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虛擬信號發(fā)生器的研究與設(shè)計畢業(yè)論文-在線瀏覽

2024-08-08 06:38本頁面
  

【正文】 控制,軟件是虛擬儀器設(shè)計的核心。虛擬儀器中硬件的主要功能是獲取真實世界中的被測信號,而軟件的作用是控制現(xiàn)實數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能,并將其集成為儀器操作與運行的命令環(huán)境。按照總線的接口方式分為:數(shù)據(jù)采集插卡式(DAQ)虛擬儀器、RS232/RS422 虛擬儀器、并行接口虛擬儀器、USB 虛擬儀器、GPIB 虛擬儀器、VXI 虛擬儀器、PXI 虛擬儀器和最新的 IEEE1394 接口虛擬儀器。把信號發(fā)生、數(shù)據(jù)采集和信號處理集成在一起,利用網(wǎng)絡(luò)對其進行控制和處理,并且在軟硬件的升級方面有很大的改善空間和靈活性,改變了人們對儀器的傳安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文) 6 統(tǒng)觀念,適應(yīng)了現(xiàn)代測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展趨勢。 隨著計算機技術(shù)和個人電腦技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,傳統(tǒng)儀器開始向計算機化的方向發(fā)展,人們開始考慮使用電腦來處理傳統(tǒng)儀器所測數(shù)據(jù)。它可以金星一些簡單的數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)的后處理由計算機軟件完成,這就是虛擬儀器技術(shù)的雛形。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。 本文圍繞基于 LabWindows/CVI 的虛擬信號發(fā)生器的研究與設(shè)計,主要完成以下工作:1. 基于 LabWindows/CVI 的信號發(fā)生器的硬件平面設(shè)計。 3. 虛擬信號發(fā)生器的仿真調(diào)試運行結(jié)果。labwindows/cvi 軟件,它以 ANSI C 為核心,功能強大,使用靈活的 C 語言平臺與數(shù)據(jù)采集,分析和表達的測控專業(yè)的工具有機的結(jié)合起來。 LabWindows/CVI 概述 LabWindows/CVI 是面向儀器與測控過程的交互式 C/C++開發(fā)平臺,它是一個用 C 語言構(gòu)建儀器系統(tǒng)的交互式軟件開發(fā)環(huán)境,可以模塊化方式對 C 語言進行編輯、編譯、連接和調(diào)試。6. 多種靈活的程序調(diào)試手段。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文) 8 LabWindows/CVI 的特點 LabWindows/CVI 作為一個優(yōu)秀的軟件開發(fā)平臺,和其他虛擬儀器開發(fā)工具相比,具有如下特點:(1)交互式的程序開發(fā) LabWindows/CVI 將源代碼編程、32 位 ANSIC 編譯、連接、調(diào)試及標(biāo)準(zhǔn)ANSIC 庫等集成在一個交互式開發(fā)平臺中,采用簡單直觀圖形用戶界面設(shè)計,利用函數(shù)面板輸入函數(shù)參數(shù)的參數(shù),采用事件驅(qū)動方式和回調(diào)函數(shù)方式的編程技術(shù),有效的提高了工程設(shè)計的效率和可靠性。同時,LabWindows/CVI 附加了各種軟件開發(fā)包,如數(shù)據(jù)庫軟件包、Inter 軟件包、小波分析軟件包等,大大增強了 LabWindows/CVI 的性能。 LabWindows/CVI 以面向虛擬儀器的交互式開發(fā)環(huán)境,滿足看用戶對軟件不斷變化的要求,在產(chǎn)品的設(shè)計中,可以快速的創(chuàng)建、配置并顯示測量。1. 開放式的框架結(jié)構(gòu)在 LabWindows/CVI 環(huán)境中,可以結(jié)合使用標(biāo)準(zhǔn)的 ANSIC 源文件、obj 文件和動態(tài)鏈接庫(DLL)。同時,可以在不同的工作小組之間共享函數(shù)模塊和虛擬儀器程序。這一開發(fā)方式結(jié)合了交安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文) 9 互式、簡單易用的開發(fā)方式與 ANSIC 代碼的強大編寫功能和靈活性。 基于 LabWindows/CVI 的虛擬儀器構(gòu)成基于 LabWindows/CVI 虛擬儀器通常由通用儀器硬件平臺和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。計算機一般為一臺 PC 或工作站,它是硬件平臺的核心。根據(jù)采用不同的總線及其相應(yīng)的 I/O 接口硬件設(shè)備,如 PC 總線的數(shù)據(jù)采集卡/板(DAQ)、GPIB 總線儀器模塊、VXI 總線儀器模塊和串口總線儀器等,虛擬儀器的構(gòu)成只要分為 5中類型,如圖 11 所示圖 21 虛擬儀器結(jié)構(gòu)框圖安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文) 10 上述各種虛擬儀器系統(tǒng)都是通過應(yīng)用軟件將儀器硬件與計算機相結(jié)合構(gòu)成的,其中,串口測試系統(tǒng)是構(gòu)成虛擬儀器的最簡單、最基本的方式。應(yīng)用程序包含兩個方面:1. 實現(xiàn)虛擬儀器面板的流程圖軟件程序。I/O 接口儀器驅(qū)動程序完成特定的外部硬件設(shè)備的擴展、驅(qū)動和通信。輸入信號的測量將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號并輸入到計算機中。