基于labview虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 開(kāi)發(fā)環(huán)境包括基本模塊和擴(kuò)展模塊兩部分，引擎部分是整個(gè)圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境的核心，它包括編輯模塊、運(yùn)行模塊和調(diào)試模塊。LabVIEW環(huán)境下開(kāi)發(fā)的程序稱(chēng)為虛擬儀器VI，因?yàn)樗耐庑闻c操作方式可以模擬實(shí)際的儀器。實(shí)際上，VI類(lèi)似于傳統(tǒng)編程語(yǔ)言的函數(shù)或子程序。程序VI由一個(gè)前面板(即用戶(hù)界面)、程序流程圖(圖標(biāo)代碼)和一個(gè)接口板組成。接口面板用于上層的VI調(diào)用該VI[15]。前面板(front panel)類(lèi)似于儀器的面板，由控件和指示元件組成。控件集成了旋鈕、開(kāi)關(guān)等用戶(hù)輸入控制對(duì)象，可以為程序輸入數(shù)據(jù)。指示元件類(lèi)似儀器的輸出裝置可以顯示輸出值以及實(shí)現(xiàn)圖表和文字顯示。軟件前面板其實(shí)是自動(dòng)化的拓展，它保持了傳統(tǒng)直觀的視覺(jué)和感覺(jué)效果，同時(shí)軟件前面板創(chuàng)建了一個(gè)真正的接口，無(wú)論用戶(hù)使用什么類(lèi)型的硬件，軟件前面板只包含了對(duì)于一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合很重要的參數(shù)，用戶(hù)很容易地從一個(gè)單一的前面板控制多臺(tái)儀器，并把整個(gè)系統(tǒng)作為一臺(tái)虛擬儀器看待[16]。流程圖使用圖標(biāo)連線方式的圖形，VI用圖標(biāo)代碼和連線來(lái)完成算術(shù)和邏輯運(yùn)算。圖標(biāo)代碼是對(duì)具體編程問(wèn)題的圖形化解決方案。圖標(biāo)代碼即VI的源代碼。工作指令由G語(yǔ)言編制的圖標(biāo)式流程圖獲得，模塊的程序由連線把數(shù)據(jù)的輸入輸出端連接起來(lái)。由于流程圖與傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)法細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)，構(gòu)建和測(cè)試程序就可以少費(fèi)時(shí)間，使用方框圖方法可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的自我復(fù)制。VI具有層次結(jié)構(gòu)和模塊化的特點(diǎn)。它們可以作為頂層程序，也可以作為其它程序的子程序。VI代碼內(nèi)含的VI叫子程序subVI。VI程序使用接口板來(lái)替代文本編程語(yǔ)言的函數(shù)參數(shù)表，每個(gè)輸入和輸出的參數(shù)都有自己的連接端口，其他的VIs可以由此向subVI傳遞數(shù)據(jù)。LabVIEW有一個(gè)圖形編輯器來(lái)產(chǎn)生最優(yōu)化編輯代碼，虛擬儀器執(zhí)行他們相當(dāng)編譯C的速度。利用應(yīng)用程序生成器，用戶(hù)能夠產(chǎn)生虛擬儀器，就像獨(dú)立的可執(zhí)行程序一樣[17]。總之，采用前面板、流程圖和圖標(biāo)等，用戶(hù)就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖形化描述，同時(shí)，用戶(hù)也可以隨時(shí)改變虛擬儀器來(lái)滿(mǎn)足自己的需要。 LabVIEW程序的設(shè)計(jì)模式設(shè)計(jì)模式所代表的技術(shù)都是經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的、具有很強(qiáng)實(shí)用價(jià)值的程序設(shè)計(jì)方式[23]。它們一般都經(jīng)過(guò)了開(kāi)發(fā)者的不懈的改進(jìn)和調(diào)整才形成，使用簡(jiǎn)單并具有較高的可維護(hù)性、可讀性等特點(diǎn)。同時(shí)，隨著某種設(shè)計(jì)模式被廣泛使用，有助于其他的開(kāi)發(fā)人員理解和改變?cè)_(kāi)發(fā)者的程序代碼。