基于labVIEW的任意波形發(fā)生器設(shè)計余洪偉

1、 沈陽航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計（論文）題目 基于labVIEW的任意波形發(fā)生器設(shè)計 班 級 34070102 學(xué) 號 2013040701060 學(xué) 生 姓 名 余洪偉 指 導(dǎo) 教 師 于明月 沈陽航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書課 程 名 稱 虛擬儀器課程設(shè)計 院（系） 自動化學(xué)院 專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 班級 34070102 學(xué)號 2013040701060 姓名 余洪偉 課程設(shè)計題目 基于LabVIEW的任意波形發(fā)生器設(shè)計課程設(shè)計時間: 2016 年 7 月 4 日至 2016 年 7 月 15 日課程設(shè)計的內(nèi)容及要求：1. 內(nèi)容任意波形發(fā)生器是仿真實驗的最佳儀器，任意波形發(fā)生器

2、是信號源的一種，它具有信號源所有的特點。基于此，利用LabVIEW設(shè)計一個任意波形發(fā)生器。2. 要求（1）可以產(chǎn)生三種以上波形（如正弦、鋸齒、方波、三角波等），波形的幅值及頻率可以調(diào)節(jié)；（2）可以實現(xiàn)不同波形的轉(zhuǎn)換并顯示；（3）可以實現(xiàn)波形數(shù)據(jù)的存儲及回放；（4）虛擬儀器前面板的設(shè)計美觀大方、操作方便。指導(dǎo)教師 年 月 日負責(zé)教師 年 月 日學(xué)生簽字 年 月 日目 錄0. 前言11. 總體方案設(shè)計12.程序流程圖23. 程序框圖設(shè)計33.1波形的產(chǎn)生及參數(shù)的設(shè)計33.1.1 正弦波 33.1.2方波43.1.3鋸齒波43.1.4三角波53.1.5公式波形63.2波行轉(zhuǎn)換設(shè)計 6 3.3噪聲波形

3、實現(xiàn)73.4波形的存儲與回放84. 前面板的設(shè)計95.調(diào)試過程與結(jié)果顯示105.1波形的調(diào)試105.1.1 正弦波的工作過程及波形驗證 105.1.2 方波的工作過程及波形驗證115.1.3 三角波的工作過程及波形驗證125.1.4 鋸齒波的工作過程及波形驗證125.1.5 公式波形的工作過程及波形驗證135.2 波形的存儲與回放 14 5.3噪聲波形的顯示15t6 結(jié)論15參考文獻16附錄17課設(shè)體會18基于LabVIEW的任意波形發(fā)生器設(shè)計余洪偉 沈陽航空航天大學(xué)自動化學(xué)院摘要：隨著電子技術(shù)、計算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的電子測量儀器的功能和作用已發(fā)生了質(zhì)的變化，新型的虛擬儀器應(yīng)運而

4、生。其實質(zhì)是利用最新的計算機技術(shù)來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。實驗表明，設(shè)計的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器輸出信號性能優(yōu)于普通傳統(tǒng)的信號源。虛擬儀器是1986年美國國家儀器公司（NI）提供的一種新型一起概念。其基本構(gòu)成包括計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。在這里，硬件僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。當(dāng)基本硬件確定后，就可以通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能。使傳統(tǒng)儀器的某些硬件甚至整個儀器都被計算機軟件所代替。虛擬儀器的軟件是其最核心、最關(guān)鍵的部分，其主要功

5、能是對硬件執(zhí)行通信和控制，對信號進行分析和處理，以及對結(jié)果進行恰當(dāng)?shù)谋磉_和輸出等。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺目前主要有兩類。NI公司的Labview軟件開發(fā)平臺是一種專業(yè)圖形化編程軟件，采用圖形化編程方式，結(jié)構(gòu)流程清晰，但缺點是對硬件的要求較高，比較依賴NI的專用產(chǎn)品，對信號控制方式不夠靈活。本文所述主要是任意波形發(fā)生器的設(shè)計原理及功能。是基于Labview2014軟件的設(shè)計。能夠產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波、三角波、公式輸入任意波形等幾種波形，并實現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換和波形幅值和頻率的調(diào)節(jié)；同時可以實現(xiàn)波形的存儲與回放。在此基礎(chǔ)上還給每個波形添加了4種噪聲。根據(jù)現(xiàn)實中常用信號源的基本要求，本文設(shè)計合理的數(shù)學(xué)