處理內(nèi)容包括數(shù)字信號處理、數(shù)字濾波、統(tǒng)計處理、數(shù)值計算與分析等。例如,虛擬儀器可以通過總線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸、通過文件將測試數(shù)據(jù)存于硬盤內(nèi)存中、計算機屏幕顯示或圖形用戶接口。圖 23 用 LabWindows/CVI 設(shè)計的虛擬儀器軟件組成1.*.prj 文件:工程文件,由*.uir 文件、*.c 文件和*.h 文件組成。文件由上部分組成,即頭文件(*.h)、主程序文件(Main)和回調(diào)函數(shù)(CallBack),其結(jié)構(gòu)和 C 語言的結(jié)構(gòu)一致。該文件中包含儀器面板中的各類控件,如按鈕、開關(guān)等,每個控件都有自己的屬性,如按鈕的名稱,面板的標(biāo)題、長度、位置等。4.*.h 文件:頭文件,與 C 中的*.h 文件結(jié)構(gòu)完全一致在 LabWindows/CV中,*.h 文件是自動生成的,當(dāng)設(shè)計完*.uir 文件后,會自動生成*.h 文件。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文) 12 虛擬儀器技術(shù)及發(fā)展 虛擬儀器特點虛擬儀器是計算機技術(shù)介入儀器領(lǐng)域所形成的一個新型的富有生命力的儀器種類。(2)開放性好具有開放性的規(guī)?;O(shè)計,便于用戶根據(jù)測試任務(wù)隨心所欲的組建儀器或系統(tǒng),儀器擴充、聯(lián)網(wǎng)和升級十分方便。(4)界面友好,使用方便??傮w而言,虛擬儀器是測量/測試領(lǐng)域的一個創(chuàng)新概念,改變了人們對儀器的傳統(tǒng)觀念,適應(yīng)了現(xiàn)代測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展趨勢。另一方面,采用虛擬儀器技術(shù),根據(jù)實際工藝和控制要求,將分布在企業(yè)不同位置的各個測量儀器和控制裝置連接為一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),通過計算機實施控制和管理,可降低成本,提高工業(yè)自動化改造的經(jīng)濟效益。目前,像數(shù)字示波器、頻譜分析儀和邏輯分析儀等要主要依賴進口。這是采用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的一個大有作為的領(lǐng)域。這種變化給實驗教學(xué)帶 來了新的教學(xué)理念。 虛擬儀器的發(fā)展 電子測量儀器發(fā)展至今,答題可以分成四代:模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能化儀器和虛擬儀器。如指針式萬用表、指針式電壓表、指針式電流表等,他們的基本結(jié)構(gòu)是電磁機械式的,借助指針來顯示最終結(jié)果。數(shù)字式儀器目前相當(dāng)普及,如數(shù)字式電壓表、數(shù)字式頻率計等。第三代:智能儀器。它的功能全部都是以硬件(或固化的硬件)的形式存在,無論是開發(fā)還是應(yīng)用,都缺乏靈活性。虛擬儀器是現(xiàn)代計算機技術(shù)、通信技術(shù)和測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革,是儀器行業(yè)發(fā)展的一個重要方向。隨著計算機技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷完善,虛擬儀器將向三個方面發(fā)展:(1) 外掛式虛擬儀器安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文) 14 (2) PXI 型高精度集成虛擬儀器測試系統(tǒng)(3) 網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器第三章 虛擬信號發(fā)生器的理論研究 虛擬信號發(fā)生器的基本原理 信號發(fā)生器又稱信號源或震蕩器,在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。能夠產(chǎn)生多種波形,如三角波、矩形波(含方波)、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中,都需要射頻(高頻)發(fā)射,這里的射頻波就是載波,把音頻(低頻)、視頻信號或脈沖信號運載出去,就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。函數(shù)信號發(fā)生器的實現(xiàn)方法通常有以下幾種::通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高,其工作不穩(wěn)定,不易調(diào)試。早期的函數(shù)信號發(fā)生器 IC,如 L803XR2207/2209 等,他們的功能較少,精度不搞,頻率上限只有 300KHz,無法產(chǎn)生更高的頻率信號,調(diào)試方式也不夠靈活,頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié),二者相互影響。MAX038 頻率高、精度好,因此它被稱為高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器 IC。 DDS 芯片的函數(shù)發(fā)生器:能產(chǎn)生任意波形并達到很高的頻率。 生產(chǎn)所需參數(shù)的電測試信號儀器。主要用于測量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及敏度等。②函數(shù)(波形)信號發(fā)生器。