【《多功能信号发生器设计》14000字（论文）】

多功能信号发生器设计摘要LabVIEW是由美国NI公司开发的一种程序开发环境，它产生的程序是框图的形式，是工程师们开发测量或控制系统的首要工具。LabVIEW集成了工程师和科学家快速构建各种测量或控制应用所需的所有工具，LabVIEW的作用就是帮助工程师和科学家解决开发中易出现的问题、提高生产力，并且不断创新。本文旨在利用LabVIEW2013软件来设计一种多功能信号发生器，这个多功能信号发生器具有以下功能：1、可产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等基本波形；2、可以采用公式输入的方法来产生波形，即产生自定义公式波；3、可以产生多种噪声波；4、可以向任意指定的信号添加噪声；5、可以通过一定的程序操作与参数选择来控制波形、显示波形、记录与存储波形数据等功能。关键词：LabVIEW2013；多功能信号发生器；自定义；公式输入；公式波；噪声波；添加噪声1绪论信号发生器是科学实验中使用频率特别高的设备，在教学、科研等各个实验领域都有频繁的应用，尤其是在一些复杂和特殊的应用场景中，信号发生器被要求输出易于控制的任意波形。本文旨在利用LabVIEW2013软件来设计一种多功能信号发生器的程序框图。LabVIEW是一种虚拟仪器“集合”的软件，所谓的虚拟仪器是传统仪表仪器的“投影”。与编程语言，如C语言相比，LabVIEW软件只需要将虚拟仪器布局接线，逻辑正确即可实现目标功能。所以相比下来，LabVIEW软件具有操作简单，布局清楚，结果清晰等优点。多功能信号发生器的研究目的和意义我国采用虚拟仪器技术可以有效解决生产突破方面困难这一难题。由于目前这些台式仪器，如数字示波器、频谱分析仪等，这些仪器的加工工艺比较复杂，对制造水平的要求较高，在生产方面有一定的困难，所以还主要是依赖于进口，而虚拟仪器技术方便快捷的优点可以让这些问题迎刃而解。虚拟仪器（VirtualInstrument），简称VI，虚拟仪器技术是利用设计的仪器硬件和专用软件，然后加上现有的PC机，以此来形成既具有一般传统仪器的基本功能，同时又具有一般仪器没有的特殊功能的简捷方便的新型虚拟仪器，如下图1-1（虚拟仪器）、下图1-2（LabVIEW​虚拟​仪器​面板）。利用虚拟仪器平台设计的仪器功能可以由用户自己定义，所以与传统的仪器相比起来，虚拟仪器具有系统组建时间短、可扩展性强、技术更新快等一系列特点和优点，这也是本文的书写意义所在，本文就是利用LabVIEW程序开发环境，设计一个具有多种功能的信号发生器。图1-1虚拟仪器图1-2

LabVIEW​虚拟​仪器​面板信号发生器在日常生活中的生产实践和科技领域中都有着广泛的应用，例如在房屋建筑弱电设备领域里，在电视广播系统中，信号处理是数字电视地面广播系统的核心，通过对接收的信号进行处理，利用发射信号中的辅助信息，采用先进的算法是保证电视广播系统在地面工作的核心。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器，如下图1-3是唐山大学研制的基于虚拟仪器的锅炉供热自动控制系统，图1-4是天津大学研制的原油管道泄漏远程监测系统，图1-5是重庆大学开发的虚拟实时噪声倍频程分析仪，图1-6是清华大学构建的汽车发动机检测系统，都是信号发生器在现实生活当中的应用。信号发生器的作用就是信号调制功能，信号调制就是指通过被调制信号中的幅度、相位或频率变化把低频信息嵌入到高频的载波信号中，从而得到的信号可以传送从语音到数据、到视频的任何信号。图1-3唐山大学研制的基于虚拟仪器的锅炉供热自动控制系统图1-4天津大学研制的原油管道泄漏远程监测系统图1-5重庆大学开发的虚拟实时噪声倍频程分析仪图1图1-6清华大学构建的汽车发动机检测系统图1-6清华大学构建的汽车发动机检测系统多功能信号发生器的主要研究工作对于信号的研究与测量，需要用到一个甚至多个信号源，信号发生器就是为我们提供所需的信号源，信号发生器可以产生不同频率的正弦波、余弦波、三角波、方波、锯齿波，正脉冲和负脉冲信号，调幅信号，FM信号和随机信号等多种信号，信号发生器的输出信号的幅度也可以根据不同的要求，进行不同的调整，而各种各样的信号发生器除了价格昂贵，主要还是依赖于进口，这些仪器的加工工艺复杂，对制造水平要求较高，生产突破有困难，而且传统的信号发生器的功能也比较单一，不具备自定义和编程功能，而虚拟仪器就可以满足许多不同的要求。