基于labview的多种信号发生器设计论文

基于labview的多种信号发生器设计论文内容摘要：

则可以用Windows菜单下的Show Functions Palette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模板。 注：只有打开了框图程序窗口，才能出现功能模板。 功能模板如下图所示。 结构子模板：包括程序控制结构命令，例如循环控制等，以及全局变量和局部变量。 数值运算子模板：包括各种常用的数值运算符，如+、等；以及各种常见的数值运算式，如+1运算；还包括数制转换、三角函数、对数、复 数等运算，以及各种数值常数。 布尔逻辑子模板：包括各种逻辑运算符以及布尔常数。 字符串运算子模板：包含各种字符串操作函数、数值与字符串之间的转换函数，以及字符(串)常数等。 数组子模板：包括数组运算函数、数组转换函数，以及常数数组等。 群子模板。 包括群的处理函数，以及群常数等。 这里的群相当于C语言中的结构。 比较子模板：包括各种比较运算函数，如大于、小于、等于。 时间和对话框子模板：包括对话框窗口、时间和出错处理函数等。 文件输入/输出子模板：包括处理文件输入/输出的程序和函数。 仪器控制子模板：包括GPIB(48)、串行、VXI仪器控制的程序和函数， 以及VISA的操作功能函数。 仪器驱动程序库：用于装入各种仪器驱动程序。 数据采集子模板：包括数据采集硬件的驱动程序，以及信号调理所需的各种功能模块。 信号处理子模板：包括信号发生、时域及频域分析功能模块。 数学模型子模块：包括统计、曲线拟合、公式框节点等功能模块，以及数值微分、积分等数值计算工具模块。 图形与声音子模块：包括3D、OpenGL、声音播放等功能模块。 通讯子模板:包括TCP、DDE、ActiveX和OLE等功能的处理模块。 应用程序控制子模块:包括动态调用VI、标准可执行程序的功能函数。 底层接口子模块：包括调用动态连接库和CIN节点等功能的处理模块。 文档生成子模板。 示教课程子模板：包括LabVIEW示教程序。 用户自定义的子VI模板。 “选择…VI子程序”子模板：包括一个对话框，可以选择一个VI程序作为子程序（SUB VI）插入当前程序中。 其它几个子模板是LabVIEW的附加Toolkit安装上去的。 在LabVIEW完全版中不包括这些子模板。 编制软件时通过对控制和功能模块中子模块的灵活调用，选取相应的功能子模块，分别置于前后面板内，使用连线工具即可完成虚拟仪器设计。 数据采集系统数据采集（Data Acquisition，DAQ），就是将被测对象的各种参量（物理量、化学量、生物量等）通过各种传感器作适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤送到控制器进行数据处理或记录的过程。 数据采集系统流程框图如图23。 图23 数据采集系统流程框图 微型计算机数据采集系统构成微型计算机数据采集系统是由传感器、信号调理电路、模拟多路开关、放大器、采样\保持器、模数转换器、计算机及外部设备等组成。 在计算机的软硬件控制下，模拟多路开关被依次切换，接通各路模拟输入信号，同时采样/保持器和模数转换器也在计算机的控制下启动，转换后的数字信号被读入计算机，达到了巡回数据采集的目的。 集散型数据采集系统构成集散型数据采集系统实质上是一种利用计算机技术对生产过程中进行集中监视、操作、管理和分散控制系统，它是由微电子技术，自动控制技术，计算技术和通信技术相互发展，渗透而产生的。 由集中管理部分、分散控制监测部分和通信部分组成的一个两级计算机数据采集系统。 数据采集原理在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。 它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。 各数据采集种类型信号采集的难易程度差别很大。 实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。 数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。 假设对一个模拟信号x(t)每隔Δt时间采样一次。 时间间隔Δt被称为采样间隔或者采样周期。 它的倒数1/Δt被称为采样频率，单位是采样数/每秒。 t=0,Δt,2Δt,3Δt……等等，x(t)的数值就被称为采样值。 所有x(0),x(Δt),x(2Δt)都是采样值。 根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。 反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频数据采集率，它是采样频率的一半。 如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。 采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。 这种信号畸变叫做混叠(alias)。 出现的混频偏差(alias frequency)是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。 采样的结果将会是低于奈奎斯特频率(fs/2=50Hz)的信号可以被正确采样。 而频率高于50HZ的信号成分采样时会发生畸变。 分别产生了40和10Hz的畸变频率FF3和F4。 计算混频偏差的公式是： 　　混频偏差＝ABS(采样频率的最近整数倍—输入频率) 　　其中ABS表示“绝对值”， 　　为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(A/D)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。 这个滤波器称为抗混叠滤波器。 采样频率应当怎样设置。 也许可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。 但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。 