除供通信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外,還廣泛用于其他非電測量領(lǐng)域。能產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器,可用以測試線性心痛的瞬態(tài)響應(yīng),或用作模擬信號來測試?yán)走_、多路通信和其他脈沖數(shù)字系統(tǒng)的性能。通常又分為噪聲信號發(fā)生器和偽隨機信號發(fā)生器兩類。當(dāng)用噪聲信號進行相關(guān)函數(shù)測量時,若測量時間不夠長,會出現(xiàn)統(tǒng)計性誤差,可用偽隨機信號來解決。典型值 10ppm 用 OptIE5 時為 1ppm 幅度:> 輸入阻抗:50Ω 輸出阻抗:50Ω 頻帶 頻帶 頻率范圍 N 1 250KHz≤ 1 2 ≤500MHz 3 500MHz≤1GHz 1 4 1≤2GHz 2 5 2≤4GHz 4 頻譜純度 單邊帶相位噪聲(典型值,在 20KHz 頻偏處) 在 500MHz 處:<120dBc/Hz 在 1000MHz 處:<116 dBc/Hz 在 2022MHz 處:<110 dBc/Hz 在 3000 MHz 處:<104 dBc/Hz 在 4000 MHz 處:<104 dBc/Hz安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文) 17 脈沖周期:16181。s30s 分辨率:4181。如工業(yè)過程控制,生物醫(yī)藥,地震模擬機械振動等領(lǐng)域常常用到低頻信號源。一旦工作需求功能有增加,則電路復(fù)雜程度會大大增加?,F(xiàn)在帶電子領(lǐng)域中,單片機的應(yīng)用正在不斷的走向深入,這必將導(dǎo)致傳統(tǒng)控制與檢測技術(shù)的日益革新。因此,單片機技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用水平已逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。由于單片機的這種特殊的結(jié)構(gòu)形式,在某些應(yīng)用領(lǐng)域中,它承擔(dān)了大型計算機和通用微型計算機無法完成的一些工作。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文) 18 單片機的應(yīng)用使得信號發(fā)生器的性能價格比提高很多,控制功能強,集成度高、體積小、可靠性高,并且可以在很低的電壓下工作,功耗降至 μA 級,一粒紐扣電池就可長期使用。各種復(fù)雜電路不斷出現(xiàn),體積不斷縮小,產(chǎn)品更新速度不斷加快。電子產(chǎn)品設(shè)計時使用常規(guī)的人工方法,要耗費大量的人力財力。電子設(shè)計自動化得到了快速發(fā)展,大大減輕了設(shè)計壓力,縮短了設(shè)計開發(fā)時間,是電子開發(fā)人員必須掌握的技術(shù)。它是 32 位的面向計算機測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺,可以在多種操作系統(tǒng)下運行。通過信號發(fā)生器的計算機仿真設(shè)計研究,初步掌握軟件應(yīng)用及編程和信號發(fā)生器原理。通過軟件編程實現(xiàn)信號波形生成及頻譜分析。 產(chǎn)生程序代碼。 封裝代碼。連續(xù)信號與系統(tǒng)的傅里葉分析不便于直接用計算機進行計算,使其應(yīng)用受到限制,而本設(shè)計用到的快速傅里葉變換(簡稱 FFT)是一種時域和頻域都是離散化的變換,適合數(shù)值運算,成為分析離散和系統(tǒng)的有力工具。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文) 20 快速傅里葉變換是離散傅里葉變換 DFT 的一種快速算法,由于有限長序列在其頻域也可以離散化有限長序列(DFT),因此離散傅里葉變換(DFT)在數(shù)字信息處理中是非常有用的。這樣運算就復(fù)雜了,計算所需的時間也會多一些。因此每一級運算都需要 4 次復(fù)數(shù)乘和 8 次復(fù)數(shù)加。故使用FFT 能大大減少運算量,減小了運算 時間,能實時完成信號處理。 儀器硬件面板設(shè)計 啟動 Labwindows/CVI 在設(shè)計面板之前先在 File 菜單中新建 Include(*.h)、Source(*.c)再新建 User Interface(*.uir)面板。創(chuàng)建控件及修改空間屬性。其整體硬件面板如下圖所示: 圖 42 用戶的圖形界面各種控件的相關(guān)屬性設(shè)置如下: 面板:Constant Name 為 PANEL,Panel Title 為“虛擬信號發(fā)生器”。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文) 22 控件 2: Graph 控件,用于顯示頻譜,Constant Name 為 GRAPH2,Label為“頻譜顯示” Buttom XAxis”中 Axis Name 是“w“ Minimum 為0,Maximum 為 1000。 控件 4:Numeric Dial 控件,用于設(shè)置頻率,Constant Name 為FREQ,Label 為“頻率”, Default Value 為 0, Range Values 中 Minimum 為0,Maximum 為 1000。 控件 6:Ring Slide 控件,用于設(shè)置窗函數(shù),Constant Name 為WINDOW,Label 為“window”, Lable/Value pairs 中 Lable 分別為none、Triangle、Hanning、Hamming、Blackman、Kaiser,其對應(yīng)的 Value 分別為 0、5。 控件 8:Command Button 控件,用于讀取文件,Constant Name 為READ,Callbac
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