由美国NI公司开发的LabVIEW平台，是一个被广泛应用于虚拟仪器开发的平台。因此本文旨在于利用美国NI公司的LabVIEW2013（如图1-7）设计一个能产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等基本波形信号发生器，这个多功能信号发生器还可以根据公式输入产生波形，而且可以产生多种噪声波，可以向任意信号添加噪声，这个虚拟多功能信号发生器还可以通过一定程序操作和参数选择来实现波形控制、波形显示、波形数据记录与储存。图1-7NI公司的LabVIEW2013的图标虚拟仪器和信号发生器虚拟仪器虚拟仪器的概念和发展虚拟仪器是1986年推出的一个程序开发工具，是一种基于计算机的工具，就是使用现有的PC，再加上专门设计的仪器硬件和专用软件，形成不仅拥有传统仪器的功能，还有其他特殊功能的新工具，虚拟仪器的构成方式如图2-1。PC-DAQPC-DAQGPIB仪器GPIB仪器计算机串口仪器被测信号计算机串口仪器被测信号VXIVXI模块PXI模块PXI模块图2-1I/O接口设备虚拟仪器的构成方式虚拟仪器的核心是软件，LabVIEW虚拟仪器软件开发平台是工程师们开发时最常用的平台。虚拟仪器是目前仪器发展的一个主要重要方向，虚拟仪器公司纷纷致力于开发虚拟仪器平台，代表性的有：美国HEMData公司的Snap-Marter平台软件，美国泰克公司的Ez-Test

和Tek-TNS软件。虚拟仪器有不同的接口方式，包含并行口式、插卡型、GPIB总线方式、VXI总线方式等，虚拟仪器具有多样化的功能，如查看数据、修改数据或者控制输入图形编程语言和图形化数据流等语言功能。虚拟仪器集技术性能高、扩展性强、节约时间、无缝集成四大优点于一体的优势，是其他技术无法比拟的。虚拟仪器的发展，基于虚拟仪器的特点和优点，虚拟仪器已经被广泛的应用于许多方面，如：教学，航空航天，电子测量，生物医疗等各方面，随着时代的发展，虚拟仪器也在飞速的发展，在总线方式上，在适合中大型高精度的集成系统中，首先是在1978年，GPIB总线方式问世，然后是在1987年VXI总线方式问世，PXI总线方式在1997年问世，而具有广阔的发展前景的适合于普及的廉价系统中，首先问世的是PC卡式，然后是并行口方式，最后是串口USB方式。从技术的发展角度看，虚拟仪器分别有两条技术路线，一条是从GPIB到VXI,再从VXI到PXI的发展路线，这是一条向着高精度、高速度、大型自动化测试设备方向发展的路线；另一条路线就是向高性能、低成本、大众化系统方向发展的，就是PC插卡到并口式，再从并口式到串口USB的技术路线。根据虚拟仪器发展的特点，可以看出虚拟仪器的发展主要取决于三个因素：1.软件是核心，2.计算机是载体，3.A/D采集卡和调理放大器是关键。伴随科技的高速发展，网络通讯技术和计算机硬件的快速发展，虚拟仪器的发展也有了广阔的发展空间，将会朝着化、模块化、通用化发展，也会逐渐走进学校走进教学，成为一种新型的教学手段来慢慢改变传统的教学模式。总之，大量的传统仪器将逐步被虚拟仪器将取代。虚拟仪器的分类虚拟仪器目前发展的趋势，就是通过各种不同的接口总线将不同接口标准的测试系统连接。随着虚拟仪器的发展，虚拟仪器可以分为以下五种类型：1.PCI总线——插卡型虚拟仪器这种方式借助于计算机内的数据采集卡与专用的软件结合，如LabVIEW,LabVIEW是一种基于图形化编程工具，它充分利用了计算机的总线、机箱、电源及软件的便捷，但是由于受到PC机的总线和机箱的限制，并且电源功率不足、机箱内没有屏蔽等一些缺点，除此之外，PCI总线的虚拟仪器的价格都比较昂贵，如图2-2图2-2PCI总线2.并行口式虚拟仪器最新的发展的一系列可以连接到计算机并行口的测试装置，把仪器硬件集成在一个采集盒内，常常可以组成数字示波器、频谱分析仪、信号发生器、功率计、数据采集器等等一些仪器，这个虚拟仪器的优点在于不仅可以与台式PC机相连还可以与笔记本计算机相连，十分方便在野外作业，这个虚拟仪器实现了台式便携式两用，十分便捷，除了用途广泛，而且它的价格十分便宜，很适合用于各种教学实验室。3.VXI总线方式虚拟仪器VXI总线是高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，VXI总线的特点在于具有强有力的冷却能力和稳定的电源，还具有严格的RFI/EMI屏蔽。VXI总线聚集许多优点于一体：布局紧密，兼容性强，模块利用性强，可以支持众多厂家，这些都是VXI总线的优点。