号发生器的设计 中文摘要随着电子技术、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。本文所述主要是虚拟函数信号发生器的设计原理及功能。是基于Labview8.5软件的设计。能够产生正弦波、方波、锯齿波、三角波等几种波形。是以同学所接触的信号发生器的面板为基础进行的参数设置。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，并通过虚拟仪器和采集卡共同作用输出该模型的物理信号。 1 设计任务描述1.1设计题目：基于labview的函数信号发生器的设计1.2设计要求1.2.1设计目的能够熟悉利用Labview软件，并用此软件编写程序框图和构造前面板。使设计的面板更直观，漂亮。达到虚拟仪器的功能。1.2.2基本要求设计基于Labview 的函数信号发生器。 (1）了解函数信号产生方法。 (2）输出一路占空比可调的方波信号，一路函数信号（输出信号类型可选择）。1.2.3发挥部分（1）产生的正弦波、三角波、锯齿波能够调节频率、幅值、相位；方波能够调节占空比。（2）在调节的基础上能够将频率、幅值和相位的值显示出来。 2 设计思路理解题目以后，我们又回去查阅了很多相关资料。最后确定了设计的总体思路。用Labview软件设计的过程是先进行程序框图的设计，然后再设计前面板。首先是确定我们需要的函数信号发生器一共可以产生哪些波形，然后是各个波形怎样实现和相互切换。最后是怎样来控制波形的产生。从一些资料中受到启发，我们需要解决的一共就只有四个大问题：与我们常用的函数信号发生器相联系，根据仪器的功能，可以产生多种波形；但是我们需要的是一种波形，所以必须做好信号相互切换的功能。因此用case条件结构是最好的选择。我可以在case结构中添加多个条件分支，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（必须与条件分支中的标签一一对应），这样就可以实现波形的选择了。：产生各个波形的方法有很多。比如用公式编写、有仿真信号生成、还有函数生成。但是最简单的是用【函数选板】中的【信号处理】的子选板中的【波形生成】中的【正弦波形】、【方波】、【三角波】、【锯齿波】。但是这些控件必须自己输入各种参数值。：一个理想的函数信号发生器必须有一个开关，如我们所用到的函数信号发生器一样。在不需要发生器的时候就利用【开关】来控制信号的产生与否。因此，只需要在case条件结构的外面再加一个while循环结构就可以了。：产生的波形的各个参数是否满足我们的要求，如果没有显示这些参数的话，我们是不能知道的。所以只需在程序框图中加一个显示控件或局部变量都可以。以上就是整个虚拟函数发生器的设计思路。 3 主程序流程图开关波形选择参数调节产生波形频率相位占空比偏移量锯齿波幅值三角波方波开始正弦波4 各部分程序框图及前面板的设计4.1 正弦波信号的产生及参数的设计产生波形的方法有很多，可以用【仿真信号】、【信号生成】等。我选择的是【波形生成】，即正弦波形（），它一共有四个参数：频率、幅值、相位、直流偏移量。只要我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。达到一个虚拟仪器的功能。这只实现了一种波形，还有其它波形。所以就涉及到了波形的选择。因此，我用了case条件结构。充分利用它的功能，我改变【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。同样，【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。这样就可以实现正弦波。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。正弦波的设计原理图如下所示：图4.1.1 正弦信号程序框图当然，“频率”是有单位的。所以，我用了一个字符串函数：【格式化写入字符串】，根据要求加入了单位：“Hz”。4.2方波信号的产生及参数的设计接下来，我设计的波形是方波。选择【波形生成】中的方波波形（），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，进而能满足我们的需要。涉及到的波形切换，用case条件结构，充分利用它的功能，【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。