基于labview的函数信号发生器的设计.docx

基于labview的函数信号发生器的设计.docx

《基于labview的函数信号发生器的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于labview的函数信号发生器的设计.docx（12页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于labview的函数信号发生器的设计

基于labview的函数信号发生器的设计

[摘要]介绍一种基于labvIEW环境下自行开发的虚拟函数信号发生器，它不仅能够产生实验室常用的正弦波、三角波、方波、锯齿波信号，而且还可以通过输入公式，产生测试和研究领域所需要的特殊信号。

对任意波形的发生可实现公式输入；对信号频率、幅度、相位、偏移量可调可控；方波占空比可以调控；噪声任意可加、创建友好界面、信号波形显示；输出频谱特性；所有调制都可微调与粗调。

该仪器系统操作简便，设计灵活，功能强大,可以完成不同环境下的测量要求。

因此具有很强的实用性。

关键词：

虚拟仪器，labvIEW，虚拟函数信号发生器，正弦波，三角波，方波，锯齿波，特殊信号。

引言：

在有关电磁信号的测量和研究中，我们需要用到一种或多种信号源，而函数信号发生器则为我们提供了在研究中所需要的信号源。

它可以产生不同频率的正弦波，方波，三角波，锯齿波，正负脉冲信号，调频信号，调幅信号和随机信号等。

其输出信号的幅值也可以按需要进行调节。

传统信号发生器种类繁多，价格昂贵，而且功能固定单一，不具备用户对仪器进行定义及编程的功能，一个传统实验室很难拥有多类信号发生器。

然而，基于虚拟仪器技术的实验室均能满足这一要求。

1虚拟仪器简介:

自从1986年美国NI（NationalInstrument）公司提出虚拟仪器的概念以来,随着计算机技术和测量技术的发展,虚拟仪器技术也得到很快的发展。

虚拟仪器是指:

利用现有的PC机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件,形成既有普通仪器的基本功能,又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。

与传统的仪器相比其特点主要有:

具有更好的测量精度和可重复性;测量速度快;系统组建时间短;由用户定义仪器功能;可扩展性强;技术更新快等。

虚拟仪器以软件为核心,其软件又以美国NI公司的Labview虚拟仪器软件开发平台最为常用。

Labview是一种图形化的编程语言,主要用来开发数据采集，仪器控制及数据处理分析等软件,功能强大。

目前,该开发软件在国际测试、测控行业比较流行,在国内的测控领域也得到广泛应用。

函数信号发生器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。

下面结合一个虚拟函数信号发生器设计开发具体介绍基于图形化编程语言Labview的虚拟仪器编程方法与实现技术。

2虚拟函数信号发生器的结构与组成

2.1虚拟函数信号发生器的前面板

本虚拟函数信号发生器主要由一块PCI总线的多功能数据采集卡和相应的软件组成。

将它们安装在一台运行Windows95/98/2000/NT以上版本的PC机上，即构成一台功能强大的函数信号发生器。

本虚拟函数信号发生器的设计参考了SG1645功率函数信号发生器，前面板如图NI-1所示。

本函数信号发生器的前面板主要由以下几个部分构成：

仪器控制按钮，输出频率控制窗口（包括频率显示单位），频率倍成控制，公式选择，波形选择（如AM波，DSB波），频率微调按钮，直流偏置，偏移量，初相位，采样信息，频谱分析，方波占空比调节，输出波形幅度控制按钮。