VXI系统有着卓越的优势，特别是在组建中大规模的自动测量系统的时候，以及在对速度和精度要求高的时候，随着科技的不断发展，VXI系统的使用和组件愈来愈方便。4.GPIB总线方式的虚拟仪器GPIB总线，也叫HPIB。在标准情况下，一个GPIB接口卡最多可以带十几台仪器，可以很高效的实现多台仪器的组合，来形成一个自动测量的系统。GPIB技术可以替代人工，其主要通过计算机来实现控制和操作仪器。GPIB测量系统主要用于台式仪器，有着简单的结构和命令，比较适合用于要求精确度高的时候，但是不要求高速传输的时候。5.PXI总线方式虚拟仪器一般台式PCI系统只有3-4个扩展槽，而由于PXI的高度扩展性，一般PXI具有8个扩展槽，而且PCI系统通过使用PCI—PCI桥接器可以扩展到256个扩展槽。PXI系统配置具有高度的灵活性（如图2-3），主要是通过将一个已有的VXI系统合并到一个新的PXI系统中，还可以根据现实的需要逐步将VXI系统升级到PXI。一个PXI系统通过MXI-2连接到VXI机箱，就像一个VXI嵌入式控制器插入了VXI背板上，可以由PXI控制器设置所有的系统设备，并实现与之通信。图2-3PXI配置具有高度的灵活性虚拟仪器系统的软硬件构成虚拟仪器系统的软件是虚拟仪器的灵魂和核心。虚拟仪器系统里就是用了软件代替了传统仪器的硬件，特别是系统中用于直接测试测量信号的分析，虚拟仪器的测试的软件主要有四部分，分别是：数据分析处理软件、仪器驱动软件、通用I/O接口软件和仪器面板控制软件。（1）数据分析处理软件具有强大计算能力的计算机和虚拟仪器开发软件涵盖范围广阔的函数库极大的提高了虚拟仪器系统的数据处理分析能力。（2）仪器驱动软件如果说虚拟仪器的“灵魂”是软件，那么软件的“灵魂”就是仪器驱动器。软件的“灵魂”——仪器驱动器，是用户与仪器硬件之间控制的纽带，仪器驱动器的“灵魂”是驱动程序函数/VI集，也就是说函数/VI是组成驱动的模块化子程序。驱动程序分为两层，上层也就是高层，即应用函数/VI层，下层也就是底层，会根据高层一句具体的测量需求来调用函数/VI；而底层是仪器的基本操作，如查看仪器的状态，初始化仪器，配置仪器的输入参数，发送和接收数据等等。（3）通用I/O接口软件I/O接口软件是虚拟仪器系统软件结构里起承转合的一环，发挥承上启下的作用，所以I/O接口软件的标准化和模块化尤其重要。（4）仪器面板控制软件仪器面板控制软件就是虚拟仪器的测试管理层，也就是用户操作虚拟仪器的的界面，用户就是利用计算机的编程环境，在可视的条件下，从控制模块中选择所需要的，放下虚拟仪器的仪器面版上，也就是前面板。虚拟仪器的硬件系统一般分为两部分，分别为测控功能硬件和计算机硬件平台这两个部分。（1）测控功能硬件测控功能硬件不同，VI的标准体系结构也不同，因此VI可以分为串口总线、DAQ、GPIB、VXI和PXI这5种标准体系结构，这些标准结构体系的主要作用，就是完成被测信号的模/数转换、采集、放大。（2）计算机硬件平台计算机硬件平台就是各式各样的计算机，例如便于携带的便携式计算机、传统的台式计算机、嵌入式计算机等等一些，计算机是虚拟仪器的硬件基础，决定着虚拟仪器的软件资源，由此可知在网络、处理性能、显示、存储方面快速发展的计算机，为虚拟仪器的快速发展提供了更好的条件。信号发生器的简介及作用信号发生器又叫信号源，是一种可以提供各种频率、波形和输出电平信号的仪器，在生产实践和科技领域中发挥着广泛的作用，如图2-4。根据输出波形的不同，信号发生器可以划分为许多不同的类别：正弦波信号发生器、低频信号发生器、高频信号发生器、频率合成式信号发生器等等。在测试电路或设备时，为测量相关电路参量，信号发生器都需要提供符合相关条件的信号，这样才能测量出所需相关参数。信号发生器的结构是内部带有扫频输出功能和带有外部扫频控制输入接口，内部带有扫频输出功能指低频信号发生器可以从低频开始到高频或者高频到低频自动变化的功能，带有外部扫频控制输入接口指外部可以进行控制低频信号发生器输出的频率。信号发生器在生活中的用途十分广泛，在通信、广播、电视系统中，需要运用射频发射，在工农业、生物医学等领域，如加热、淬火、核磁共振成像等等都是功率、频率或大或小的振荡器吧。图2-4信号发生器信号发生器产生的信号常常用于代替前端电路的实际信号，然后为后端电路提供一个理想的信号，信号源的信号特征参数可以人为设定，可以根据实际情况设置不同的参数。