LabVIEW應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)也可以利用這些設(shè)計(jì)模式的優(yōu)勢(shì)[18]。LabVIEW中的設(shè)計(jì)模式主要有：狀態(tài)機(jī)模式、主從模式、生產(chǎn)／消費(fèi)模式和消息隊(duì)列處理機(jī)模式。 本章小結(jié)本章首先對(duì)本文采用的編程軟件La合實(shí)例對(duì)LabVIEW中具體的編程方式、設(shè)計(jì)模式以及bVIEW的特征進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，這也是本文選用該軟件作為主要軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的原因。然后結(jié)多線程技術(shù)、同步控制等在我們開(kāi)發(fā)實(shí)際中運(yùn)用到的技術(shù)做一一的研究和介紹。第4章 虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)本章主要介紹了基于LabVIEW的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)思路及其流程和仿真圖。主要分為以下9個(gè)模塊：模塊基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊、多頻信號(hào)產(chǎn)生模塊、任意公式波形產(chǎn)生模塊、噪聲信號(hào)產(chǎn)生模塊、正弦波仿真信號(hào)發(fā)生器模塊、自相關(guān)函數(shù)演示模塊、虛擬正弦波頻譜分析儀模塊、虛擬積分器與微分器模塊以及虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的總體設(shè)計(jì)[19]。各個(gè)模塊均給出了相應(yīng)的流程圖和前面板波形圖。 基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊。這一模塊是應(yīng)用波形產(chǎn)生子模板中的Basic Function (基本函數(shù)發(fā)生器)節(jié)點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等四種信號(hào)。在波形產(chǎn)生子模板中的所有模塊不僅輸出包含指定波形圖形的數(shù)字型數(shù)組,而且包含時(shí)間參數(shù),這種數(shù)據(jù)類(lèi)型在LabVIEW中稱(chēng)作波形數(shù)據(jù)。波形數(shù)據(jù)以簇的形式給出,包括起始時(shí)間t0、采樣時(shí)間間隔dt和一個(gè)由采樣數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)組。示波器顯示波形的周期數(shù)目=時(shí)間長(zhǎng)度/信號(hào)周期。　基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊框圖程序 基本函數(shù)波形產(chǎn)生模塊前面板 多頻信號(hào)產(chǎn)生模塊。　多頻信號(hào)產(chǎn)生模塊框圖程序 多頻信號(hào)產(chǎn)生模塊前面板多頻信號(hào)是指一個(gè)離散頻率的正弦波集合,其模擬信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為:x(t)=∑Aisin(hiω1t+θi)式中,Ai是第i個(gè)正弦波的幅值。ω1是基波角頻率。 hi是第i個(gè)正弦波的角頻倍數(shù)。θi是第i個(gè)正弦波的初相角。多頻信號(hào)在現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中應(yīng)用很多。該模塊后面板框圖程序如圖3所示。通過(guò)調(diào)用Multitone (多頻發(fā)生器)節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)若干不同頻率的正弦波集合,在本設(shè)計(jì)中,可以實(shí)現(xiàn)四種不同頻率的正弦波的合成。amplitude(幅度)端口設(shè)定值若大于0,則各頻率成分的振幅將被縮放,若設(shè)定值小于0,則不進(jìn)行縮放。波峰因數(shù)輸出端為合成波的幅值與有效值之比。