利用Labview實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、 沈陽(yáng)理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙 No27目 錄1 引言12 虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件Labview入門22.1 Labview介紹2 2.2 利用Labview編程完成習(xí)題設(shè)計(jì)33利用Labview實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)213.1任意波形發(fā)生器的基本原理213.2任意波形發(fā)生器的編程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)213.3運(yùn)行結(jié)果及分析224總結(jié)255參考文獻(xiàn)26271 引言波形發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、測(cè)控、電子對(duì)抗以及現(xiàn)代化儀器儀表等領(lǐng)域，是一種為電子測(cè)量工作提供符合嚴(yán)格技術(shù)要求的電信號(hào)設(shè)備。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子測(cè)量工作對(duì)波形發(fā)生器的性能提出了更高的要求，不僅要求能產(chǎn)生正弦波、方

2、波等標(biāo)準(zhǔn)波形，還能根據(jù)需要產(chǎn)生任意波形，且操作方便，輸出波形質(zhì)量好，輸出頻率范圍寬，輸出頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度及分辨率高，頻率轉(zhuǎn)換速度快且頻率轉(zhuǎn)換時(shí)輸出波形相位連續(xù)等?？梢?jiàn)，為適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)需求，研究制作高性能的任意波形發(fā)生器十分有必要，而且意義重大。波形發(fā)生器的核心技術(shù)是頻率合成技術(shù)，主要方法有：直接模擬頻率合成、鎖相環(huán)頻率合成(PLL)，直接數(shù)字合成技術(shù)(DDS)。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器一般基于模擬技術(shù)。它首先生成一定頻率的正弦信號(hào)，然后再對(duì)這個(gè)正弦信號(hào)進(jìn)行處理，從而輸出其他波形信號(hào)。早期的信號(hào)發(fā)生器大都采用諧振法，后來(lái)出現(xiàn)采用鎖相環(huán)等頻率合成技術(shù)的波形發(fā)生器。但基于模擬技術(shù)的傳統(tǒng)

3、波形發(fā)生器能生成的信號(hào)類型比較有限，一般只能生成正弦波、方波、三角波等少數(shù)的規(guī)則波形信號(hào)。隨著待測(cè)設(shè)備的種類越來(lái)越豐富，測(cè)試用的激勵(lì)信號(hào)也越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)波形發(fā)生器已經(jīng)不能滿足這些測(cè)試需要，任意波形發(fā)生器（AWG)就是在這種情況下，為滿足眾多領(lǐng)域?qū)τ趶?fù)雜的、可由用戶自定義波形的測(cè)試信號(hào)的日益增長(zhǎng)的需要而誕生的。隨著微處理器性能的提高，出現(xiàn)了由微處理器、DA以及相關(guān)硬件、軟件構(gòu)成的波形發(fā)生器。它擴(kuò)展了波形發(fā)生器的功能，產(chǎn)生的波形也比以往復(fù)雜。實(shí)質(zhì)上它采用了軟件控制，利用微處理器控制DA，就可以得到各種簡(jiǎn)單波形。但由于微處理器的速度限制，這種方式的波形發(fā)生器輸出頻率較低。目前的任意波形發(fā)生器普遍采

4、用DDS(直接數(shù)字頻率合成)技術(shù)?；贒DS技術(shù)的任意波形發(fā)生器(AWG)利用高速存儲(chǔ)器作為查找表，通過(guò)高速DA轉(zhuǎn)換器對(duì)存儲(chǔ)器的波形進(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(guò)上位機(jī)編輯，產(chǎn)生真正意義上的任意波形。2 虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件Labview入門2.1 Labview介紹LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境)是一個(gè)基于G（Graphic）語(yǔ)言的圖形編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界中廣泛用作開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儀器控制軟件和分析軟件的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，對(duì)于科學(xué)研究