信号发生器的主要作用，也就是信号调制功能，信号调制功能就是通过变化被调制信号的不同参数，来把低频信息纳入到高频的载波信号里。信号调制可以分为数字调制和模拟调制，数字调制基于两种状态，允许表示二进制数据，模拟调制最常运用于广播通信中，如频率调制（FM）和幅度调制（AM）。多功能信号发生器的设计软件LabVIEW2013LabVIEW2013简介之所以日常工程师或开发者开发系统首选LabVIEW，是因为LabVIEW简洁明了的开发环境囊括了所有旨在帮助解决问题和创新快速构建应用程序的工具。由于LabVIEW快速发展，LabVIEW的版本也在快速更新换代，有LabVIEW5系列、LabVIEW6系列、LabVIEW7系列和LabVIEW8系列，系列号的更新说明了LabVIEW的软件结构和功能有重大的更新，LabVIEW2013是NI公司在2013年8月发布的版本。LabVIEW软件系统体系结构如图3-1，主要是由编程设计图形化软件模块、仪器驱动程序与用户接口开发工具标准软件模块这两部分构成了LabVIEW的软件系统。图3-1LabVIEW软件系统体系结构LabVIEW2013中的信号处理与分析信号的分析的重要性在于从采集的原始数据中无法得到有用的信息，信号的分析与处理就是为了消除噪音干扰，从噪声中分离出有用的信息，通过研究信号的运算、特性以及信号发生变化时信号特性的变化来揭示信号的特性。LabVIEW2013的信号处理功能（如图3-2）可以分为三个部分，分别为基本数学与信号处理、测试与测量和设计与仿真。在基本数学与信号处理中，可以解决线性代数、滤波器、频谱分析、微分方程、多项式和联合时频、小波。在测试与测量方面，LabVIEW可以识别声音与振动，可以阶次分析、图像处理、机器视觉、时间序列。在设计与仿真方面，LabVIEW可以做系统仿真，设计控制器、数字滤波器、系统模仿等等。图3-2LabVIEW2013的信号处理功能波形生成：波形生成VI用于生成各种类型的单频和混合单频信号、函数信号发生器及噪声信号，数字特性曲线和波形，如正弦波、方波、三角波、锯齿波等等，如图3-3。图3-3波形生成波形调理：就是用于进行数字滤波和加窗，对采集到的数据进行滤波、采样、对齐等日常操作，如图3-4，例如数字FIR滤波器，数字IIR滤波器等。图3-4波形调理波形测量：就是用于将采集到的波形通过测量进行分析，进行常见的时域和频域测量，如直流、RMS、单频频率/幅值/相位、谐波失真、SINAD以及平均FFT测量等信号参数，如图3-5。图3-5波形测量信号生成：用于生成描述特定波形的一维数组，生成的是数字信号和波形。针对不同的数据形式，LabVIEW有三个不同层次的信号发生器，波形发生就是波形数据，信号生成就是数组的数据形式，如脉冲信号、斜坡信号等，如图3-6。图3-6信号生成信号运算：用于信号操作并返回输出信号，就是LabVIEW对信号的运算分析构建的能够实现对信号进行实时监控和分析，包括卷积运算、反卷积运算、自相关运算、互相关运算、降采样运算、波峰检测等等，如图3-7。图3-7信号运算窗：就是用于实现平滑窗，并对执行数据进行加窗，如时域缩放窗、对称窗、Hamming窗、高斯窗、Blackman窗等，如图3-8。图3-8窗滤波器：是信号分析中的重要组成部分，用于实现IIR、FIR及非线性滤波器的相关操作，如FIR加窗滤波器、零相位滤波器、中值滤波器、椭圆滤波器等等，如图3-9。图3-9滤波器谱分析：就是一种将模态分析结果和已知谱联系起来的计算结构响应的分析方法，用于在频谱上执行数组的相关分析，LabVIEW的谱分析就可以进行如自功率谱、功率谱、幅度谱和相位谱等等，如图3-10。图3-10谱分析变换：用于实现信号处理中的常见变换，如FFT、反FFT、离散正弦变换、离散余弦变换等等，如图3-11。图3-11变换逐点：用于有效方便地逐点处理数据，用“逐点”命名的VI表示其分析数据的方式是连续的一次一点处理，而不是以数据块的形式进行处理，如信号生成（逐点）、信号运算（逐点）、拟合（逐点）等等，如图3-12。图3-12逐点多功能信号发生器的设计4.1多功能信号发生器的功能描述这个多功能信号发生器首要功能就是可以产生设计要求里的正弦波、方波、三角波、锯齿波这四种标准波形，并且还可以通过公式输入来产生自定义波形，与此同时，可以通过改变直流偏移量、频率、相位、幅值这四个参量，来得到不同信号波形；其次就是可以产生多种噪声波，并且可以通过噪声模块向任意信号添加噪声，可以选择添加噪声的类型，得到不同类型的噪声波；然后在信号输出时，还可以设置限幅条件，限制输出信号的幅值；最后，可以通过一定的程序操作与参数选择，实现对信号的波形控制、波形显示、波形数据记录于储存的功能，这四点时这个多功能信号发生器的主要功能。