1 設計任務描述

 

1.1設計題目：基于labview的函數信號發生器的設計

 

1.2設計要求

 

1.2.1設計目的

 

能夠熟悉利用Labview軟件，并用此軟件編寫程序框圖和構造前面板。使設計的面板更直觀，漂亮。達到虛擬儀器的功能。

1.2.2基本要求

 

設計基于Labview 的函數信號發生器。

要求：1）掌握NI-DAQ使用方法。

      2）了解函數信號產生方法。

      3）輸出一路占空比可調的方波信號，一路函數信號（輸出信號類型可選擇）。

1.2.3發揮部分

 

1）產生的正弦波、三角波、鋸齒波能夠調節頻率、幅值、相位；方波能夠調節占空比。

2）在調節的基礎上能夠將頻率、幅值和相位的值顯示出來。

 

2 設計思路

 

理解題目以后，我們又回去查閱了很多相關資料。最后確定了設計的總體思路。用Labview軟件設計的過程是先進行程序框圖的設計，然后再設計前面板。首先是確定我們需要的函數信號發生器一共可以產生哪些波形，然后是各個波形怎樣實現和相互切換。最后是怎樣來控制波形的產生。

從一些資料中受到啟發，我們需要解決的一共就只有四個大問題：

<波形選擇>：與我們常用的函數信號發生器相聯系，根據儀器的功能，可以產生多種波形；但是我們需要的是一種波形，所以必須做好信號相互切換的功能。因此用case條件結構是最好的選擇。我可以在case結構中添加多個條件分支，并用特定的數據類型表示不同的波形。在case結構中的條件選擇端口加一個【文本下拉列表】，輸入各個可以產生的波形（必須與條件分支中的標簽一一對應），這樣就可以實現波形的選擇了。

<信號產生>：產生各個波形的方法有很多。比如用公式編寫、有仿真信號生成、還有函數生成。但是最簡單的是用【函數選板】中的【信號處理】的子選板中的【波形生成】中的【正弦波形】、【方波】、【三角波】、【鋸齒波】。但是這些控件必須自己輸入各種參數值。

<波形控制>：一個理想的函數信號發生器必須有一個開關，如我們所用到的函數信號發生器一樣。在不需要發生器的時候就利用【開關】來控制信號的產生與否。因此，只需要在case條件結構的外面再加一個while循環結構就可以了。

<參數顯示>：產生的波形的各個參數是否滿足我們的要求，如果沒有顯示這些參數的話，我們是不能知道的。所以只需在程序框圖中加一個顯示控件或局部變量都可以。

以上就是整個虛擬函數發生器的設計思路。

主程序流程圖

各部分程序框圖及前面板的設計

4.1 正弦波信號的產生及參數的設計

產生波形的方法有很多，可以用【仿真信號】、【信號生成】等。我選擇的是【波形生成】，即正弦波形（

這只實現了一種波形，還有其它波形。所以就涉及到了波形的選擇。因此，我用了case條件結構。充分利用它的功能，我改變【選擇器標簽】中的數據類型，并添加所需要的條件分支。每一個分支就對應一個波形。并根據這個波形的特點，選擇不同的參數。同樣，【分支選擇器】的數據類型必須與【選擇器標簽】中的數據類型一致。這樣就可以實現正弦波。為了使我們所得到的波形的參數更加準確，可以再添加一個顯示控件；這樣，調節參數的同時，也可以觀測它的值，看是否達到要求。

正弦波的設計原理圖如下所示：

當然，“頻率”是有單位的。所以，我用了一個字符串函數：【格式化寫入字符串】，根據要求加入了單位：“Hz”。

4.2方波信號的產生及參數的設計

接下來，我設計的波形是方波。選擇【波形生成】中的方波波形（

涉及到的波形切換，用case條件結構，充分利用它的功能，【分支選擇器】的數據類型必須與【選擇器標簽】中的數據類型一致。這樣既可以實現正弦波，也可以切換到其它的波形。再添加一個顯示控件，調節參數的同時，也可以觀測它的值。

