【正文】 輝2009 年 3 月一、本課題設(shè)計(jì)（研究）的目的：設(shè)計(jì)一個(gè)基于LABVIEW的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生電路，并在此基礎(chǔ)上對(duì)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。二、設(shè)計(jì)（研究）現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)（文獻(xiàn)綜述）：1. Labview的虛擬儀器的現(xiàn)狀自從1986年美國(guó)NI(National Instrument)公司提出虛擬儀器的概念以來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,虛擬儀器技術(shù)也得到很快的發(fā)展。虛擬儀器是指:利用現(xiàn)有的PC機(jī)，加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專用軟件,形成既有普通儀器的基本功能,又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的新型儀器。與傳統(tǒng)的儀器相比其特點(diǎn)主要有:具有更好的測(cè)量精度和可重復(fù)性。測(cè)量速度快。系統(tǒng)組建時(shí)間短。由用戶定義儀器功能?？蓴U(kuò)展性強(qiáng)。技術(shù)更新快等。虛擬儀器以軟件為核心,其軟件又以美國(guó)NI公司的Labview虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)最為常用。Labview是一種圖形化的編程語(yǔ)言,主要用來(lái)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集，儀器控制及數(shù)據(jù)處理分析等軟件,功能強(qiáng)大。目前,該開(kāi)發(fā)軟件在國(guó)際測(cè)試、測(cè)控行業(yè)比較流行,在國(guó)內(nèi)的測(cè)控領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是在科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。下面結(jié)合一個(gè)虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具體介紹基于圖形化編程語(yǔ)言Labview的虛擬儀器編程方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。LabVIEW是一個(gè)圖形化的開(kāi)發(fā)環(huán)境，帶有大量的內(nèi)置功能，能夠完成仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示等任務(wù)。使用LabVIEW能讓您享受到強(qiáng)大的圖形化編程語(yǔ)言所帶來(lái)的靈活性，從而無(wú)需再忍受傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境的復(fù)雜編程工作：它直觀的圖形化環(huán)境使開(kāi)發(fā)更有效率，能集成上千種儀器和驅(qū)動(dòng)，通過(guò)編譯使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)化，并可與其他應(yīng)用程序方便地連接。LabVIEW程序由兩部分組成：前面板程序和框圖程序。整個(gè)程序是基于多線程設(shè)計(jì)，即前面板和框圖程序各占用一個(gè)線程。LabVIEW的前面板，即交互式界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，在前面板中，使用了各種圖標(biāo)如開(kāi)關(guān)。實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖等來(lái)模擬真實(shí)儀器的面板。并可如同操作實(shí)際儀器一樣方便地調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)和進(jìn)行輸出模式定制。本軟件設(shè)計(jì)中，充分發(fā)揮了LabVIEW的特長(zhǎng)，建立了友好的人機(jī)操作界面。2 Labview的虛擬儀器發(fā)展趨勢(shì)20年來(lái)，無(wú)論是初學(xué)乍用的新手還是經(jīng)驗(yàn)豐富的程序開(kāi)發(fā)人員，虛擬儀器在各種不同的工程應(yīng)用和行業(yè)的測(cè)量及控制的用戶中廣受歡迎，這都?xì)w功于其直觀化的圖形編程語(yǔ)言。虛擬儀器的圖形化數(shù)據(jù)流語(yǔ)言和程序框圖能自然地顯示您的數(shù)據(jù)流，同時(shí)地圖化的用戶界面直觀地顯示數(shù)據(jù)，使我們能夠輕松地查看、修改數(shù)據(jù)或控制輸入?！⊥渌夹g(shù)相比，Labview的虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢(shì)：　(1)、性能高　Labview的虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以完全繼承了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)?！?2)、擴(kuò)展性強(qiáng)　NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間。　(3)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少　在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案?！?4)、無(wú)縫集成　虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。NI的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助我們輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性?！∶绹?guó)國(guó)家儀器公司NI（National　Instruments）提出的虛擬測(cè)量?jī)x器（VI）概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從而開(kāi)創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。三、設(shè)計(jì)（研究）的重點(diǎn)與難點(diǎn)，擬采用的途徑（研究手段）：重點(diǎn)（1）掌握LABVIEW軟件的基本操作，虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生電路的全設(shè)計(jì)過(guò)程，以及LABVIEW測(cè)量和控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。（2）掌握LABVIEW的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生電路，并在此基礎(chǔ)上對(duì)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。