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1、基于labview虚拟信号发生器的设计毕业设计论文 学号： 毕业设计（论文）题 目 虚拟信号发生器的设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）

2、的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 虚拟信号发生器的设计摘要虚拟仪器是将仪器技术、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，形成一种新的仪器模式。本设计采用USB6008数据采集卡，将虚拟仪器技术用于信号发生器的设计。该系统具有生成正弦波、方波、三角波、锯齿波，序列信号及任意波形的功能。

3、其序列信号发生器是在n位寄存器的基础上，根据D触发器原理，加上异或反馈电路构成的。并且实现了存储波形和远程通信控制的功能。本文首先介绍了信号发生器的相关理论，给出了信号发生器的基本原理框图，并了解了虚拟仪器的总线及其标准、框架结构、LABVIEW 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。本设计是虚拟仪器模拟真实仪器的尝试。实践证明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够实现各种硬件可以完成的任务。关键词:虚拟仪器，数据采集卡，信号发生器，LABVIEW The design of signal generator based

4、on virtual instrumentAbstractVirtual instrument is formed by the instrument technology, computer technology, bus technology and software technology. Powerful digital processings ability of computer is used to achieve the main functions of instrument. Virtual instrument broke the framework of the tra

5、ditional instruments, and built a new device model. This design uses USB6008 data acquisition card. The virtual instrument technology has been utilized in the design of signal generator. The system has ability to produce sine wave, square wave, and triangle wave, saw tooth wave, sequence signals and

6、 arbitrary waveforms signals. The series generators is on the basis of the n - bit registers, and is under d trigger principle, coupled with the exclusive or of feedback circuit . And the waveform storage and remote communication control function has been realized. This article introduces the theory

7、 of signal generator, 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 functional requirements, this article introduces the hardware and te

8、chnology which involved in design of the data acquisition card and the LABVIEWs programming modes.The design is an attempt of virtual instrument to simulate the reality instrument. It shows the virtual instrument is an excellent solution to achieve the task which is achieved by traditional hardware

9、in the past.Key Words: Virtual Instruments， Data Acquisition Cards， Signal Generators，LABVIEW1 绪论1.1 引言信号发生器作为科学实验必不可少的装置，被广泛地应用到教学、科研等各个领域。高等学校特别是理工科的教学、科研需要大量的仪器设备，例如信号源、示波器等，常用仪器都必须配置多套，但是有些仪器设备价格昂贵，如果按照传统模式新建或者改造实验室投资巨大，造成许多学校仪器设备缺乏或过时陈旧，严重影响教学科研。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学的需要、节约大量的经费、降低

10、实验室建设的成本，而且能够提高教学科研的质量与效率。1.2 信号发生器概述1.2.1 信号发生器简介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。目前常用的模拟信号发生器，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。近年来，出现了一种基于计算机和软件的新型仪器虚拟仪器。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”。在高等院校理工科教学中，实验教学是整个教学过程中的重要环节，特别是基础课、专业基础课的实验教学在本科教学中尤

11、为重要，他对学生的专业知识起着有效的支撑作用。但是，近年来随着学生人数的增加、实验教学改革不断深入，原有实验室的设备和规模难以满足发展的需要。虚拟仪器的出现很好地解决了这些问题。虚拟仪器是以计算机为核心，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开发了一种多功能虚拟信号发生器，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、打印和读取以及多个测量参数自动显示、相位差自动计算等功能。1.2.2 信号发生器的发展信号发生器是一种悠久的测

12、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

13、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

14、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。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

15、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。1.3 信号发生器的分类1.3.1 正弦信号发生器正弦信号主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。 按频率覆盖范围分为低频信号发生器、高频信号发生器和微波信号发生器；按输出电平可调节范围和稳定度分为简易信号发生器（即信号源）、标准信号发生器（输出功率能准确地衰减到-100分贝毫瓦以下）和功率信号发生器（输出功率达数十毫瓦以上）；按频率改变的方式分为调谐式信号发生器、扫频式信号发生器、程控式信号发生器和频率合成式信号发生器等。低

16、频信号发生器：包括音频（20020000赫）和视频 （1赫10兆赫）范围的正弦波发生器。主振级一般用RC式振荡器，也可用差频振荡器。为便于测试系统的频率特性，要求输出幅频特性平和波形失真小。高频信号发生器：频率为 100千赫30兆赫的高频、30300兆赫的甚高频信号发生器。一般采用 LC调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。主要用途是测量各种接收机的技术指标。输出信号可用内部或外加的低频正弦信号调幅或调频，使输出载频电压能够衰减到1微伏以下。微波信号发生器：从分米波直到毫米波波段的信号发生器。信号通常由带分布参数谐振腔的超高频三极管和反射速调管产生，但有逐渐被微波晶体管、场效应管和耿

