基于LABVIEW的虚拟函数信号发生器.docx
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基于LABVIEW的虚拟函数信号发生器
CHENGNANCOLLEGEOFCUST
毕业设计(论文)
题目基于LABVIEW的虚拟函数信号发生器
的设计与研究
学生:
滨
学号:
5
班级:
255710501
专业:
电子信息工程
指导教师:
席燕辉
2009年6月
基于LABVIEW的虚拟函数信号发生器的设计与研究
学生:
滨
学号:
5
班级:
255710501
所在院(系):
电气与信息工程
指导教师:
席燕辉
完成日期:
2009.6.11
城南学院
毕业设计(论文)任务书
电气与信息工程系电子信息工程专业255710501班
题目基于LABVIEW的虚拟函数信号发生器的设计与研究
任务起止日期:
2009年3月16日~2009年6月19日
学生姓名滨学号5
指导教师席燕辉
教研室主任年月日审查
院长年月日批准
一、毕业设计(论文)任务
课题容
设计一个基于LABVIEW的虚拟示波器电路,要求能完成对输入信号的电压、频率和周期等参数测量,同时可以利用FFT窗口对波形进行频谱分析,可以实现单、双通道现实波形,并可以对波形运算后进行输出,并显示测量值。
要求:
通过本课题的研究,学生掌握软件的基本操作,
课题任务要求
通过本课题的研究,学生掌握LABVIEW软件的基本操作,虚拟示波器电路的全设计过程,以与LABVIEW测量和控制系统中的应用。
加强学生的动手能力以与主动发现分析与解决问题的能力。
课题完成后应提交的资料(或图表、设计图纸)
1.毕业设计(论文)任务书;
2.翻译资料(包括英文原文复印件和翻译后的中文word文档);
3.毕业设计(论文)全文,装订文稿与电子版;
4.毕业设计(论文)开题报告;
5.软盘。
主要参考文献与外文翻译文件(由指导教师选定)
[1]SmithKC,SedraA,Thecurrentconveyor-anewcircuitbuildingblock,IEEEproc,1968,56(8):
1368-1369.
[2]SedraA,SmithKC,Modifiedcurrentconveyorsandtheirapplications,IEEE,1970,CT-7:
132-134.
[3]ToumazonC,LidgeyFJ,Universalactivefilterusingcurrentconveyors,Electronlett,1986,22(7):
662-664.
[4]陆崎容.基于虚拟仪器技术个人实验室的构建[M].:
电子工业,2006.42-61.
[5]邓焱王磊.LabVIEW7.1测试技术与仪器应用[M].:
机械工业,2005..
[6]乐平海涛磊.LabVIEW程序设计与应用(第二版)[M].:
电子工业,2006.215-233.
[7]戴鹏飞.测试工程与Labview应用[M].:
电子工业,2006..
[8]RobertHBishop.LabVIEW7实用教程[M].:
电子工业,2005..
[9]NaworockiR.Electronicallytunableall-polelowpassleapfrogladderfilterwithoperationaltransconductanceamplifier,IntJEle,1987,62(5):
667-672.
[10]DeQueriozAC,CalobaLP,Sanchez-sinencioE,SignalflowgraphOTA-Cintegratedfilters,ProcIEEEIntSympCAS,1988,2165-2168.
