labvIEW课程设计报告(双通道虚拟信号发生器设计)

1、电气与自动化工程学院课程设计评分表课程名称： 虚拟仪器技术课程设计 设计题目： 双通道虚拟信号发生器设计 班级： 测控092 学号：160509219姓名：王志祥项目评分比例得分课程设计平时表现20%课程设计答辩40%课程设计报告40%课程设计总成绩 指导老师： 谢启 2012年 7 月 13 日常 熟 理 工 学 院电气与自动化工程学院虚拟仪器技术课程设计题目： 双通道虚拟信号发生器设计 姓 名： 王志祥 学 号： 160509219 班 级： 测控092 指导教师： 谢启 起止日期： 2012.7.92012.7.13 目录1、课程设计任务书42、总体设计方案82.1、虚拟仪器概念与传统仪

2、器概念主要区别82.2、虚拟仪器labvIEW图形化程序的组成和特点92.3、为什么选择虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台来设计双通道虚拟信号发生器 132.4、双通道虚拟信号发生器的总体结构图133、双通道虚拟仪器信号发生器的工作原理、功能以及使用说明143.1、双通道虚拟仪器信号发生器的工作原理143.2、双通道虚拟仪器信号发生器的前面板操作说明143.2.1、信号发生器的开启与关闭153.2.2、通道选择153.2.3、波形选择与波形参数设置153.2.4、噪声的选择与参数设置153.2.5、正弦波的有效值和相位差显示164、程序流程图、框图程序的设计及功能实现方法164.1、程序

3、流程图164.2、框图程序的设计及功能实现方法174.2.1、波形的选择与产生174.2.2、选择是否加入噪声以及噪声的参数设置194.2.3、正弦波的有效值和相位差的测量与显示204.2.4、通道选择与显示215、调试、运行及其结果225.1、调试225.2、源程序235.3、运行结果：276、收获、体会307、参考文献31虚拟仪器技术课程设计任务书(一)题目：双通道虚拟信号发生器设计一、课程设计任务对于任何测试来说，信号的生成非常重要。例如，当现实世界中的真正信号很难得到时，可以用仿真信号对其进行模拟。常用的测试信号包括：正弦波、三角波、方波、锯齿波、各种噪声信号以及由多种正弦波合成的多频

4、信号。信号发生器在测量中应用非常广泛，它可以产生不同频率的正弦信号、方波、三角波、锯齿波等，其输出的幅值和直流偏置也可以根据需要进行调节。信号发生器种类繁多，专用信号发生器是专门为某种特殊的测量而研制的，如电视信号发生器、编码脉冲信号发生器等；通用信号发生器按输出波形可分为正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数发生器和噪声发生器等，其中正弦信号发生器最具普遍性和广泛性。LabVIEW虚拟仪器技术软件开发平台提供了丰富的信号产生函数。本题目通过编写适当的LabVIEW程序，设计与实现一个双通道虚拟信号发生器。本课题通过虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台，设计一种双通道虚拟信号发生器，要求所设

5、计的双通道虚拟信号发生器可以产生和显示正弦信号、三角波、方波、锯齿波及公式波信号。具体指标与要求如下：(一) 正弦信号、三角波、方波、锯齿波信号1、频率范围：0.001Hz100KHz；2、幅值：010V，可选；3、直流偏置：02.25V，可选；4、可调整幅值、相位、频率；调整后无须重新启动（提示：用循环结构）；5、在产生的信号中可以加入高斯噪声。6、当两个通道都选择产生正弦信号时，要求可对产生的两个通道的正弦信号分别计算有效值及它们之间的相位差。(二) 公式波信号当选择产生公式波信号时，可以通过信号发生器前面板输入相应的公式，从而得到相应的波形信号。(三)通道1、通道2可以分别产生正弦信号、

6、三角波、方波、锯齿波或公式波信号。通过设置一个“退出”按钮来退出程序。两个通道产生的信号必须在同一个示波器(Graph)中显示波形，但彼此互不干扰。每个通道可以对波形进行单独控制，分别可以选择产生输出正弦信号、方波信号、三角波信号、锯齿波信号或公式波信号。并可以对采样信息，频率，幅值以及相位参数进行调节控制，方波还可以控制占空比。(四)不能采用快速VI，正弦信号、三角波、方波、锯齿波信号的产生不能采用下面的VI， 尽量使用底层VI。二、课程设计目的通过本次课程设计使学生具备：1）了解现代仪器科学与技术的发展前沿；2）学习和掌握虚拟仪器系统组成和工作原理；3）掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件