5、和工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)是很理想的語(yǔ)言。它含有種類豐富的函數(shù)庫(kù)，科學(xué)家和工程師們利用它可以方便靈活地搭建功能強(qiáng)大的測(cè)試系統(tǒng)。LabVIEW編程語(yǔ)言最主要的兩個(gè)特點(diǎn)是圖形化編程和數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)： （1）圖形化編程LabVIEW與Visual C+、Visual Basic、LabWindows/CVI等編程語(yǔ)言不同，后幾種都是基于文本的語(yǔ)言，而LabVIEW則是使用圖形化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言G語(yǔ)言，用框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼，編程的過(guò)程即是使用圖形符號(hào)表達(dá)程序行為的過(guò)程，源代碼不是文本而是框圖。一個(gè)VI有三個(gè)主要部分組成：框圖、前面板和圖標(biāo)連接器?？驁D是程序代碼的圖形表示。 LabVIEW的框圖中

6、使用了豐富的設(shè)備和模塊圖標(biāo)，與科學(xué)家、工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過(guò)程和思維過(guò)程非常的相似。多樣化的圖標(biāo)和豐富的色彩也給用戶帶來(lái)不一樣的體驗(yàn)和樂(lè)趣。前面板是VI的交互式用戶界面，外觀和功能都類似于傳統(tǒng)儀器面板，用戶的輸入數(shù)據(jù)通過(guò)前面板傳遞給框圖，計(jì)算和分析結(jié)果也在前面板上以數(shù)字、圖形、表格等各種不同方式顯示出來(lái)。圖標(biāo)是VI的圖形符號(hào)，連接器則用來(lái)定義輸入和輸出，每一個(gè)VI都有圖標(biāo)和連接器。用戶要做的工作就是恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置參數(shù)，并連接各個(gè)子VI。編程一般步驟就是使用鼠標(biāo)選取合適的模塊、連線和設(shè)置參數(shù)的過(guò)程，與煩瑣枯燥的文本編程相比更為簡(jiǎn)單、生動(dòng)和直觀。 如果將虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器作一類

7、比，前面板就像是儀器的操作和顯示面板，提供各種參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)的顯示，框圖就像是儀器內(nèi)部的印刷電路板，是儀器的核心部分，對(duì)用戶來(lái)講是透明的，而圖標(biāo)和連接器可以比作電路板上的電子元器件和集成電路，保證了儀器正常的邏輯和運(yùn)算功能。（2）數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)宏觀上講，LabVIEW的運(yùn)行機(jī)制已不再是傳統(tǒng)上的馮·諾伊曼式計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式了。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言（如C語(yǔ)言）中的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)在LabVIEW中被并行機(jī)制所代替。本質(zhì)上講它是一種帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式，程序中的每一個(gè)函數(shù)節(jié)點(diǎn)只有在獲得它的全部輸入數(shù)據(jù)后才能夠被執(zhí)行。既然LabVIEW程序是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的，數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)規(guī)定，一個(gè)目標(biāo)只

8、有當(dāng)它的所有輸入有效時(shí)才能夠被執(zhí)行；而目標(biāo)的輸出只有當(dāng)它的功能完全時(shí)才是有效的。于是LabVIEW中被連接的函數(shù)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流控制著程序的執(zhí)行次序，而不像文本程序那樣受到行順序執(zhí)行的約束。我們可以通過(guò)相互連接函數(shù)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)潔高效地開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，還可以有多個(gè)數(shù)據(jù)通道同步運(yùn)行，即所謂的多線程。2.2 利用Labview編程完成習(xí)題設(shè)計(jì)習(xí)題2.1寫(xiě)一個(gè)類正弦波發(fā)生器，要求頻率和幅度可調(diào)圖1 2.1前面板圖圖2 2.1程序面板圖習(xí)題3,1新建一個(gè)VI，進(jìn)行如下練習(xí)：任意放置幾個(gè)控件在前面板，改變它們的位置、名稱、大小、顏色等等。在VI前面板和后面板之間進(jìn)行切換并排排列前面板和后面板窗口圖3 3.1前后面

