基于LABVIEW的課程設(shè)計

1、第 PAGE 20 頁 共 NUMPAGES 20 頁目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc371665344 第一章 虛擬信號發(fā)生器設(shè)計4 HYPERLINK l _Toc371665345 1.1 設(shè)計目的及要求4 HYPERLINK l _Toc371665346 1.2 設(shè)計過程4 HYPERLINK l _Toc371665347 1.2.1 初始化5 HYPERLINK l _Toc371665348 1.2.2 主體程序6 HYPERLINK l _Toc371665349 1.2.3 “波形生成”子vi的程序設(shè)計8 HYPERLINK l _To

2、c371665350 第二章 虛擬數(shù)字頻率計設(shè)計9 HYPERLINK l _Toc371665351 2.1 設(shè)計要求9 HYPERLINK l _Toc371665352 2.2 設(shè)計原理9 HYPERLINK l _Toc371665353 2.3 設(shè)計過程10 HYPERLINK l _Toc371665354 2.3.1 前面板設(shè)計10 HYPERLINK l _Toc371665355 2.3.2 程序框圖設(shè)計11 HYPERLINK l _Toc371665356 2.4 測試結(jié)果與分析 PAGEREF _Toc371665356 h 12 HYPERLINK l _Toc371

3、665357 2.4.1 正弦波測試結(jié)果 PAGEREF _Toc371665357 h 12 HYPERLINK l _Toc371665358 2.4.2 三角波測試結(jié)果 PAGEREF _Toc371665358 h 13 HYPERLINK l _Toc371665359 2.4.3 方波測試結(jié)果 PAGEREF _Toc371665359 h 14 HYPERLINK l _Toc371665360 第三章 虛擬雙蹤示波器設(shè)計 PAGEREF _Toc371665360 h 16 HYPERLINK l _Toc371665361 3.1 設(shè)計要求 PAGEREF _Toc37166

4、5361 h 16 HYPERLINK l _Toc371665362 3.2 設(shè)計思路與預(yù)期功能 PAGEREF _Toc371665362 h 16 HYPERLINK l _Toc371665363 3.3 設(shè)計過程 PAGEREF _Toc371665363 h 16 HYPERLINK l _Toc371665364 3.3.1 總體設(shè)計 PAGEREF _Toc371665364 h 16 HYPERLINK l _Toc371665365 3.3.2通道A、B的選擇及波形發(fā)生 PAGEREF _Toc371665365 h 17 HYPERLINK l _Toc371665366

5、 3.3.3波形控制和調(diào)節(jié)部分 PAGEREF _Toc371665366 h 18 HYPERLINK l _Toc371665367 3.3.4 A、B兩通道波形顯示的程序框圖設(shè)計 PAGEREF _Toc371665367 h 18 HYPERLINK l _Toc371665368 3.4 測試與結(jié)果19 HYPERLINK l _Toc371665369 3.4.1 A通道（B通道）單獨顯示波形19 HYPERLINK l _Toc371665370 3.4.2 A、B兩通道同時顯示波形19 HYPERLINK l _Toc371665371 3.4.3 A、B兩通道交替顯示波形20

6、 HYPERLINK l _Toc371665372 3.5 性能分析20摘要:虛擬儀器是由一些必要的硬件獲取調(diào)理信號，并以通用計算機為平臺，實現(xiàn)不同測量軟件對采集獲得信號進行分析處理及顯示。它改變了傳統(tǒng)電子測量儀器的概念和模式，用戶完全可以自己定義儀器的功能和參數(shù)，即“軟件既是儀器”。計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得虛擬儀器已經(jīng)成為現(xiàn)代電子測量儀器發(fā)展的趨勢。 本文介紹了一種以LabVIEW為開發(fā)平臺，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波和任意波測試信號發(fā)生器，其平率、幅值、相位、電壓偏置等參數(shù)可以設(shè)置，不但輸出波形參數(shù)可調(diào)、而且可同步顯示。本系統(tǒng)通過采用TCP/IP技術(shù)來實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳

7、輸功能，當兩臺計算機設(shè)置好端口后，就可以進行數(shù)據(jù)傳輸。 與傳統(tǒng)儀器相比，本系統(tǒng)具有高效、開放、使用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點，可用于醫(yī)療，工程等精密儀器的測試，具有較強的實用性和開發(fā)價值。關(guān)鍵詞:虛擬儀器，Labview，函數(shù)信號發(fā)生器，網(wǎng)絡(luò)通信。第一章 虛擬信號發(fā)生器設(shè)計1.1 設(shè)計目的及要求目的：綜合使用Labview 編程技術(shù)，結(jié)合實際應(yīng)用設(shè)計一款虛擬信號發(fā)生器。要求：能產(chǎn)生常用信號；可設(shè)置波形的頻率、幅值、直流偏移量、占空比。1.2 設(shè)計過程虛擬信號發(fā)生器就是利用采集卡的模擬輸出功能來連續(xù)產(chǎn)生一些設(shè)定好的信號，相對于傳統(tǒng)信號發(fā)生器，它具有更加豐富的功能。圖1-1即為

8、一個虛擬信號發(fā)生器的實例。前面板中間的幾個控件用于設(shè)置信號的頻率、幅值等基本參數(shù)以及設(shè)置信號的類型。最左邊的控件用于物理通道以及輸出的電壓最大值和最小值、采樣頻率、采樣點數(shù)等。圖1-1虛擬信號發(fā)生器前面板在Labview中要實現(xiàn)這樣的一虛擬信號發(fā)生器，看是困難，其實并不復(fù)雜，其程序代碼分為“初始化”和“主體程序”2個模塊，使用一個順序結(jié)構(gòu)將它們組合在一起就能完成整個軟件的構(gòu)架，下面是具體設(shè)計過程。1.2.1 初始化初始化就是為一些控件或變量賦初值，以便程序具有合理的初始參數(shù)和嚴格的邏輯性，減少程序出錯的幾率。虛擬信號發(fā)生器的“初始化”程序框圖如圖1-2所示，它們位于層疊式順序結(jié)構(gòu)的第0幀，這里

9、主要進行了兩項設(shè)置：通過屬性節(jié)點來設(shè)置波形圖顯示控件的顯示區(qū)域背景色以及清空顯示波形。圖1-2虛擬信號發(fā)生器的“初始化”程序框圖1.2.2 主體程序初始化完成后，進入層疊式順序結(jié)構(gòu)的第一幀，這里是虛擬信號發(fā)生器的主體程序，實際上就是一個連續(xù)模擬信號輸出。這里給出一種虛擬信號發(fā)生器的信號生成機制，如圖1-3所示。創(chuàng)建任務(wù)并配置通道后，首先將函數(shù)節(jié)點生成的信號模板寫入到輸出緩存中，然后，啟動任務(wù)開始模擬輸出，接下來進入循環(huán)，在循環(huán)中繼續(xù)生成信號模板并寫入輸出緩存。這樣在硬件設(shè)備將緩存中的數(shù)據(jù)連續(xù)輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的同時，程序定時將一段新的信號模板寫入緩存，只要設(shè)置合適的緩存大小，就能使寫入和輸出互不

10、干擾，此時，只要保持前后輸入的信號模板連續(xù)，輸出信號也就連續(xù)。采用該機制不需要信號模板是整周期的，并且信號參數(shù)的改變也不會影響任務(wù)的執(zhí)行，只是占用了稍多的CPU和內(nèi)存資源，但從使用的角度也不失為一種較好的豐富。停止并清除任務(wù)創(chuàng)建任務(wù)并配置通道生成初始信號模板寫入輸出緩存開始模擬輸出繼續(xù)生成信號模板寫入輸出緩存信號參數(shù)信號參數(shù)循環(huán)圖1-3 虛擬信號發(fā)生器的信號生成機制虛擬信號發(fā)生器的主體程序如圖1-4所示，這里首先使用執(zhí)行能效較高的DAQmx驅(qū)動完成模擬輸出代碼的編制。當程序運行時，在While循環(huán)體內(nèi)面調(diào)用“波形生成”子VI生成信號模板，由于采用DAQmx驅(qū)動時，輸出緩存大小是由第一次寫入緩存