方波的設計原理圖如下所示：

“頻率”的單位處理方法與正弦波的方法一樣即可。用一個字符串函數：【格式化寫入字符串】，根據圖標的提示和要求加入了單位：“Hz”。

4.3鋸齒波信號的產生及參數的設計

與上面的方法一樣，選擇【波形生成】中的鋸齒波形（

再用一個case條件結構，讓各參數值通過條件結構的通道，并充分利用它的結構特點，每一個分支就對應一個波形。并根據這個波形的特點，選擇不同的參數。同樣，【分支選擇器】的數據類型必須與【選擇器標簽】中的數據類型一致。這樣就可以實現鋸齒波。為了使我們所得到的波形的參數更加準確，可以再添加一個顯示控件；這樣，調節參數的同時，也可以觀測它的值。

    鋸齒波的設計原理圖如下所示：

“頻率”的單位處理方法與其它波形的方法一樣。用一個字符串函數：【格式化寫入字符串】，根據圖標的提示和要求加入了單位：“Hz”。

4.4三角波信號的產生及參數的設計

選擇的是【波形生成】，即三角波形（

還有其它波形，切換的方法前面已經提到過。因此，用case條件結構，充分利用它的功能，改變【選擇器標簽】中的數據類型，并添加所需要的條件分支。每一個分支就對應一個波形。【分支選擇器】的數據類型必須與【選擇器標簽】中的數據類型一致。為了使我們所得到的波形的參數更加準確，可以再添加一個顯示控件；這樣，調節參數的同時，也可以觀測它的值。

    三角波的設計原理圖如下所示：

“頻率”的單位處理方法與其它波形的方法一樣。用一個字符串函數：【格式化寫入字符串】，根據圖標的提示和要求加入了單位：“Hz”。

4.5波形控制的設計

    根據實際，當我們在使用完信號發生器以后，必須把它關掉。所以，我們設計的信號發生器如果沒有開關的話，就不符合要求。解決這個問題很簡單，在總的框圖外面加一個while循環結構，【循環條件】處連接一個【開關】控件，并且選擇【真時繼續】。

    設計如下圖所示：

4.6 DAQ助手的創建

NI-DAQ主要是為被測對象提供激勵信號。根據不同的要求選擇DAQ的不同功能，例如，我們組的設計用的是D/A輸出；在DAQ中就是選擇【生成信號】。具體創建步驟如下：

（1）在程序框圖的窗口中打開【函數】選板，執行【測量I/O】 QUOTE

（2）如下圖所示，在【生成信號】中，選擇【模擬輸出】的【電壓】輸出，選擇通道ao0或是ao1后，創建完成。

（3）后面的提示窗口，可直接點【確定】。

4.7前面板的設計

無論什么儀器設備，我們首先看到的就是它的前面板，通過前面板可以直觀的看出儀器的功能及其特點。所以前面板的設計相當重要。我們應當秉持著美觀、直接、特色、規范的原則設計前面板。就如人的臉面一樣，第一印象特別重要。

下面是我設計的前面板，如圖所示：

5 多功能信號發生器工作過程分析

5.1正弦波的工作過程及波形驗證

一切準備就緒以后，點【連續運行】，此時【開關】為“開”的狀態，否則沒有任何波形的輸出。程序正常運行后，轉動“頻率”、“幅值”等參數的旋鈕，此時會發現顯示的波形也隨著改變。

例如：旋轉“頻率”值為4.9Hz，“幅值”為2.22065，“偏移量”為1.34792，“初始相位”為1.21657。

驗證波形圖如下所示：

5.2方波的工作過程及波形驗證

準備就緒以后，點【連續運行】，此時【開關】為“開”的狀態，否則沒有任何波形的輸出。程序正常運行后，轉動“頻率”、“幅值”等參數的旋鈕，此時會發現顯示的波形也隨著改變。

例如：旋轉“頻率”值為3.7Hz，“幅值”為4.8356，“偏移量”為3.42139，“初始相位”為3.94333，“占空比”為50.6057。

驗證波形圖如下所示：

5.3三角波的工作過程及波形驗證

確定程序無誤后，點【連續運行】，此時【開關】為“開”的狀態，否則沒有任何波形的輸出。程序正常運行后，轉動“頻率”、“幅值”等參數的旋鈕，此時會發現顯示的波形也隨著改變。

