基于labview的虚拟信号分析仪器的设计-学位论文.doc

本科毕业设计(论文)题目 基于LABVIEW的虚拟信号分析仪器的设计目 录摘 要1 第一章 虚拟仪器概述31.1 仪器的发展31.1.1仪器的发展 31.1.2虚拟仪器的发展历程 41.1.3 虚拟仪器的发展趋势41.2 虚拟仪器51.2.1 虚拟仪器概念51.2.2 虚拟仪器的特点及优势51.2.3 虚拟仪器的分类71.2.4 虚拟仪器系统的构成81.3 LabVIEW101.3.1 LabVIEW简介101.3.2 LabVIEW应用程序的构成101.3.3 LabVIEW中的操作模板12 第二章 信号发生132.1 信号发生器的发展史13 2.2 信号发生器的设计142.2.1 信号的发生142.2.2 基本函数发生器的设计1622.2.3 基本混合单频信号发生器的设计182.2.4 均匀白噪声信号发生器的设计212.2.5 公式波形信号发生器的设计22 第三章 信号分析233.1信号的时域分析233.1.1测量信号的基本平均值与均方差243.1.2信号的幅值以及极大值、极小值253.2信号的频域分析263.2.1快速傅里叶变换幅值相位谱263.2.2 FFT频谱（幅度-相位）27 第四章 信号的处理294.1信号的滤波处理294.2巴特沃斯滤波器的滤波设计294.3数字FIR滤波器的滤波设计304.4滤波器Express VI的滤波设计31 第五章 虚拟信号分析仪器的综合设计345.1虚拟信号分析仪器综合设计前面板345.2虚拟信号分析仪器综合设计程序框图355.3虚拟信号分析仪器的运行36第六章 总结37参考文献38致谢39齐鲁工业大学2014本科生毕业设计（论文）摘 要虚拟仪器是在以计算机为核心的硬件平台上，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，从而完成各种测试功能的仪器系统。它充分利用最新的计算机技术来实现和扩展仪器的功能，用计算机屏幕可以简单地模拟大多数仪器的调节控制面板，以各种需要的形式表达并且输出检测结果，用计算机软件实现大部分信号的分析和处理,完成大多数控制和检测功能。LabVIEW是一种高效用于构建数据采集与监测系统图形化编程语言。本文运用LABVIEW设计出一个信号的产生、分析和处理的应用程序。可以根据要求，产生多种常用信号，并能够对其进行时域和频域的常用分析。首先是对原始信号进行时域波形显示,频域频谱显示。最后再对滤波后的信号进行相关分析,除掉谐波干扰信号。 关键词： LabVIEW 虚拟仪器 信号处理ABSTRACT Virtual instrument is on the computer as the core of hardware platform, through the software to the computer hardware resources and hardware organically fuse and instrument using powerful computer software function to realize signal data calculations, analysis, processing, so as to complete the function of various test instrument system. It make full use of the latest computer technology to realize and expand the function of the instrument, use a computer screen can simply simulate most of the instruments to adjust the control panel, expressed in the form of a variety of needs and output test results, using computer software to realize most of the signal analysis and processing, complete most of the control and detection. LabVIEW is an effective and widely used to construct the data acquisition and monitoring system for the graphical programming language. This paper USES LABVIEW design a signal analysis and processing of the application. Can be generated according to the requirements, a variety of commonly used signals, and can carry on the time domain and frequency domain analysis of the commonly used. The first is the original signal, according to the time domain waveform frequency spectrum display. Finally, the signal after filtering correlation analysis, get rid of harmonic interference signal. Key words：LabVIEW ;virtual ; signal processing第一章 虚拟仪器的概述计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器（virtual instruments）主要是指这种方式,充分利用现有计算机资源，配以独特设计的软硬件，实现普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的功能。1.1仪器的发展1.1.1仪器的发展随着电子技术的发展，仪器的发展经历了四个时期: 第一代仪器：模拟仪器。如指针式万用表、晶体管电压表，它们的基本特征是采用模拟电子技术实现，采用指针显示结果。第二代仪器：数字化仪器 数字化仪器目前相当普及，如数字电压表、频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果。第三代仪器：智能仪器 智能仪器内置微处理器，能进行自动测量，具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动。它的全部功能全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代仪器：虚拟仪器 虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器发展的一个重要方向。从1988年开始，陆续有虚拟仪器产品面市。此后，虚拟仪器产品飞速增加。从仪器的发展历史可以看出，仪器领域已经历了两次技术革命。第一次仪器革命是由于数字电子技术的发展引起的，使仪器形态进入了数字化仪器时代；第二次仪器革命是由于微处理器的大量应用引起的，使仪器形态进入了智能仪器时代。目前，仪器领域正在进行第三次仪器革命，这次革命是由通用计算机硬软件技术的进步引起的，这次仪器革命将使仪器形态进入第四个时期：虚拟仪器时代。21.1.2 虚拟仪器的发展历程虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的革命。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进行的。8 第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能。由于GPIB总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。 第二阶段，开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡 ( plug-in PC-DAQ )；二是VXI仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。第三阶段，虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域以产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。11.1.3 虚拟仪器的发展趋势 现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。在此背景下，1986年美国国家仪器公司(National Instruments，NI)提出了虚拟仪器(Virtual Instrument，VI)的概念。尽管迄今为止虚拟仪器还没有一个统一的定义，但是一般认为：虚拟仪器是在PC基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统。作为一种以计算机软件为核心的新型仪器系统，虚拟仪器具有功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强等优点，通常被认为是第三代自动测试系统的同义语3。使用虚拟仪器系统可以避免仪器编程过程中的大量重复性劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时间，并且客户可以用不同的模块来构造自己的虚拟仪器系统，选择统一的测试策略。由于虚拟仪器的功能和性能已被不断提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。而虚拟仪器的各种优点让用户可放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。由于计算机的性能价格比不断改进，使虚拟仪器的价格更为大众化，用户不必再受限于传统仪器的使用限制和昂贵的价格，进一步降低了使用成本，减少了系统的开发费用和系统的维护费用4。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。41.2虚拟仪器1.2.1 虚拟仪器概念虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司最先提出的。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等，可集成于自动控制、工业控制系统之中，可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。