7、设计方法与调试技巧；4）培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；5）提高学生的论文撰写和表述能力；6）培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；7）培养学生的创新能力和运用知识的能力。三、课程设计要求1、了解和掌握整个虚拟仪器平台的系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景；2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据各种独立测量仪器的功能和工作原理，确定虚拟仪器功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板；3、利用虚拟仪器LabVIEW软件，编写与调试虚拟仪器的图形化程序；4、撰写完整的课程设计报告。四、课程设计内容1、双通道虚拟信号发生器前面板设计；2、双通道虚拟信号发生器框图程序设计。五、课程设计报告要

8、求报告中提供如下内容：1、目录2、正文（1）课程设计任务书；（2）总体设计方案(包括虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别，虚拟仪器LabVIEW图形化程序的组成和特点，为什么选择虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台来设计双通道虚拟信号发生器，双通道虚拟信号发生器的总体结构图等)；（3）简述所设计的双通道虚拟信号发生器的工作原理及自己的设计结果所实现的功能，针对前面板要有操作使用说明，以便他人能够正确使用所设计的双通道虚拟信号发生器；（4）程序流程图、框图程序的设计及功能实现方法等；（5）调试、运行及其结果；要求有双通道虚拟信号发生器设计的源程序和运行结果等。3、收获、体会4、参考文献六、课程

9、设计进度安排本课程设计共需1周时间，其具体安排见下表:时 间上午下午星期一课程设计动员、布置课程设计任务查找与消化相关资料、总体方案设计星期二软件设计软件设计星期三软件设计软件设计星期四系统调试系统调试及性能分析与总结、撰写课程设计报告星期五完成课程设计报告并上交答辩七、课程设计考核办法本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。2、总体设计方案2.1、虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国

10、的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。虚拟仪器由用户定义，而传统仪器则功能固定且由厂商定义。每一个虚拟仪器系统都由两部分组成软件和硬件。对于当前的测量任务，虚拟仪器系统的价格与具有相似功能的传统仪器相差无几，甚至比它少很多倍。而且，由于虚拟仪器在测量任务需要改变时具有更大的灵活性，因而随着时间的流逝，节省的成本也不

11、断累计。不使用厂商定义的、预封装好的软件和硬件，工程师和科学家获得了最大的用户定义的灵活性。传统仪器把所有软件和测量电路封装在一起利用仪器前面板为用户提供一组有限的功能。而虚拟仪器系统提供的则是完成测量或控制任务所需的所有软件和硬件设备，功能完全由用户自定义。此外，利用虚拟仪器计数，工程师和科学家们还可以使用高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能。这里有一些体现虚拟仪器灵活性的例子：(1) 一个应用，不同的设备在这个例子中， 一位工程师正在实验室的台式计算机PCI总线上使用NI LabVIEW和M系列DAQ设备开发一个应用程序，以创建一个直流（DC）电压和温度测量应用。在

12、完成了系统构建之后，他需要在一个生产层PXI系统上配置应用程序以完成新产品的测试。或者，他可能需要应用程序具有便携性，所以他选择了NI USB DAQ产品来完成任务。在这个例子中，无论是何种选择，在这三种情况下，他都可以仅在同一个程序中使用虚拟仪器而无需改变代码。(2) 许多应用程序，一个设备假设有另外一个工程师，刚刚完成了一个利用最新的M系列DAQ设备和积分编码器测量电机位置的项目。他的下一个项目是监视和记录这个电机的功率。即使任务完全不同他也可以重用同样的M系列DAQ 设备。他所需要做的就是使用虚拟仪器软件开发出新的应用程序。此外，如果需要的话，项目既可以与一个单一的应用程序结合也可以运行

13、在一个单一的M系列DAQ设备。 虚拟仪器的重要概念就是驱使实际虚拟仪器软件和硬件设备加速的策略。NI致力于适应或使用诸如Microsoft、Intel、Analog Devices、Xilinx以及其他公司的高投入技术。NI使用Microsoft在操作系统（OS）和开发工具方面的巨大投资。在硬件方面，NI基于Analog Devices在A/D转换器方面的投资。 基本上，虚拟仪器系统是基于软件的，所以如果只要是可以数字化的东西，您就可以对它进行测量。因此，测量硬件可在通过两根坐标轴进行评估，即分辨率（位）和频率。参考下图可以看出虚拟仪器硬件测量性能与传统仪器的比较。NI的目标就是将曲线在频率和

14、分辨率上延伸并且在曲线内进行不断推陈出新。传统仪器与虚拟仪器系统的比较传统仪器虚拟仪器系统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2.2、虚拟仪器labvIEW图形化程序的组成和特点所有的LabVIEW应用程序(即虚拟仪器(VI)包括前面板(Front Panel)、框图程序(Diagram Programme)以及图标/连接器(Icon/Connector)三部分。1前面板前面板是

