双通道虚拟信号发生器设计.doc

课程设计用纸
第一章 双通道虚拟信号发生器设计任务书

《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：0.001Hz～100KHz；
2、幅值：0～10V，可选；
3、直流偏置：0～2.25V，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、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%。
第二章 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
虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件、DSP技术相结合，在系统内共享软硬件资源，打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，由用户自己定义仪器功能。在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就实现功能完全不同的测量仪器。传统仪器与虚拟仪器的比较如下表：
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
5——10年
1——2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

LabVIEW是美国National Instrument Corporation公司研制的图形编程虚拟仪器系统。主要包括数据采集、控制、数据分、数据表示等功能，它提供一种新颖的编程方法，即以图形方式组装软件模块，生成专用仪器。LabVIEW由面板、流程方框图、图标/连接器组成，其中面板是用户界面，流程方框图是虚拟仪器源代码，图标/连接器是调用接口(Calling Interface)。流程方框图包括输入/输出（I/O）部件、计算部件和子VI部件，它们用图标和数据流的连线表示；I/O部件直接与数据采集板、GPIB板、或其他外部物理仪器通信；计算部件完成数学或其他运算与操作；子VI部件调用其他虚拟仪器。

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。
4. 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。

2.3 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
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，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。

2.4 双通道虚拟信号发生器的总体结构图

通道1
通道2
退 出
频率调节
幅值调节
相位调节
偏置选择
波 形 显 示
双通道虚拟信号发生器
信号选择
加入噪声

设计原理:
双通道虚拟信号发生器的两个通道相互独立,在设置两个通道的信号类型(正弦波，方波，三角波，锯齿波及公式波等),并调整信号的相应参数(频率，幅值，相位偏置等）时,可加入高斯噪声信号,最后在波形显示器上输出波形.

第二章 双通道虚拟信号发生器的工作原理及实现功能
3.1 工作原理
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。程序设计的前面板如下：

图3-1 程序设计前面板

通道1,通道2框图:

图3-2 通道1框图 图3-3 通道2框图
由图可知, 产生和显示正弦信号、三角波、方波、锯齿波及公式波信号. 框图中包括sine wave，triangle wave, square wave, sawtooth wave以及formula wave。通过选择其中一波形即可在波形显示器里输出。

波形显示器如下：

图 3-4 波形显示器
通过框图可设置波形的幅值，频率，相位，偏置等参数，从而产生所需要的波形。注:两个通道生成的波形之间不受影响，可独立操作。
当波形为方波时，框图用来改变方波的占空比。
框图里显示波形的数学公式。
波形图中可通过改变框图中的设置来加入高斯噪声，以实现对波形的干扰。当高斯噪声输入为0时，无噪声输出。而设置为其他值时则产生噪声信号，并叠加到波形中去。输入数值越大，则相应的噪声信号越大。
框图用来设置信号的采样平率以及波形中的采样点数。应根据具体情况作适当的设置。
当两通道均为正弦波时，框图用来输出两正弦波的有效值以及相位差。
框图用来结束程序的运行。
3.2 实现功能
双通道虚拟信号发生器是利用两个通道的独立性分别产生正弦信号、三角波、方波、锯齿波或公式波信号。两个通道产生的信号在同一个示波器(Graph)中显示波形，但彼此互不干扰。另外，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。

第四章 程序流程图和框图程序的设计

4.1 程序流程图的设计

图4-1 程序流程图

4.2 框图程序的设计

通道1 三角波信号发生的设计图如下:
图4-3 通道1 三角波框图
通道1 方波信号发生设计图如下:

图4-4 通道1方波框图
通道1 锯齿波信号发生设计框图如下:

图4-5 通道1锯齿波框图
通道1 公式波信号发生设计框图如下:

图4-6 通道公式波框图

通道2 正弦波信号发生的设计图如下:

图4-7 通道2正弦波框图
通道2 三角波信号发生的设计图如下:

图4-8 通道2 三角波框图

通道2 方波信号发生的设计图如下:

图4-9 通道2 方波框图

通道2 公式波信号发生的设计图如下:

图4-10 通道2 公式波框图

下面框图为测量两通道正弦波的相位差以及有效值未用的框图设计

图4-11 通道1其他 的框图

图4-12 通道2 其他的框图

第五章 调试、运行以及结果
图5-1为两通道的信号以及参数分别设置及运行结果:
通道1:偏置0,频率1.8Hz,幅度2V,相位10;
通道2:偏置0,频率1Hz,幅度2V,相位0.

图5-1 两通道的信号以及参数分别设置及波形

图5-2为原信号及参数加入高斯噪声后的运行结果: 通道1:偏置0,频率1.8Hz,幅度2V,相位10;
通道2:偏置0,频率1Hz,幅度2V,相位0;
加入1.00的高斯白噪声.

图5-2 加入高斯噪声后的波形:

按退出按钮后，程序运行结束。

第六章 LabVIEW课程设计的心得体会
LabVIEW是美国国家仪器公司（简称VI公司）研制的一个功能强大的开发平台，主要是为仪器系统的开发者提供体套能够鲁埃杰的建立，检测和修改仪器系统的图形软件系统。他是一种图形化的语言，广泛的被工业界，学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和以期控制软件。与 C 和 BASIC 一样，LabVIEW 也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW 的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据 显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。LabVIEW的特点：采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件；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；用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
在未学习LabVIEW以前，我已经接触过了C语言，VB。作为一种编程语言，labview有很多和他们相似之处，如数据的类型，数据流控制结构，程序调试工具及层次化，模块化的编程特点等，但经过一段时间的学习，我发行labview要比他们容日入门的多。因为labview使用的都是工程师们冲用的术语和图表，如各种旋钮和开关等等，它的界面也是非常直观形象，对于我们这种助学者有着极大的便出。
C语言与VB我经常用来编写一些小程序，但也只是实现加减乘除等简单的公式运算，并没有复杂的图形的绘画。但同样的学习时间里，我却能够用labview完成大多数的基础设计，在基本相同的时间里，感觉上labview说或收获更多一些。
通过这次labview的课程设计，我了解现代仪器科学与技术的发展前沿；学习和掌握虚拟仪器系统组成和工作原理；并掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧；在这次课程设计中，哦我查阅了大量的资料，努力地运用我所学到的知识；使我的创新能力和运用知识的能力有了较大的提高。在其过程中我努力地尝试建立一个正确的设计思想，并发现严谨的科学作风的重要性（设计时我经常出现比较低级的错误）；最后，我的提高学生的论文撰写和表述能力也有了提高。
虚拟仪器是仪器计算机化的产物，是集成化仪器的基础，是仪器行业的一场革命，它的研制与开发具有深远的意义。所以我会再接再厉，争取进一步学习好，应用好这门语言。

第七章 参考文献
[1] 汪敏生，等.LabVIEW基础教程.北京：电子工业出版社，2007
[2] 沈茜．虚拟仪器在电子技术实验教学中的应用及前景[J]．煤炭技术，2010，29(3)：59～61．
[3] 解明芳,王鸿钰．虚拟仪器[J].仪表技术,1998,5．
[4] 王福明，等.LabVIEW程序设计与虚拟仪器.西安电子科技大学出版社，2009
[5] 侯国屏，王坤，叶齐鑫.LABVIEW7.1编程与虚拟仪器设计.北京：清华大学出版社，2006
[6] 王磊，陶梅.精通LABVIEW8.0.北京：电子工业出版社，2007
[7] 刘立，陈淑珍.虚拟仪器系统与VXI、VXI plug＆play[J]．国外电子测量技术，1999，(2)：28—29

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