9、板對(duì)照?qǐng)D習(xí)題3.2編寫(xiě)一個(gè)VI求三個(gè)數(shù)的平均值，如右圖所示。要求對(duì)三個(gè)輸入控件等間隔并右對(duì)齊，對(duì)應(yīng)的程序框圖控件對(duì)象也要求如此對(duì)齊。添加注釋 分別用普通方式和高亮方式運(yùn)行程序，體會(huì)數(shù)據(jù)流向。單步執(zhí)行一遍圖4 3.2前面板圖圖5 3.2程序面板圖習(xí)題4.1寫(xiě)一個(gè)VI判斷兩個(gè)數(shù)的大小，如右圖所示：當(dāng)A>B時(shí)，指示燈亮圖6 4.1前面板圖圖7 4.1程序面板圖習(xí)題4.2寫(xiě)一個(gè)VI獲取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，并將其轉(zhuǎn)換為字符串和浮點(diǎn)數(shù)。這在實(shí)際編程中會(huì)經(jīng)常遇到圖8 4.2前面板圖圖9 4.2程序面板圖習(xí)題4.3寫(xiě)一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)器，如右圖所示，當(dāng)溫度超過(guò)報(bào)警上限，而且開(kāi)啟報(bào)警時(shí)，報(bào)警燈點(diǎn)亮。溫度值可以由隨即數(shù)

10、發(fā)生器產(chǎn)生。圖10 4.3前面板圖圖11 4.3程序面板圖習(xí)題4.5給定任意x, 求如下表達(dá)式的值圖12 4.5前面板圖圖13 4.5程序面板圖習(xí)題5.1利用順序結(jié)構(gòu)和timing面板下的tick count VI，計(jì)算for循環(huán)產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為20000點(diǎn)的隨機(jī)波形所需的時(shí)間圖14 5.1前面板圖圖15 5.1程序面板圖習(xí)題5.2為第4章習(xí)題4添加一個(gè)While循環(huán)和定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的溫度采集監(jiān)測(cè)圖16 5.2前面板圖圖17 5.2程序面板圖習(xí)題5.3計(jì)算學(xué)生三門課（語(yǔ)文，數(shù)學(xué)，英語(yǔ)）的平均分，并根據(jù)平均分劃分成績(jī)等級(jí)。要求輸出等級(jí)A,B,C,D,E。90分以上為A，8089為B，7079為C

11、，6069為D，60分以下為E圖18 5.3前面板圖圖19 5.3程序面板圖習(xí)題6.1為第5章的習(xí)題2連續(xù)溫度采集監(jiān)測(cè)添加報(bào)警信息，如下圖所示，當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)輸出報(bào)警信息，例如“溫度超限！當(dāng)前溫度78.23”，正常情況下輸出空字符串。圖20 6.1前面板圖圖21 6.1程序面板圖習(xí)題6.2將一些字符串和數(shù)值轉(zhuǎn)換成一個(gè)新的字符串輸出的字符串是GPIB命令字符串，它可以用來(lái)進(jìn)行串行通信圖22 6.2前面板圖圖23 6.2程序面板圖習(xí)題6.3用FOR循環(huán)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組，并用圖形顯示輸出的數(shù)組。圖24 6.3前面板圖圖25 6.3程序面板圖習(xí)題6.4利用簇模擬汽車控制，如右圖所示，控制面板可以對(duì)顯示面板中

12、的參量進(jìn)行控制。油門控制轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速油門*100，檔位控制時(shí)速,時(shí)速檔位*40，油量隨VI運(yùn)行時(shí)間減少圖26 6.4前面板圖圖27 6.4程序面板圖習(xí)題7.1利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仿真一個(gè)0到5V的采樣信號(hào)，每200ms采一個(gè)點(diǎn)，利用實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線實(shí)時(shí)顯示采樣結(jié)果。圖28 7.1前面板圖圖29 7.1程序面板圖習(xí)題7.2在習(xí)題1的基礎(chǔ)上再增加1路電壓信號(hào)采集，此路電壓信號(hào)的范圍為5到10V圖30 7.2前面板圖圖31 7.2程序面板圖習(xí)題7.3利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仿真一個(gè)0到5V的采樣信號(hào)，每200ms采一個(gè)點(diǎn)，共采集50個(gè)點(diǎn)，采集完后一次性顯示在Waveform Graph上圖32 7.3前面板圖 圖33

