【正文】 路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、準(zhǔn)確度較差，而且僅能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等幾種簡單波形，難以產(chǎn)生較為復(fù)雜的波形信號(hào)。目前市場上的基本屬于第三代波形發(fā)生器，它們普遍采用的是 DDS 技術(shù) [5][6]。 DDs 是從相位概念出發(fā)直接合成所需要波形的一 種新的頻率合成原理。隨著高速大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展， DDS 技術(shù)日益顯露出它的優(yōu)越性?；?DDS 技術(shù)的任意波形發(fā)生器利用高速存儲(chǔ)器作為查找表，通過高速 D/A 轉(zhuǎn)換器對存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，它不僅可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波等規(guī)則波形，而且還可以通過上位機(jī)或下位機(jī)編輯，產(chǎn)生真正意義上的任意波形。例如，它能模擬編碼雷達(dá)信號(hào)、潛水艇特征信號(hào)、磁盤數(shù)據(jù)信號(hào)、機(jī)械振動(dòng)瞬變過程、電視信號(hào)以及神經(jīng)脈沖之類的波形，也能重演由數(shù)位示波器捕獲的波形。其典型結(jié)構(gòu)如圖 所示 ： 圖 直接數(shù)字頻率合成結(jié)構(gòu)圖 采用 DDS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的任意波形發(fā)生器具有以下優(yōu)點(diǎn) : 頻率分辨率高，輸出頻點(diǎn)多，可達(dá) 2“個(gè)頻點(diǎn) (假設(shè) DDS 相位累加器的字波形 輸出 波形存儲(chǔ)器 D/A 轉(zhuǎn)換器 模擬濾波器 DDS模塊 控制面板 FR 鑒相器 (PD) 低通濾波器 （ LPF） 壓控振蕩器 （ VCO） FO 基于 LABVIEW 的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與研究 第 4 頁 共 34 頁 長是 N)。 頻率切換速度快，可達(dá) us 量級(jí) 。 頻率切換時(shí)相位連續(xù) 。 可以輸出帶寬正交信號(hào) 。 輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用 。 可以產(chǎn)生任意波形 。 全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。它在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、相位連續(xù)、正交輸出、高分辨率以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面，己遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù) 所能達(dá)到的水平，完成了頻率合成技術(shù)的又一次飛躍。用這種方法產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)及其它復(fù)雜波形信號(hào)的技術(shù)日益受到重視，并得到廣泛的應(yīng)用。 [3] 本文主要論文 本文主要闡述虛擬儀器技術(shù)的概念和基本設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)基于 LabWIEW 軟件的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器（能夠產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)室常用的正弦波、三角波、方波、鋸齒波信號(hào)及白噪聲和多頻波，任意公式波），并在以設(shè)計(jì)好的虛擬信號(hào)發(fā)生器的基礎(chǔ)上對所產(chǎn)生的信號(hào)做自相關(guān)分析，積分，微分分析及相應(yīng)的頻譜分析。 第 1 章 .主要闡述了課題研究的背景、研究意義以及本文的主要研究工作。 第 2 章 .敘述了近年來在儀器測試領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)的新型儀器 —虛擬儀器的概念、特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀及構(gòu)建技術(shù)，同時(shí)介紹了用于虛擬儀器開發(fā)的集成軟件LabWIEW，以及 VI(Virtual Instrument)的概念 LabVIEW 創(chuàng)建儀器的一般過程 第 3 章 . 對本文采用的編程軟件 La 合實(shí)例對 LabVIEW 中具體的編程方式、設(shè)計(jì)模式以及 bVIEW 的特征進(jìn)行簡單介紹，這也是本文選用該軟件作為主要軟件開發(fā)環(huán)境的原因。然后結(jié)多線程技術(shù)、同步控制等在我們開發(fā)實(shí)際中運(yùn)用到的技術(shù)做一一的研究和介紹。 第 4 章 .虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。本章主要二 個(gè)部分。