4.2多功能信号发生器设计思路与主流程图在充分研究基于LabVIEW的多功能信号发生器这个课题的设计要求之后，我的设计思路的大体方向就是解决设计要求中的五个功能，将该系统软件设计分成波形选择模块、噪声模块、限幅模块、波形存储四大模块，其中波形选择模块要实现两个功能：一是产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等基本波形；二十可以根据输入的公式产生波形，所以此次设计的主流程图如图4-1。在虚拟仪器的软件开发平台LabVIEW上,根据课题的设计要求,整个设计程序共建立以下几个子程序，分别为标准波形、公式输入、噪声、限幅、波形存储。在此次设计的波形选择模块中，根据信号波形产生的方式，将产生的信号波形分为“标准波形”和“自定义波形”两大类，标准波形有四种，包括正弦波、方波、三角波、锯齿波，这四种就是调用LabVIEW自带的函数VI产生的；自定义波形就是采用公式输入的方法，来产生根据用户自己输入的自定义的公式波形图。在噪声模块中，就是利用噪声模块向信号波形添加噪声，然后噪声的有无和大小可以通过前面板的控件进行设置与调整。在限幅模块中，就是利用限幅模块判断产生的信号波形中有无超出幅值范围的数据点。波形存储就是在经过限幅处理之后，将产生的波形存储到指定的路径文件中。这四个模块的设计，也就是这次课题设计的主流程图。图4-1主流程图4.3多功能信号发生器的模块分析4.3.1波形选择模块根据课题的设计要求，将要产生的信号波形分为“标准波形”和“自定义波形”两大类，标准波形包含正弦波、方波、三角波、锯齿波。自定义波形就是根据公式输入产生波形，这两类波形在实现上的区别主要是产生标准信号的波形可以直接调用LabVIEW自带的函数来实现，标准波形的参数设置都可以放在主面板上。1.标准波形标准波形这个模块就比较简单，直接调用了条件结构，在条件选择器标签里显示四个标准波形（正弦波波形、三角波波形、方波波形、锯齿波波形），相当于四个分支，在四个分支里选择但是运行的时候，只有选中的一个分支可以运行。四个不同的分支对应四个不同的标准波形，在各个分支里添加不同的VI,即正弦波选择正弦波形VI；方波选择方波波形VI；三角波选择三角波形VI；锯齿波选择锯齿波形VI；然后在条件结构上添加四个输入控件分别为直流偏置、频率、幅值和相位，并将各种产生波形的函数封装起来。这个部分的程序框图如图4-2。图4-2标准波形（方波）模块2.自定义波形自定义波形也是调用了LabVIEW的条件结构，然后添加一个分支结构，命名为“自定义波形”，在这个分支里是直接调用了LabVIEW的自带的“波形生成VI”里的“公式波形VI”，然后添加一个输入控件用于输入公式，公式就是用于生成信号输出波形的表达式，公式默认为sin(w*t)*sin(2*pi(1)*10)，其中已经定义的变量名称如下表4-1，这部分的程序框图如图4-3。表4-1已经定义的变量名称f频率等于频率输入a幅值等于幅值输入w2*pi*fn目前生成的采样数t已经过去的秒数fs采样频率等于采样信息量Fs图4-3自定义波形模块这一模块主要就是通过不同的参数设置，产生不同的波形，在这个模块产生正弦波、方波、三角波、锯齿波、自定义公式波这五种波形，可以改变的参数分别为信号的直流偏置量、信号的频率、信号的幅值、信号的相位。信号的直流偏移量，顾名思义就是一个交流信号中包含的直流量，例如有一个xy轴坐标，一个直流偏移为0的正弦信号，它的波形就是以y=0为中心上下摆动，如图4-4；如果给它加一个5v的直流偏移，它的波形就以y=5为中心上下摆动，这就是“向上偏移”，如图4-5；同理，如果给它加一个-5v的直流偏移，它的波形就以y=-5为中心上下摆动，这就是“向下偏移”，如图4-6。在此次设计中，在前面板的“控件”里面选择“新式”，然后选择“数值”，选定之后选择“转盘”，通过旋转转盘的的指针，来改变信号的直流偏置量。如图4-7。图4-4直流偏移量为0的正弦波图4-5直流偏移量为5v的正弦波图4-6直流偏移量为-5v的正弦波图4-7前面板的“转盘”信号的频率，需要把完整的波形周期的时间读出来，然后取倒数，用公式表示为f=1/T,在此次设计中，在前面板选用“控件”里的“新式”的“数值”，选择“数值输入控件”，如图4-8，通过输入不同的数值，来改变“频率”。