17、氏二极管等固体器件取代的趋势。仪器一般靠机械调谐腔体来改变频率，每台可覆盖一个倍频程左右，由腔体耦合出的信号功率一般可达10毫瓦以上。简易信号源只要求能加1000赫方波调幅，而标准信号发生器则能将输出基准电平调节到1毫瓦，再从后随衰减器读出信号电平的分贝毫瓦值；还必须有内部或外加矩形脉冲调幅，以便测试雷达等接收机。扫频和程控信号发生器：扫频信号发生器能够产生幅度恒定、频率在限定范围内作线性变化的信号。在高频和甚高频段用低频扫描电压或电流控制振荡回路元件（如变容管或磁芯线圈）来实现扫频振荡；在微波段早期采用电压调谐扫频，用改变返波管螺旋线电极的直流电压来改变振荡频率，后来广泛采用磁调谐扫频，以Y

18、IG铁氧体小球作微波固体振荡器的调谐回路，用扫描电流控制直流磁场改变小球的谐振频率。扫频信号发生器有自动扫频、手控、程控和远控等工作方式。频率合成式信号发生器：这种发生器的信号不是由振荡器直接产生，而是以高稳定度石英振荡器作为标准频率源，利用频率合成技术形成所需之任意频率的信号，具有与标准频率源相同的频率准确度和稳定度。输出信号频率通常可按十进位数字选择，最高能达11位数字的极高分辨力。频率除用手动选择外还可程控和远控，也可进行步级式扫频，适用于自动测试系统。直接式频率合成器由晶体振荡、加法、乘法、滤波和放大等电路组成，变换频率迅速但电路复杂，最高输出频率只能达1000兆赫左右。用得较多的间接

19、式频率合成器是利用标准频率源通过锁相环控制电调谐振荡器（在环路中同时能实现倍频、分频和混频），使之产生并输出各种所需频率的信号。这种合成器的最高频率可达26.5吉赫。高稳定度和高分辨力的频率合成器，配上多种调制功能（调幅、调频和调相），加上放大、稳幅和衰减等电路，便构成一种新型的高性能、可程控的合成式信号发生器，还可作为锁相式扫频发生器。1.3.2 函数发生器函数发生器又称波形发生器。它能产生某些特定的周期性时间函数波形（主要是正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号。频率范围可从几毫赫甚至几微赫的超低频直到几十兆赫。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。1.3

20、.3 脉冲信号发生器用于产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。脉冲发生器主要由主控振荡器、延时级、脉冲形成级、输出级和衰减器等组成。主控振荡器通常为多谐振荡器之类的电路，除能自激振荡外，主要按触发方式工作。通常在外加触发信号之后首先输出一个前置触发脉冲，以便提前触发示波器等观测仪器，然后再经过一段可调节的延迟时间才输出主信号脉冲，其宽度可以调节。有的能输出成对的主脉冲，有的能分两路分别输出不同延迟的主脉冲。1.3.4 随机信号发生器随机信号发生器分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。 噪声信号

21、发生器： 完全随机性信号是在工作频带内具有均匀频谱的白噪声。常用的白噪声发生器主要有：工作于1000兆赫以下同轴线系统的饱和二极管式白噪声发生器；用于微波波导系统的气体放电管式白噪声发生器；利用晶体二极管反向电流中噪声的固态噪声源（可工作在18吉赫以下整个频段内）等。噪声发生器输出的强度必须已知，通常用其输出噪声功率超过电阻热噪声的分贝数（称为超噪比）或用其噪声温度来表示。噪声信号发生器主要用途是：在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统的性能；外加一个已知噪声信号与系统内部噪声相比较以测定噪声系数；用随机信号代替正弦或脉冲信信号，以测试系统的动态特性。例如，用白噪声

22、作为输入信号而测出网络的输出信号与输入信号的互相关函数，便可得到这一网络的冲激响应函数。 伪随机信号发生器：用白噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，则会出现统计性误差，这可用伪随机信号来解决。当二进制编码信号的脉冲宽度墹T足够小，且一个码周期所含墹T数N很大时，则在低于fb=1/墹T的频带内信号频谱的幅度均匀，称为伪随机信号。只要所取的测量时间等于这种编码信号周期的整数倍，便不会引入统计性误差。二进码信号还能提供相关测量中所需的时间延迟。伪随机编码信号发生器由带有反馈环路的n级移位寄存器组成，所产生的码长为 N2-1 。1.4 课题的意义随着科学技术的发展，在测量领域中需要不断更

