信号发生器的设计

成 绩 评 定 表

学生姓名 专 业 测控技术与仪器 评 语 组长签字： 班级学号 课程设计题目 信号发生器的设计 成绩 日期

20 年 月 日

沈阳理工大学课程设计专用纸 NoII

课程设计任务书

学 院 学生姓名 课程设计题目 实践教学要求与任务: 1、学习LABVIEW软件知识及应用 2、学习并研究信号分析与处理课题有关理论 3、利用LABVIEW编程，完成相应的信号分析与处理课题 4、写出课程设计报告,打印程序，给出运行结果 信息科学与工程学院 专 业 班级学号 测控技术与仪器 信号发生器的设计 工作计划与进度安排: 第一周：周一：1、布置课程设计任务、要求 2、每人一题 周二---周五：利用LABVIEW编程，完成相应的信号分析与处理课题： 1、学习LABVIEW软件知识及应用 2、学习并研究信号分析与处理课题有关理论 3、利用LABVIEW编程，完成相应的信号分析与处理课题 第二周：周一---周四： 1、上机编程、调试 2、检查编程、运行结果 3、撰写课程设计报告书 周五： 答辩，上交报告。 指导教师： 专业负责人： 学院教学副院长： 201 年 月 日 201 年 月 日 201 年 月 日

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目 录

目 录………………………………………………………………………………I

1 引言………………………………………………………………………………1

2 虚拟仪器开发软 LabVIEW入门 ………………………………………………4

2.1 LabVIEW介绍 ……………………………………………………………4

2.2 基于LABVIEW平台的虚拟仪器程序设计 ………………………………4

2.3利用LabVIEW编程完成习题设计 ………………………………………6

3 利用 LabVIEW实现信号发生器的设计 ………………………………………20

3.1信号发生器的基本原理 …………………………………………………20

3.2信号发生器的编程设计及实现 …………………………………………22

3.3运行结果及分析 …………………………………………………………24

总 结 ………………………………………………………………………………27

致谢…………………………………………………………………………………28

参考文献……………………………………………………………………………29

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1 引言

随着微型计算机和软件技术的发展，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性等方面与传统仪器相比都具有明显的技术优势，将虚拟仪器引入高校的实验教学不但可以提高测试效率和教学的质量，而且为降低实验仪器成本提供了有效的途径和方法。

1.1 信号发生器的发展

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，因此发展速度比较慢。直到19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，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。

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键盘显示I/O控制芯片控制D/A转换电路控制波形发生电路信号输出信号采集

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。

1.2 虚拟仪器的发展趋势

现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。在此背景下，1986年美国国家仪器公司(National Instruments，NI)提出了虚拟仪器(Virtual Instrument，VI)的概念。尽管迄今为止虚拟仪器还没有一个统一的定义，但是一般认为：虚拟仪器是在PC基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统。

作为一种以计算机软件为核心的新型仪器系统，虚拟仪器具有功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强等优点，通常被认为是第三代自动测试系统的同义语。使用虚拟仪器系统可以避免仪器编程过程中的大量重复性劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时间，并且客户可以用不同的模块来构造自己的虚拟仪器系统，选择统一的测试策略。

由于虚拟仪器的功能和性能已被不断提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。而虚拟仪器的各种优点让用户可放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。由于计算机的性能价格比不断改进，使虚拟仪器的价格更为大众化，用户不必再受限于传统仪器的使用和昂贵的价格，进一步降低了使用成本，减少了系统的开发费用和系统的维护费用。

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不断增强和扩大。在测

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量、检测、电信、监控、教育等方面的应用已广泛开展。

1.3 虚拟仪器与传统仪器的比较

虚拟仪器具有传立仪器无法比拟的优势。在高速度、高带宽和专业测试领域，仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的强项，这是传统的仪器难以胜任的。

1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。由此导致许多识读和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。

2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。 3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。 4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。 5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。 6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。

7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。 8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低了系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。

近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。这是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet的一部分，实现现场监控和管理。

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2 虚拟仪器开发软件Labview入门

2.1 LABVIEW的介绍

LABVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LABVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/PI、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。

传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，设计者必须写出执行的语句。而LABVIEW是基于数据流的工作方式，同时也是基于图形化的编程，这使得设计者不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统。

目前，在以PC机为基础的测试和工控软件中，LABVIEW的市场普及率仅次于C++/C语言。LABVIEW具有一系列无与伦比的优点：首先，LABVIEW作为图形化语言编程，采用流程图式的编程，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似；同时，LABVIEW提供了丰富的VI库和仪器面板素材库，近600种设备的驱动程序，如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储；并且LABVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。因此，LABVIEW受到越来越多工程师和科学家的青睐。

利用LABVIEW ，可产生运行的可执行文件，它是一个真正的32编译器。像许多通用的软件一样，LABVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多种版本。

2.2 基于LABVIEW平台的虚拟仪器程序设计

所有的LABVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程图(Block Diagram)以及图标/连结器(Icon/Connector)三部分。