13、 7.3程序面板圖習(xí)題7.4在習(xí)題3的基礎(chǔ)上再增加1路電壓信號(hào)采集，此路電壓信號(hào)的范圍為5到10V，采樣間隔是50ms，共采100個(gè)點(diǎn)。采樣完成后，將兩路采樣信號(hào)顯示在同一個(gè)Waveform Graph中圖34 7.4前面板圖圖35 7.4程序面板圖3利用Labview實(shí)現(xiàn)任意波形信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)3.1 任意波形信號(hào)發(fā)生器的基本原理任意信號(hào)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生頻率為20Hz200kHz的正弦信號(hào)（低頻）。除具有電壓輸出外，有的還有功率輸出。所以用途十分廣泛，可用于測(cè)試或檢修各種電子儀器設(shè)備中的低頻放大器的頻率特性、增益、通頻帶，也可用作高頻信號(hào)發(fā)生器的外調(diào)制信號(hào)源。另外，在校準(zhǔn)電子電壓表時(shí)，它可提供

14、交流信號(hào)電壓。低頻信號(hào)發(fā)生器的原理：系統(tǒng)包括主振級(jí)、主振輸出調(diào)節(jié)電位器、電壓放大器、輸出衰減器、功率放大器、阻抗變換器（輸出變壓器）和指示電壓表。主振級(jí)產(chǎn)生低頻正弦振蕩信號(hào)，經(jīng)電壓放大器放大，達(dá)到電壓輸出幅度的要求，經(jīng)輸出衰減器可直接輸出電壓，用主振輸出調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。3.2 xxxxxxxx（課題名）的編程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 3.2.1編程設(shè)計(jì)圖36 前面板設(shè)計(jì)圖前面板中細(xì)分的話可以按照一般波形輸出和公式波形輸出，一般波形包括正弦波，鋸齒波、方波，公式波形指的是在公式欄中輸入公式能畫(huà)出公式的波形。圖37 程序設(shè)計(jì)圖3.3運(yùn)行結(jié)果及分析圖37 方波輸出圖圖38 正弦波輸出圖圖39 鋸齒波

15、輸出圖圖40 公式波形輸出4總結(jié)我覺(jué)得自己這學(xué)期學(xué)習(xí)虛擬儀器這門課設(shè)還是收獲頗豐的。作為一名測(cè)控技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，我覺(jué)得自己十分有必要了解并熟練地掌握用虛擬儀器來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。在做大作業(yè)的過(guò)程當(dāng)中，我對(duì)前半學(xué)期學(xué)到的理論知識(shí)有了更深的理解，但我也明顯感覺(jué)到自己還是需要更多的實(shí)戰(zhàn)練習(xí)。同時(shí)，這次選作任意波形發(fā)生器這一題目只用到了部分功能，LabVIEW還是非常強(qiáng)大的，我計(jì)劃在暑假中用一部分時(shí)間繼續(xù)做一些相關(guān)應(yīng)用，也希望在遇到問(wèn)題的時(shí)候能和老師繼續(xù)溝通。這次虛擬儀器課程設(shè)計(jì)的題目是實(shí)現(xiàn)基于LabVIEW的任意波形發(fā)生器。此次課程設(shè)計(jì)是我在繼課堂學(xué)習(xí)書(shū)本上的虛擬儀器知識(shí)后，再一次并且更加深入的了解到虛擬儀器的基本使用方法和運(yùn)用原理，檢測(cè)我們學(xué)習(xí)成果的綜合性應(yīng)用能力，它不僅要求我們有扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐操作能力，更要求我們有嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。通過(guò)自己的動(dòng)手和思考，感覺(jué)獲益良多。在設(shè)計(jì)中我就更切身體會(huì)到虛擬儀器這種儀器的高效、開(kāi)放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性好等明顯優(yōu)點(diǎn)。 設(shè)計(jì)過(guò)程中，也會(huì)遇到很多困難，但是學(xué)習(xí)一門知識(shí)就是不斷戰(zhàn)勝自己，不斷探索挑戰(zhàn)的過(guò)程。所以不管過(guò)程有多么困難，能最后完成的話還是非常有成就感的。LabVIEW確實(shí)非常強(qiáng)大，在不斷找控件和函數(shù)的過(guò)程中，能接觸到很多我們已經(jīng)學(xué)過(guò)的原件