这样既可以实现正弦波，也可以切换到其它的波形。再添加一个显示控件，调节参数的同时，也可以观测它的值。方波的设计原理图如下所示：图4.2.1 方波信号程序框图 “频率”的单位处理方法与正弦波的方法一样即可。用一个字符串函数：【格式化写入字符串】，根据图标的提示和要求加入了单位：“Hz”。4.3锯齿波信号的产生及参数的设计与上面的方法一样，选择【波形生成】中的锯齿波形（），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。再用一个case条件结构，让各参数值通过条件结构的通道，并充分利用它的结构特点，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。同样，【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。这样就可以实现锯齿波。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。 锯齿波的设计原理图如下所示：图4.3.1 锯齿波信号程序框图“频率”的单位处理方法与其它波形的方法一样。用一个字符串函数：【格式化写入字符串】，根据图标的提示和要求加入了单位：“Hz”。4.4三角波信号的产生及参数的设计选择的是【波形生成】，即三角波形（），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。还有其它波形，切换的方法前面已经提到过。因此，用case条件结构，充分利用它的功能，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。【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。 三角波的设计原理图如下所示：图4.4.1 三角波信号程序框图“频率”的单位处理方法与其它波形的方法一样。用一个字符串函数：【格式化写入字符串】，根据图标的提示和要求加入了单位：“Hz”。4.5波形控制的设计 根据实际，当我们在使用完信号发生器以后，必须把它关掉。所以，我们设计的信号发生器如果没有开关的话，就不符合要求。解决这个问题很简单，在总的框图外面加一个while循环结构，【循环条件】处连接一个【开关】控件，并且选择【真时继续】。 设计如下图所示：图4.5.1 信号控制程序框图4.6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。下面是我设计的前面板，如图所示：图4.6.1 前面板的设计图5 多功能信号发生器工作过程分析5.1正弦波的工作过程及波形验证一切准备就绪以后，点【连续运行】，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。验证波形图如下所示：图5.1.1 正弦波的工作过程及验证5.2方波的工作过程及波形验证准备就绪以后，点【连续运行】，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。验证波形图如下所示：图5.2.1 方波的工作过程5.3三角波的工作过程及波形验证确定程序无误后，点【连续运行】，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。验证波形图如下所示：图5.3.1 三角波的工作过程及验证5.4锯齿波的工作过程及波形验证设计完成并确定没错以后，点【连续运行】，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。验证波形图如下所示：图5.4.1 锯齿波的工作过程及验证6 主要元器件介绍6.1 模拟示波器示波器由显示电路显示电路、垂直（Y轴）放大电路、水平（X轴）放大电路和电源供给电路共同组成。显示电路包括电子枪偏、偏转系统和荧光屏。 图6.1.1 模拟示波器 图6.1.2 示波器的原理图 由示波管的原理可知，一个直流电压加到一对偏转板上时，将使光点在荧光屏上产生一个固定位移，该位移的大小与所加直流电压成正比。如果分别将两个直流电压同时加到垂直和水平两对偏转板上，则荧光屏上的光点位置就由两个方向的位移所共同决定。 如果将一个正交流电压弦加到一对偏转板上时，光点在荧光屏上将随电压的变化而移动。这光点距离坐标原点的瞬时偏转值将与加在垂直偏转板上的电压瞬时值成正比。