理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用5～10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。 通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如FFT等。 这里对样本数又有一个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有5～10个周期，甚至更多的样本。 并且希望所提供的样本总数是整周期个数的。 这里又发生一个困难，并不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证提供整周期数的样本。 所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数x(n)和采样频率。 这是测量与分析的唯一依据。 数据采集卡，数据采集模块，数据采集仪表等，都是数据采集工具。 数据采集硬件 模拟输入模拟输入的基本考虑－在模拟输入的技术说明中将给出关于数据采集产品的精度和功能的信息。 基本技术说明适用于大部分数据采集产品，包括通道数目、采样速率、分辨率和输入范围等方面的信息。 通道数－对于采用单端和差分两种输入方式的设备，模拟输入通道数可以分为单端输入通道数和差分输入通道数。 在单端输入中，输入信号均以共同的地线为基准。 这种输入方法主要应用于输入信号电压较高（高于1 V），信号源到模拟输入硬件的导线较短，且所有的输入信号共用一个基准地线。 如果信号达不到这些标准，此时应该用差分输入。 对于差分输入，每一个输入信号都有自有的基准地线；由于共模噪声可以被导线所消除，从而减小了噪声误差。 采样速率－这一参数决定了每秒种进行模数转换的次数。 一个高采样速率可以在给定时间下采集更多数据，因此能更好地反映原始信号。 分辨率－模数转换器用来表示模拟信号的位数即是分辨率。 分辨率越高，信号范围被分割成的区间数目越多，因此，能探测到的电压变量就越小。 图24显示了一个正弦波和使用一个理想的3位模数转换器所获得相应数字图像。 一个3位变换器（此器件在实际中很少用到，在此处是为了便于说明）可以把模拟范围分为23，或8个区间。 每一个区间都由在000至111内的一个二进制码来表示。 很明显，用数字来表示原始模拟信号并不是一种很好的方法，这是由于在转换过程中会丢失信息。 然而，当分辨率增加至16位时，由此可见，在恰当地设计模拟输入电路其它部分的情况下，您可以对模拟信号进行非常准确的数字化。 图24 三位分辨率下正弦波的数字化量程－量程是模数转换器可以量化的最小和最大电压值。 NI公司的多功能数据采集设备能对量程范围进行选择，可以在不同输入电压范围下进行配置。 由于具有这种灵活性，您可以使信号的范围匹配ADC的输入范围，从而充分利用测量的分辨率。 编码宽度－数据采集设备上可用的量程、分辨率和增益决定了最小可探测的电压变化。 此电压变化代表了数字值上的最低有效位1（LSB），也常被称为编码宽度。 理想的编码宽度为电压范围除以增益和2的分辨率次幂的乘积。 例如，NI的一种16位多功能数据采集设备——NI 6030E，它可供选择的范围为0～10V或10～10V；可供选择的增益：1，2，5，10，20，50或100。 当电压范围为0～10V，增益为100时，理想的编码宽度由以下公式决定： =X模拟输入的重要因素－尽管前面所提到的数据采集设备具有16位分辨率的ADC和100 kS/s采样率这样的基本指标，但是您可能无法在16个通道上进行全速采样，或者得不到满16位的精度。 例如，目前市场上的某些带有16位ADC的产品所得到的有效数据要低于12位。 为了确定您所要用的设备是否能满足您所期待的结果，请仔细审查那些超出产品分辨率的技术指标。 评估数据采集产品时，还需要考虑微分非线性度(DNL)、相对精度、仪用放大器的稳定时间和噪声等。 微分非线性度（DNL）——在理想情况下，当您提高一个数据采集设备上的电压值时，模数转换器上的数字编码也应该线性增加。 如果您对一个理想的模数转换器测定电压值与输出码的关系，绘出的线应是一条直线。 这条理想直线的离差被定义为非线性度。 DNL是指以LSB为测量单位，和1LSB理想值的最大离差。 一个理想的数据采集设备的DNL值为0，一个好的数据采集设备的DNL值应在177。 LSB以内。 对于一个编码应该有多宽，我们没有更多的限制。 编码不会比0 LSB更小，因此，DNL肯定是小于1LSB。 一个性能较差的数据采集设备可能有一个等于或非常接近零的编码宽度，这意味着会有一个丢失码。 对一个有丢失码的数据采集设备无论输入什么电压，设备都无法将此电压量化为丢失码所表示的值。 有时DNL指标显示数据采集设备没有丢失码，这意味着DNL低于–1 LSB，但是没有上边界的技术指标。 所有NIE系列设备都保证没有丢失码，并且其技术说明上清楚地标明DNL的技术指标，因此您就可以知道设备的线性度。 如果以上文提到的数据采集设备为例， μV，略高于500 μV时会有一个丢失码，此时，增加电压至502 μV的情况将不会被探测到。 在这个例子中，只有电压值再增加一个LSB，大于503 μV时，电压改变值才能被探测到。 因此较差的DNL会降低设备的分辨率。 数据采集设备的驱动软件将模数转换器输出的二进制码值通过乘以一个常数转化为电压值。 良好的相对精度对数据采集设备很重要，因为它确保了将模数转换器输出的二进制码值能被准确地转化为电压值。 获得良好的相对精度需要正确地设计模数转换器和外围的模拟电路。 稳定时间——稳定时间是指放大器、继电器、或其它电路达到工作稳定模式所需要的时间。 当您在高增益和高速率下进行多通道采样时，仪用放大器是最不容易稳定下来的。 在这种条件下，仪用放大器很难追踪出现在多路复用器不同通道上的大变化的信号。 一般而言，增益越高并且通道的切换时间越短时，仪用放大器越不容易稳定。 事实上，没有现成的可编程增益放大器可在2μs时间内、增益为100时，稳定地达到12位精度。 NI为数据采集应用专门开发了NIPGIA，所以应用NIPGIA的设备在高增。