例如，显示频率为5Hz的正弦波，就选择“正弦波”分支，然后在“数值输入控件”里输入“5”即可，如图4-9。图4-8前面板的“数值输入控件”图4-9频率为5Hz的正弦波信号的幅值就是波峰和波谷的差值，看波形最高峰和最低峰的差值，在此次设计中，在前面板的“控件”里的“新式”里选择“数值”选板，选定之后选择“转盘”，如图4-10，通过旋转“转盘”的指针来控制波形的“幅值”，例如显示幅值为10v的正弦波，只需将“转盘”的指针旋转至“10”即可，如图4-11。图4-10前面板的“转盘”图4-11幅值为10v的正弦波信号的相位是一个特定的时刻在一个信号的循环的位置，即一种它是否在波峰、波谷或者它们之间的某点的标度，是描述信号波形变化的度量，通常用“度”作为单位，也叫做“相角”，如果信号以周期的方式变化，波形循环一周为360度。在此次设计中，在前面板采用“控件”选板里的“新式”选板底下的“数值”选板，在选定“数值”选板之后，选择其中的“数值输入控件”，如图4-12，通过改变输入的数值，来改变信号的相位，例如，若想得到相位为“120度”的正弦波形图，只需要在前面板的“数值输入控件”中输入“120”即可，如图4-13。图4-12前面板的“数值输入控件”图4-13相位角为120度的正弦波运用公式输入法产生自定义波形，就是直接运用了“公式波形VI”，公式就是用于生成信号输出波形的表达式，在此次设计中，选择在前面板中选择“控件”选板下的“新式”的“字符串与路径”选板中的“字符串输入控件”如图4-14，产生公式波形，只需要在“字符串输入控件”输入公式即可，例如产生波形公式为“sin(w*t)*sin(2*pi(1)*t)”的波形，只需要在“字符串输入控件”中键入“sin(w*t)*sin(2*pi(1)*t)”即可，如图4-15。图4-14前面板中的“字符串输入控件”图4-15公式sin(w*t)*sin(2*pi(1)*t)的波形4.3.2噪声模块噪声模块就是实现向信号添加噪声，所以噪声的有无是可以通过前面板的控件进行控制的。由于在波形相加时，两个相加的波形的采样的时间必须保持一致，所以在噪声模块中，第一步就是要提取出相加波形的dt，取其倒数即为采样率，并得到Y数组的元素个数就是采样数，然后利用条件结构，可以选择添加不同类型的噪声（二项分布噪声、泊松噪声、Gamma噪声、周期性随机噪声、高斯白噪声、均匀白噪声），而对于噪声的大小，模块中留有输入接口，可以在前面板上设置噪声的大小。这个模块的程序框图如图4-16。图4-16噪声模块（均匀白噪声）在此次设计中，一共可以添加六种噪声，这六种噪声均是来自于LabVIEW自带的“波形生成”VI，分别为：二项分布噪声波形VI、泊松噪声波形VI、Gamma噪声波形VI、周期性随机噪声波形VI、高斯白噪声波形VI、均匀白噪声波形VI。这六种噪声通过“条件结构”的不同分支来选择不同的噪声类型，添加噪声的“幅值”的改变通过在前面板选择一个“数值输入控件”来实现，“数值输入控件”就是在“控件”选板底下的“新式”选板里的“数值”选板中，如图4-17，只要输入不同的数值，即可以向波形添加不同幅值的噪声，例如，若要向正弦波波形添加一个噪声幅值为“1V”的均匀白噪声，只需要选择“均匀白噪声”分支，然后只需要在“数值输入控件”中输入“1”即可，如图4-18。图4-17前面板的“数值输入控件”图4-18向正弦波添加噪声幅值为1V的均匀白噪声4.3.3限幅模块限幅模块使用了“结构”选板里的“元素同址操作结构”，然后右键单击“元素同址操作结构”，在快捷菜单中选择“添加波形解除捆绑/捆绑元素”，使该边框节点添加至元素同址操作结构，这个边框节点适用于计算波形中的一个或多个元素，然后使计算得到的元素在波形的同一位置进行返回，结构左侧的边框节点与获取波形成分函数相似，右边的边框节点与创建波形函数相似。然后就是选择了“比较函数”选板里的“比较函数”，比较函数就是用来设置上限和下限，上限与下限的值可以自己定义，然后确定输入的波形是否在指定的范围内，还可以选择将输入的信号波形强制转换到设置的范围内，此处设置的上限为10，下限为-10，如果连接输入端的信号的幅值比-10小，就将这个元素用-10替代，如果比10大，就用10代替，这部分的程序框图如图4-19。