6、模型，實現(xiàn)了任意波形的發(fā)生。關(guān)鍵詞 虛擬儀器 任意波形發(fā)生器沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計論文 基于LabVIEW的任意波形發(fā)生器設(shè)計0. 前言 虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)是利用PC計算機顯示器(CRT)的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板以多種形式表達輸出檢測結(jié)果；利用PC計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析、處理；由IO接口設(shè)備完成信號的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計算機系統(tǒng)。虛擬儀器可通過Labview設(shè)計平臺實現(xiàn)，并可在脫離Labview開發(fā)環(huán)境下運行，用戶最終看見的是與實際硬件儀器相似的虛擬儀器面板。 信號分析與處理要求所得信號的特征值，

7、如峰值、有效值、均值、方差、頻譜、相關(guān)函數(shù)、概率密度函數(shù)等。若用硬件電路來實現(xiàn)，其電路既復(fù)雜又昂貴，甚至不易實現(xiàn)，然而用軟件編程的方式是很容易實現(xiàn)的。這也是虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器具有優(yōu)勢的所在。本文以虛擬儀器技術(shù)為開發(fā)平臺，采用條件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)不同波形之間的切換。測量電路和編寫程序盡量做到了簡單簡潔，減小了錯誤。1. 總體方案設(shè)計 本文主要利用case結(jié)構(gòu)添加多個條件分支，在每個分支中添加相應(yīng)的波形生成控件，并用特定的數(shù)據(jù)類型表示不同的波形。在case結(jié)構(gòu)中的條件選擇端口加一個【文本下拉列表】，輸入各個可以產(chǎn)生的波形（下拉列表的編輯項必須與條件分支中的標(biāo)簽一一對應(yīng)），來實現(xiàn)不同波形之間的轉(zhuǎn)換，在達到基

8、本要求的基礎(chǔ)上添加了公式輸入產(chǎn)生任意波形的分支。通過添加【轉(zhuǎn)盤】、【旋鈕】和【量表】控件來實現(xiàn)頻率、幅值偏移量、初始相位以及方波占空比的調(diào)節(jié)與顯示。在波形的顯示功能中，通過case結(jié)構(gòu)添加了噪聲波形顯示，為了前面板的設(shè)計方便美觀大方，采用選項卡結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)四種噪聲波形的參數(shù)。并創(chuàng)建了引用節(jié)點的可見功能來實現(xiàn)噪聲參數(shù)是否在前面板顯示（當(dāng)值為真時顯示，值為假時隱藏）。分別利用【寫入電子表格文件】控件和【讀取電子表格文件】控件來實現(xiàn)波形存儲與回放功能，直接使用【從動態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換】控件將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)來保存在文件中。并采用選擇路徑來回放保存的波形。在前面板中波形的顯示與回放采用選項卡來實現(xiàn)顯示與回放的

9、轉(zhuǎn)換，設(shè)計美觀方便！2、程序流程圖結(jié)束波形選擇參數(shù)調(diào)節(jié)波形顯示頻率相位占空比偏移量鋸齒波幅值三角波方波開始正弦波公式輸入波形的存儲與回放圖2.1 程序流程圖3. 程序框圖設(shè)計程序框圖部分所實現(xiàn)的主要功能是波形的產(chǎn)生及參數(shù)的設(shè)計、波形的轉(zhuǎn)換、噪聲波形的實現(xiàn)、波形的存儲以及波形的回放。3.1 波形的產(chǎn)生及參數(shù)的設(shè)計采用了case條件結(jié)構(gòu)，改變【選擇器標(biāo)簽】中的數(shù)據(jù)類型，并添加所需要的條件分支。每一個分支就對應(yīng)一個波形。并根據(jù)這個波形的特點，選擇不同的參數(shù)?！痉种нx擇器】的數(shù)據(jù)類型必須與【選擇器標(biāo)簽】中的數(shù)據(jù)類型一致。為了使我們所得到的波形的參數(shù)更加準(zhǔn)確，可以再添加一個顯示控件；這樣，調(diào)節(jié)參數(shù)的同時