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。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件和测量仪器等硬件资源与计算机软件资源有机的结合起来。1.2.2 虚拟仪器的特点及优势虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图1.2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。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源8。图1.2-1 虚拟仪器开发框图虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据，它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户经简单培训即可迅速掌握操作规程。虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的强项，这是传统的独立仪器难以胜任的。1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。由此导致许多识读和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低了系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。这是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet的一部分，实现现场监控和管理。31.2.3 虚拟仪器的分类 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型： 1）PC总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合（注：美国NI公司的Labview是图形化编程工具，它可以通过各种控件自已组建各种仪器。Labview/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言Visual C+,Visual Basic,Labviews/cvi构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。2）并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。3）GBIB总线方式的虚拟仪器 GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。4）VXI总线方式虚拟仪器 VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过十多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 5）PXI总线方式虚拟仪器 PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。PXI的高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有34个扩展槽，通过使用PCIPCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。51.2.4 虚拟仪器系统的构成虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是智能化仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式9。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1.2.4-1所示。图1.2.4-1 虚拟仪器的内部功能的划分对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成。对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，使设计工作量大大减小。 通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件、通用计算机、打印机等构成。系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发语言编写而成，并可通过Internet实现网络扩展。下面的框图反映了常见的虚拟仪器组成方案。图1.2.4-2 虚拟仪器组成方案图1.2.4-2是采用的虚拟仪器总框图,其中硬件部分为DAQ板卡,软件部分包括仪器驱动程序以及用LabVIEW编写的应用程序。图1.2.4-3 虚拟仪器组成总框图从构成要素讲，VI系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的；从构成方式讲，则有以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统，以GPIB、VXI、Serial和Fieldbus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。因此，VI的发展已经完全跟上计算机技术的发展步伐，同时也显示出VI的灵活性与强大生命力。71.3 LabVIEW1.3.1 LabVIEW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/、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410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。61.3.2 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41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1.3.2-1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1.3.2-2是与图1.3.2-1对应的流程图。 图1.3.2-2程序框图如果将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1.3.3 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。 图1.3-1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 2.1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2.1-1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2.1-1 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。82.2 信号发生器的设计2.2.1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2.2-1 Labwiew中的Waveform Generation子模板 图2.2-2 labview中数学子模板中的三角函数子模板 图2.2-3 labview中数学子模板中的双曲函数子模板2.2.2基本函数发生器的设计 基本函数发生器（Basic Function Generator.vi）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0.0。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。 0Sine Wave（默认）1Triangle Wave2Square Wave3Sawtooth 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1.0。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。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2.2-4 基本函数发生器程序框图 在该程序中以Basic Function Generator.vi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2.2-5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2.2-6 中，更改信号的类型为三角波，频率改为5Hz，幅值调整为3V，相位更改为90。 图2.2-5 信号发生器程序产生正弦信号 图2.2-6 信号发生器程序产生三角波信号2.2.3 基本混合单频信号发生器的设计Basic multitone.vi 是一种用以产生多种频率成分正弦波相叠加的波形信号的vi，被称为基本混合单频信号发生器，其中频率成分的个数由数据端口“#tones”决定，多个频率成分的起始频率由数据端口“start frequency”决定，相邻多个频率成分之间的频率差由数据端口“delta f”决定，多个频率成分的幅值相同，之间的相位差由数据端口“phase relationship”决定。混合单频信号发生器简介：生成波形，它是整数个周期的单频正弦之和。幅值是所有单频的缩放标准，即波形的最大绝对值。默认值为-1。 输出波形至模拟输出通道时，可使用幅值。如硬件可输出的最大值为5伏，可设置幅值为5。如幅值为0，则不进行缩放。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。单频频率是由单频频率组成的数组。数组的大小必须匹配单频幅值数组和单频相位数组的大小。单频幅值该数组的元素为单频的幅值。数组的大小必须匹配单频频率数组和单频相位数组的大小。单频相位是由单频相位组成的数组，以度为单位。数组的大小必须匹配单频频率数组和单频幅值数组的大小。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。如强制转换频率？的值为TRUE，指定的单频频率将被转换为Fs/n最近整数倍。信号输出是生成的波形。峰值因数是信号输出的峰值电压和均方根电压的比。