在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí),采樣頻率至少要大于最高信號(hào)頻率的2倍,這是為了滿(mǎn)足采樣定理的要求。通過(guò)調(diào)用Function Waveform Waveform Measurements子模板中的FFT Power Spectrum. VI(FFT功率譜)節(jié)點(diǎn)來(lái)計(jì)算信號(hào)的功率譜密度,實(shí)現(xiàn)對(duì)于多頻信號(hào)的頻域分析。這個(gè)程序作為主程序Case結(jié)構(gòu)的一個(gè)分支[20]。 任意公式波形產(chǎn)生模塊　任意函數(shù)波形產(chǎn)生模塊框圖程序這個(gè)程序作為主程序Case結(jié)構(gòu)的一個(gè)分支。為了能夠產(chǎn)生一些非周期信號(hào)或其它測(cè)試領(lǐng)域的特殊信號(hào)在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用波形產(chǎn)生子。模版中的Formula Waveform (公式波形)VI節(jié)點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生任意波形。該節(jié)點(diǎn)可使用指定時(shí)間函數(shù)的公式字符串生成一個(gè)函數(shù)波形。在formula端子輸入公式,用于生成輸出多頻波形信號(hào)的表達(dá)式,表達(dá)式中包含的參數(shù)有: f (輸入頻率)、a (輸入幅度)、n (采樣數(shù))、t (時(shí)間)和fs (采樣頻率)。其有效函數(shù)由LabVIEW中設(shè)定。 任意函數(shù)波形產(chǎn)生模塊前面板。該模塊的Case結(jié)構(gòu)有2個(gè)分支，一個(gè)Case結(jié)構(gòu)分支產(chǎn)生常用的高斯白噪聲波形，另外一個(gè)Case結(jié)構(gòu)產(chǎn)生常用的均勻白噪聲波形。該模塊可以根據(jù)需要在2種噪聲波形信號(hào)之間進(jìn)行選擇（在前面板的信號(hào)類(lèi)型下拉列表中選擇即可），通過(guò)調(diào)節(jié)噪聲的參數(shù),可以得到不同的高斯白噪聲和均勻白噪聲波形。　噪聲信號(hào)產(chǎn)生模塊框圖程序 高斯白噪聲信號(hào)產(chǎn)生模塊前面板　均勻白噪聲信號(hào)產(chǎn)生模塊前面板 正弦波仿真信號(hào)發(fā)生器模塊該正弦波仿真信號(hào)發(fā)生器，可產(chǎn)生正弦信號(hào)。指標(biāo)如下：頻率范圍： ～10kHz初始相位: 0176。～180176。幅度值： ～采樣點(diǎn)數(shù)： N=8～5121）前面板設(shè)計(jì)前面板的設(shè)計(jì)步驟如下：(1)新建一個(gè)VI，在前面板上放置一個(gè)Waveform Graph波形顯示器，將縱軸與橫軸的刻度標(biāo)簽分別設(shè)置為“U(v)”和“t(s)”。(2)依次在前面板上放置5個(gè)輸入控制件“信號(hào)頻率(Hz)”、“采樣頻率(Hz)”、“采樣點(diǎn)數(shù)”、“幅度(v)”和“相位(度)”。(3)放置一個(gè)“停止”按鈕開(kāi)關(guān)用來(lái)結(jié)束程序的運(yùn)行。2)流程圖設(shè)計(jì)流程圖的設(shè)計(jì)步驟如下:(1)在流程圖上放置一個(gè)While循環(huán)結(jié)構(gòu)，將條件端口結(jié)束條件改為Stop If Ture,與“停止”控制按鈕端子相連。(2)按照路徑在“Analyze” ﹨“Signal Processing” ﹨“Signal Generation”子選項(xiàng)板中選擇“Sine ”函數(shù)放置于While循環(huán)結(jié)構(gòu)中，“Sine ”節(jié)點(diǎn)的輸入端口分別與前面板的輸入控制件端子相連，此處“f”輸入端口輸入的是數(shù)字頻率(數(shù)字頻率=信號(hào)頻率/采樣頻率)。(3)采用“Bundle”函數(shù)來(lái)規(guī)格化波形圖的顯示，它可以將橫軸的起點(diǎn)、橫軸分度值以及輸出信號(hào)值組成一個(gè)簇，在這里將軸的水平間距設(shè)定為采樣周期(采樣周期=1/fs)。 虛擬正弦波仿真信號(hào)的生成與顯示流程圖 虛擬正弦波仿真信號(hào)的生成與顯示前面板該自相關(guān)函數(shù)演示儀可觀察：正弦波仿真信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。