難點(diǎn)掌握虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生電路的全設(shè)計(jì)過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上對(duì)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)的頻譜分析途徑(1)、虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的硬件構(gòu)成本虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸入輸出的硬件部分為一數(shù)據(jù)采集卡和具有一定配置要求的PC機(jī)，數(shù)據(jù)的輸入輸出靠對(duì)數(shù)據(jù)采集卡輸出輸入口的定義來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用的PCI1200數(shù)據(jù)采集卡是一塊性價(jià)比較好的產(chǎn)品，具備數(shù)/模轉(zhuǎn)換的功能，能將產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)且數(shù)模轉(zhuǎn)換精度高，而且還具備濾波功能，從而使輸出波形光滑。它支持單極和雙極性模擬信號(hào)輸入，信號(hào)輸入范圍分別為5～+5V和0～10V。提供16路單端/8路差動(dòng)模擬輸入通道、2路獨(dú)立的DA輸出通道、24線的TTL型數(shù)字I/O、3個(gè)16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能。硬件接口部分用于數(shù)據(jù)輸入或輸出時(shí)的通道設(shè)置。硬件接口部分程序框圖如圖1所示：圖1硬件接口程序框圖Device 用于指定所用的設(shè)備號(hào)，該設(shè)備號(hào)通過(guò)Measurement and Automation Explorer工具配置。Waveform Length 用于設(shè)定數(shù)據(jù)采集卡的緩沖區(qū)的大小。Channel 用于指定使用的設(shè)備的通道號(hào)（一般的數(shù)據(jù)采集卡具備多個(gè)輸入輸出通道）。(2)、儀器功能描述本儀器功能主要包括四類函數(shù)信號(hào)正弦波、方波、三角波、鋸齒波的輸出，頻率的倍乘與微調(diào)相結(jié)合，以及實(shí)現(xiàn)輸出波形的直流偏置、電壓幅度的控制等功能。具體指標(biāo)如如表1所示：輸出波形四種波形：方波、正弦三角波、鋸齒波任意選擇輸出頻率范圍～1KHz直流偏置10～10V方波占空比0～100%輸出波形幅度0～10V表1 虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器性能指標(biāo)(3)虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟件部分采用專業(yè)的LabVIEW6i圖形化虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具。虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器主要由軟件完成輸出波形信號(hào)的產(chǎn)生和輸出信號(hào)頻率的顯示。輸出波形頻率的變化的具體實(shí)現(xiàn)是將波形數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)采集卡的緩沖區(qū)當(dāng)中，通過(guò)設(shè)置緩沖區(qū)的更新頻率（改變內(nèi)部的時(shí)鐘頻率）來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)頻率的變化。該過(guò)程主要運(yùn)用了Labview中的數(shù)據(jù)采集子模塊中的AO START 功能模塊。從實(shí)現(xiàn)功能的角度來(lái)說(shuō)，本次設(shè)計(jì)的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的功能結(jié)構(gòu)主要包括兩大功能模塊：波形產(chǎn)生模塊（FG模塊）和頻率單位變化控制（DISPLAY）模塊。波形產(chǎn)生模塊又調(diào)用FGEN模塊。FGEN模塊為數(shù)字波形產(chǎn)生模塊。()數(shù)字波形產(chǎn)生模塊波形產(chǎn)生模塊是虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器軟件的核心。利用該模塊可實(shí)現(xiàn)正弦波、方波、鋸齒波、三角波等波形。正弦波的產(chǎn)生原理是通過(guò)調(diào)用sin(x)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本次設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)每一正弦波周期由1000點(diǎn)組成，利用類似C語(yǔ)言中的For循環(huán)為x 賦值，這樣執(zhí)行一次For循環(huán)，便可以產(chǎn)生生成一個(gè)周期正弦波所需的數(shù)據(jù)，然后利用While 循環(huán)，使程序反復(fù)執(zhí)行，就可以連續(xù)輸出正弦波形。方波、鋸齒波、三角波的產(chǎn)生原理與正弦波產(chǎn)生原理相近,都是通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)代表波形的數(shù)字序列。與模擬信號(hào)相比，利用軟件的方法產(chǎn)生的波形數(shù)字序列雖然存在著一定的誤差，但只要一個(gè)周期內(nèi)選的點(diǎn)數(shù)足夠的多，就可以使誤差降到最低，對(duì)結(jié)果的影響最小。利用軟件產(chǎn)生波形的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是使儀器的成本大大降低，而且使儀器小型化，智能化。() 頻率單位變化控制模塊當(dāng)輸出頻率動(dòng)態(tài)范圍較大時(shí)，用單個(gè)旋轉(zhuǎn)按鈕控制時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)一個(gè)很小的角度就會(huì)產(chǎn)生較大的頻率變動(dòng)，給頻率的準(zhǔn)確設(shè)置帶來(lái)了較大困難，通過(guò)使用一個(gè)旋鈕和頻率倍乘相結(jié)合，可大大提高頻率的輸出控制精度。為了提高頻率的輸出控制精度，在本次的設(shè)計(jì)當(dāng)中，通過(guò)使用頻率單位變化控制模塊。在該框圖程序當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了輸出頻率單位的變化。其設(shè)計(jì)思路為：通過(guò)判斷代表1000 倍乘的按鈕是否按下，如按下，則其狀態(tài)為“真”，即布爾值“1”，否則為“0”，通過(guò)判斷條件查詢所返回的值就可控制一個(gè)用于顯示頻率單位的顯示型控件。在頻率單位變化控制模塊中，使用了三個(gè)全局變量：frequency Base、Signal Type和 Number of cycles, 用于向主程序傳送產(chǎn)生的頻率數(shù)據(jù)、頻率倍乘控制信息和循環(huán)次數(shù)。在程序運(yùn)行時(shí)，該模塊作為一個(gè)子模塊被主程序調(diào)用。