例如：旋轉“頻率”值為6.4Hz，“幅值”為7.83158，“偏移量”為2.40441，“初始相位”為2.90392。

驗證波形圖如下所示：

5.4鋸齒波的工作過程及波形驗證

設計完成并確定沒錯以后，點【連續運行】，此時【開關】為“開”的狀態，否則沒有任何波形的輸出。程序正常運行后，轉動“頻率”、“幅值”等參數的旋鈕，此時會發現顯示的波形也隨著改變。

例如：旋轉“頻率”值為8.9Hz，“幅值”為3.10417，“偏移量”為1.83658，“初始相位”為2.44846。

驗證波形圖如下所示：

6 主要元器件介紹

6.1 模擬示波器

示波器由顯示電路顯示電路、垂直（Y軸）放大電路、水平（X軸）放大電路和電源供給電路共同組成。顯示電路包括偏轉系統和熒光屏。

由示波管的原理可知，一個直流電壓加到一對偏轉板上時，將使光點在熒光屏上產生一個固定位移，該位移的大小與所加直流電壓成正比。如果分別將兩個直流電壓同時加到垂直和水平兩對偏轉板上，則熒光屏上的光點位置就由兩個方向的位移所共同決定。

如果將一個正交流電壓弦加到一對偏轉板上時，光點在熒光屏上將隨電壓的變化而移動。這光點距離坐標原點的瞬時偏轉值將與加在垂直偏轉板上的電壓瞬時值成正比。如果加在垂直偏轉板上的交流電壓頻率10Hz～20Hz以上，則由于熒光屏的余輝現象和人眼的視覺暫留現象，在熒光屏上看到的就不是一個上下移動的點，而是一根垂直的亮線了。該亮線的長短在示波器的垂直放大增益一定的情況下決定于正弦交流電壓峰一峰值的大小。如果在水平偏轉板上加一個正弦交流電壓，則會產生相類似的情況，只是光點在水平軸上移動罷了。如果將被測信號電壓加到垂直偏轉板上，鋸齒波掃描電壓加到水平偏轉板上，而且被測信號電壓的頻率等于鋸齒波掃描電壓的頻率，則熒光屏上將顯示出一個周期的被測信號電壓隨時間變化的波形曲線。

　　為使熒光屏上的圖形穩定，被測信號電壓的頻率應與鋸齒波電壓的頻率保持整數比的關系，即同步關系。為了實現這一點，就要求鋸齒波電壓的頻率連續可調，以便適應觀察各種不同頻率的周期信號。其次，由于被測信號頻率和鋸齒波振蕩信號頻率的相對不穩定性，即使把鋸齒波電壓的頻率臨時調到與被測信號頻率成整倍數關系，也不能使圖形一直保持穩定。因此，示波器中都設有同步裝置。也就是在鋸齒波電路的某部分加上一個同步信號來促使掃描的同步，對于只能產生連續掃描（即產生周而復始連續不斷的鋸齒波）一種狀態的簡易示波器（如國產SB-10型示波器等）而言，需要在其掃描電路上輸入一個與被觀察信號頻率相關的同步信號，當所加同步信號的頻率接近鋸齒波頻率的自主振蕩頻率（或接近其整數倍）時，就可以把鋸齒波頻率“拖入同步”或“鎖住”。對于具有等待掃描（即平時不產生鋸齒波，當被測信號來到時才產生一個鋸齒波進行一次掃描）功能的示波器（如國產ST-16型示波器、SBT-5型同步示波器、SR-8型雙蹤示波器等等）而言，需要在其掃描電路上輸入一個與被測信號相關的觸發信號，使掃描過程與被測信號密切配合。這樣，只要按照需要來選擇適當的同步信號或觸發信號，便可使任何欲研究的過程與鋸齒波掃描頻率保持同步。

