基于虚拟仪器的多功能信号发生器设计毕业论文.doc

平顶山学院毕业论文设计说明书基于虚拟仪器技术的多功能信号发生器设计摘 要 虚拟仪器技术是将仪器技术、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NI USB-6211数据采集卡，将虚拟仪器技术用于多功能信号发生器的设计。该系统具有生成正弦波、方波、三角波、锯齿波及PWM(Pulse Width Modulation)波的功能。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及信号发生器的基本原理框图，并探讨了虚拟仪器的总线及其标准、框架结构、LABVIEW开发平台。在分析本系统功能需求的基础上，介绍了数据采集卡、LABVIEW的编程模式等设计中所涉及到的硬件和技术。证明本文很有参考价值。关键词： 虚拟仪器，数据采集卡，信号发生器，LABVIEW The design of multi-functional signal generator base on virtual instrument technologyABSTRACT Virtual instrument technology is formed by the instrument technology, computer technology, bus technology and software technology. Powerful digital processings ability of computer is used to achieve the main functions of instrument. Virtual instrument broke the framework of the traditional instruments, and built a new device model. This design uses NI USB-6211 data acquisition card. The virtual instrument technology has been utilized in the design of multi-functional signal generator. The system has ability to produce sine wave, square wave, and triangle wave, saw tooth wave and PWM (Pulse Width Modulation) wave. This article summarizes the development and trend of the signal generator and virtual instrument at home and abroad at first. And then introduces the theory of signal generator and gives a basic block diagram of signal generator, also the frame structure and LABVIEW development platform of the virtual instrument with the inquiry of the buss standard. Based on the analysis of this systems functional requirements, this article introduces the hardware and technology which involved in design of the data acquisition card and the LABVIEW programming modes. Testify this article have great reference value.Key Words： Virtual Instruments， Data Acquisition Cards， Signal Generators， LABVIEW 目录第一章 绪论11.1 引言11.1.1 信号发生器的发展史. 11.1.2 虚拟仪器的发展趋势. 21.1.3课题的主要任务.3第二章 虚拟仪器.42.1 虚拟仪器的特点及机制42.1.1虚拟仪器系统与传统仪器的比较.42.1.2虚拟仪器的特点及优势.42.1.3系统的组成.52.1.4 I/O接口设备.62.1.5软件结构.82.2虚拟仪器的开发软件.82.2.1虚拟仪器的开发语言.82.2.2图形化虚拟仪器开发平台LABVIEW.92.2.3基于LABVIEW平台的虚拟仪器程序设计.9第三章系统设计的硬件平台.113.1 PC机.113.2数据采集卡的选择.113.2.1数据采集卡的性能指标.113.2.2数据采集卡(DAQ卡)的组成.123.2.3 NI USB-6211数据采集卡.12第四章系统总体的设计与实现.134.1系统设计和程序框图的流程.134.1.1系统设计.134.1.2程序框图的主要设计流程.134.2系统的具体应用程序.134.2.1程序框图的具体设计步骤.134.2.2基本波形及PWM波形信号发生器.164.3硬件调试与程序的实现.184.3.1硬件连接调试.184.3.2整体程序的具体实现.18结论.20参考文献.21致谢.22第一章 绪 论1.1 引言随着计算机技术的发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。虚拟仪器是20世纪90年代提出的新概念，是现代计算机技术，仪器技术及其他新技术完美结合的产物。虚拟仪器技术的提出与发展，是21世纪自动测试与电子测量仪器技术发展的一个重要方向1。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。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2。1.1.1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1.1所示。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图1.1 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。 1.1.2虚拟仪器的发展趋势电子测量仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器，分立元件仪器，数字化仪器，智能仪器和虚拟仪器。（1）第一代模拟仪器这类仪器在某些实验室仍能看到，是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表，指针式电压表等，这类指针式仪器借助指针来显示最后结果。（2）第二代分立元件式仪器当20世纪50年代出现电子管，60年代出现晶体管时，便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代测试仪器分立元件式仪表。（3）第三代数字化仪器20世纪70年代，随着集成电路的出现，诞生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器数字式仪器。这类仪器现在相当普及，如数字式电压表，数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。