图4-19限幅模块在此次设计中，设定只能输出幅值为-10V到10V之间的信号，若输出信号的幅值比10V大，则超出的部分信号幅值用10V代替，若输出信号的幅值比-10V小，则此部分信号幅值用-10V代替，这需要在前面板上添加两个“转盘”来控制波形图Y轴的上下限，把控制“波形图Y轴上限”的转盘指针旋转至“10”，把控制“波形图Y轴下限”的转盘指针旋转至“-10”，如图4-20，即可限制输出波形的幅值，例如输出正弦波形的幅值为20V，则超过大于10V的部分，用10V代替，小于-10V的部分用-10V代替，如图4-21。图4-20控制波形图的Y轴上下限图4-21幅值为20V的正弦波形限幅之后的输出波形图4.3.4波形存储信号经过限幅模块后，得到了根据自定义设置的波形，调用LabVIEW的“波形文件I/O”选板里的“写入波形至文件”VI，可以创建新文件，或者添加至现有文件，在文件写入指定定数量的记录，然后关闭文件，检查是否发生错误，每条记录都是波形数组，保存波形数据的文件可以使用任意扩展名，例如“.dat”文件、“.txt”文件等等。输入端“文件路径”是指定波形文件的存储的位置，如果这个输入端未连接，LabVIEW就会显示非操作系统对话框，而不是操作系统对话框；“波形”输入端则是连接刚刚经过限幅模块的输出端，也就是要写入的波形；“添加至文件？”输入端，有两种情况，当它为“TRUE”时，则表示添加数据至现有文件，当它的值为“FALSE”时，VI可以替换已有文件中的数据，如果不存在已有文件，VI可以创建新文件，这一部分的程序框图如图4-22。图4-22波形存储波形的存储分为两种形式，数据格式和图形格式，图形格式就是jpg、bmp以及png格式，打开的时候需要使用LabVIEW的“图形读取”控件，打开后用图片控件显示；数据格式有csv、二进制数据、波形文件等多种格式，波形文件格式只有仪器和仪器配套的软件可以打开，csv和二进制文件可以使用LabVIEW里的“文件IO”控件打开，打开后用波形控件显示。在此次设计中只要求存储波形，只需要选定波形文件的存储路径，后点击“存储”按键即可，例如保存正弦波波形，只需要选择想要波形文件存储的路径之后点击存储，就完成了波形的存储，如图4-23。图4-23波形存储的路径设置4.4多功能信号发生器各个功能的程序框图及结果分析在这一部分将展示多功能信号发生器实现各个功能的程序框图、各个功能的结果图以及结果分析。1.多功能信号发生器产生正弦波信号的程序框图，如图4-24。图4-24正弦波信号的程序框图若产生幅值为5V，频率为1Hz的正弦波，结果如图4-25，显示正弦波的波形图与设置的参数值相同，波形图与参数设置相符。图4-25产生的正弦波信号2.多功能信号发生器产生方波信号的程序框图，如图4-26。图4-26方波信号的程序框图若产生幅值为5V，频率为1Hz的方波，结果如图4-27，所输出的方波波形图与设置的参数值相同，波形图与参数设置相符。图4-27产生的方波信号3.多功能信号发生器产生三角波信号的程序框图，如图4-28。图4-28三角波的程序框图若产生幅值为5V，频率为1Hz的三角波，结果如图4-29，所输出的的三角波波形图与设置的参数值相同，即输出三角波波形图符合参数设置。图4-29产生的三角波信号4.多功能信号发生器产生锯齿波信号的程序框图，如图4-30。图4-30锯齿波的程序框图若产生幅值为5V，频率为1Hz的锯齿波，结果如图4-31，输出的锯齿波波形图与设定的参数值相吻合，即锯齿波波形图与参数设置相符。图4-31产生的锯齿波信号5.多功能信号发生器根据输入公式的方法，产生“自定义波形”的程序框图，如图4-32。图4-32公式输入的程序框图若产生波形公式为“sin(w*t)*sin(2*pi(1)*t)”的波形，频率调节为“3Hz”，结果如图4-33，输出的公式波波形图与公式理论的波形相吻合，即输出的公式波形与理论的公式波相一致。图4-33公式输入的波形图6.多功能信号发生器向任意信号添加均匀白噪声的程序框图，如图4-34。图4-34添加均匀白噪声的程序框图若向幅值为5V，频率为1Hz的方波添加幅值为1V，噪声种子为-1的均匀白噪声，结果如图4-35，输出的向方波添加指定参数值均匀白噪声（幅值1V，噪声种子为-1）之后的波形图，与设定的参数值相一致。图4-35向方波添加均匀白噪声的波形图7.多功能信号发生器向任意信号添加高斯白噪声的程序框图，如图4-36。图4-36添加高斯白噪声的程序框图若向幅值为5V，频率为1Hz的方波添加幅值为1V，噪声种子为-1的高斯白噪声，输出的向方波波形添加幅值为1V，噪声种子为-1的高斯白噪声波形图，与设定的参数值相吻合，结果如图4-37。