10、，也可以觀測它的值，看是否達到要求。 3.1.1 正弦波采用【正弦波形生成】控件，它一共有四個參數(shù)：頻率、幅值、相位、直流偏移量。只要把四個參數(shù)都設(shè)置為變量，就能實現(xiàn)各個參數(shù)的調(diào)節(jié)，進而產(chǎn)生能滿足不同要求的波形。 正弦波的設(shè)計原理圖如下所示：圖3.1.1 正弦信號程序框圖3.1.2方波選擇【方波波形生成】控件，它一共有五個參數(shù)：頻率、幅值、相位、直流偏移量、占空比。其中，占空比尤其重要，不僅要能調(diào)節(jié)，而且要準(zhǔn)確的顯示它的數(shù)值。同樣，把其它四個參數(shù)都設(shè)置為變量，就能實現(xiàn)各個參數(shù)的調(diào)節(jié)，進而能滿足需要。方波的設(shè)計原理圖如下所示：圖3.1.2 方波信號程序框圖3.1.3鋸齒波選擇【鋸齒波形生成控件，

11、一共有四個參數(shù)：頻率、幅值、相位、直流偏移量。把四個參數(shù)都設(shè)置為變量，就能實現(xiàn)各個參數(shù)的調(diào)節(jié)。 鋸齒波的設(shè)計原理圖如下所示：圖3.1.3 鋸齒波信號程序框圖3.1.4三角波選擇【三角波波形形生成】控件，它一共有四個參數(shù)：頻率、幅值、相位、直流偏移量。同時，把四個參數(shù)都設(shè)置為變量，就能實現(xiàn)各個參數(shù)的調(diào)節(jié)。 三角波的設(shè)計原理圖如下所示：圖3.1.4 三角波信號程序框圖3.1.5 公式輸入波形選擇【公式波形生成】控件，創(chuàng)建公式輸入控件，用于輸入任意波形。它還有其它四個參數(shù)：頻率、幅值、相位、直流偏移量。同時，把四個參數(shù)都設(shè)置為變量，就能實現(xiàn)各個參數(shù)的調(diào)節(jié)。 公式波形的設(shè)計原理圖如下所示：圖3.1.5

12、 公式波形程序框圖3.2波形轉(zhuǎn)換設(shè)計利用了case條件結(jié)構(gòu)，改變【選擇器標(biāo)簽】中的數(shù)據(jù)類型，并添加所需要的條件分支。每一個分支就對應(yīng)一個波形。并根據(jù)這個波形的特點，選擇不同的參數(shù)。在選擇器標(biāo)簽的編輯項中插入正弦波、方波、鋸齒波、三角波以及公式輸入，如圖3-2所示?！痉种нx擇器】的數(shù)據(jù)類型必須與【選擇器標(biāo)簽】中的數(shù)據(jù)類型一致。 通過選擇前面板的波形類型實現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換。圖3.2 波形選擇編輯項3.3噪聲波形實現(xiàn) 采用case結(jié)構(gòu)分別添加了Gamma噪聲、二項分布的噪聲、Bernoulli噪聲、泊松分布的噪聲的分支，各分支輸出的波形與波形產(chǎn)生模塊生成的波形疊加，并創(chuàng)建每個噪聲控件的參數(shù)控制，選用選項