(4)第四代智能仪器 随着微电子技术的发展和微处理器的普及，以微处理器为核心的第四代仪器智能式仪表迅速普及。这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处理功能，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。其缺点是它的功能全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论是开发或者应用都缺乏灵活性。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8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。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。1.1.3课题的主要任务信号源的波形有正弦波、方波、三角波、锯齿波、PWM(Pulse Width Modulation)波等不同种类。信号的频率、幅值和占空比等波形参数可按需要进行调节。本设计以数据采集卡的物理通道进行设计，从LABVIEW设计的程序中产生的模拟（数字）输入，经过信号调节后，由数据采集卡采集并输出信号，可同时显示、记录和存储多通道输入的波形，并且可以对波形进行数据分析和处理。第二章 虚拟仪器2.1 虚拟仪器概述虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司最先提出的。所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果;利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理;利用1/O接口设备完成信号的采集测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机测试系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分3。虚拟仪器主要是指这种方式。2.1.1 虚拟仪器系统与传统仪器的比较传统仪器虚拟仪器系统标准仪器厂商定义用户自定义系统关键硬件软件系统更改仪器功能、规模固定系统功能、规模可通过软件修改、增减系统连接系统封闭、与其他设备连接受限开放的系统，可方便的与外设、网络及其他应用连接价格昂贵低，可重复利用技术更新周期510年12年开发、维护费用高低2.1.2 虚拟仪器的特点及优势虚拟仪器虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果;利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理;利用1/O接口设备完成信号的采集测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机测试系统。而软件是虚拟仪器的核心，如图2.1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。虚拟仪器有了这一优点，使仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器开发者虚拟仪器开发者虚拟仪器软件面板虚拟仪器软件开发平台台台tai台台底层驱动程序硬件模块操作系统图2.1 虚拟仪器开发框图虚拟仪器的主要特点有：（1）尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。（2）可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。（3）用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器虚拟仪器的主要优势有：（1）性能高。（2）扩展性强。（3）开发时间少。（4）无缝集成。2.1.3系统组成（1）高效的软件： 软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。提供的行业标准图形化编程软件Lab VIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。此外，还提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件Signal Express、用于传统C语言的Lab Windows/CVI、针对微软Visual Studio的Measurement Studio等等，均可满足客户对高性能应用的需求。有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。（2）模块化的I/O硬件：面对如今日益复杂的测试测量应用，已经提供了全方位的软硬件的解决方案。无论您是使用PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是1394总线，都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。（3）用于集成的软硬件平台：专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件 ，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，您都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。如图2.2所示。采集与控制插入式数据采集板GPIB仪器VXI/PXI仪器RS-232仪器数据分析和处理数字信号处理数字滤波统计分析数值分析结果显示网络通信硬盘拷贝输出文件I/O图形用户接口图2.2 虚拟仪器的内部功能的划分2.1.4 I/O接口设备I/O接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据实际情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡/板(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、串口仪器、USB等。虚拟仪器的构成主要有五种类型，如图2.3所示。被测信号PXI模块VXI模块串口仪器GPIB仪器PC-DAQ计算机图2.3 虚拟仪器构成方式（1）DAQ(Data Acquisition)数据采集卡是指基于计算机标准总线(如ISA、PCI、USB等)的内置功能插卡。其中USB是最新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性；利用DAQ卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。在性能上，随着A/D转换技术，滤波技术和信号调理技术的发展，DAQ卡的采样速率已达1GB/s，精度高达24位，通道数高达64个，并具有数字I/O，模拟I/O和计数器/定时器等通道。各仪器厂家生产了大量的DAQ卡功能模块供用户选择，如示波器、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在计算机上挂接多个DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有多功能的测试仪器。