同组设计者
注:
1.此任务书由指导教师填写。
如不够填写,可另加页。
2.此任务书最迟必须在毕业设计(论文)开始前一周下达给学生。
3.此任务书可从教务处网页表格下载区下载
二、毕业设计(论文)工作进度计划表
序号
毕业设计(论文)工作任务
工作进度日程安排
周次
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
1
查阅参考文献
4
-
2
撰写开题报告
5
-
3
总体方案设计
6-7
-
-
4
确定具体工作
8-9
-
-
5
制定详细计划
10
-
6
熟悉相关工具
11
-
7
详细电路细节设计
12
-
8
撰写论文
13-14
-
-
9
毕业答辩并修改论文
15-16
-
-
10
总结
17
-
注:
1.此表由指导教师填写;
2.此表每个学生人手一份,作为毕业设计(论文)检查工作进度之依据;
3.进度安排请用“一”在相应位置画出。
三、学生完成毕业设计(论文)阶段任务情况检查表
时间
第一阶段
第二阶段
第三阶段
容
组织纪律
完成任务情况
组织纪律
完成任务情况
组织纪律
完成任务情况
检
查
记
录
教师
签字
签字日期
签字日期
签字日期
注:
1.此表应由指导教师认真填写。
阶段分布由各学院自行决定。
2.“组织纪律”一档应按《理工大学学生学籍管理实施办法》精神,根据学生具体执行情况,如实填写。
3.“完成任务情况”一档应按学生是否按进度保质保量完成任务的情况填写。
包括优点,存在的问题与建议
4.对违纪和不能按时完成任务者,指导教师可根据情节轻重对该生提出忠告并督促其完成。
四、学生毕业设计(论文)装袋要求:
1.毕业设计(论文)按以下排列顺序印刷与装订成一本(撰写规见教务处网页)。
(1)封面
(2)扉页
(3)毕业设计(论文)任务书(4)中文摘要
(5)英文摘要(6)目录
(7)正文(8)参考文献
(9)致(10)附录(公式的推演、图表、程序等)
(11)附件1:
开题报告(文献综述)(12)附件2:
译文与原文影印件
2.需单独装订的图纸(设计类)按顺序装订成一本。
3.修改稿(经、管、文法类专业)按顺序装订成一本。
4.《毕业设计(论文)成绩评定册》一份。
5.论文电子文档[由各学院收集保存]。
学生送交全部文件日期
学生(签名)
指导教师验收(签名)
摘要
随着计算机软、硬件的发展,计算机与外设之间的数据通信越来越频繁,也越来越便利,虚拟仪器应运而生。
从本质上来说,虚拟仪器是仪器技术与计算机技术深层次结合的产物,它强调“软件是仪器”的概念,使用户能够根据自己的需要定义仪器功能,更好的组建自己所需要的测试系统。
它是按照信号的处理与采集,数据的分析,结果的输出与显示的结构模式来建立通用信号处理硬件平台。
本文就是在这个通用信号处理硬件平台,进行了基于LABVIEW的虚拟函数信号发生器的设计,设计基于LabWIEW软件的虚拟函数信号发生器(能够产生实验室常用的正弦波、三角波、方波、锯齿波信号与白噪声和多频波,任意公式波),并在以设计好的虚拟信号发生器的基础上对所产生的信号做自相关分析,积分,微分分析与相应的频谱分析。
关键词:
虚拟仪器;Labview;虚拟函数信号发生器
THEDESIGNANDRESEACHOFVIRTUALFUNCTIONSIGNALGENERATORBASEDONLABVIEW
ABSTRACT
Withthecomputerhardwareandsoftwaredevelopment,computerperipheralsanddatacommunicationbecomemoreandmorefrequentlyandmoreconvenient,virtualinstrumentcameintobeing.thevirtualinstrumentisadevicetechnologyandcomputertechnologycombinedwiththeproductofdeep-seated,itstressedconceptthat"softwareistheinstrument",allowinguserstodefinefunctiontheirownneedstosetuptheirowntestsystem.Itisinaccordancewiththesignalprocessingandcollection,dataanalysis,theresultsshowthatthestructureofoutputandthemodeltothedevelopmentofacommonsignalprocessinghardwareplatform.
Thisarticleisinthecommonsignalprocessinghardwareplatform,thedesignandresearchofvirtualfunctionsignalgeneratorbasedonLABVIEW(commonlyusedinthelaboratorycanproducesinewave,trianglewave,squarewave,sawtoothsignalandwhitenoiseandmulti-frequencywave,arbitrarywaveequation),anddesignedinavirtualsignalgeneratorbasedonthesignalgeneratedbyautocorrelationanalysis,integral,differentialanalysisandthecorrespondingspectralanalysis.