第一個(gè)部分分為八個(gè)模塊，分別介紹了基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊多頻信號(hào)產(chǎn)生模塊、任意公式波形產(chǎn)生模塊、噪聲信號(hào)產(chǎn)生模塊、正弦波仿真信號(hào)發(fā)生器模塊、自相關(guān)函數(shù)演示模塊、虛擬正弦波頻譜分析儀模塊、虛擬積分器與微分器模塊。第二個(gè)部分介紹了虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器總體設(shè)計(jì)思路及其流程圖。 基于 LABVIEW 的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與研究 第 5 頁 共 34 頁 第 2 章 虛擬儀器技術(shù) 本章將對虛擬儀器技術(shù)概念進(jìn)行深入探討 ,對虛擬儀器軟硬件構(gòu)成方案進(jìn)行研究。在對比各方案特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況，確定本文校準(zhǔn)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成方案以及使用的軟件開發(fā)平臺(tái)的選擇。 虛擬儀器概述 什么是虛擬 儀器 (Virtual Instrument)，國外專家從不同角度描述了虛擬儀器，總的來說，虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能化模塊硬件結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面來操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)儀器一樣，從而完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。因?yàn)樘摂M儀器是以計(jì)算機(jī)為核心、在 Windows 等操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行的，所以它具有一機(jī)多功能的特點(diǎn)，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)軟件，當(dāng)作多種儀器使用，此類具有多功能的儀器系統(tǒng)稱之為虛擬集成儀器系統(tǒng) [4]。 虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)和 儀器技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它把計(jì)算機(jī)、儀器硬件、固件與計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合起來。除繼承傳統(tǒng)儀器的已有功能外，還增加了許多傳統(tǒng)儀器所不能及的先進(jìn)功能。虛擬儀器的最大特點(diǎn)是其靈活性。用戶在使用過程中可以根據(jù)需要添加或刪除儀器功能，以滿足各種需求和各種環(huán)境，并且能充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)方面的限制。 一個(gè)儀器通常由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果顯示三部分組成。對于傳統(tǒng)儀器，三個(gè)部分幾乎均由硬件完成；對于虛擬儀器，后兩部分主要由軟件實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計(jì)日趨模 塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)工作量、復(fù)雜性大大減小。 傳統(tǒng)的電子儀器是自封閉的系統(tǒng)，它具有信號(hào)輸入、輸出的能力，并有固定的用戶界面，比如：輸入、輸出信號(hào)接插件、旋鈕、按鈕、顯示儀表、顯示面板等。一個(gè)儀器包括傳感器、信號(hào)處理器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、微處理器、存儲(chǔ)器和內(nèi)部總線等專門化的電路。通過這些電路來轉(zhuǎn)換、測量、分析實(shí)際信號(hào)，并將結(jié)果以 基于 LABVIEW 的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與研究 第 6 頁 共 34 頁 各種方式顯示。然而，有時(shí)為了構(gòu)成具有一定功能的系統(tǒng)，配置了一套儀器，但對其中的某些儀器，只用到了其中一部分功能，而將它作其他功能使用時(shí)，卻不具備或達(dá)不到所需指標(biāo)。如另配置一套儀器，不斷效率不 高，而且價(jià)格高。要是能將原有的儀器稍加改動(dòng) ,就可以擴(kuò)大其使用范圍。但是傳統(tǒng)的儀器功能是由制造商決定的，用戶不能任意更改，用戶如按自己的要求定制儀器需要昂貴的價(jià)格。虛擬儀器概念的提出是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流。