这种基于计算机的仪器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对我国大多数用户来说，它具有很高的性价比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。（2）GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口总线，是计算机和仪器的标准通信协议。GPIB的硬件规格和软件协议以纳入国际工业标准IEEE-488.1和IEEE-488.2，它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配备了遵循IEEE-488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机，一块基于GPIB总线的接口卡和多台GPBI仪器软件及相应的传感模块硬件。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应的改动。基于GPIB总线结构的接口卡数据传输速率一般低于500kb/s，不适合对系统速度要求较高的应用。（3）VXI(VME bus extension for Instrumentation )是VME总线在仪器领域的扩展，上个世纪1993年VXI总线1.4版本被批准为IEEE-1155标准，成为开放式工业标准。仪器专用总线在吸收IEEE-488的成功经验基础上，增加了10MHz时钟线、模拟和数字混合总线、星形总线等高速总线，定时关系严格，兼有计算机总线和仪器总线的优点。（4）PXI(PCI extension For Instrumentation)是Compact PCI总线在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是Compact PCI结构和Microsoft Windows软件。PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。PXI增加了用于多个板卡同步的触发总线和10MHz参考时钟，用于精确定时的星形触发总线，以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足实验和用户的要求。（5）串口系统是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器精简平台组成的虚拟测试系统10。RS-232总线是早期采用的通用串行总线，将带有RS-232标准总线接口的仪器作为I/O接口设备，通过RS-232串口总线与计算机组成虚拟仪器系统目前仍然是虚拟仪器构成方式之一，主要适用于速度较低的测试系统。2.1.5 软件结构虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图2.4所示。用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。以美国NI公司的软件产品LABVIEW和Lab Windows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化以及各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。用户界面数据处理硬件驱动程序图2.4 虚拟仪器软件结构2.2虚拟仪器的软件开发2.2.1虚拟仪器的开发语言虚拟仪器系统的开发语言有：标准C、Visual C+、Visual Basic等通用程序开发语言。但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的，除了要花大量时间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。这些工作对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员来说，需要花费大量时间和精力，这样直接影响了系统开发的周期和性能。除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有：NI公司的LABVIEW和Lab Windows/CVI。LABVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。Lab Windows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的，是在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。除此以外还有HP公司的HP-VEE ，HP-TIG开发平台，美国Tektronix公司的TEK-Test，TEK-TNS平台软件，这些都是国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台4。2.2.2 图形化虚拟仪器开发平台-LABVIEWLABVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LABVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/PI、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。-程过程和思维过程非常相似；同时LABVIEW提供了丰富的VI库和仪器面板素材库，近600种设备的驱动程序，如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储；并且LABVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。因此，LABVIEW受到越来越多工程师和科学家的青睐。利用LABVIEW ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32编译器。像许多通用的软件一样，LABVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多种版本5。2.2.3 基于LABVIEW平台的虚拟仪器的程序设计所有的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6。（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7。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）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。第三章 系统设计硬件平台3.1 PC机虚拟仪器就是用通用计算机强大的数据处理能力代替以往需要硬件电路才能完成的功能，所以现在随着个人电脑的快速发展，个人电脑在许多科技领域的广泛应用使其为测量仪器的执行搭建了一个理想的硬件和软件平台，通过增加一个简单的数据采集系统，个人计算机可以仿真任何仪器。不同的仪器只要对该软件重新编程就可以在同一硬件中实现。3.2 数据采集卡的选择数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况来具体分析9。所以在选择数据采集卡构成系统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。