15、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，具体显示有开关、旋钮、图形以及其他控制(control)和显示对象(indicator)，如图1-4所示。图1-4 前面板开发窗口2框图程序框图程序提供VI的图形化源程序，如图1-5所示。在框图程序中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。框图程序中包括前面板上控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的元素，例如函数、结构和连线等。如果将VI与标准仪器相比较，那么前面板就相当于仪器面板，而框图相当于仪器箱内的功能部件。在很多情况下，使用VI可以仿真标准仪器。图1-5 框图程序编辑窗口框图程

16、序是由节点、端点、图框和连线四种元素构成的。(1) 节点。节点类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。LabVIEW有两种节点类型，即函数节点和子VI节点。两者的区别在于：函数节点是LabVIEW以编译好了的机器代码供用户使用的，而子VI节点是以图形语言形式提供给用户的。用户可以访问和修改任一子VI节点的代码，但无法对函数节点进行修改。(2) 端点。端点是只有一路输入/输出，且方向固定的节点。LabVIEW有三类端点，即前面板对象端点、全局与局部变量端点和常量端点。对象端点是数据在框图程序部分和前面板之间传输的接口。一般来说，一个VI的前面板上的对象(控制或显示)都在框图中有一个对象端点与之

17、一一对应。当在前面板创建或删除面板对象时，可以自动创建或删除相应的对象端点。控制对象对应的端点在框图中是用粗框框住的。常量端点永远只能在VI程序框图中作为数据流源点。(3) 图框。图框是LabVIEW实现程序结构控制命令的图形表示，如循环控制、条件分支控制和顺序控制等，编程人员可以使用它们控制VI程序的执行方式。代码接口节点(CIN)是框图程序与用户提供的C语言文本程序的接口。(4) 连线。连线是端口间的数据通道，它们类似于普通程序中的变量。数据是单向流动的，从源端口向一个或多个目的端口流动。不同的线型代表不同的数据类型。在彩显上，每种数据类型还以不同的颜色予以强调。下面是一些常用数据类型所对

18、应的线型和颜色，关于数据类型和数组的概念将在后面章节讨论。当需要连接两个端点时，在第一个端点上点击连线工具(从工具模板栏调用)，然后移动到另一个端点，再点击第二个端点。端点的先后次序不影响数据流动的方向。当把连线工具放在端点上时，该端点区域将会闪烁，表示连线将会接通该端点。当把连线工具从一个端口接到另一个端口时，不需要按住鼠标左键。当需要连线转弯时，点击一次鼠标左键，即可以正交垂直方向地弯曲连线，按空格键可以改变转角的方向。3前面板和框图程序的工具条在前面板和框图程序窗口中，各有一个控制VI的命令按钮和状态指示器工具条。尽管前面板工具条和框图程序窗口中的工具条各自包含一些相同的按钮和指示器，但

19、它们有所不同。前面板窗口顶端的工具条如图1-6所示，框图程序窗口顶端的工具条如图1-7所示。在前面板或框图程序上，对齐对象(Align Objects)用于将变量对象设置成较好的对齐方式。选择希望对齐的对象后，可对两个及其以上的对象设置较好的对齐方式。对齐对象的下拉菜单如图1-8所示。图1-6 前面板工具条图1-7 框图程序窗口工具条图1-8 对齐对象下拉菜单4图标/连接器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，在软件默认的情况下程序框图和前面板的右上角显示活动的VI的图标。2.3、为什么选择虚拟

20、仪器LabVIEW图形化软件开发平台来设计双通道虚拟信号发生器LabVIEW虚拟仪器技术软件开发平台提供了丰富的信号产生函数。本次课程设计是通过编写适当的LabVIEW程序，设计与实现一个双通道虚拟信号发生器。对于任何测试来说，信号的生成非常重要。例如，当现实世界中的真正信号很难得到时，可以用仿真信号对其进行模拟。信号发生器种类繁多，专用信号发生器是专门为某种特殊的测量而研制的，如电视信号发生器、编码脉冲信号发生器等；通用信号发生器按输出波形可分为正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数发生器和噪声发生器等，其中正弦信号发生器最具普遍性和广泛性。本次设计通过虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台

21、，设计一种双通道虚拟信号发生器。通过虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台，我们可以选择不同的波形信号，同时可以对这些信号的一些相关参数进行改变，观察其变化，从而调试出我们需要的信号。频率2.4、双通道虚拟信号发生器的总体结构图幅值通道一相位通道选择直流偏置通道二公式是否加入噪声占空比3、双通道虚拟仪器信号发生器的工作原理、功能以及使用说明3.1、双通道虚拟仪器信号发生器的工作原理在波形的选择上，使用条件结构，枚举选择对应的波形。生成的波形可加入高斯白噪声，通过前面板的开关可以选择是否加入噪声，通过开关的布尔量与噪声的标准差进行与操作。当通道一和通道二为正弦波时，可以算出对应的有效值和相位差