23、新测量设备，以满足越来越高的测量要求。在我国，传统仪器技术还比较落后，目前有大批陈旧的测试仪器等待更新。这些仪器的测量精度和可靠性均低于国外，并且自动化程度较低。高档仪器基本上依靠国外进口，每年都消耗国家大量外汇。然而，花大量资金购买的仪器，可能我们只需要其中的一部分功能，同时有些其他应用的功能要求，该仪器却满足不了。这些情况无疑是大大浪费了投资。设想要是能将仪器稍微改动以实现更大的使用范围该多好。但是这对于传统仪器来说是非常困难的。虚拟仪器的出现，将彻底改变这种局面。利用计算机丰富的软硬件资源，用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。数字信号发生器是在科

24、学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。目前高精度、具有数据存储能力的信号发生器，生产工艺复杂，价格昂贵。所以虚拟数字存储信号发生器的设计有一定的经济价值;虚拟信号发生器能充分发挥虚拟仪器结构简单、功能丰富、价格低廉、能重复开发、可用户自定义的优势。设计的虚拟数字存储信号发生器，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，具有一定的研究意义。2 虚拟仪器和Labview简介2.1 虚拟仪器概述2.1.1 虚拟仪器产生背景当今我们处于一个正在高度发展的信息社会，要求在有限的时空上实现大量信息的交换，必然带来信息密度的急剧增大，要求电子系统对于信息的处理速度越来越高

25、，功能越来越强，这使得系统结构日趋复杂。对体积、耗电和价格的要求使得系统及IC的集成度越来越高，同时激烈的市场竞争使得产品价格及研制生产周期缩短，传统的测试仪器已经越来越不能满足时代的要求，主要表现在以下几个方面：1、要求测试仪器不仅能单独测量某个电量，而且测试仪器之间必须具备控制通道和数据交换通道，以便完成对各个被测量同时进行自动分析、信息综合及准确判断，传统的测试仪器在这方面受到极大的限制。2、微处理器和DSP技术的飞速发展及它们价格的不断降低，改变了传统的电子设计概念，原来许多由硬件完成的功能现在逐步由运行在微处理器和DSP芯片上的软件来完成，这样给产品带来了巨大的好处：自动化、程序高、

26、可靠性高、价格低、容易升级、系统具有宽适应范围的柔性结构、可维护性好等等。硬件软化的设计方法对当今测试仪器的设计产生了深刻的影响。3、良好的人机界面的要求促进了传统测试仪器的改造。对于越来越复杂的被测系统，如果仍然使用传统的测试仪器必然会需要众多的仪器设备，面对各个生产厂家的不同设备，使用者需要学习不同设备的使用方法后方可使用。这样的测试仪器不仅使用效率及利用效率都很低，而且硬件存在巨大的冗余。4、微计算机的广泛使用，给基于微计算机的测试仪器提供了巨大的市场，人们在使用计算机及测试仪器时越来越明显的感觉到测试仪器的许多功能不仅可以由已有的计算机来完成，而且需要增加某种测试功能时，只增加少量的模

27、块化功能硬件即可，同时基于微计算机的测试仪器具有更多的优点。可见，一方面电子技术及市场的发展从客观上要求测试仪器向自动化及柔性化的方向发展，另一方面，电子技术及市场的发展也给虚拟仪器的产生提供了可能。在这种形式下，基于微计算机的虚拟仪器逐步变得现实，它的出现和广泛使用为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且使工程师们在测量和控制方面得到强大功能和灵活性。2.1.2虚拟仪器概念虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)的概念是由美国国家仪器公司(NI)在20世纪80年代最早提出的。虚拟仪器就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现

28、的一种计算机仪器系统。其核心的思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测试系统到以软件为中心的测试系统的根本性转变。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响。虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器可广泛应用于电子测量、电

29、力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。2.1.3 虚拟仪器的分类虚拟仪器随着计算机的发展和采用总线方式的不同，一般可分为五种类型。如图2.1所示。图2.1 虚拟仪器的分类1、PC总线插卡型虚拟仪器这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LABVIEW相结合。美国NI公司的LABVIEW是图形化编程工具，它可以通过各种控件自己组建各种仪器。LABVIEW/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言Visual C+, Visual Basic, LABVIEW/cvi构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利

30、。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。2、并行口式虚拟仪器最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC

31、机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。3、GPIB总线方式的虚拟仪器GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪

32、器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。4、VXI总线方式虚拟仪器VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。5、PXI总线方式虚拟仪器PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。PXI的高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统