基于Labview的信号发生器设计毕业论文.docx

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基于Labview的信号发生器设计毕业论文

毕业设计（论文）

题目：

基于虚拟仪器的信号发生器设计

学生姓名

学号

专业班级

分院（系）

指导教师（职称）

2010年6月

诚信承诺书

本人谨此承诺，本人所写毕业设计（论文）均由本人独立撰写，无任何抄袭行为。

凡涉及他人的观点材料，均作了注释。

如出现抄袭或侵犯他人知识产权的情况，愿承担由此引起的任何责任，并接受相应的处分。

学生签名：

年月日

基于虚拟仪器的信号发生器设计

【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，形成的一种新的仪器模式。

本设计采用USB6211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、锯齿波及PWM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，给出了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、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

Thedesignofsignalgeneratorbasedonvirtualinstrument

【Abstract】Virtualinstrumentisformedbytheinstrumenttechnology,computertechnology,bustechnologyandsoftwaretechnology.Powerfuldigitalprocessing’sabilityofcomputerisusedtoachievethemainfunctionsofinstrument.Virtualinstrumentbroketheframeworkofthetraditionalinstruments,andbuiltanewdevicemodel.ThisdesignusesUSB6211dataacquisitioncard.Thevirtualinstrumenttechnologyhasbeenutilizedinthedesignofsignalgenerator.Thesystemhasabilitytoproducesinewave,squarewave,andtrianglewave,sawtoothwaveandPWMwave.Thisarticlesummarizesthedevelopmentandtrendofthesignalgeneratorandvirtualinstrumentathomeandabroadatfirst.Andthenintroducesthetheoryofsignalgenerator,givesabasicblockdiagramofsignalgenerator,alsotheframestructureandLABVIEWdevelopmentplatformofthevirtualinstrumentwiththeinquiryofthebus’sstandard.Basedontheanalysisofthissystem’sfunctionalrequirements,thisarticleintroducesthehardwareandtechnologywhichinvolvedindesignofthedataacquisitioncardandtheLABVIEW’sprogrammingdesignisanattemptofvirtualinstrumenttosimulatetherealityinstrument.Itshowsthevirtualinstrumentisanexcellentsolutiontoachievethetaskwhichisachievedbytraditionalhardwareinthepast.

【KeyWords】VirtualInstruments，DataAcquisitionCards，SignalGenerators，LABVIEW

图目录

1绪论

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]。

1.1.1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。

其基本原理如图所示。

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图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。

1.1.2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（NationalInstruments，NI）提出了虚拟仪器（VirtualInstrument，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[2]。

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[3]。

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限制和昂贵的价格，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[4]。

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（PulseWidthModulation）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。

2虚拟仪器

虚拟仪器的概述

虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司最先提出的[5]。

所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等，可集成于自动控制、工业控制系统之中，可自由构建成专有仪器系统。

虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。

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[6]。

虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件和测量仪器等硬件资源与计算机软件资源有机的结合起来。

2.1.1虚拟仪器的特点及优势

虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心[7]，如图所示，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开发与仪器的硬件变化无关。

这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。

虚拟仪器中应用程序将可选硬件和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。

由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。

这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源[8]。

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图虚拟仪器开发框图

虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。

虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。

它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据，它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户经简单培训即可迅速掌握操作规程。

2.1.2虚拟仪器与传统仪器的比较

虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势。

在高速度、高带宽和专业测试领域，独立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独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的强项，这是传统的独立仪器难以胜任的。

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限制，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。

2.1.3虚拟仪器系统的组成

虚拟仪器是基于计算机的仪器。

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。

这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是智能化仪器。

随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。

另一种方式是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式[9]。

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。

如图所示。

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图虚拟仪器的内部功能的划分

对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成。

对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。

与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，使设计工作量大大减小。

通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件、通用计算机、打印机等构成。

系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发语言编写而成，并可通过Internet实现网络扩展。

2.1.4虚拟仪器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）、GPIB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，如图所示。

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图虚拟仪器构成方式

1）DAQ（DataAcquisition）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（GeneralPurposeInterfaceBus）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和，它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配备了遵循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（VMEbuseXtensionforInstrumentation）是VME总线在仪器领域的扩展，上个世纪1993年VXI总线版本被批准为IEEE-1155标准，成为开放式工业标准。

仪器专用总线在吸收IEEE-488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（PCIeXtensionForInstrumentation）是CompactPCI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CompactPCI结构和MicrosoftWindows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虚拟仪器的软件结构

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LabWindows/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。

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图虚拟仪器软件结构

虚拟仪器的开发软件

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、VisualC++、VisualBasic等通用程序开发语言。

但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的，除了要花大量时间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。

这些工作对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员来说，需要花费大量时间和精力，这样直接影响了系统开发的周期和性能。

除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有：

NI公司的LABVIEW和LabWindows/CVI。

LABVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。

LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的，是在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。

除此以外还有HP公司的HP-VEE，HP-TIG开发平台，美国Tektronix公司的Ez-Test，Tek-TNS平台软件，这些都是国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台[11]。

2.2.2图形化虚拟仪器开发平台——LABVIEW

LABVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineering）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[11]。

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，可产生独立运行的可执行文件，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、MacintoshOS等多种版本[12]。

2.2.3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（FrontPanel）、流程图（BlockDiagram）以及图标/连结器（Icon/Connector）三部分[13]。

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[14]。

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