【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 基于LABVIEW的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與研究 摘 要隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件的發(fā)展，計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信越來越頻繁，也越來越便利，虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生。從本質(zhì)上來說，虛擬儀器是儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，它強(qiáng)調(diào)“軟件是儀器”的概念，使用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，更好的組建自己所需要的測試系統(tǒng)。它是按照信號的處理與采集，數(shù)據(jù)的分析，結(jié)果的輸出及顯示的結(jié)構(gòu)模式來建立通用信號處理硬件平臺。本文就是在這個通用信號處理硬件平臺，進(jìn)行了基于LABVIEW的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)基于LabWIEW軟件的虛擬函數(shù)信號發(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)好的虛擬信號發(fā)生器的基礎(chǔ)上對所產(chǎn)生的信號做自相關(guān)分析，積分，微分分析及相應(yīng)的頻譜分析。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；Labview；虛擬函數(shù)信號發(fā)生器 THE DESIGN AND RESEACH OF VIRTUAL FUNCTION SIGNAL GENERATOR BASED ON LABVIEWABSTRACT With the puter hardware and software development, puter peripherals and data munication bee more and more frequently and more convenient, virtual instrument came into being. the virtual instrument is a device technology and puter technology bined with the product of deepseated, it stressed concept that software is the instrument , allowing users to define function their own needsto set up their own test system . It is in accordance with the signal processing and collection, data analysis, the results show that the structure of output and the model to the development of a mon signal processing hardware platform. This article is in the mon signal processing hardware platform, the design and research of virtual function signal generator based on LABVIEW (monly used in the laboratory can produce sine wave, triangle wave, square wave, sawtooth signal and white noise and multifrequency wave, arbitrary wave equation), and designed in a virtual signal generator based on the signal generated by autocorrelation analysis, integral, differential analysis and the corresponding spectral analysis. Keywords: virtual instrument。 Labview。 virtual function signal generator目 錄第1章 緒 論 1 課題背景及意義 1 波形發(fā)生器的發(fā)展概況 2 本文主要論文 4第2章 虛擬儀器技術(shù) 5 虛擬儀器概述 5 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)構(gòu)成方案 6 7 基于虛擬儀器構(gòu)建的自動測試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 9 本章小結(jié) 9第3章 LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境 11 LabVIEW簡介 11 LabVIEW的優(yōu)點(diǎn) 12 LabVIEW中的編程方式 13 LabVIEW程序的設(shè)計(jì)模式 14 本章小結(jié) 14第4章 虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì) 15 基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊 15 多頻信號產(chǎn)生模塊 16 任意公式波形產(chǎn)生模塊 17 正弦波仿真信號發(fā)生器模塊 21 23 25 27 虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì) 30第5章 結(jié)論 32參考文獻(xiàn) 33 致謝 34附錄…………………………………………………………………………….…..35附件附件1 開題報告(文獻(xiàn)綜述)附件2 譯文及原文影印件 第1章 緒 論 課題背景及意義虛擬儀器在許多企業(yè)、科研單位被用于產(chǎn)品測試和測控系統(tǒng)，另外，包括一些著名高校在內(nèi)的許多學(xué)校不僅建立了基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)室，而且還開設(shè)了LabVIEW編程的課程。例如清華大學(xué)汽車系利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機(jī)的出廠檢驗(yàn)，主要檢測發(fā)動機(jī)的功率特性、負(fù)荷特性等華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測試實(shí)驗(yàn)室將其虛擬實(shí)驗(yàn)室成果在網(wǎng)上公開展示，供遠(yuǎn)程教育使用四川聯(lián)合大學(xué)基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思路，研制了“航空電臺二線綜合測試儀”，將臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)等一批高校，也開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。國內(nèi)專家預(yù)測未來的幾年內(nèi)，我國將有的儀器為虛擬儀器。國內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時檢測。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。