如果加在垂直偏转板上的交流电压频率10Hz20Hz以上，则由于荧光屏的余辉现象和人眼的视觉暂留现象，在荧光屏上看到的就不是一个上下移动的点，而是一根垂直的亮线了。该亮线的长短在示波器的垂直放大增益一定的情况下决定于正弦交流电压峰一峰值的大小。如果在水平偏转板上加一个正弦交流电压，则会产生相类似的情况，只是光点在水平轴上移动罢了。如果将被测信号电压加到垂直偏转板上，锯齿波扫描电压加到水平偏转板上，而且被测信号电压的频率等于锯齿波扫描电压的频率，则荧光屏上将显示出一个周期的被测信号电压随时间变化的波形曲线。为使荧光屏上的图形稳定，被测信号电压的频率应与锯齿波电压的频率保持整数比的关系，即同步关系。为了实现这一点，就要求锯齿波电压的频率连续可调，以便适应观察各种不同频率的周期信号。其次，由于被测信号频率和锯齿波振荡信号频率的相对不稳定性，即使把锯齿波电压的频率临时调到与被测信号频率成整倍数关系，也不能使图形一直保持稳定。因此，示波器中都设有同步装置。也就是在锯齿波电路的某部分加上一个同步信号来促使扫描的同步，对于只能产生连续扫描（即产生周而复始连续不断的锯齿波）一种状态的简易示波器（如国产SB-10型示波器等）而言，需要在其扫描电路上输入一个与被观察信号频率相关的同步信号，当所加同步信号的频率接近锯齿波频率的自主振荡频率（或接近其整数倍）时，就可以把锯齿波频率“拖入同步”或“锁住”。对于具有等待扫描（即平时不产生锯齿波，当被测信号来到时才产生一个锯齿波进行一次扫描）功能的示波器（如国产ST-16型示波器、SBT-5型同步示波器、SR-8型双踪示波器等等）而言，需要在其扫描电路上输入一个与被测信号相关的触发信号，使扫描过程与被测信号密切配合。这样，只要按照需要来选择适当的同步信号或触发信号，便可使任何欲研究的过程与锯齿波扫描频率保持同步。结论这一次虚拟仪器的课程设计的时间比较短。于是同学们都紧锣密鼓的张罗怎样让自己的作品做得更好，功能更多，前面板更具有创意。于是同学们都积极思考、相互交流。因此，时间就过得很快，也很有意义。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。由于老师为了培养我们独立解决问题的能力，因此一般不参与设计。在同学的帮助下，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， 在课设期间我几乎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。通过这周的课设和学习，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。致谢刚开始时，由于对于题目不是一目了然，所以必须查阅大量的资料。一天以后，我们才有了思路，并在前人的基础上加东西或是做很大的改动。一周的时间很快就结束了。在这期间，我有很多的问题都是很难解决的，是同学们的帮助使我幡然醒悟，让我知道了思路很重要，必须有结构才能接下来做其他的。在这次设计中我们不仅完成了老师交给的各项任务，而且又学到了更多的知识。由于经验的缺乏，在课程设计过程中难免有许多考虑不周全的地方，如果没有吕老师的督促指导，想要完成这个设计是很难的。最后，我要再次感谢老师和那些给予我帮助的同学们，是你们让我顺利完成了课程设计，增长了许多实践的经验，更体验到了大家团结互助的温暖。每次老师在讲解以后，都会给我们比自己设计更好的建议。加快了我们设计成功的速度。这次设计虽然凝聚着自己的汗水，但却不全是个人努力的结果，如果没有老师的指导，没有同学们的帮助，只凭我自己一个人是没有办法完成的。在老师的提示下，我们带着目的查询资料。另外，老师对待问题的严谨、验收作品的细心给我留下了深刻的印象。在这里也感谢学校能够提供一次锻炼学生将理论与实践相结合的能力的机会。更加要感谢我们教研室敬爱的老师们，给我们安排了锻炼的机会，为以后再社会中立足打下了基础。也感谢其他组组成员对我的帮助，在遇到问题的时候，我们有某些地方是类似的，大家一起讨论，共同成功。 最后，对其他的对我帮助的人也表示诚挚的谢意。参考文献【1】吴成东，孙秋夜，盛科Labview虚拟仪器程序设计及应用人民邮电出版社，2008【2】刘君华. 基于LabVIEW的虚拟仪器设计.电子工业出版社,2003【3】邓岩，王磊磊测试技术与仪器应用机械工业出版社，2004【4】杨乐平，李海涛，杨磊LabVIEW课程设计与应用电子工业出版社，2005【5】雷勇虚拟仪器设计与实践电子工业出版社，2005附录 程序框图