1）前面板：前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。

2）流程图：流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制

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和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。

如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用VI可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几。这种设计思想的优点体现在两方面：

①类似流程图的设计思想，很容易被工程人员接受和掌握，特别是那些没有很多程序设计经验的工程人员。

②设计的思路和运行过程清晰而且直观。如通过使用数据探针、高亮执行调试等多种方法，程序以较慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰色，执行后的代码会高亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪数据流的运行。这为程序的调试和参数的设定带来很大的方便。

3）图标/连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在设计大型自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。而在LABVIEW中提供的图标/连接工具正是为实现模块化设计而准备的。设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。这样设计的优点体现在以下几个方面：

①把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。同时也对于将来系统的维护提供了便利。

②一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的功能模块，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期，提高系统设计的可靠性。

③便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提。

2.3 Labview入门——利用Labview编程完成习题设计

1.写一个类正弦波发生器，要求频率和幅度可调

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习题1前面板图

习题1程序面板图

2. 新建一个VI，进行如下练习：

 任意放置几个控件在前面板，改变它们的位置、名称、大小、颜色等等

 在VI前面板和后面板之间进行切换  并排排列前面板和后面板窗口

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习题2前面板图

习题2程序面板图

3、编写一个VI求三个数的平均值，如图所示。

 要求对三个输入控件等间隔并右对齐，对应的程序框图控件对象也要求如此对齐  添加注释

 分别用普通方式和高亮方式运行程序，体会数据流向  单步执行一遍

习题3前面板图

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习题3程序面板图

4、写一个VI判断两个数的大小，如右图所示：当A>B时，指示灯亮

习题4前面板图

习题4程序面板图

5、写一个VI获取当前系统时间，并将其转换为字符串和浮点数。这在实际编程中会经常遇到。

习题5前面板图

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习题5程序面板图

6、写一个温度监测器，如右图所示，当温度超过报警上限，而且开启报警时，报警灯点亮。温度值可以由随即数发生器产生。

习题6前面板图

习题6程序面板图

7、给定任意x, 求如下表达式的值

yx5cosxex

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习题7前面板图

习题7程序面板图

8、利用顺序结构和timing面板下的tick count VI，计算for循环产生一个长度为20000点的随机波形所需的时间。

习题8前面板图

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习题8程序面板图

9、 为第4章习题4添加一个While循环和定时器，实现连续的温度采集监测

习题9前面板图

习题9程序面板图

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10、计算学生三门课（语文，数学，英语）的平均分，并根据平均分划分成绩等级。要求输出等级A,B,C,D,E。90分以上为A，80～为B，70～79为C，60～69为D，60分以下为E。

习题10前面板图

习题10程序面板图

11、 为第5章的习题2连续温度采集监测添加报警信息，如下图所示，当报警发生时输出报警信息，例如“温度超限！当前温度78.23℃”，正常情况下输出空字符串。

习题11前面板图

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习题11程序面板图

12、将一些字符串和数值转换成一个新的字符串，输出的字符串是一个GPIB命令字符串，它可以用来和串口仪器进行通信。

习题12前面板图

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习题12程序面板图

13、用for循环创建一个数组，并用图形显示输出的数组。

习题13前面板图

习题13程序面板图

14、利用簇模拟汽车控制，如右图所示，控制面板可以对显示面板中的参量进行控

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制。油门控制转速，转速＝油门*100，档位控制时速,时速＝档位*40，油量随VI运行时间减少。

习题14前面板图

习题14程序面板图

15、利用随机数发生器仿真一个0到5V的采样信号，每200ms采一个点，利用实时趋势曲线实时显示采样结果。

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习题15前面板图

习题15程序面板图

16、在习题1的基础上再增加1路电压信号采集，此路电压信号的范围为5到10V。

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No17

习题16前面板图

习题16程序面板图

17、利用随机数发生器仿真一个0到5V的采样信号，每200ms采一个点，共采集50个点，采集完后一次性显示在Waveform Graph上。

习题17前面板图

习题17程序面板图

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No18

18、在习题3的基础上再增加1路电压信号采集，此路电压信号的范围为5到10V，采样间隔是50ms，共采100个点。采样完成后，将两路采样信号显示在同一个Waveform Graph中。

习题18前面板图

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习题18程序面板图

3利用Labview实现信号发生器的设计

3.1 信号发生器的基本原理

通过软件虚拟信号发生器的功能，信号由特定的虚拟仪器发出，再通过波形显示器表现在大家面前。虚拟仪器以计算机为核心，功能由用户定义和设计，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现。虚拟仪器的关键是用软件来实现硬件的功能，实现“软件即仪器”。

本文应用虚拟仪器开发平台LabVIEW开发了三种虚拟信号发生器，分别是多谐波信号发生器，任意波形信号发生器和噪声信号发生器，任意波形是根据线性插值产生的。多谐波信号和噪声信号是利用LabVIEW的控件产生的。扩展了信号发生器的分析和计算能力，降低了仪器的价格，增强了仪器的通用性，实现了波形显示、存储、自动计算等功能。