虛擬儀器技術(shù)的提出與發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動測試與電子測量儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。虛擬儀器技術(shù)為教學(xué)雙方都提供了很好的舞臺。其內(nèi)容新，反映了當(dāng)前測量技術(shù)的發(fā)展方向；涉及面廣，包括數(shù)學(xué)、物理、電工電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件、信號處理及相關(guān)專業(yè)的測試技術(shù)。它要求學(xué)生在理論與實(shí)際結(jié)合的基礎(chǔ)上解決一兩個測試問題，同時為學(xué)生的創(chuàng)造性學(xué)習(xí)提供充分的空間[1]。目前，我國正處于科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的新時期，對儀器設(shè)備的需求將更加強(qiáng)勁。虛擬儀器賴以生存的計(jì)算機(jī)近幾年正以迅猛的勢頭席卷全國，這為虛擬儀器的發(fā)展莫定了基礎(chǔ)。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場容量巨大。據(jù)專家預(yù)測，到本世紀(jì)初我國將有的儀器為虛擬儀器。發(fā)達(dá)國家雖然在此領(lǐng)域比我國起步較早，但差距并不是很大，我們應(yīng)當(dāng)充分把握時機(jī)，取長補(bǔ)短，學(xué)習(xí)國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，將我國的虛擬儀器產(chǎn)業(yè)水平逐漸向先進(jìn)國家靠攏。 波形發(fā)生器的發(fā)展概況波形發(fā)生器是應(yīng)用在測試設(shè)備、信號接收設(shè)備等裝置中的一種信號源。早在二十年代，當(dāng)電子設(shè)備剛開始出現(xiàn)的時候，信號發(fā)生器就出現(xiàn)了。隨著電子技術(shù)的巨大進(jìn)步，波形發(fā)生器根據(jù)其關(guān)鍵技術(shù)—頻率合成技術(shù)的角度，大致可以劃分成三代。第一代的波形發(fā)生器采用的是直接模擬頻率合成 (DireetAnalog Frequeneysynthesis，簡稱DAFs)技術(shù)[2]。該技術(shù)原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)。它由模擬振蕩器產(chǎn)生參考頻率源，經(jīng)諧波發(fā)生器產(chǎn)生一系列諧波，再經(jīng)混頻、分頻和濾波等處理產(chǎn)生大量的離散頻率。：可調(diào)衰減器輸出放大器正弦波整形器放大器三角波發(fā)生器OSC 直接模擬頻率合成框圖根據(jù)所使用的參考頻率的數(shù)目不同可分為非相關(guān)合成方法和相關(guān)合成方法兩種類型。非相關(guān)合成方法使用多個晶體參考頻率源，所需的各種頻率分別由這些參考源提供。相關(guān)合成方法只是用一個晶體參考頻率源，所需的各種頻率都由它經(jīng)過分頻、混頻和倍頻后得到，因而合成器輸出頻率的穩(wěn)定性和精度與參考源一樣。采用這種技術(shù)制作的函數(shù)發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時間短、相位噪聲低，但由于采用大量的混頻、分頻、倍頻和濾波等模擬硬設(shè)備，使頻率合成器的體積大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容易產(chǎn)生雜散分量，大多數(shù)硬件的非線性影響難于抑制。第二代的波形發(fā)生器采用的是模擬電路技術(shù)，其頻率控制部分主要采用的是基于鎖相環(huán) (PhaseLockedLoop，簡稱PLL)的間接頻合成技術(shù)[2J[，J[4j。PLL是間接頻率合成技術(shù)中的一個關(guān)鍵部分，它是一個負(fù)反饋環(huán)路，是一個實(shí)現(xiàn)相位自動鎖定的控制系統(tǒng)，其輸出信號與參考信號相位同步。FR鑒相器(PD)低通濾波器（LPF）壓控振蕩器（VCO）FO 鎖相環(huán)原理框圖該頻率合成技術(shù)是利用一個或幾個參考頻率源，通過諧波發(fā)生器和分頻器等產(chǎn)生大量諧波或組合頻率，然后用PLL把壓控振蕩器的頻率鎖定在某一諧波或組合頻率上。這種波形發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定和雜散抑制好，調(diào)試簡便。但由分立組件構(gòu)成的振蕩電路和整形電路，在產(chǎn)生各種波形時，由于其鎖相存在捕獲時間問題，其頻率切換速度比直接合成慢而且頻率間隔不可能做的很小。采用這種技術(shù)的波形發(fā)生器電路結(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。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?；贒DS技術(shù)的任意波形發(fā)生器利用高速存儲器作為查找表，通過高速D/A轉(zhuǎn)換器對存儲器的數(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、潛水艇特征信號、磁盤數(shù)據(jù)信號、機(jī)械振動瞬變過程、電視信號以及神經(jīng)脈沖之類的波形，也能重演由數(shù)位示波器捕獲的波形。：波形輸出波形存儲器D/A轉(zhuǎn)換器模擬濾波器DDS模塊控制面板 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“個頻點(diǎn)(假設(shè)DDS相位累加器的字長是N)。頻率切換速度快，可達(dá)us量級。頻率切換時相位連續(xù)。可以輸出帶寬正交信號。輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用?？梢援a(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)頻信號及其它復(fù)雜波形信號的技術(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)好的虛擬信號發(fā)生器的基礎(chǔ)上對所產(chǎn)生的信號做自相關(guān)分析，積分，微分分析及相應(yīng)的頻譜分析。、研究意義以及本文的主要研究工作?！摂M儀器的概念、特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀及構(gòu)建技術(shù)，同時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。本章主要二個部分。第一個部分分為八個模塊，分別介紹了基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊多頻信號產(chǎn)生模塊、任意公式波形產(chǎn)生模塊、噪聲信號產(chǎn)生模塊、正弦波仿真信號發(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。第二個部分介紹了虛擬函數(shù)信號發(fā)生器總體設(shè)計(jì)思路及其流程圖。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計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺單個儀器一樣，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)平臺上運(yùn)行的，所以它具有一機(jī)多功能的特點(diǎn)，可以同時運(yùn)行多個軟件，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、存儲方面的限制。一個儀器通常由數(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)，它具有信號輸入、輸出的能力，并有固定的用戶界面，比如：輸入、輸出信號接插件、旋鈕、按鈕、顯示儀