22、，但只有当两个通道的有效值均不为零时，即通道一和通道二均为正弦波时，有效值和相位差才是可见的。至于通道的选择是在最后显示波形的时候选择。同样选用选择结构，通过枚举选择通道，对于的框内连接不同的通道，并且当只有一个通道时，为避免类型不匹配，使用空波形。3.2、双通道虚拟仪器信号发生器的前面板操作说明3.2.1、信号发生器的开启与关闭labvIEW程序的左上角的箭头为开启按钮，面板右下角的停止按钮可以停止波形的产生。3.2.2、通道选择在通道选择的枚举列表中，可以选择通道一、通道二、通道一与通道二。通道一与通道二可以将两个通道的波形显示到同一个波形图中。选择对应的通道模式，波形图会立即转为对应的模

23、式。3.2.3、波形选择与波形参数设置在每一个通道中，均可选择正弦波、三角波、方波、锯齿波、公式波等波形。其中公式波是通过公式设置各种参数，其余波形均可设置直流偏量、幅值、相位、频率等参数，方波还可选择占空比的值。采样信息是同时对应于波形和噪声的。3.2.4、噪声的选择与参数设置可以通过前面板的按钮选择是否加入噪声，同时可以设置噪声的标准差。3.2.5、正弦波的有效值和相位差显示当通道一和通道二均为正弦波时，可以显示正弦波的有效值和两者的相位差。当有一个通道不是正弦波，或者两个通道均不为正弦波时，对于的位置显示文字“通道一和通道二都是正弦波时，可显示有效值和相位差”。4、程序流程图、框图程序的

24、设计及功能实现方法开始4.1、程序流程图波形选择公式波锯齿波三角波正弦波方波否是显示文字计算有效值和相位差是否加入噪声否是噪声参数设置通道选择通道一与通道二通道二通道一波形显示4.2、框图程序的设计及功能实现方法4.2.1、波形的选择与产生通道一的波形选择与参数设置对于不同的波形选择，这里采用枚举选择的方式，可以很顺利的解决其与条件结构的不匹配问题。在条件结构内部，采用信号处理波形生成正弦波形等波形发生器。在条件结构的外部连入对应的参数，比如：频率、幅值、相位、直流偏置，采样信息，对于公式波形，只需要连入公式就可以，方波还需要连入占空比。通道二和通道一是一样的。4.2.2、选择是否加入噪声以及

25、噪声的参数设置噪声前面板是否加入噪声以及噪声参数设置这里可以选择是否加入高斯白噪声，通过对标准差的设置可以选择是否有噪声。将选择噪声的开关量转换成（0、1）量，然后与前面板对应的标准差进行相乘，得到的积在赋给高斯白噪声的标准差接口。当开关量为false时，即为0、此时其与标准差的积为0，也就是最终赋给噪声控件的标准差为0，噪声不产生。当开关量为true时，即为1、此时其与标准差的积就是标准差本身，然后赋给噪声控件的标准差为用户输入的标准差。用户除了可以选择噪声的标准差，还可以选择噪声的采样信息。这里需要说明的是，这里的采样信息与波形的采样信息是一致的。4.2.3、正弦波的有效值和相位差的测量与

26、显示图4.2.3.1、后面板显示图4.2.3.2、前面板显示根据设计要求，当两个通道都选择产生正弦信号时，要求可对产生的两个通道的正弦信号分别计算有效值及它们之间的相位差。正弦波的有效值就是幅值的根号二倍，相位差是两个正弦波的相位之差再除以2倍的，得到的余数就是他们的相位差。但这里要注意的是，当他们有一个不是正弦波或者两个都不是正弦波时，就不存在所谓的有效值和相位差，这里我将这三个图标都隐藏了。这里检测正弦波的有效值是否为0来判断是否两个通道均为正弦波。当两个通道均为正弦波时，其有效值均不为0，这是他们与0 的比较结果均为true，将true赋给三个图标的可见属性变量，同时将经过“非”控件的false赋给前面板文字的可见属性。此时，前面板如图4.2.3.2第一个图所示。同样，只要有一个通道不是正弦波，其有效值就为0，赋给正弦波有效值和相位差的可见属性均为false，给前面板文字的可见属性为true，此时，前面板如图4.2.3.2第二个图所示。4.2.4、通道选择与显示图4.2.4、通道选择前面板图4.2.4、通道选择本设计中的双通道虚拟仪器信号发生器可以选择通道一、通道二、通道一与通道二。当选择通道一时，将通道一的信号和波形常量合并，输出的信号给波形图。当选择通道二时，将通道二的信号和波