3.2.1数据采集卡的主要性能指标（1）采样频率采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要510倍。（2）采样方法采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和A/D转换器，要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。如果采样系统对时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和A/D转换器。但是处于成本的考虑，现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和A/D转换器。（3）分辨率ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。例如，三位的A/D转换把模拟电压范围分成23=8段，每段用二进制代码在000到111之间表示。如果增加到十二位，代码数从8增加到212=4096，这样就可以获得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。（4）电压动态范围电压范围指ADC能扫描到的最高和最低电压。一般最好能够使进入采集卡的电压范围刚好与其符合，以便利用其可靠的分辨率范围。例如，一个12位多功能DAQ卡，其可选的范围从0到10V，或5到5V，其可选增益有1，2，5，10，20，50或100。电压取值范围从0到10V，增益为50，则理想分辩电压是： （5）I/O通道数该参数表明了数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。3.2.2数据采集卡（DAQ卡）的组成(1)多路开关。将各路信号轮流切换至放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。(2)放大器。将切换进入采集卡的信号放大至需要的量程内。通常的放大器都是增益可调的，使用者可根据需要来选择不同的增益倍数。(3)采样保持器。把采集到的信号瞬间值保持在A/D转换的过程中不变化。(4)A/D转换器。将模拟的输入信号转化为数字量输出，完成信号幅值的量化。3.2.3 NI USB6211数据采集卡NI USB(Universal Serial Bus)6211是NI公司的M系列中的一款多功能数据采集卡，是一个USB 总线供电的多功能DAQ模块，在高采样率下也能保持高精度。该板卡的主要性能如下：（1）16路模拟输入, 250KS/s单通道采样率，2路模拟输出；（2）8路数字输入线, 8路数字输出线；（3）每通道有4个可编程输入范围(0.2 V10 V)；（4）数字触发,2个32位定时计数器；（5）NI USB-6211在移动应用或空间方面专门设计，即插即用最大程度地降低了配置和设置时间，同时直接与螺丝端子相连，削减了成本并简化了信号的连接；（6）USB总线可以供电，使用户不再需要携带多余的外部电源。基于以上原因，本设计选择了NI USB-6211数据采集卡。第四章 系统总体的设计与实现4.1系统设计和程序框图流程4.1.1 系统设计设计信号发生器的主要任务是设计程序框图和前面板，在设计这两部分时若没有出现数据类型不匹配、控件的属性设置等问题，再跟硬件连接，看是否可以产生各种信号，并且能被数据采集卡采集到，并在硬件允许的范围内显示比现有信号发生器更宽广的信号范围。4.1.2 程序框图的设计流程用LABVIEW设计信号发生器的主要步骤是在设计程序框图上，图4.1是设计程序框图的主要流程。创建通道选择连续采样写入采样等待生成所有采样指定采样率、采样数开始停止并清楚任务图4.1 程序框图的主要流程4.2系统的具体应用程序按系统的总体要求，可以分为两部分来设计，一个是基本波形的系统设计，如正弦波，方波，三角波和锯齿波，另一个是基于数字脉冲的PWM波设计。然后用条件结构将它们组合在同一个程序框图中进行运行。4.2.1程序框图的具体设计步骤利用LABVIEW开发平台设计一个系统时，其中最主要的部分是程序框图的设计，下面就是程序框图设计的基本过程：（1）创建虚拟通道：根据输出的波形的类型设置物理通道的性质、波形的一些基本参数。图4.2是输出基本波形的虚拟通道，图4.3是输出PWM波的虚拟通道。图4.2 基本波形虚拟通道 图4.3 PWM波虚拟通道（2）设置基本波形的缓冲区和采样时钟：缓冲区可以对信号的频率、幅值、采样值、波形类型等进行设置，采样时钟设置为模拟。本文设计中的PWM波是基于计数器产生的，采样时钟设置成计数器（隐式）。时钟采样方式均设置为连续采样的方式。图4.4是基本波形信号的时钟，图4.5则是PWM波信号的时钟。图4.4 基本波形信号时钟图4.5 PWM波信号时钟（3）基本波形信号发生器需要先设置模拟信号的通道数及采样数，然后再运行；PWM波则是在设置好波形参数和时钟后直接运行。图4.6为基本信号波形运行图，图4.7为PWM波运行图。图4.6 基本信号波形运行图4.7 PWM波运行（4）运行后，需要不断循环该程序，在两个程序后都添加循环程序，并可以根据用户的需求随时按下停止按钮。在程序停止后，添上任务清除控件，若有错误产生，则在最后加上可以提示错误的错误对话框。具体程序如图4.8所示。图4.8 循环及清除程序4.2.2 基本波形信号发生器系统采用的是NI USB6211数据采集卡，由于该卡支持DAQ m x驱动程序，所以本设计是直接使用DAQ m x-Data Acquisition开发的。在这部分中，主要是采集参数的设置，其中包括物理通道的选择，采样模式、采样率、每通道采样数、每缓冲的循环次数的配置，采样最大最小值、预设频率、幅值、波形类型的设置。具体程序见图4.910。图4.9 基本信号发生器程序该程序运行时的具体步骤如下：（1）先创建一个模拟输出的电压任务；（2）以波形缓冲区的采样速率为基础来设定采样时钟速率，采样模式设置为连续采样模式；（3）给输出缓冲区编写波形；（4）开始运行任务；（5）不断循环，直到用户按下停止按钮，每100毫秒查核错误，看任务是否完成；（6）调用清除任务来清除任务，若出现错误，则使用弹出对话框显示错误或警告。在设计好程序之后，图4.10是基本信号发生器程序所对应的前面板，分别显示了波形参数、采样参数、物理通道参数和输出波形等控件，可以很方便地进行参数调节、物理通道修改和观察输出波形是否出现失真或噪声的现象。图4.10 基本信号发生器前面板4.2.3 PWM波信号发生器脉宽调制(PWM)信号可以使用计数器或数字I/O输出等数字信号来产生，也可以利用任意波形发生器或RF信号发生器之类的模拟信号来产生。NI很多的多功能数据采集(DAQ)设备都可以用来产生脉宽调制(PWM)信号。该设计的PWM波是基于NI USB-6211的计数器来设计的。图4.11是PWM波信号发生程序。图4.11 PWM波信号发生程序该程序运行时的具体步骤如下：(1)先创建一个计数器的输出通道，在一个频率范围内产生脉冲。如果脉冲空闲状态设置为低信号，则生成的第一个转换是从低电平到高电平；(2)使用DAQ m x的定时（隐式）来配置的脉冲产生的时间；(3)调用Start，并开始产生脉冲序列；(4)不断循环，直到用户按下停止按钮，每100毫秒查核错误，看任务是否完成；(5)调用清除任务来清除任务，若有错误出现，使用弹出对话框显示错误或警告。该程序所对应的前面板如图4.12所示，显示了PWM的基本参数，可以很方便地修改波形的计数器通道、频率、占空比等波形输出条件。图4.12 PWM波信号发生前面板4.3硬件调试和程序的实现4.3.1硬件连接调试