以下是傳統(tǒng)測試儀器和虛擬儀器的一個(gè)比較： 表 21 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器對照表 傳統(tǒng)儀器 虛擬儀器 開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高 基于軟件體系的 結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省開發(fā)和維護(hù)的費(fèi)用 功能由儀器廠商定義 功能由用戶自己定義 于其他儀器設(shè)備的連接十分有限 面向應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以方便地與外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)或其他應(yīng)用連接 數(shù)據(jù)無法編輯數(shù) 數(shù)據(jù)可編輯、 存儲(chǔ)、打印 硬件是關(guān)鍵部分 軟件是關(guān)鍵部分 價(jià)格昂貴 價(jià)格低廉（是傳統(tǒng)價(jià)格的五至十分之一） 技術(shù)更新慢（ 5— 10 年） 技術(shù)更新快（一般 1— 2 年） 系統(tǒng)封閉、功能固定、擴(kuò)展性低 基于計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)的功能模塊可構(gòu)成多種儀器 正是因?yàn)橐庾R(shí)到了虛擬儀器的諸多優(yōu)點(diǎn)及傳統(tǒng)儀器的一些弊端，所以，我們計(jì)劃開發(fā)了這樣一臺(tái)基于 LabVIEW(美國 NI 公司 )的多功能虛擬數(shù)字發(fā)生器。其集成了示波，動(dòng)態(tài) /靜態(tài)波形分析，頻譜分析，頻率計(jì)，波形參數(shù)分析，信號(hào)發(fā)生，以及遠(yuǎn)程 示波等功能。在示波功能上，除了對波形的精確顯示外，還的波形參數(shù)進(jìn)行了顯示和對其時(shí)域信號(hào)、頻域信號(hào)進(jìn)行了分析。 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)構(gòu)成方案 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大不同就是不僅可以利用 PC 機(jī)組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過各種不同的接口總線，組建不同規(guī)模的自動(dòng)測試系統(tǒng) [5]。虛擬儀器系統(tǒng)按硬件構(gòu)成方式，可有 GPIB 儀器通過 GPIB 接口卡與計(jì) 基于 LABVIEW 的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與研究 第 7 頁 共 34 頁 算機(jī)組成 GPIB 系統(tǒng)； VXI 儀器與計(jì)算機(jī)組成 VXI 系統(tǒng)； PXI 儀器組成 PXI 系統(tǒng)；以 DAQ 和信號(hào)調(diào)理部分為硬件組成 PCDAQ 測試系統(tǒng)；并行總線儀器組成并 行總線系統(tǒng)；串行總線儀器組成串行總線系統(tǒng)；現(xiàn)場總線設(shè)備組成現(xiàn)場總線系統(tǒng)等，以下重點(diǎn)介紹 GPIB、 VXI、 PXI 三種虛擬儀器組建方案。 (1)GPIB 儀器控制的虛擬儀器系統(tǒng)組建方案 GPIB 即通用接口總線，是一種國際通用的可編程儀器的數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)。典型的 GPIB 測試系統(tǒng)由一臺(tái) PC 機(jī)，一塊 GPIB 接口卡和幾臺(tái) GPIB 儀器通過標(biāo)準(zhǔn)GPIB 電纜連接起來，組成大型的自動(dòng)化儀器測量系統(tǒng)。 (2)VXI 儀器控制的虛擬儀器系統(tǒng)組建方案 VXI(VEM bus eXtension for Instrumentation)總線 是一種高速計(jì)算機(jī)總線 (VME 總線 )在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。它具有標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器商支持等優(yōu)點(diǎn)，使它應(yīng)用越來越廣。尤其在組建大中型規(guī)模自動(dòng)測量控制系統(tǒng)，以及對速度、精度要求非常高的場合，有其它儀器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)?；?VXI 總線的組建方案功能最為強(qiáng)大、組建的系統(tǒng)最為穩(wěn)定。但 VXI 總線實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大功能的同時(shí)，價(jià)格也是十分昂貴的。 (3)PXI/Compact PCI 模型系統(tǒng)組建方案 美國國家儀器公司 1997 年 最 新 推 出 了 PXI(PCI bus eXtentions forInstrumentation)控制方案，基于 PCI 總線的虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)架， PXI 將主流 PCI計(jì)算技術(shù)和控制器采用現(xiàn)在流行的奔騰處理器，帶有標(biāo)準(zhǔn) GPIB 接口、串并口、以太網(wǎng)絡(luò)接口及顯示器接口，為用戶組建速度高、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊的測試系統(tǒng)提供了可行性。 