13、卡控件來整合各個輸入控件，達到界面的美觀整潔。噪聲種類的選擇和前文中波形的選擇所用的原理與方法完全一樣。此模塊還創(chuàng)建了visible可見屬性節(jié)點，當(dāng)所給的值為真時，也就是選擇添加噪聲時，噪聲參數(shù)選項卡和選擇波形的類型控件在前面板顯示。當(dāng)所給的值為假，即不添加噪聲時，噪聲參數(shù)選項卡和選擇波形的類型控件隱藏。此功能使前面板設(shè)計簡單靈活。噪聲波形模塊程序框圖如圖3.3所示。圖3.3 噪聲波形程序框圖3.4 波形的存儲與回放 采用case結(jié)構(gòu)，在【真】分支中添加【從動態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換】控件把動態(tài)波形轉(zhuǎn)換為二位標(biāo)量數(shù)組，如圖3.4.1所示。并添加【寫入電子表格文件】將二位數(shù)據(jù)寫入到創(chuàng)建的文件路徑中，采用字符串

14、連接，并結(jié)合【獲取日期】控件來命名文件路徑。圖3.4.1 從動態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控件數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換 存儲模塊圖如下所示：圖3.4.2 存儲功能模塊 同樣采用case結(jié)構(gòu)，在【真】分支中添加【讀取電子表格文件】控件，并創(chuàng)建文件路徑，在回放之前需要選擇路徑。并連接波形顯示用于回放顯示。 回放功能模塊如下圖所示：圖3.4.3 回放功能模塊4.前面板的設(shè)計無論什么儀器設(shè)備，我們首先看到的就是它的前面板，通過前面板可以直觀的看出儀器的功能及其特點。所以前面板的設(shè)計相當(dāng)重要。我們應(yīng)當(dāng)秉持著美觀、直接、特色、規(guī)范的原則設(shè)計前面板。就如人的臉面一樣，第一印象特別重要。 本程序的前面板主要利用選項卡控件、下凹盒、上凸盒以

15、及噪聲波形模塊的屬性節(jié)點的visible功能來實現(xiàn)。前面板總設(shè)計圖如4.1所示。圖4.1 前面板的設(shè)計圖5 調(diào)試過程與結(jié)果顯示 5.1 波形的調(diào)試 5.1.1正弦波的工作過程及波形驗證 點擊前面板的【連續(xù)運行】，選擇正弦波類型。此時【開關(guān)】為“開”的狀態(tài)，否則沒有任何波形的輸出。程序正常運行后，轉(zhuǎn)動“頻率”、“幅值”等參數(shù)的旋鈕，此時會發(fā)現(xiàn)顯示的波形也隨著改變。例如：旋轉(zhuǎn)“頻率”值為7.42199Hz，“幅值”為3.17044，“偏移量”為0，“初始相位”為4.12041。驗證波形圖如下所示：圖5.1.1 正弦波的工作過程及驗證5.1.2方波的工作過程及波形驗證點擊前面板的【連續(xù)運行】，選擇方

16、波類型。此時【開關(guān)】為“開”的狀態(tài)，否則沒有任何波形的輸出。程序正常運行后，轉(zhuǎn)動“頻率”、“幅值”等參數(shù)的旋鈕，此時會發(fā)現(xiàn)顯示的波形也隨著改變。例如：旋轉(zhuǎn)“頻率”值為34.18109Hz，“幅值”為3.25979，“偏移量”為0，“初始相位”為0，“占空比”為60.3754。驗證波形圖如下所示：圖5.1.2 方波的工作過程及驗證5.1.3 三角波的工作過程及波形驗證點擊前面板的【連續(xù)運行】，選擇三角波類型。此時【開關(guān)】為“開”的狀態(tài)，否則沒有任何波形的輸出。程序正常運行后，轉(zhuǎn)動“頻率”、“幅值”等參數(shù)的旋鈕，此時會發(fā)現(xiàn)顯示的波形也隨著改變。例如：旋轉(zhuǎn)“頻率”值為4。18109Hz，“幅值”為3

