基于Labview的仿真信号发生器设计

基于Labview的仿真信号发生器设计

【摘要】 虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成的一种新的仪器模式。

本设计采用虚拟仪器技术进行信号发生器的设计。该系统具有生成正弦波、方波、三角波、锯齿波的功能。幅度为0~5V可调，频率0~1KHz可调，并且该系统具有显示、存储、波形回放、打印等功能。

本文首先概述了信号发生器及虚拟仪器技术在国内外的发展及趋势，然后介绍了信号发生器的相关理论，并给出了信号发生器的基本原理框图

【关键词】 虚拟仪器，信号发生器，LABVIEW

I

一、虚拟仪器的发展趋势

现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。在此背景下，1986年美国国家仪器公司(National Instruments，NI)提出了虚拟仪器(Virtual Instrument，VI)的概念。尽管迄今为止虚拟仪器还没有一个统一的定义，但是一般认为：虚拟仪器是在PC基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统。

作为一种以计算机软件为核心的新型仪器系统，虚拟仪器具有功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强等优点，通常被认为是第三代自动测试系统的同义语。使用虚拟仪器系统可以避免仪器编程过程中的大量重复性劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时间，并且客户可以用不同的模块来构造自己的虚拟仪器系统，选择统一的测试策略。

由于虚拟仪器的功能和性能已被不断提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。而虚拟仪器的各种优点让用户可放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。由于计算机的性能价格比不断改进，使虚拟仪器的价格更为大众化，用户不必再受限于传统仪器的使用和昂贵的价格，进一步降低了使用成本，减少了系统的开发费用和系统的维护费用。

此外，新型笔记本电脑又把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。所有这些必将加快虚拟仪器的发展，使它的功能和应用领域不断增强和扩大。在测量、检测、电信、监控、教育等方面的应用已广泛开展。

二、基于LABVIEW平台的虚拟仪器程序设计

所有的LABVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程图(Block Diagram)以及图标/连结器(Icon/Connector)三部分。

1）前面板：前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。

2）流程图：流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。

如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用VI可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几[14]。这种设计思想的优点体现在两方面：

（1）类似流程图的设计思想，很容易被工程人员接受和掌握，特别是那些没有很多程序设计经验的工程人员。

（2）设计的思路和运行过程清晰而且直观。如通过使用数据探针、高亮执行调试等多种方法，程序以较慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰色，执行后的代码会高亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪数据流的运行。这为程序的调试和参数的设定带来很大的方便。

3

3）图标/连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在设计大型自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。而在LABVIEW中提供的图标/连接工具正是为实现模块化设计而准备的。设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。这样设计的优点体现在以下几个方面：

（1）把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。同时也对于将来系统的维护提供了便利。

（2）一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的功能模块，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期，提高系统设计的可靠性。

（3） 便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提。

三、虚拟仪器的发展方向

虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易、转换灵活，它已广泛应用于电子测量、声学分析、故障诊断、航天航空、机械工程、建筑工程、铁路交通、生物医疗、教学及科研等诸多方面。

随着计算机软硬件技术、通信技术及网络技术的发展，给虚拟仪器的发展提供了广阔的天地，国内外仪器界正看中这个大市场。测控仪器将会向高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、智能化和网络化的方向发展。开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路[15]。

4

虚拟仪器作为教学的新手段，已慢慢地走进了电子技术的课堂和实验室，正逐渐改变着电子技术教学的传统模式，这也是现代教育技术发展的必然。在电工电子实验室的建设中，实验室常规设备有的已经老化，有的技术上有些落后，在当前学校经费较少的情况下，如果配置常规仪器、仪表，学校财力难以支付，也不符合目前学校的实际。而且，随着测试仪器的数字化、计算机化的发展趋势，传统测试仪器渐渐有被取代的趋势。如果运用虚拟仪器技术，以微机为基础，构建集成化测试平台，代替常规仪器、仪表，不但满足电工电子实验教学的需要，而且将这批微机可作为其他有关计算机课程教学用机，大大提高了设备利用率，降低了实验室建设的成本[16]。当前应该解决的是如何使虚拟仪器和现有仪器配合，挖掘现有仪器的潜力，达到逐步淘汰和取代传统仪器的目的。

总之，虚拟仪器有很广阔的发展空间，并最终要取代大量的传统仪器成为仪器领域的主流产品，成为测量、分析、控制、自动化仪表的核心。

5

四、仿真信号发生器的设计

该系统主要要信号生成模块，读写模块，滤波器模块，打印模块和现实模块构成。另外添加了对话框和延时部分，是设计更加人性化。其设计前面板如下所示：

图4.9 仿真信号发生器前面板

一下为仿真信号发生器的流程图：

图4.10 仿真信号信号发生器流程图

该程序运行时的具体步骤如下：

1）首先基本信号发生模块根据要求产生需要的波形，显示模块将此模块显示出来。同时对话框模块提示是否保存数据。

2）其次基本信号发生器产生的波形输入滤波器模块进行滤波，然后再把数据输给保存模块和显示模块。

3）保存模块将数据写入文件进行保存，备用

4）回放模块可以将保存模块写入文件的数据从新读取，进行回放分析

5）打印模块可以将滤波器后的波形和回放的波形进行打印，便于波形的分析和保存。

7

LABVIEW提供了非常丰富的图形界面来进行前面板的设计，波形图能非常清楚而且实时显示虚拟信号发生器所产生的波形信号，是一个不错的人机界面，也非常接近实际的仪器，所以虚拟仪器将会有很大的发展前

8

10