基于labview的虚拟信号分析仪器的设计毕业设计(编辑修改稿)

基于labview的虚拟信号分析仪器的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

VIEW 简介 LabVIEW (laboratory virtual instrument engineering wokbench—— 实验室虚拟仪器工程平台 )的概念 ,是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合 ,是构建虚拟仪器的理想工具。 LabVIEW 和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作 , 是简化了而又更易于使用的基于图形化编程语言 G 的开发环境。 [2] 前面板是一个传统的仪器概念 ,而软件前面板其实是自动化的拓展 ,因为它们保持了传统直观的视觉和感觉效果。 同时 ,软件前面板创建了一个真正的接口 ,无论用户使用什么类型的硬件 ,并且 ,不像硬件前面板 ,软件前面板只包含了对于一个应用场合很重要的参数 ,用户能够很容易地从一个单一前面板控制多台 ,并把整个系统作为一台虚拟仪器来看待。 流程图式的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方块图的概念是一致的 ,而且由于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关 ,构建和测试程序就可以少费时间。 使用流程图方法可以实现内部的自我复制 ,采用前面板、流程图、图标等 ,用户就对整个系统实现图形化描述 ,同时 ,用户还能够重用 虚拟仪器 ,可以随时改变虚拟仪器来满足自己的需要。 LabVIEW 集成了很多仪器硬件库 ,如 GPIB/VXI/PXI/ 基于计算机的仪器、RS232/485 协议、插入式数据采集、模拟 /数字 /计数器Ｉ /Ｏ、信号调理、分布式数据采集、图像获取和机器视觉、运动控制、 PLC/数据日志等。 与传统的编程方式相比 ,使用 LabVIEW 设计虚拟仪器 ,可以提高效率 4～ 10 倍。 同时 ,利用其模块化和递归方式 ,用户可以在很短的时间内构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统。 [6] LabVIEW 应用程序的构成 所有的 LabView 应用程序，即虚拟仪器（ VI），它包括前面板（ front panel）、流齐鲁工业大学 2020 本科生毕业设计（论文） 11 程图（ block diagram）以及图标 /连结器 (icon/connector)三部分。 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（ control）和显示对象（ indicator）。 图 4－ 1 所示是一个虚拟示波器的前面板。 显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的流程图。 图 仿真信号 Express VI 的使用前面板 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的连线端子，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。 图 是与图 对应的流程图。 图 程序框图 齐鲁工业大学 2020 本科生毕业设计（论文） 12 如果将 VI 与标准仪器相比较，那么前面板上的东西 就是仪器面板上的东西，而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。 在许多情况下，使用 VI 可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。 VI 具有层次化和结构化的特征。 一个 VI 可以作为子程序，这里称为子 VI（ subVI）， 被其他 VI 调用。 图标与连接器在这里相当于图形化的参数 LabVIEW 中的操作模板 LabVIEW 具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序 [1]。 这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。 操纵模板共有三类，为工具（ Tools）选板、控制（ Controls）选板和函数（ Functions）选板。 工具选板 工具模板用于创建、修改和调试 VI 程序的工具。 如果该模板没有出现，则可以在【查看 (V)】菜单下选择【工具选板（ T）】命令以显示该模板。 当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。 当从【查看 (V)】菜单下选择了【工具选板（ T）】功能后，把工具选板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序（ Sub VI）或图标上，就会显示相应的帮助信息。 与工具模板不同，控制和功能模板只显示顶层子模板的图标。 这 些顶层子模板中包含许多不同的控制或功能子模板。 通过这些控制或功能子模板可以找到创建程序所需的面板对象和框图对象。 用鼠标点击顶层子模板图标就可以展开对应的控制或功能子模板，只需按下控制或功能子模板左上角的大头针就可以把对这个子模板变成浮动板留在屏幕上。 控制选板 用控制选板可以给前面板添加输入控制和输出显示。 每个图标代表一个子模板。 如果控制选板不显示，可以用【查看 (V)】菜单的【控制选板（ T）】功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制选板。 函数选板 函数选板是创建框图程序的工具。 该模板上 的每一个顶层图标都表示一个子模板。 若功能选板不出现，则可以用【查看 (V)】菜单下的【功能选板（ T）】功能打开它，也可以在框图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能选板。 注：只有打开了框图程序窗口，才能出现功能选板。 齐鲁工业大学 2020 本科生毕业设计（论文） 13 图 工具选板、控制选板和函数选板 第二章 信号发生器的设计 信号发生器作为科学实验必不可少的装置，被广泛地应用到教学、科研等各个领域。 高等学校特别是理工科的教学、科研需要大量的仪器设备，例如信号源、示波器等，常用 仪器都必须配置多套，但是有些仪器设备价格昂贵，如果按照传统模式新建或者改造实验室投资巨大，造成许多学校仪器设备缺乏或过时陈旧，严重影响教学科研。 