Keywords:
virtualinstrument;Labview;virtualfunctionsignalgenerator
参考文献33
致34
附录…………………………………………………………………………….…..35
附件
附件1开题报告(文献综述)
附件2译文与原文影印件
第1章绪论
1.1课题背景与意义
虚拟仪器在许多企业、科研单位被用于产品测试和测控系统,另外,包括一些著名高校在的许多学校不仅建立了基于虚拟仪器的实验室,而且还开设了LabVIEW编程的课程。
例如清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统,用于汽车发动机的出厂检验,主要检测发动机的功率特性、负荷特性等华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示,供远程教育使用联合大学基于虚拟仪器的设计思路,研制了“航空电台二线综合测试仪”,将台仪器集成于一体,组成虚拟仪器系统复旦大学、交通大学、暨南大学等一批高校,也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。
国专家预测未来的几年,我国将有的仪器为虚拟仪器。
国将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时检测。
随着微型计算机的发展,虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。
虚拟仪器技术的提出与发展,标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。
虚拟仪器技术为教学双方都提供了很好的舞台。
其容新,反映了当前测量技术的发展方向;涉与面广,包括数学、物理、电工电子技术、计算机软硬件、信号处理与相关专业的测试技术。
它要求学生在理论与实际结合的基础上解决一两个测试问题,同时为学生的创造性学习提供充分的空间[1]。
目前,我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期,对仪器设备的需求将更加强劲。
虚拟仪器赖以生存的计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国,这为虚拟仪器的发展莫定了基础。
虚拟仪器作为传统仪器的替代品,市场容量巨大。
据专家预测,到本世纪初我国将有的仪器为虚拟仪器。
发达国家虽然在此领域比我国起步较早,但差距并不是很大,我们应当充分把握时机,取长补短,学习国外先进经验,将我国的虚拟仪器产业水平逐渐向先进国家靠拢。
1.2波形发生器的发展概况
波形发生器是应用在测试设备、信号接收设备等装置中的一种信号源。
早在二十年代,当电子设备刚开始出现的时候,信号发生器就出现了。
随着电子技术的巨大进步,波形发生器根据其关键技术—频率合成技术的角度,大致可以划分成三代。
第一代的波形发生器采用的是直接模拟频率合成(DireetAnalogFrequeneysynthesis,简称DAFs)技术[2]。
该技术原理简单,易于实现。
它由模拟振荡器产生参考频率源,经谐波发生器产生一系列谐波,再经混频、分频和滤波等处理产生大量的离散频率。
其结构如图1.1所示:
图1.1直接模拟频率合成框图
根据所使用的参考频率的数目不同可分为非相关合成方法和相关合成方法两种类型。
非相关合成方法使用多个晶体参考频率源,所需的各种频率分别由这些参考源提供;相关合成方法只是用一个晶体参考频率源,所需的各种频率都由它经过分频、混频和倍频后得到,因而合成器输出频率的稳定性和精度与参考源一样。
采用这种技术制作的函数发生器的优点是频率转换时间短、相位噪声低,但由于采用大量的混频、分频、倍频和滤波等模拟硬设备,使频率合成器的体积大、成本高、结构复杂、容易产生杂散分量,大多数硬件的非线性影响难于抑制。
第二代的波形发生器采用的是模拟电路技术,其频率控制部分主要采用的是基于锁相环(PhaseLockedLoop,简称PLL)的间接频合成技术[2J[,J[4j。
PLL是间接频率合成技术中的一个关键部分,它是一个负反馈环路,是一个实现相位自动锁定的控制系统,其输出信号与参考信号相位同步。
