1、 ： 毕 业 设 计 （ 论 文 ）（2013 届）题目：基于 LABVIEW 的信号发生器I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。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
2、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 IIThe design of signal generator based on virtual instrumentAbstractVirtual instrument is formed by the instrument tech
3、nology, 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 traditional instruments, and built a new device model. This design uses USB6008 dat
4、a 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 arbitrary waveforms signals. The series generators is on the basis of the n - b
5、it 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 of signal generator, gives a basic block diagram of signal generator, also the
6、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 technology which involved in design of the data acquisition card and the LABVIEWs
7、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 in the past.Key Words: Virtual Instruments， Data Acquisition Cards， Signal Gener
8、ators，LABVIEWIII目录摘要 .I目录 .III1 绪 论 .11.1 引言 .11.2 信号发生器概述 .11.2.1 信号发生器简介 .11.2.2 信号发生器的发展 .11.3 信号发生器的分类 .21.3.1 正弦信号发生器 .21.3.2 函数发生器 .31.3.3 脉冲信号发生器 .41.3.4 随机信号发生器 .41.4 课题的意义 .42 虚拟仪器和 Labview 简介 .52.1 虚拟仪器概述 .52.1.1 虚拟仪器产生背景 .52.1.2 虚拟仪器概念 .62.1.3 虚拟仪器的分类 .62.1.4 虚拟仪器的发展方向 .72.2 虚拟仪器系统的构成 .82
9、.3 虚拟仪器与传统仪器的比较 .92.4 虚拟仪器的开发软件 .103 系统设计硬件平台 .133.1 PC 机 .133.2 数据采集卡的选择 .133.2.1 数据采集卡的主要性能指标 .133.2.2 数据采集卡的组成 .133.2.3 USB6008.144 系统总体的设计和实现 .164.1 基本信号发生器 .164.1.1 传统基 本信号发生器 .164.1.2 虚拟号发生器 .164.2 档位选择 .184.3 信号存储 .194.4 任意波形发生器 .204.5 序列信号 .214.5.1 序列信号概念 .21IV4.5.2 基于虚拟仪器的序列信号产生原理 .224.6 远程
10、虚拟仪器 .244.6.1 用 TCP/IP 协议进行远程通信 .254.6.2 TCP 子模板介绍 .254.6.3 远程显示模块程序 .264.7 通道选择 .274.7.1 基本波形虚拟通道设计 .274.7.2 循环及清除程序 .284.7.3 选定通道后运行 .294.8 程序总框图 .304.9 信号生成过程需要注意的事项 .325 结论 .34参 考 文 献 .35致 谢 .36毕业设计（论文）第 0 页 共 35 页1 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
11、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。1.2 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
12、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
13、 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量仪器，早在20 年代电子设备刚出现时它就产生了。毕业设计（论文）第 1 页 共 35 页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
14、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
15、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。键盘显示 控制芯片 D / A 转换电路
16、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毕业设计（论文）第 2 页 共 35 页两大类，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。1.3 信号发生器的分类1.3.1 正弦信号发生
17、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
18、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
19、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毕业设计（论文）第 3 页 共 35 页（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 YIG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
20、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
21、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。1.3.3 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
22、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
23、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）或毕业设计（论文）第 4 页 共 35 页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
24、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新测量设备，以满足越来越高的测量要求。在
25、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学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器
26、。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，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
