【導(dǎo)讀】撰寫，無任何抄襲行為。凡涉及他人的觀點材料，均作了注釋。何責(zé)任，并接受相應(yīng)的處分。本設(shè)計采用USB6211數(shù)據(jù)采集卡，將虛擬儀器技術(shù)用于信號發(fā)生器的設(shè)計。系統(tǒng)具有生成正弦波、方波、三角波、鋸齒波及PWM波的功能。線及其標(biāo)準(zhǔn)、框架結(jié)構(gòu)、LABVIEW開發(fā)平臺。在分析本系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，介。紹了數(shù)據(jù)采集卡、LABVIEW的編程模式等設(shè)計中所涉及到的硬件和技術(shù)。本設(shè)計是虛擬儀器模擬真實儀器的嘗試。實踐證明虛擬儀器是一種優(yōu)秀的解決方。案，能夠?qū)崿F(xiàn)各種硬件可以完成的任務(wù)。

　　

【正文】 就可以在同一硬件中實現(xiàn)。 數(shù)據(jù)采集卡的選擇 數(shù)據(jù)采集板卡的性能與眾多因素相關(guān) ， 要根據(jù)具體情況來具體分析 [18]。所以在選擇數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時 ， 首先必須對數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)有所了解。 數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo) 1）采樣頻率 采樣頻率的高低 ， 決定了在一定時間內(nèi)獲取原始信號信息的多少 ， 為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號 ， 不產(chǎn)生波形失真 ， 采樣率必須要足夠高才行。根據(jù)奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號的兩倍 ， 但實際中 ， 一般都需要 5～ 10 倍。 2）采樣方法 采集卡通常都有好幾個數(shù)據(jù)通道 ， 如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流使用同一個放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器 ， 要比每個通道單獨使用各自的經(jīng)濟(jì)的多 ， 但這僅適用于對時間不是很重要的場合。如果采樣系統(tǒng)對時間要求嚴(yán)格 ， 則必須同時采集 ， 這就需要每個通道都有自己的放大和 A/D 轉(zhuǎn)換 器。但是處于成本的考慮 ， 現(xiàn)在普遍流行的是各個數(shù)據(jù)通道公用一套放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器。 3）分辨率 ADC 的位數(shù)越多 ， 分辨率就越高 ， 可區(qū)分的電壓就越小。 4）電壓動態(tài)范圍 電壓范圍指 ADC 能掃描到的最高和最低電壓。一般最好能夠使進(jìn)入采集卡的電壓范圍剛好與其符合 ， 以便利用其可靠的分辨率范圍。 5） I/O 通道數(shù) 該參數(shù)表明了數(shù)據(jù)采集卡所能夠采集的最多的信號路數(shù)。 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 章 13 數(shù)據(jù)采集卡的組成 1）多路開關(guān)。將各路信號輪流切換至放大器的輸入端 ， 實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。 2）放大器。將切換進(jìn)入采集卡的信號放大至需 要的量程內(nèi)。通常的放大器都是增益可調(diào)的 ， 使用者可根據(jù)需要來選擇不同的增益倍數(shù)。 3）采樣保持器。把采集到的信號瞬間值保持在 A/D 轉(zhuǎn)換的過程中不變化。 4） A/D 轉(zhuǎn)換器。將模擬的輸入信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出 ， 完成信號幅值的量化。 USB6211 USB6211 是 NI 公司的 一款多功能數(shù)據(jù)采集卡 ， 是一款 USB 總線供電 M 系列多功能 DAQ 模塊 ， 在高采樣率下也能保持高精度。