11、的數(shù)據(jù)長度決定的，因此，設(shè)置第一次進入循環(huán)是生成的信號模板的長度是以后長度的2倍，這樣，緩存的一半空間可用于接收輸入的信號模板，同時另一半空間中的數(shù)據(jù)不斷地模擬輸出。將DAQmx Start Task.vi置于一個條件結(jié)構(gòu)中，用于第一次進入循環(huán)時啟動模擬輸出任務(wù)。當單擊“停止”按鈕后，當前的模擬輸出任務(wù)結(jié)束，信號輸出停止。圖1-4虛擬信號發(fā)生器的主體程序（DAQmx）1.2.3 “波形生成”子vi的程序設(shè)計圖1-5 波形生成”子vi的前面板圖1-6 波形生成”子vi的程序框圖第二章 虛擬數(shù)字頻率計設(shè)計2.1 設(shè)計要求（1）編寫LABVIEW虛擬數(shù)字頻率計實驗程序，要求可以對方波、正弦波、三角波

12、、鋸齒波等多種周期信號進行頻率的測量。頻率調(diào)節(jié)范圍可調(diào)。（2）界面要求：參數(shù)控制、控制按鈕、測量頻率顯示。（3）觀察仿真結(jié)果并進行分析。（4）對該虛擬數(shù)字頻率計進行性能評價。2.2 設(shè)計原理通過測量多個采樣周期的的周期，于是我們可以得到各個周期內(nèi)信號的頻率，然后用多周期求平均值的方法得出所求信號的頻率。至于頻率的相對誤差，我們可以通過數(shù)組的前N個周期內(nèi)的平均頻率減去前N-1個周期內(nèi)的平均頻率，然后除以所求得的頻率即可。信號的頻率計算公式我們用的最常見的為Fs=1/T,其中T是指信號的周期。我們通過波峰檢測模塊得到各周期波峰所在時刻的數(shù)組，然后用循環(huán)實現(xiàn)數(shù)組內(nèi)后一項減前一項，得到另外一個數(shù)組。將

13、該數(shù)組內(nèi)各元素進行求倒等處理，得到各個周期內(nèi)的信號頻率。為了使測量結(jié)果更精確，我們利用多周期平均計算方法計算信號頻率。2.3 設(shè)計過程2.3.1 前面板設(shè)計前面板重要組成部分：波形器、函數(shù)信號發(fā)生器模塊、原信號輸出頻率調(diào)節(jié)、采樣頻率調(diào)節(jié)、信號類型選擇、測量頻率輸出、相對誤差輸出、輸入輸出的物理通道及輸入輸出電壓的最大值最小值等。圖2-1 虛擬數(shù)字頻率計前面板2.3.2 程序框圖設(shè)計程序框圖重要組成部分：基本函數(shù)信號發(fā)生器模塊、波形輸出模塊、波峰檢測模塊、數(shù)組長度測量及數(shù)組索引、條件選擇結(jié)構(gòu)、FOR循環(huán)結(jié)構(gòu)、FOR循環(huán)中移位寄存器等。本次設(shè)計中采用的基本函數(shù)發(fā)生器模塊是采用的上一個實驗所設(shè)計的信

14、號發(fā)生器，因此程序框圖就不在此顯示。圖2-2 虛擬數(shù)字頻率計程序框圖程序框圖原理說明：本設(shè)計采用波峰檢測的方法來測量任意波形頻率的。通過波峰檢測得到每個波峰所在的時間點，形成一個一維數(shù)組a(n)。對于正弦波、三角波、鋸齒波而言，我們可以直接將數(shù)組內(nèi)的時間點相鄰遞減（均采用后一項減去前一項，即A(n)=a(n+1)-a(n)。 ）。對重組的數(shù)組A(n)進行求倒等變換后輸出得到另一個數(shù)組B(n), 數(shù)組B(n)中的元素為每個采樣信號的頻率。用FOR循環(huán)加移位寄存器對數(shù)組B(n)進行求和然后除以數(shù)組B(n)的元素個數(shù)n，即可得到平均頻率，也就是測得頻率。值得注意的是在測量方波信號的時候，這種方式就不