原理如图1.2所示。
图1.2锁相环原理框图
该频率合成技术是利用一个或几个参考频率源,通过谐波发生器和分频器等产生大量谐波或组合频率,然后用PLL把压控振荡器的频率锁定在某一谐波或组合频率上。
这种波形发生器的优点是频率稳定和杂散抑制好,调试简便。
但由分立组件构成的振荡电路和整形电路,在产生各种波形时,由于其锁相存在捕获时间问题,其频率切换速度比直接合成慢而且频率间隔不可能做的很小。
采用这种技术的波形发生器电路结构复杂、体积庞大、准确度较差,而且仅能产生正弦波、方波、三角波等几种简单波形,难以产生较为复杂的波形信号。
目前市场上的基本属于第三代波形发生器,它们普遍采用的是DDS技术[5][6]。
DDs是从相位概念出发直接合成所需要波形的一种新的频率合成原理。
随着高速大规模集成电路技术的发展,DDS技术日益显露出它的优越性。
基于DDS技术的任意波形发生器利用高速存储器作为查找表,通过高速D/A转换器对存储器的数据进行合成,它不仅可以产生正弦波、方波、三角波和锯齿波等规则波形,而且还可以通过上位机或下位机编辑,产生真正意义上的任意波形。
例如,它能模拟编码雷达信号、潜水艇特征信号、磁盘数据信号、机械振动瞬变过程、电视信号以与神经脉冲之类的波形,也能重演由数位示波器捕获的波形。
其典型结构如图1.3所示:
图1.3直接数字频率合成结构图
采用DDS技术实现的任意波形发生器具有以下优点:
1、频率分辨率高,输出频点多,可达2“个频点(假设DDS相位累加器的字长是N);
2、频率切换速度快,可达us量级;
3、频率切换时相位连续;
4、可以输出带宽正交信号;
5、输出相位噪声低,对参考频率源的相位噪声有改善作用;
6、可以产生任意波形;
7、全数字化实现,便于集成,体积小,重量轻。
它在相对带宽、频率转换时间、相位连续、正交输出、高分辨率以与集成化等一系列性能指标方面,己远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平,完成了频率合成技术的又一次飞跃。
用这种方法产生线性调频信号与其它复杂波形信号的技术日益受到重视,并得到广泛的应用。
[3]
1.3本文主要论文
本文主要阐述虚拟仪器技术的概念和基本设计思路,设计基于LabWIEW软件的虚拟函数信号发生器(能够产生实验室常用的正弦波、三角波、方波、锯齿波信号与白噪声和多频波,任意公式波),并在以设计好的虚拟信号发生器的基础上对所产生的信号做自相关分析,积分,微分分析与相应的频谱分析。
第1章.主要阐述了课题研究的背景、研究意义以与本文的主要研究工作。
第2章.叙述了近年来在仪器测试领域出现的新型仪器—虚拟仪器的概念、特点、发展现状与构建技术,同时介绍了用于虚拟仪器开发的集成软件LabWIEW,以与VI(VirtualInstrument)的概念LabVIEW创建仪器的一般过程
第3章.对本文采用的编程软件La合实例对LabVIEW中具体的编程方式、设计模式以与bVIEW的特征进行简单介绍,这也是本文选用该软件作为主要软件开发环境的原因。
然后结多线程技术、同步控制等在我们开发实际中运用到的技术做一一的研究和介绍。
第4章.虚拟函数信号发生器的设计。
本章主要二个部分。
第一个部分分为八个模块,分别介绍了基本函数波形产生模块多频信号产生模块、任意公式波形产生模块、噪声信号产生模块、正弦波仿真信号发生器模块、自相关函数演示模块、虚拟正弦波频谱分析仪模块、虚拟积分器与微分器模块。
第二个部分介绍了虚拟函数信号发生器总体设计思路与其流程图。
第2章虚拟仪器技术
本章将对虚拟仪器技术概念进行深入探讨,对虚拟仪器软硬件构成方案进行研究。
在对比各方案特点的基础上,结合实际情况,确定本文校准系统的硬件构成方案以与使用的软件开发平台的选择。
2.1虚拟仪器概述
什么是虚拟仪器(VirtualInstrument),国外专家从不同角度描述了虚拟仪器,总的来说,虚拟仪器是指通过应用程序将计算机与功能化模块硬件结合起来,用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机,就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样,从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。