該模塊提供了 16 路模擬輸入；250 kS/s 單通道采樣率； 2 路模擬輸出； 8 路數(shù)字輸入線； 8 路數(shù)字輸出線；每通道有4 個可編程輸入范圍 (177。 V— 177。10 V) ；數(shù)字觸發(fā)； 2 個計數(shù)器 /定時器。 NI USB6211 為移動應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用專門設(shè)計。其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設(shè)置時間 ， 同時它能直接與螺絲端子相連 ， 從而削減了成本并簡化了信號的連接。 USB 總線 可以 供電 ， 使用戶不再需要攜帶多余的外部電源。 NIDAQmx 驅(qū)動程序和測量服務(wù)軟件提供了簡單易用的配置和編程界面 ， 其中 DAQ Assistant 等功能可幫助用戶縮短開發(fā)時間。 基于以上原因，本設(shè)計采用了 USB6211 數(shù)據(jù)采集卡。 圖 數(shù)據(jù)采集卡 USB6211 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 章 14 4 系統(tǒng)總體的設(shè)計 及 實現(xiàn) 系統(tǒng)框架和設(shè)計流程 程序框圖的設(shè)計流程 用 LABVIEW 設(shè)計虛擬信號發(fā)生器的主要步驟是在設(shè)計程序框圖上 ， 圖 是設(shè)計程序框圖的主要流程。 創(chuàng) 建 通 道選 擇 連 續(xù) 采樣指 定 采 樣 率指 定 采 樣 數(shù)寫 入 采 樣開 始等 待 生 成 所有 采 樣停 止清 除 圖 程序框圖的設(shè)計流程 系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)計信號發(fā)生器的 主要 任務(wù) 是設(shè)計程序框圖 和 前面板 ， 在設(shè)計這兩部分中若沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)類型不匹配 、 控件的屬性設(shè)置 等問題， 再跟硬件連接 ， 看是否可以產(chǎn)生各種信號 ， 并且 能被 數(shù)字 示波器采集到 ， 并 在硬件允許的范圍內(nèi)體現(xiàn)比現(xiàn)有信號發(fā)生器更寬泛的信號范圍。 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 章 15 系統(tǒng)具體應(yīng)用程序 按 系統(tǒng)的總體要求 ， 可以分為兩部分來設(shè)計 ， 一個是基本波形的系統(tǒng)設(shè)計 ， 如正弦波 ， 方波 ， 三角波和鋸齒波 ， 另一個是基于數(shù)字脈沖 的 PWM 波 設(shè)計。 程序框圖的具體設(shè)計步驟 利用 LABVIEW 設(shè)計一個系統(tǒng)，其中的主要部分是程序框圖的設(shè)計，以 下就是程序框圖設(shè)計的基本過程 。 1） 創(chuàng)建虛擬通道，可以根據(jù)輸出的波形的類型來設(shè)置物理 通道 的性質(zhì)， 并可以設(shè)置波形的一些基本參數(shù)。 圖 是輸出基本波形的通道，圖 是輸出 PWM 波的通道。 圖 基本波形虛擬通道 圖 PWM 波虛擬通道 2） 設(shè)置 基本波形 的 緩沖區(qū)和 采樣時鐘 ， 緩沖區(qū)中則可以對信號的頻率 、 幅值 、采樣值 、 波形類型等進(jìn)行設(shè)置 ，采樣時鐘設(shè)為模擬 。 本 設(shè)計中的 PWM 波是基于計數(shù)器產(chǎn)生的 ， 采樣 時鐘則是設(shè)置成 計數(shù)器（ 隱式 ） 。 時鐘 采樣 方式 均設(shè)置為連續(xù)采樣。圖 是基本信號的 時鐘 ，圖 則是 PWM 波的 時鐘 。 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 章 16 圖 基本 波形信號時鐘 圖 PWM 波 信號時鐘 3）基本信號發(fā)生器需要 先 設(shè)置 模擬信號的通道數(shù)及采樣數(shù)， 然后運(yùn)行 ， PWM 波則是則是在設(shè)置好波形參數(shù)和時鐘后可以直接 運(yùn)行 。 