目前在構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)化測試系統(tǒng)時(shí)，基于 GPIB 總線的最多并逐步采用 VXI技術(shù)?；?VXI 總線的虛擬儀器系統(tǒng)雖然功能強(qiáng)大，但對許多場合而言仍然造價(jià)昂貴，且通用性差，一般用戶難以掌握。對于一些速度精度要求不高的場合，VXI 并不一定是考慮性價(jià)比的最佳方案。很多 情況下采用當(dāng)前廣為使用的 PC 機(jī)作為虛擬儀器的軟硬件基礎(chǔ)，建立基于 PC 的虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的數(shù)據(jù)獲取和控制處理能力優(yōu)于傳統(tǒng)儀器，且對于硬件要求大為降低。 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái) 應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)是設(shè)計(jì)虛擬儀器所必須的軟件工具。在確定的硬件基礎(chǔ) 基于 LABVIEW 的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與研究 第 8 頁 共 34 頁 條件下，構(gòu)造和使用虛擬儀器的關(guān)鍵就是應(yīng)用不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。虛擬儀器的應(yīng)用軟件主要包括：集成的開發(fā)環(huán)境、與儀器硬件的高級(jí)接口和虛擬儀器的用戶界面。應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)的選擇，可因開發(fā)人員的喜好不同而不同，但最終都必須提供給用戶一個(gè)界面友好，功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序 。目前較流行的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)大致可以分為兩類：一類是圖形化的編程語言，代表性的有惠普的 HPVEE,NI 公司的 LabVIEW 等；另一類是文本式的編程語言，如C,Labwindows/CVI,VC 等。文本式編程語言和圖形化編程語言相比，語言靈活性較好，用戶可以靈活的添加功能；而圖形化編程語言具有編程簡單、直觀、開發(fā)效率高的特點(diǎn)。 近年來，基于 PC 機(jī)和工作站基礎(chǔ)上的圖形接口標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，促進(jìn)了圖形開發(fā)軟件包和圖形開發(fā)環(huán)境的迅速普及，圖形開發(fā)方式為每一個(gè)虛擬儀器提供了可重用的代碼模塊，并允許用戶 從其它代碼模塊中分級(jí)調(diào)用。這些重用部分是一些封裝良好的、原子性的程序代碼；理想情況下，重用部分應(yīng)與硬件 IC 一樣，可以不經(jīng)過任何修改而被直接 “插接 ”到其它程序中去。典型的重用部分包括函數(shù)庫、過程程序包、宏、類、庫等，它們通過各自的接口被組裝在一起，每一部分完成特定的功能 [6]。在虛擬儀器圖形軟件開發(fā)平臺(tái)研究方面，近年來國際上許多公司都做了大量的工作，其中 NI 公司的 LabVIEW 和惠普公司的 VEE 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)最具代表性。下面簡單的介紹一些常用的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)各自的特點(diǎn)： (1)Microsoft Visual C++， Borland C++Builder,Borland Delphi 易學(xué)、使用簡單，面向?qū)ο罂梢暬幊誊浖?；它的圖形控件工具能生成復(fù)雜的多窗口用戶界面不必編寫復(fù)雜的代碼；可創(chuàng)建自己 ActiveX 控件或組件，以及多線程和安全的 ActiveX控件。 (2)Data Translation,HP VEE with DT VP,DTxEZTM 用于 Windows 操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和產(chǎn)品開發(fā)的可視化編程語言；靈活，便于應(yīng)用編程，以及和用戶程序接口； ActiveX 控件系列， VB 和 VC++下，可以設(shè)計(jì)和 配置 Data Translation 數(shù)據(jù)采集板；可以和其他 ActiveX 控件組合創(chuàng)建應(yīng)用程序。 (3)HewlettPacked HP VEE 不必編寫代碼就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析；提供數(shù)據(jù)、處理控制、提供測量過程和測試報(bào)告。 基于 LABVIEW 的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與研究 第 9 頁 共 34 頁 (4)National Instruments,LabVIEW,LabWindows/CVI 具有用于數(shù)據(jù)采集、儀器、網(wǎng)絡(luò)和分析的完全集成化的庫的圖形化環(huán)境；可編譯性能強(qiáng)；自動(dòng)化的測試對接軟件； SQL 數(shù)據(jù)庫連接性 SPC 分析工具。用于儀器控制和數(shù)據(jù)采集分析的交互式編譯軟件包；用于 GUI 的