17、.25979，“偏移量”為0，“初始相位”為0。驗證波形圖如下所示：圖5.1.3 三角波的工作過程及驗證5.1.4 鋸齒波的工作過程及波形驗證點擊前面板【連續(xù)運行】，選擇鋸齒波類型 ，此時【開關(guān)】為“開”的狀態(tài)，否則沒有任何波形的輸出。程序正常運行后，轉(zhuǎn)動“頻率”、“幅值”等參數(shù)的旋鈕，此時會發(fā)現(xiàn)顯示的波形也隨著改變。例如：旋轉(zhuǎn)“頻率”值為7.4849Hz，“幅值”為2.15748，“偏移量”為0，“初始相位”為0。驗證波形圖如下所示：圖5.1.4 鋸齒波的工作過程及驗證5.1.5 公式波形的工作過程及波形驗證點擊前面板【連續(xù)運行】，選擇公式輸入波類型，并在輸入控件中輸入任意波形的公式，此時【

18、開關(guān)】為“開”的狀態(tài)，否則沒有任何波形的輸出。程序正常運行后，轉(zhuǎn)動“頻率”、“幅值”等參數(shù)的旋鈕，此時會發(fā)現(xiàn)顯示的波形也隨著改變。例如：旋轉(zhuǎn)“頻率”值為0.263314Hz，“幅值”為a，“偏移量”為0，“初始相位”為0。公式為：a*sin(w*t)*sin(2*pi(1)*t)驗證波形圖如下所示：圖5.1.5 公式輸入的工作過程及驗證5.2 波形的存儲與回放在前面板點擊存儲按鈕，同時指示燈點亮。波形數(shù)據(jù)存儲得到計算機的D盤的路徑下，回放時先選擇存儲時產(chǎn)生的文本文件。然后點擊回放按鈕就把存儲的波形顯示出來了。存儲和回放波形圖分別如圖5-2-1和圖5-2-2所示。5.2.1 存儲波形圖5.2.2

19、 回放波形圖5.3 噪聲波形的顯示 在程序運行時選擇確定添加噪聲，即可彈出噪聲種類的選擇控件以及噪聲參數(shù)調(diào)節(jié)的選項卡，通過選擇不同的噪聲會出現(xiàn)不同的噪聲波形 。波形如圖5-3所示。5.3 噪聲波形的顯示 6. 結(jié)論上面介紹了基于labVIEW的任意波形發(fā)生器設(shè)計結(jié)構(gòu)，在科研領(lǐng)域，波形信號的產(chǎn)生有很多種方式，就本設(shè)計來講，有以下優(yōu)缺點。優(yōu)點：利用LabVIEW軟件可以把繁雜的操作過程轉(zhuǎn)化為簡單程序處理。可以實現(xiàn)不同波形之間相互轉(zhuǎn)換，并且可以手動調(diào)節(jié)波形的各個參數(shù)，經(jīng)過調(diào)試顯示精度高，測量準(zhǔn)確。在公式輸入產(chǎn)生波形的方式下，可以很方便的產(chǎn)生想要的波形。缺點：在回放的功能中需要先選擇路徑再回放。參考文

20、獻1吳成東，孫秋夜Labview虛擬儀器程序設(shè)計及應(yīng)用M.北京人民郵電出版社，20082劉君華. 基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計M.北京.電子工業(yè)出版社,20033鄧巖，王磊磊測試技術(shù)與儀器應(yīng)用M.北京機械工業(yè)出版社，20044楊樂平，李海濤，楊磊LabVIEW課程設(shè)計與應(yīng)用M.北京電子工業(yè)出版社，20055 雷勇虛擬儀器設(shè)計與實踐M.北京電子工業(yè)出版社，2005附錄1 前面板顯示圖附錄2 程序框圖 課設(shè)體會 在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)和幫助下，按照課設(shè)任務(wù)的要求，我用兩周時間順利完成了LABVIEW課設(shè)，收獲頗多。 當(dāng)然過程中遇到困難時不可避免的，要想做成一個讓人滿意的作品必須對程序框圖中的程序反復(fù)測試和修改。在老師的幫助下，最后終于把問題都解決了。有時侯我們也會遇到自己確實不能解決的問題，老師還是會提出解決問題的建議，或是指點應(yīng)該改進的方向。 課程設(shè)計是對所學(xué)知識的綜合理解與