如果运用虚拟仪器技术构建系统，代替常规仪器、仪表，不但可以满足实验教学的需要、节约大量的经费、降低实验室建设的成本，而且能够提高教学科研的质量与效率 信号发生器的发展史 信号发生器是生产实践和科学研究中应用十分广泛的电子测量仪器 ，早在 20 年代电子设备刚出现时它就产生了。 随着通信和雷达技术的发展， 40 年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生 器从定性分析的测试仪器发展成定量分析的测量仪器。 同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。 由于早期的信号发生器 外型笨重，功能单一；数字信号发生器虽然有一定的功能扩展，但价格昂贵，维护升级成本高，短时间内难以普及应用。 直到 1964 年才出现第一台全晶体管的信号发生器。 自 60 年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器，这个时期的信齐鲁工业大学 2020 本科生毕业设计（论文） 14 号发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形，由于模拟电路的漂移较大，使 其输出的波形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。 自从 70年代微处理器出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器，硬件和软件使信号发生器的功能扩大，产生比较复杂的波形。 这时期的信号发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC 的程序控制，就可以得到各种简单的波形。 软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要是由 CPU 的工作速度决定的，如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期时间或提高 CPU 的时钟周期，但这些 办法是有限度的，根本的办法还是要改进硬件电路。 随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来。 其基本原理如图 所示。 图 信号发生器基本原理框图 信号发生器的应用非常广泛，种类繁多。 首先，信号发生器可以分通 用和专用两大类，专用信号发生器主要为了某种特殊的测量目的而研制的，如电视信号发生器、脉冲编码信号发生器等，这种发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。 其次，信号发生器按输出波形又可分为按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。 信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。 各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。 能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。 [8] 信号发生器的设计 信号的发 生 在 labview 中信号的发生方法总体上可以分成两种，一种是通过外部硬件发生信键 盘显示 控制芯片 D/A 转换电路 波形发生器 I/O 控制 信号采集 信号输出 控制 齐鲁工业大学 2020 本科生毕业设计（论文） 15 号，用 labview 编写程序控制计算机的 A/D 数据采集卡进行采集而获取信号；另一种方式是用 labview 程序本身产生波形信号，即用软件产生信号。 用 labview 程序进行信号的发生主要依靠一些可以产生波形数据的函数、 VIs 以及 Express VIs 来完成，另外一些数学运算函数也可以用以产生波形信号。 可以用以产生信号的函数、 VIs 以及 Express VIs 主要位于函数模板中的信号处理子模板以及数字子模板中如下图： 图 Labwiew 中的 Waveform Generation 子模板 图 labview 中数学子模板中的三角函数子模板 图 labview 中数学子模板中的双曲函数子模板 齐鲁工业大学 2020 本科生毕业设计（论文） 16 基本函数发生器的设计 基本函数发生器（ Basic Function ）是 labview 中常用的用以产生波形数据的 VI，它可以产生四种基本信号：正弦波、方波、三角波和锯 齿波。 可以控制四中信号的频率、幅值以及相位等信息。 基本函数发生器简介 ： 偏移量 指定信号的直流偏移量。 默认值为。 重置信号 如值为 TRUE，相位可重置为 相位 控件的值，时间标识可重置为 0。 默认值为 FALSE。 信号类型 是要生成的波形的类型。 0 Sine Wave（默认） 1 Triangle Wave 2 Square Wave 3 Sawtooth Wave 频率 是波形频率，以赫兹为单位。 默认值为 10。 幅值 是波形的幅值。 幅值也是峰值电压。 默认值为。 相位 是波形的初始相位，以度为单位。 默认值为 0。 如 重置信号 为 FALSE，则 VI 忽略 相位。 错误输入（无错误） 表明节点运行前发生的错误。 该输入将提供 标准错误输入 功能。 采样信息 包含采样信息。 Fs 是每秒采样率。 默认值为 1000。 s 是波形的采样数。 默认值为 1000。 方波占空比 是方波在一个周期内高电平所占时间的百分比。 仅当 信号类型是方波时， VI 使用该参数。 默认值为 50。 信号输出 是生成的波形。 相位输出 是波形的相位，以度为单位。 错误输出 包含错误信息。 该输出将提供 标准错误输出 功能。 齐鲁工业大学 2020 本科生毕业设计（论文） 17 基本函数发生器详细信息 该 VI 可记录上次生成波形的时间标识，并从 该点开始继续递增时间标识。 该函数可使用波形类型、采样数目、相位输入和要生成的波形频率（以 Hz 为单位）作为输入端。 图 基本函数发生器程序框图 在该程序中以 Basic Function 为核心，产生一个频率、幅值以及相位均可调的信号发生器，将信号用波形图加以显示，并用时序循环使程序能够循环运行。 运行程序，在程序运行过程中可以改变信号类型及其幅值、频率、相位等属性， 图 中用信号发生器产生频率为 10Hz，幅值为 1V, 相位为 0 的正弦信号；在图 中，更改信号。