四、設(shè)計(jì)（研究）進(jìn)度計(jì)劃：查找資料、撰寫開(kāi)題報(bào)告 45周完成外文資料翻譯和開(kāi)題報(bào)告 67周設(shè)計(jì)方案論證 89周寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書 10周系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 1112周寫畢業(yè)論文 1316周畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯 17周五、參考文獻(xiàn)：[1]楊樂(lè)平 李海濤 (第2版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005..[2]周求湛 錢志鴻 Express程序設(shè)計(jì)(第1版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,.[3][M].科學(xué)出版社,2004..[4] [M].北京:電子工業(yè)出版社,.[5] 鄧焱 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005..[6] 楊樂(lè)平 李海濤 (第二版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,.[7] [M].北京:電子工業(yè)出版社,2006..[8] Robert H [M].北京:電子工業(yè)出版社,2005..[9] Naworocki R. Electronically tunable allpole low pass leapfrog ladder filter with operational transconductance amplifier, Int J Ele, 1987, 62(5) : 667672.[10] De Querioz A C, Caloba L P, Sanchezsinencio E, Signal flow graph OTAC integrated filters, Proc IEEE Int Symp CAS, 1988, 21652168.指導(dǎo)教師意見(jiàn)簽名： 月 日教研室（學(xué)術(shù)小組）意見(jiàn)教研室主任（學(xué)術(shù)小組長(zhǎng)）（簽章）：月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)英文翻譯題目：基于LABVIEW的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與研究 課 題 類 別： 設(shè)計(jì) 論文　□學(xué) 生 姓 名： 曹 濱學(xué) 號(hào)： 200557250115班 級(jí)： 255710501專業(yè)（全稱）： 電子信息工程指 導(dǎo) 教 師： 席燕輝2009年04月 基于LABVIEW的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與研究基于LabVIEW 的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的開(kāi)發(fā)劉漢軍 王紅晨 [摘要] 介紹一種基于LabVIEW 環(huán)境下自行開(kāi)發(fā)的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。它不僅能夠產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)室常用的正弦波、三角波、方波、鋸齒波信號(hào)，而且還可以通過(guò)輸入公式，產(chǎn)生測(cè)試領(lǐng)域的非周期特殊信號(hào)。該儀器系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，設(shè)計(jì)靈活，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。[關(guān)鍵詞] 虛擬儀器；LabVIEW；函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1．引言在有關(guān)電參量的測(cè)量中，我們需要用到信號(hào)源，而信號(hào)發(fā)生器則為我們提供了在測(cè)量中所需的信號(hào)源，它可以產(chǎn)生不同頻率的正弦信號(hào)、方波、三角波、鋸齒波、正負(fù)脈沖信號(hào)、調(diào)幅信號(hào)、調(diào)頻信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)等，其輸出信號(hào)的幅值也可以按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器種類繁多，價(jià)格昂貴，而且儀器功能固定單一，不具備用戶對(duì)儀器進(jìn)行定義及編程的功能，一個(gè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室很難同時(shí)擁有多類信號(hào)發(fā)生器，然而，基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室則能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求[1]。LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境）是一種圖形化的編程語(yǔ)言，簡(jiǎn)稱G 語(yǔ)言，它是由美國(guó)NI 公司推出的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)。應(yīng)用LabVIEW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)編制的程序稱為虛擬儀器，其核心概念就是“軟件即是儀器”[2]。LabVIEW 提供了測(cè)控儀器圖形化編程環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中提供了一種像數(shù)據(jù)流一樣的編程模式，用戶只需連接各個(gè)邏輯框即可構(gòu)成程序。它集成了與滿足GPIB、VXI、RS232 和RS485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，同時(shí)它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，利用它可以方便立自己的虛擬儀器。本文介紹一種自行開(kāi)發(fā)的基于LabVIEW 的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，該儀器界面設(shè)計(jì)友好，功能強(qiáng)大，操作方便。2．系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的功能設(shè)計(jì)參考了常見(jiàn)信號(hào)發(fā)生器的功能，并結(jié)合虛擬儀基于計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，在功能上有所擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：（1）可以產(chǎn)生1Hz～1MHz 的正弦波、方波、三角波、鋸齒波和任意波形；（2）信號(hào)頻率、幅