图4-37向方波添加高斯白噪声的波形图8.多功能信号发生器向任意信号添加周期性随机噪声的程序框图，如图4-38。图4-38添加周期性随机噪声的程序框图若向幅值为5V，频率为1Hz的方波添加幅值为1V，噪声种子为-1的周期性随机噪声，输出的方波波形图，与设置的参数（向方波添加幅值为1V，噪声种子为-1的周期性随机噪声）相吻合，结果如图4-39。图4-39向方波添加周期性随机噪声的波形图9.多功能信号发生器向任意信号添加Gamma噪声的程序框图，如图4-40。图4-40添加Gamma噪声的程序框图若向幅值为5V，频率为1Hz的方波添加幅值为1V，噪声种子为-1的Gamma噪声，输出的方波波形图与设定的参数（向方波添加幅值为1V，噪声种子为-1的Gamma噪声）相吻合，结果如图4-41。图4-41向方波添加Gamma噪声的波形图10.多功能信号发生器向任意信号添加泊松噪声的程序框图，如图4-42。图4-42添加泊松噪声的程序框图若向幅值为5V，频率为1Hz的方波添加幅值为1V，噪声种子为-1的泊松噪声，结果如图4-43，输出的波形图与设置的向方波添加幅值为1V，噪声种子为-1的泊松噪声理论波形相吻合。图4-43向方波添加泊松噪声的波形图11.多功能信号发生器向任意信号添加二项分布噪声的程序框图，如图4-44。图4-44添加二项分布噪声的程序框图若向幅值为5V，频率为1Hz的方波添加幅值为0.5V，噪声种子为-1的二项分布噪声，结果如图4-45，输出的方波波形图，与理论的向方波添加幅值为1V，噪声种子为-1的二项分布噪声的波形图相吻合。图4-45向方波添加二项分布噪声的波形图12.多功能信号发生器限制信号输出幅值的程序框图，如图4-46。图4-46限制信号输出幅值的程序框图若设置正弦波的幅值为20V，则输出的正弦波波形如图4-47，输出的波形图与限幅参数设置（幅值大于10V的，用10代替；幅值小于-10V的，用-10代替）的结果相吻合。图4-47限制输出信号幅值的结果图13.多功能信号发生器存储波形的程序框图，如图4-48。图4-48存储波形的程序框图若将产生的正弦波波形指定存储到E盘的“A波形存储”文件夹中，结果如图4-49，可以看到产生的正弦波波形文件的存储的位置，与设定的文件存储路径（E盘的“A波形存储”文件夹）相一致。图4-49存储波形结果图结论经过一段时间的艰苦工作，终于成功完成了基于LabVIEW2013的多功能信号发生器的设计，刚拿到题目的时候，花了很多的时间和精力去搜集有关课题的资料，在阅读了很多资料之后，确定了设计的大体思路。在毕业设计的这一段时间里，我知道了完成一件事情需要多方面的能力的结合，对相关软件的了解和相关方面知识的熟知是远远不够的，还要有一定的资料搜索能力，要学会发现问题，通过暴露出来的问题找到自己的薄弱之处所在，然后分析暴露出来的问题，再通过各种手段寻求着解决问题的办法，只有这样解决问题才能真正的提高自己的能力。和传统的信号发生器相比，利用LabVIEW2013设计完成的多功能信号发生器，具有许多传统仪器没有的优点，如开发软件效率高，耗费时间短，操作性强，维护性高，仪器硬件具有开放性，虽然是固定的硬件，但只需要重新更改软件就可以形成新的仪器，在升级仪器方面，只需要通过升级硬件就可以使仪器的性能提高。这些都是虚拟仪器的长处，正是因为虚拟仪器的优点，虚拟仪器现在的发展势头很迅猛，未来的发展方向也有着广泛的发展空间，这个课题也有许多不足之处，比如信号发生器的功能并没有很多样化，简单的来说也就产生波形、添加噪声、限幅、存储波形几个主要功能，并没有从其他方面做到信号发生器的功能多样化，因此还需要多多探索信号发生器更宽泛的用处。自己能运用虚拟仪器平台完成这个课题，心中的成就感满满，从拿到题目，到开始着手准备，再到最后完成课题，这中间付出了很多汗水和精力，中间的艰难和辛苦并没有白费，也通过这一次经历，让我知道了学习是多方面相结合的，是一个持续不断的过程，要在不断地发现问题和解决问题中成长前进，在不断改进的过程中学习知识。参考文献[1]马月红.基于LabVIEW的信号与系统虚拟实验平台的设计[J].电气电子教学学报,2020,42(06):145-150.[2]陶苗苗,王爱红,邹亚琪.基于LabVIEW的数字电路实验课程的教学改革研究[J].教师,2020(35):121-122.[3]毛嘉明.基于LabVIEW的智能语音测控实验平台[D].西北大学,2020.[4]杜海龙,段照斌,王伯阳.基于锁相环路技术的二次雷达信号发生器设计[J]