圖 基本信號波形 運(yùn)行 圖 PWM 波 運(yùn)行 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 章 17 4）運(yùn)行后，需要不斷 循環(huán) 該程序， 則 在兩個程序后都 添加 循環(huán)程序，并可以 根據(jù) 用戶的需求隨時按下停止按鈕 。 在程序停止后， 添 上任務(wù)清除控件，若有錯誤產(chǎn)生，則在最后加上可以提示錯誤的錯誤對話框。具體程序如圖 所示。 圖 循環(huán)及清除程序 基本波形信號發(fā)生器 系統(tǒng)采用的是 USB6211 采集卡 ， 由于該卡支持 DAQmx 驅(qū)動程序 ， 所以本設(shè)計是直接使用 DAQmxData Acquisition 開發(fā)的 。 在這部分中 ， 主要是采集參數(shù)的設(shè)置 ，其中包括物理通道的選擇 ， 采樣模式、采樣率、每通道采樣數(shù)、 每緩沖的循環(huán)次數(shù) 的配置 ， 采樣最大最小值 、 預(yù)設(shè)頻率 、 幅值 、 波形類型 的設(shè)置。具體程序見圖 。 圖 基本信號發(fā)生器程序 該程序 運(yùn)行時 的具體步驟如下： 1） 先 創(chuàng)建一個模擬輸出的電壓任務(wù)。 2） 以波形緩沖區(qū)的采樣速率為基礎(chǔ)來設(shè)定采樣時鐘速率，采樣模式設(shè)置為連續(xù)采樣模式。 3） 給輸出緩沖區(qū)編寫波形。 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 章 18 4） 開始運(yùn)行任務(wù)。 5） 不斷循環(huán)，直到用戶按下停止按鈕，每 100 毫秒查核錯誤，看任務(wù)是否完成。 6） 調(diào)用清除任務(wù)來清除任務(wù) ，若 出現(xiàn)錯誤，則使用彈出對話框顯示錯誤或警告。 在設(shè)計好程序之后， 圖 是基本信號發(fā)生器程序所對應(yīng)的前面板，分別顯示了波形參數(shù)，采樣參數(shù)，物理通道參數(shù)和輸出波形等控件，可以很方便地進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，物理通道修改和觀察輸出波形是否出現(xiàn)失真或噪聲。 圖 基本信號發(fā)生器前面板 PWM波信號發(fā)生器 脈寬調(diào)制 (PWM)信號可以使用計數(shù)器或數(shù)字 I/O 輸 出等數(shù)字信號來產(chǎn)生 ， 或者也可以利用任意波形發(fā)生器 或 RF 信號發(fā)生器之類的模擬信號來產(chǎn)生。 NI 很多的多功能數(shù)據(jù)采集 (DAQ)設(shè)備都可以用來產(chǎn)生脈寬調(diào)制 (PWM)信 號 。 該設(shè)計的 PWM 波是基于USB6211 的計數(shù)器來設(shè)計的。 圖 是 PWM 波信號發(fā)生程序。 圖 PWM 波信號發(fā)生程序 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 章 19 該程序 運(yùn)行時 的具體步驟如下： 1） 先 創(chuàng)建一個計數(shù)器的輸出通道，在一個頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生脈沖。如果脈沖空閑狀態(tài)設(shè)置為低信號，則生成的第一個轉(zhuǎn)換是從低電平到高電平。 2） 使用 DAQmx 的定時（隱式）來配置的脈沖產(chǎn)生的時間。 3） 調(diào) 用 Start，并開始產(chǎn)生脈沖序列。 4） 不斷循環(huán)，直到用戶按下停止按鈕，每 100 毫秒查核錯誤，看任務(wù)是否完成。 5） 調(diào)用清除任務(wù)來清除任務(wù) ，若 有錯誤出現(xiàn)，使用彈出對話框顯示錯誤或警告。 該程序 所對應(yīng) 的前面板如圖 所示，顯示了 PWM 的 基本 參數(shù)，可以 很 方便地修改波形的 計數(shù)器 通道 、 頻率 、 占空比等波形輸出條件。 圖 PWM 波信號發(fā)生前面板 硬件 連接 調(diào)試 在分別完成基本信號發(fā)生器和 PWM 波信號發(fā)生器的前面板 和程序框圖 后 ， 需要與 硬件 連接 ， 設(shè)置物理通道，然后運(yùn)行， 看是否可以輸出符合實驗要求的波形 。 