15、適用了。按照理論分析可知，用波峰檢測得到的一組時間點數(shù)組即a(n),其中相鄰兩項的差值僅為一個完整周期的一部分，故我們應(yīng)采用間隔遞減的方式（即A(n)=a(n+1)-a(n-1)）得到數(shù)組B(n)，其余步驟同上。2.4 測試結(jié)果與分析2.4.1 正弦波測試結(jié)果圖2-3 正弦波測試結(jié)果圖2-3中，采樣頻率為5000Hz，測得頻率為40Hz，各周期頻率和為80Hz，相對誤差為3.55271E-7。2.4.2 三角波測試結(jié)果圖2-4 三角波測試結(jié)果圖2-4中，采樣頻率為5000Hz，測得頻率為40Hz，各周期頻率和為80Hz，相對誤差為1.77636E-7。2.4.3 方波測試結(jié)果圖2-5 方波測試

16、結(jié)果圖2-5中，采樣頻率為5000Hz，測得頻率為40Hz，各周期頻率和為200Hz，相對誤差為0。第三章 虛擬雙蹤示波器設(shè)計3.1 設(shè)計要求編寫LABVIEW虛擬示波器實驗程序，要求可以對兩路信號進行觀察與測量。界面要求：參數(shù)控制、控制按鈕、波形顯示。觀察仿真結(jié)果并進行分析。對該虛擬示波器進行性能評價。3.2 設(shè)計思路與預(yù)期功能本設(shè)計的想法是盡量與現(xiàn)實中的面板相一致，實現(xiàn)示波器最基本的顯示和調(diào)節(jié)功能。所以本設(shè)計我設(shè)計了包含CH A和CH B的雙通道示波器，即雙蹤示波器。設(shè)計時考慮的是以下幾個部分: （1）CH A和CH B通道設(shè)計及選擇。設(shè)置兩個控件控制CH A和CH B選通狀況，分別輸入正

17、弦波、三角波、方波和鋸齒波。（2）波形產(chǎn)生。由于沒有外界信號輸入設(shè)備，所以不能用外部數(shù)據(jù)采集的方法輸入信號波形，那么自己設(shè)計一個信號發(fā)生器，使兩個通道都能實現(xiàn)基本模擬信號正弦波、三角波、方波、鋸齒波的輸入。 （3）波形顯示。采用波形圖控件。 （4）波形控制部分。包括CH A信號幅度調(diào)節(jié)和幅度偏移、CHB信號幅度調(diào)節(jié)和幅度偏移、同時開的時候兩個信號疊加開關(guān)。 （5）停止示波器。通過while循環(huán)的停止按鈕設(shè)置示波器停止工作。3.3 設(shè)計過程3.3.1 總體設(shè)計本設(shè)計的VI在創(chuàng)建過程中，首先創(chuàng)建前面板，然后進行程序框圖的編寫。在程序的編寫中，使用了條件結(jié)構(gòu)，while循環(huán)結(jié)構(gòu)以及常用的數(shù)據(jù)處理函數(shù)

18、，同時還用到了信號生成控件VI、旋鈕控件VI等多個labVIEW控件。完整的設(shè)計框圖如下所示：圖3-1 虛擬雙蹤示波器前面板圖3-2 虛擬雙蹤示波器程序框圖3.3.2通道A、B的選擇及波形發(fā)生利用基本函數(shù)發(fā)生器創(chuàng)建波形發(fā)生模塊，實現(xiàn)信號源的選擇。具體效果如下：圖3-3 波形發(fā)生模塊圖3-3即為波形發(fā)生模塊，可以產(chǎn)生基本波形，B通道的實現(xiàn)同理可得。3.3.3波形控制和調(diào)節(jié)部分這部分是為了獲得顯示波形的詳細信息而設(shè)計的，其結(jié)構(gòu)如下圖：圖3-4 單頻信息控件圖3-4是提取單頻信號控件，可以在前面板上顯示信號的幅值和頻率。3.3.4 A、B兩通道波形顯示的程序框圖設(shè)計圖3-5 A通道單獨顯示波形圖3-5即為A通道單獨顯示波形的程序框圖，利用了一個條件選擇結(jié)構(gòu)，此時前面板上顯示的只有A通道的波形。圖3-6