因为虚拟仪器是以计算机为核心、在Windows等操作系统平台上运行的,所以它具有一机多功能的特点,可以同时运行多个软件,当作多种仪器使用,此类具有多功能的仪器系统称之为虚拟集成仪器系统[4]。
虚拟仪器是计算机技术和仪器技术结合的产物。
它把计算机、仪器硬件、固件与计算机软件结合起来。
除继承传统仪器的已有功能外,还增加了许多传统仪器所不能与的先进功能。
虚拟仪器的最大特点是其灵活性。
用户在使用过程中可以根据需要添加或删除仪器功能,以满足各种需求和各种环境,并且能充分利用计算机丰富的软硬件资源,突破了传统仪器在数据处理、表达、传送、存储方面的限制。
一个仪器通常由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。
对于传统仪器,三个部分几乎均由硬件完成;对于虚拟仪器,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,设计工作量、复杂性大大减小。
传统的电子仪器是自封闭的系统,它具有信号输入、输出的能力,并有固定的用户界面,比如:
输入、输出信号接插件、旋钮、按钮、显示仪表、显示面板等。
一个仪器包括传感器、信号处理器、A/D转换器、微处理器、存储器和部总线等专门化的电路。
通过这些电路来转换、测量、分析实际信号,并将结果以各种方式显示。
然而,有时为了构成具有一定功能的系统,配置了一套仪器,但对其中的某些仪器,只用到了其中一部分功能,而将它作其他功能使用时,却不具备或达不到所需指标。
如另配置一套仪器,不断效率不高,而且价格高。
要是能将原有的仪器稍加改动,就可以扩大其使用围。
但是传统的仪器功能是由制造商决定的,用户不能任意更改,用户如按自己的要求定制仪器需要昂贵的价格。
虚拟仪器概念的提出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。
以下是传统测试仪器和虚拟仪器的一个比较:
表2-1传统仪器与虚拟仪器对照表
传统仪器
虚拟仪器
开发和维护费用高
基于软件体系的结构,大大节省开发和维护的费用
功能由仪器厂商定义
功能由用户自己定义
于其他仪器设备的连接十分有限
面向应用的系统结构,可以方便地与外设、网络或其他应用连接
数据无法编辑数
数据可编辑、存储、打印
硬件是关键部分
软件是关键部分
价格昂贵
价格低廉(是传统价格的五至十分之一)
技术更新慢(5—10年)
技术更新快(一般1—2年)
系统封闭、功能固定、扩展性低
基于计算机技术开发的功能模块可构成多种仪器
正是因为意识到了虚拟仪器的诸多优点与传统仪器的一些弊端,所以,我们计划开发了这样一台基于LabVIEW(美国NI公司)的多功能虚拟数字发生器。
其集成了示波,,动态/静态波形分析,频谱分析,频率计,波形参数分析,信号发生,以与远程示波等功能。
在示波功能上,除了对波形的精确显示外,还的波形参数进行了显示和对其时域信号、频域信号进行了分析。
2.2虚拟仪器的硬件系统构成方案
虚拟仪器与传统仪器最大不同就是不仅可以利用PC机组建成为灵活的虚拟仪器,更重要的是它可以通过各种不同的接口总线,组建不同规模的自动测试系统[5]。
虚拟仪器系统按硬件构成方式,可有GPIB仪器通过GPIB接口卡与计算机组成GPIB系统;VXI仪器与计算机组成VXI系统;PXI仪器组成PXI系统;以DAQ和信号调理部分为硬件组成PC-DAQ测试系统;并行总线仪器组成并行总线系统;串行总线仪器组成串行总线系统;现场总线设备组成现场总线系统等,以下重点介绍GPIB、VXI、PXI三种虚拟仪器组建方案。
(1)GPIB仪器控制的虚拟仪器系统组建方案
GPIB即通用接口总线,是一种国际通用的可编程仪器的数字接口标准。
典型的GPIB测试系统由一台PC机,一块GPIB接口卡和几台GPIB仪器通过标准GPIB电缆连接起来,组成大型的自动化仪器测量系统。
(2)VXI仪器控制的虚拟仪器系统组建方案
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- 基于 LABVIEW 虚拟 函数 信号发生器