频率微调范围：

0.1～1Hz；直流偏置：

-10～10V；方波占空比：

0～100%；输出波形幅度：

0～10V。

此外还增加了许多修饰性的元件如面板上的压控输入、记数输入、同步输出、电压输出等。

使用这些修饰性的元件的目的是为了增加仪器的美观性，并尽量与真实仪器的使用界面相一致。

图1基于labvIEW函数信号发生器的前面板

2.2虚拟函数信号发生器的程序框图

2.2.1该程序框图的主要部分

（1）控制启动和停止的Case条件结构；

（2）偏移量控制模块；

（3）频率控制模块；

（4）幅度控制模块；

（5）常用波形（正弦波，方波，三角波，公式波形）控制模块；

（6）特殊波形（AM波，DSB波）控制模块；

（7）相位控制模块；

（8）占空比控制模块；

（9）采样信息控制模块；

（10）信号发生波形模块；

（11）频谱分析模块；

（12）其他的线路及模块。

图2基于labvIEW函数信号发生器的程序框图

2.1.2主要部件介绍

1.选择函数

依据s的值，返回连线至t输入或f输入的值。

s为TRUE时，函数返回连线至t的值。

s为FALSE时，函数返回连线至f的值。

连线板可显示该多态函数的默认数据类型。

2.正弦波形VI

生成含有正弦波的波形。

正弦波形详细信息：

如Y序列表示正弦波，则该VI依据下列等式生成波形。

y[i]=amp×sin（phase[i]），i=0,1,2,…,n–1，

amp=幅值，n=采样数（#s），相位[i]为：

初始相位+频率×360.0×i/Fs

3.方波波形VI

生成含有方波的波形。

方波波形详细信息

如Y序列表示方波，该VI依据下列等式生成波形。

y[i]=amp×方波（相位[i]），i=0,1,2,…,n–1，

amp=幅值，n=采样数（#s），方波[p]为：

1.0，0pmod<（0.01×duty）×360.0

或

-1.0，（0.01×duty）×360.0pmod<360.0

pmod=pmodulo360.0，duty=占空比（%），相位[i]为：

初始相位+频率×360.0×i/Fs

4.三角波形VI

生成含有三角波的波形。

三角波形详细信息

如Y序列表示三角波，则该VI依据下列等式生成波形。

y[i]=amp×tri（phase[i]），i=0,1,2,…,n–1，

amp=幅值，n=采样数（#s），tri[p]为：

2×pmod/180.0，0pmod<90.0或

2×（1–pmod/180.0），90.0pmod<270.0

或

2×（pmod/180.0–2.0），270.0pmod<360.0

pmod=pmodulo360.0，相位[i]为：

初始相位+频率×360.0×i/Fs

5.锯齿波形VI

生成含有锯齿波的波形。

锯齿波形详细信息

如Y序列锯表示齿波，则该VI依据下列等式生成波形。

y[i]=amp×锯齿波形（相位[i]），i=0,1,2,…,n–1，

amp=幅值，n=采样数（#s），锯齿波形（相位[i]）为：

pmod/180.0，0pmod<180.0

或

pmod/180.0-2.0，180.0pmod<360.0

pmod=pmodulo360.0，相位[i]为：

初始相位+频率×360.0×i/Fs

6.公式波形VI

通过公式字符串指定要使用的时间函数，创建输出波形。

7.均匀白噪声波形VI

生成均匀分布的伪随机波形，值在[–a:

a]之间。

a是幅值的绝对值。

8.频谱测量ExpressVI

进行基于FFT的频谱测量（例如，信号的平均幅度频谱、功率谱、相位谱）。

2.2.2对各个模块进行分析

①波形选择模块

通过布尔控制选择器的输出值再对所有的选择器的输出进行累加得出最后的结果进入Case条件结构。

例如要输出正弦波：

正弦波的布尔亮输出1；其他都输出0；累加以后还是1；通过这个“1”进入Case条件结构进行判断。

程序框图如图3:

②Case条件结构

在Labview程序框图的编程里面选择结构中的条件结构。

在各个分支中设置选择各种波形以及各种波形的参数、控件设置。

以方波为例：

设置方波的偏移量、频率、幅度、初相位、占空比、采样信息等控件。

程序框图如图4

图3波形选择图4Case条件结构

③添加噪声

利用布尔控件控制条件的分支是否添加噪声，并且控制噪声的幅度。

这儿用了加性噪声。

程序框图如图5

④AM波的产生

根据AM波的波形原理及特性。

AM波的公式是：

是调试波频率

是载波频率所以设置载波频率相对调试频率要高5~10倍，这里取40Hz、幅度取1V、相位为0、

=1；在利用公式对载波和调试波执行整合。

程序框图如图6

⑤DSB波产生及滤波输出

根据DSB波的原理和特性。

其公式是：

是调试波频率

是载波频率载波参数如同上面AM波的参数。

滤波器：

由加了噪声的DSB波出了的波形经过海明窗在用FFT滤波输出频谱波形。

如图7

图5噪声程序框图图6AM波产生的程序框图

图7DSB波产生及滤波输出程序框图

3功能描述：

（1）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。

（2）任意波形的发生,任意波可实现公式输入;信号频率、幅度、相位、偏移量可调可控;方波占空比可调;噪声任意可加、创建友好界面、信号波形显示;输出频谱特性;所有调制都可微调与粗调。

可以完成不同环境下的测量要求。

（3）接下来看几个实例，进一步了解它的功能。

例1利用该虚拟函数信号发生器产生一个公式波形，以及对应的AM波、DSB波和频谱图。

如下图所示。

例2不加噪声的输出波形与加噪声的输出波形的不同已经对应频谱的分析

未添加噪声的波形

添加了加性噪声的波形

1、上面两图相比较得出：

加噪声相比未噪声的明显的波形波不光滑、有些起伏波动，频谱也有一些小偏差和波动。

2、频谱的分析：

例子中调试波频率

为10Hz、载波频率

是40Hz所以双边带的左边的谱线对应的频率为：

40-10=30Hz；有边带谱线对应频率为：

40+10=50HZ。

由图中的时间轴的刻度可知左谱线在0.03s；右谱线在0.05s左右；转换成频率得：

1/0.03=33Hz1/0.05=20Hz跟理论的频率差不多。

但是还是有点误差。

就是把波形图控件的属性里的缩放系数改为采样率除以采样数据长度，然后便可实现频率与频谱的坐标对应了....忽略此处..