正弦波仿真信號(hào)的頻率范圍介于0～10kHz,～。輸出正弦波的幅值的平方（A178。）。1）前面板設(shè)計(jì)前面板的設(shè)計(jì)步驟如下：在正弦波仿真信號(hào)發(fā)生器基礎(chǔ)上增加以下控件。(1)輸出顯示型數(shù)字控件：顯示計(jì)算結(jié)果A178。(2)開(kāi)關(guān)型控件：用于運(yùn)行或關(guān)閉正弦波自相關(guān)函數(shù)儀。(3)在進(jìn)行控件參數(shù)設(shè)置時(shí)，應(yīng)注意顯示器可顯示的數(shù)據(jù)總點(diǎn)數(shù)是2N1個(gè)。2)流程圖設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路:(1)對(duì)于包含N個(gè)元素的時(shí)間輸入序列x[0]、x[1]、x[2]、～、x[k]、～、x[N1]來(lái)說(shuō)，幅值的平方A178。=2*Rxx(0)(2)按照路徑在“Analyze” ﹨“Signal Processing” ﹨“Signal Generation”子選項(xiàng)板中選擇“Sine ”函數(shù)放置于While循環(huán)結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號(hào)。(3)按照路徑在“Analyze” ﹨“Signal Processing” ﹨“Time Domain”子選項(xiàng)板中選擇“Auto ”函數(shù)，用于計(jì)算輸出正弦信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)值，這里需要將“Auto ”函數(shù)直接輸出的相關(guān)函數(shù)值除以采樣點(diǎn)數(shù)才能得到正確的結(jié)果。(4)由于自相關(guān)函數(shù)圖標(biāo)所求得的數(shù)據(jù)實(shí)際是將原先求得的2N1個(gè)數(shù)值向右平移了N1個(gè)單位后所得到的數(shù)據(jù)，所以需要用Index Array函數(shù)(位于Array數(shù)組子模塊中)來(lái)索引出第N1個(gè)自相關(guān)函數(shù)值，并將結(jié)果乘以2得到幅值的平方。： 自相關(guān)函數(shù)演示儀流程圖 自相關(guān)函數(shù)演示儀前面板從前面板的自相關(guān)函數(shù)波形圖可以看出，求得的自相關(guān)函數(shù)是呈衰減的余弦函數(shù)，其原因是在有限截取長(zhǎng)度之外的數(shù)據(jù)被視為零，即當(dāng)i0或iN1時(shí)，x[i]=0。自相關(guān)函數(shù)位于時(shí)間軸的正半周，自相關(guān)函數(shù)輸出的第N1個(gè)數(shù)據(jù)就對(duì)應(yīng)t=0的自相關(guān)函數(shù)。1功能描述可觀察正弦波經(jīng)過(guò)FFT后的幅值譜。1)前面板設(shè)計(jì)前面板的設(shè)計(jì)步驟如下:(1)新建一個(gè)VI，在前面板上放置兩個(gè)Waveform Graph波形顯示器，用于分別顯示正弦波在FFT前和FFT后的波形。在流程圖中使用Real 。(2)依次在前面板上放置5個(gè)輸入控制件:“信號(hào)頻率(Hz)”、“采樣頻率(Hz)” 、“采樣點(diǎn)數(shù)”、“幅度（v）”和“相位(度)”。(3)放置一個(gè)“停止”按鈕開(kāi)關(guān)用來(lái)結(jié)束程序的運(yùn)行。(4)為方便譜線的讀取，用鼠標(biāo)右擊Graph，彈出屬性設(shè)置子模板，選擇“Show”下的“Corsor Display”項(xiàng)，輸入基波即“分度值”和各次諧波頻率，即分度值的整倍數(shù)，則顯示對(duì)應(yīng)譜線的幅值，如果是其它的值將給不出顯示。2)流程圖設(shè)計(jì)流程圖的設(shè)計(jì)步驟如下:(1)按照路徑在“Analyze” ﹨“Signal Processing” ﹨“Signal Generation”子選項(xiàng)板中選擇“Sine ”函數(shù)放置于循環(huán)結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號(hào)。