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3.1.1 系统设计

设计信号发生器的主要任务是设计程序框图和前面板，在设计这两部分中若没有出现数据类型不匹配、控件的属性设置等问题，再跟硬件连接，看是否可以产生各种信号，并且能被数字示波器采集到，并在硬件允许的范围内体现比现有信号发生器更宽泛的信号范围。

程序框图的设计流程

用LABVIEW设计虚拟信号发生器的主要步骤是在设计程序框图上，图3.1.1是设计程序框图的主要流程。

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创建通道选择连续采样指定采样率指定采样数写入采样开始等待生成所有采样停止清除

图3.1.1 程序框图的设计流程

3.2 信号发生器的编程设计及实现

3.2.1多谐波信号发生器

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多谐波信号发生器程序面板图

制作过程：制作新VI的前面板和框图。多谐波发生器控件 按下图来选择。

3.2.2任意波形发生器

该程序可产生任意波形信号。

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任意波形发生器程序面板图

3.2.3噪声信号发生器

噪声发生器程序面板图

3.3 运行结果及分析

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多谐波信号发生器运行结果图

该功能模块可产生多谐波。即任意多个正弦波的合成波。每个正弦波的频率和幅值可调。调整面板上的“各谐波频率”、“各谐波幅值”、“各谐波相位”、“采样信息”，即可按设置产生所希望的多谐波。

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任意波形发生器运行结果图

输入选择“重新设置初值”为“ON”，在“Wave Table”中输入信号在一个周期内的样点值，可用LabVIEW定位工具任意调整数组的长度。选择“采样点数”、“幅值”、“采样频率”、“采样率”，之后选择“重新设置初值”为“OFF”，即可按上述设置产生任意波形信号。

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噪声信号发生器运行结果图

本设计在研究虚拟仪器技术、DAQ应用技术的基础上，使用虚拟仪器技术实现了信号发生器。前面板应提供良好的人机交互界面，可以实现实验室里几种常见的信号波形。

本设计大部分工作是程序的编写，所涉及的硬件部分都是现成的。但是对硬件的了解也是必需要做的工作，特别是对USB6211采集卡的了解，其中包括采集率，采集通道，采样方式等，然后根据实际情况选择合适的参数。

在输出基本波形时如果需要增波形的频率，则需要减小波形的采样频率，否则会由于硬件的溢出问题而不能运行，但是减小采样频率容易让波形产生失真。

如果在这个设计上进一步研究信号发生器，在波形的类型上应该有更多的变化，更迅速的响应时间，更准确的调节过程。对于信号波形的参数，如频率、幅值、相位、占空比等的设定有更好更精确的方式，而且在波形失真和噪声方面有更好的解决方法。在面板美化方面也可以做得更好更漂亮。

通过本设计，深刻地认识到了虚拟仪器技术是当代仪器发展的重要发展方向。虚拟仪器也以崭新的模式和强大的功能深入人心，伴随计算机技术和信息技术的发展虚拟仪器必将拓展到各个领域，引起仪器的深层次变革。

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总结

本文设计的多功能虚拟信号发生器实现了参数的自动测量、分析、处理功能，节省了测量时间，提高了参数测量的精度，实现了波形、数据的存储和显示，具有自动计算与显示功能。多功能虚拟信号发生器的波形打印、暂停等功能也为仪器的使用带来了方便。实践证明，在计算机强大的硬件资源和软件资源下，利用LabVIEW 图形化编程语言，设计出了功能强大、操作方便的多功能虚拟数字信号发生器，与传统仪器比较，它有许多优点:软件开发效率高，仪器开发周期短;可操作性和可维护性好;不动硬件，可通过软件重构，产生新的仪器功能;硬件具有开放性，允许通过升级硬件来提高其性能。正是因为虚拟仪器如此多的优点，才使得虚拟仪器发展迅速，成为未来仪器发展的一个重要方向。虚拟仪器设计已经成为测试与仪器技术发展的一个重要方向，从根本上改变目前专用仪器的研制和生产方式，具有广阔的应用前景和巨大的潜在经济效益。

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致谢

两周的课程设计即将过去，在论文完成之际，感谢华宇宁和刘晓阳老师，从课程的学习，到论文的选题和课题的研究，都倾注了两位老师的心血。老师渊博的学识，严谨治学的态度，勇于创新的学术思想，丰富的科研经验，踏踏实实的工作作风，平易近人和乐于助人的风格都将使我终身受益，也是我今后学习和工作的楷模。在程序的开发与设计方面给了我许多帮助与指导，对于论文的形成自始自终都予以关注和督促，使我懂得了如何去主动地学习，使我对本专业的知识产生了浓厚的兴趣，忠心谢谢你们。

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参考文献

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