連接數(shù)據(jù)采集卡 USB6211 到電腦上 ， 在系統(tǒng)提示可以使用后 ， 打開 LABVIEW程序 ， 按照 實驗 要求選擇合適的物理通道和 合適的波形參數(shù) ， 開始運(yùn)行 ， 并用示波器采集信號 ， 觀察 是否有信號 被 采集到。 在 數(shù)字 示波器采集到正確的波形后 ， 說明該系統(tǒng) 的 設(shè)計是正確的。 整體程序的具體實現(xiàn) 在設(shè)計完兩部分程序后，因為兩個程序中所涉及的物理通道不同，所以需要用條件結(jié)構(gòu)將它們組合在同一個程序框圖中，通過條件語句的真假轉(zhuǎn)換按鈕來分別運(yùn)行兩個程序，也可以更方便地進(jìn)行程序修改。圖 、 圖 是分別是組合后的程序框圖。 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 章 20 圖 總程序框圖 —— 基本波形 圖 總程序框圖 —— PWM 波形 LABVIEW 提供了非常豐富的圖形界面來進(jìn)行前面板的設(shè)計，波形圖能非常 清楚而且 實時顯示 虛擬信號發(fā)生器所產(chǎn)生的 波形 信號 ，所以將以上兩個程序的前面板組合在一起，并填充上顏色，使其更接近一個真實信號發(fā)生器的操作面板 。 圖 的 前面板 就 是 由 兩個程序的前面板 所組合成的。 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 章 21 圖 總程序前面板 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 結(jié)論 22 結(jié) 論 本設(shè)計在研究虛擬儀器技術(shù)、 DAQ 應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上 ， 使用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)了 信號發(fā)生器 。前面板應(yīng)提供良好的人機(jī)交互 界面 ， 可以實現(xiàn) 實驗室里 幾種常見的 信號波形 。 本設(shè)計大部分工作是程序的編寫 ， 所涉及的硬件部分都 是 現(xiàn)成的。但是對硬件的了解也是必需要做的工作 ， 特別是對 USB6211 采集卡的了解 ， 其中包括采集率，采集通道，采樣方式 等 ，然后根據(jù)實際情況選擇合適的 參數(shù)。 與現(xiàn)有的信號發(fā)生器相比 ， 該信號發(fā)生器的輸出波形類型沒有很大的改變 ， 而且波形的頻率由于硬件板卡 本身對于采樣頻率 的限制 ， 并 沒有在原來的基礎(chǔ)上提高有所提高 。 在輸出基本波形時如果 需要 增波形的頻率，則需要減小波形的采樣頻率，否則會由于硬件 的溢出 問題而不能運(yùn)行， 但是減小采樣頻率容易讓波形產(chǎn)生失真。 如果 在 這個設(shè)計 上進(jìn)一步研究信號發(fā)生器 ， 在波形的類型上 應(yīng)該 有更多的變化 ，更迅速的響應(yīng)時間，更準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)過程。 對 于信號波形 的參數(shù) ， 如頻率 、 幅值 、 相位 、占空比 等的設(shè)定有更好 更精確 的方式 ，而且在波形失真和噪聲方面有更好的解決方法。 在面板美化方面也可以做得更好 更漂亮 。 通過本設(shè)計 ， 深刻 地 認(rèn)識到了虛擬儀器技術(shù)是 當(dāng)代 儀器發(fā)展的重要發(fā)展方向。虛擬儀器 也 以嶄新的模式和強(qiáng)大的功能深入人心 ， 伴隨計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展虛擬儀器必將拓展到各個領(lǐng)域 ， 引起儀器的深層次變革。 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 參考文獻(xiàn) 23 參考文獻(xiàn) [1] 周大鵬，常峰，何光普 .基于虛擬儀器的函數(shù)信號發(fā) 生器設(shè)計 [J].樂山師范學(xué)院學(xué)報， 2020，24（ 5） ： 3435. 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