 6.2  NI-DAQ采集卡

可利用編程語言驅動程序函數，從而驅動數據采集卡，設計者只需正確設置輸入參數，就可實現數據采集的任務，而不需要編寫代碼程序。一個典型的數據采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數字I/O、計數器/定時器等，這些功能分別由相應的單元電路來實現。

模擬輸入是采集卡最基本的功能。它一般由多路開關、放大器、采集/保持電路，以及A/D轉換器來實現，通過這些部分，一個模擬信號就可以轉化為數字信號。A/D轉換器的性能和參數直接影響著模擬輸入的質量，要根據實際需要的精度來來選擇合適的A/D轉換器。模擬輸出通常是為系統提供輸出或控制信號。數模轉換器的建立時間、轉換率、分辨率等因素都會影響模擬輸出信號。建立時間和轉換率決定了輸出信號幅值改變的快慢。建立時間短、轉換率高的D/A轉換器可以提供一個較高頻率的信號。應該實際需要選擇D/A轉換器的參數指標。

數據采集(DAQ)是通過DAQ卡采集數據和輸出數據。通常一塊DAQ卡能實現多種功能，其中包括模數轉換(A/D)、數模轉換(D/A)、數字輸入輸出(DI/O)和計算器/定時器功能。

小結

 

這一次虛擬儀器的課程設計的時間比較短，就一周時間。于是同學們都緊鑼密鼓的張羅怎樣讓自己的作品做得更好，功能更多，前面板更具有創意。于是同學們都積極思考、相互交流。因此，時間就過得很快，也很有意義。

當然過程中遇到困難時不可避免的，要想做成一個讓人滿意的作品必須對程序框圖中的程序反復測試和修改。由于老師為了培養我們獨立解決問題的能力，因此一般不參與設計。在同學的幫助下，最后終于把問題都解決了。有時侯我們也會遇到自己確實不能解決的問題，老師還是會提出解決問題的建議，或是指點應該改進的方向。

課程設計是對所學知識的綜合理解與應用，它不僅要求我們對Labview軟件特別熟悉，而且還要求我們能夠熟練運用各個【編程】中的各種函數結構。通過設計函數信號發生器，讓我懂得發現問題，分析問題，并解決問題可以提高自己的能力。同時通過分析解決問題，加深對所學知識的理解與掌握。通過這次課程設計我學到了很多書本上永遠都學不到得東西，

在課設期間我幾乎每天都去實驗室認真思考更好的辦法，將自己的想法通過程序框圖，并在前面板上面顯示出來。很多時候我堅持認為自己的想法沒有問題，但就是怎么也不能達到預期的結果。甚至我還懷疑是不是機器出了什么問題。當經過很多次的修改、重新運行，終于成功的那一刻，內心的成就感和自豪感是那么的強烈。

經過這次課程設計，虛擬儀器的強大作用和它巨大的發展潛力讓我很振奮。原來人類的技術進步得那么快，為了讓損失最小，通過這種特殊的軟件來創造出更好的作品。對該信號發生器所產生的信號進行測試，結果表明該信號源輸出正弦信號性能優于普通傳統信號源產生的信號。虛擬儀器不是計算機功能簡單的擴展，也不單純是傳統智能儀器的替代品，虛擬儀器有著廣闊的發展前景。同時這次課設的主要目的就是讓我們通過不斷的練習，并利用它來解決實際的問題。實踐是檢驗真理的最佳途徑。通過這周的課設和學習，我知道了自己的不足。

本次的課程設計雖然結束了，但是努力學習并沒有結束。我也收獲了很多，也學會了團隊精神的重要性，個人的能力是有限的，團結才能有力量，我們都盡自己所能來完成這次課程設計。這是對我們所學的課本知識的測驗，也是對是否能快速吸收新的知識的一種考驗。通過這次課設，我的知識面又得到了擴展。

您好，看了您的帖子受益匪淺，作為一個初學者，我在學習過程中有兩個控件找不到（用的是8.5版本），并以圖片形式發送過去，希望您能幫助解決。謝謝

占座留個記號，不知加了采集卡后的實際效果如何？