(2)按照路徑在“Analyze” ﹨“Signal Processing” ﹨“Frequency Domain”子選項(xiàng)板中選擇“Real ”函數(shù)，用于計(jì)算輸出正弦信號(hào)的頻譜值。(3)按照路徑在“Numeric” ﹨“Complex”子選項(xiàng)板中選擇“Complex To Polar”函數(shù)，用于輸出幅度幅值。(4)采用“Bundle”函數(shù)來(lái)規(guī)格化兩個(gè)波形圖的顯示，將“正弦波波形圖”的X軸的水平間距設(shè)定為采樣周期，將“頻譜圖”的X軸的水平間距設(shè)定為頻譜分辨率(頻譜分辨率=采樣頻率/采樣點(diǎn)數(shù))。 虛擬正弦波頻譜分析儀流程圖 虛擬正弦波頻譜分析儀前面板其功能如下：可以觀察正弦波、方波或三角波在積分前后的波形。可以觀察正弦波、方波或三角波在微分前后的波形。1)前面板設(shè)計(jì)前面板的設(shè)計(jì)步驟如下:(1)新建一個(gè)VI，在前面板上放置一個(gè)Waveform Graph波形顯示器，用于顯示三種類(lèi)型波在積分或微分后的波形。(2)依次在前面板上放置5個(gè)輸入控制件:“信號(hào)頻率(Hz)”、“采樣頻率(Hz)”、“采樣點(diǎn)數(shù)”、“幅值(v)”和“占空比”(%)。(3)放置一個(gè)“停止”按鈕開(kāi)關(guān)用來(lái)結(jié)束程序的運(yùn)行。2)流程圖設(shè)計(jì)流程圖的設(shè)計(jì)步驟如下:按照路徑在“Analyze” ﹨“Signal Processing” ﹨“Signal Generation”子選項(xiàng)板中分別選擇“Sine ”、“ Square ”和“Triangle ”函數(shù)放入第一個(gè)Case結(jié)構(gòu)的三個(gè)分支內(nèi)，函數(shù)節(jié)點(diǎn)的輸入端口分別與前面板的輸入控制件端子相連。(2)按照路徑在“Analyze” ﹨“Signal Processing” ﹨“Time Domain”子選項(xiàng)板中分別選擇“Integral x(t).vi”和“Derivative x(t).vi”函數(shù)放入第二個(gè)Case結(jié)構(gòu)的兩個(gè)分支內(nèi)。、。 虛擬積分器與微分器模塊流程圖 虛擬正弦波微分器前面板 虛擬正弦波積分器前面板 虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的總體設(shè)計(jì)流程圖，是在綜合了前面所設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的。在第一個(gè)Case結(jié)構(gòu)當(dāng)中放置了正弦波、方波、三角波、鋸齒波、白噪聲以及多頻波，任意公式輸入波形模塊作為該Case結(jié)構(gòu)的各個(gè)分支，來(lái)實(shí)現(xiàn)波形的產(chǎn)生。第二個(gè)Case結(jié)構(gòu)則是應(yīng)用了積分微分器模塊的結(jié)構(gòu)。將兩個(gè)Case結(jié)構(gòu)置于While循環(huán)中，便組成了虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的總體設(shè)計(jì)流程圖。本虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì),基于LabVIEW這個(gè)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。虛擬函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)參考了常見(jiàn)信號(hào)發(fā)生器的功能,在功能上有所擴(kuò)展。儀器主要功能如下:（1）可產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)室常用的正弦波、方波、三角波、鋸齒波、白噪聲以及多頻波；（2）任意波形的發(fā)生,任意波可實(shí)現(xiàn)公式輸入；（3）信號(hào)頻率、幅度、相位、偏移量、方波占空比可調(diào)可控；（4）輸出頻譜特性；（5）可做自相關(guān)分析；（6）可做微分積分分析； 虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器總流程圖虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的前面板設(shè)