基于LabVIEW的虚拟信号发生器Word格式文档下载.docx
- 文档编号:16329346
- 上传时间:2022-11-22
- 格式:DOCX
- 页数:23
- 大小:704.65KB
基于LabVIEW的虚拟信号发生器Word格式文档下载.docx
《基于LabVIEW的虚拟信号发生器Word格式文档下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于LabVIEW的虚拟信号发生器Word格式文档下载.docx(23页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
还可以通过网络发布,然后客户端可以远程查看和控制虚拟信号发生器。
论文的主要工作是结合虚拟仪器技术,进行任意波形信号发生器的研究与设计。
首先,论文介绍了虚拟仪器技术的基本理论,包括虚拟仪器的概念、构成、分类,以及虚拟仪器与传统仪器的比较。
在此基础之上,介绍了虚拟仪器系统的软件结构,简单阐述了仪器驱动程序、VISA等相关技术。
其次,论文进行了任意波形发生器的软件设计。
制定了系统整体方案,本文利用功能强大的图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW,主要完成对软件系统的设计,采用模块化的设计思想,每个功能的实现由一个模块完成。
其中主要包括模拟信号的生成何数字信号的生成,模拟信号、数字信号的调制,实际加噪信号以及手绘任意波形。
最后对虚拟任意波形发生器进行了系统测试和性能分析,实验结果达到了预先的设计要求。
关键词:
数据采集;
虚拟信号发生器;
信号发生器;
虚拟仪器;
LABVIEW;
正弦波;
三角波
Abstract
Signalgeneratorisavarietyofresearchpracticeoneofthemostimportantinstrument.Mostlybythetraditionalhardware,butitsstructureiscomplicated,maintenanceandoperationalisnotgood.Withmoderntechnology,thedesignofthesignalgenerator,therearemanytypes,pricesvarywidely,performance,becomemoreperfect.ThemostimportantfeatureofLabVIEWprogrammingisafool,inordertoengineerfromthetediousprogrammingfreed,LabVIEWimplementsmodulartestinstruments,makingthetestmoreflexibleconfiguration,thedesigndevelopedbyNationalInstrumentsvirtualinstrumentationbasedonvirtualsignalgenerator,andtraditionalinstrumentscomparedtothepricecomparedtocheap,simple,practicalwiderangeofsimpledesignandsoon.TheactualneedsoftheusercanusetheLabVIEW(agraphicaleditinglanguage)designfeaturesofthevirtualinstrument.Canalsobereleasedthroughthenetwork,thentheclientcanremotelyviewandcontrolavirtualsignalgenerator.Themainworkistocombinethevirtualinstrumenttechnology,arbitrarywaveformsignalgeneratorofresearchanddesign.
First,thepaperintroducesthebasictheoryofvirtualinstrumenttechnology,includingvirtualinstrumentconcept,composition,classification,andvirtualinstrumentscomparedwithtraditionalinstruments.Onthisbasis,virtualinstrumentsystemsoftwarearchitecture,describesasimpleinstrumentdrivers,VISAandotherrelatedtechnologies.Secondly,thepaperwasarbitrarywaveformgeneratorsoftwaredesign.Whichmainlyincludetheformationofanyanalogsignaldigitalsignalgeneration,analog,digitalsignalmodulation,theactualsignalplusnoise,andhand-paintedarbitrary.Finally,avirtualarbitrarywaveformgeneratorsystemtestingandperformanceanalysisresultstothepre-designrequirements.
Keywords:
DataacquisitioncardNI8006;
VirtualSignalGenerator;
SignalGenerator;
VirtualInstrument;
LabVIEW;
SineWave;
TriangleWave
前言
作为工业产品特别是电力、电子产品的研制和生产领域中最重要的测试设备之一,信号发生器的发展历史可以追溯到上世纪40年代。
1943年惠普为海军研究实验室开发了第一台波形发生器,从而使得人们在测试设备时可以利用可控的信号源进行比较完善和安全的测试和测量。
在随后的二十年间,波形发生器一直随着电子技术、计算机技术的发展而发展几乎成为这些技术发展的一个缩影。
从技术上看,波形发生器经历了由模拟式波形发生器、数字式波形发生器到虚拟波形发生器的发展过程。
第一章绪论
第一节选题的目的和意义
以往工业现场的各种数据都是采用人工读数和记录,一直停留在手工和数字仪表的水平,无法做到对大量的实验数据的实时采集和分析。
随着计算机技术的发展,结合高精度、高性能的数据采集仪器的应用,是的多路数据采集实现了自动化,大量的数据采集和分析由计算机自动完成,提高了测量精度。
而计算机已经与仪器结合得非常紧密,已成为整个系统的核心,许多传统仪器正在逐渐被计算机部分、甚至全部取代。
把各种传感器与计算机连接起来,首先需要有一个硬件接口电路把仪表输出的信号变成能够被计算机识别的数字信号,其次是要有软件来管理。
通过软件、计算机、采集卡、接口硬件和传感器组成的系统叫仪器系统(也是数据采集系统)。
LabVIEW就是计算机处理分析系统软件之一。
在PC机为基础测量和工控软件中,LabVIEW的市场普及率仅次于C++语音。
LabVIEW开发环境具有一系列优点,从流程式的编程、不需预先编译就存在语法检查、调试过程使用的数据探针,到其丰富的函数功能、数值分析、信号处理和设备驱动等功能,都比其他工具强大。
LabVIEW是一种图形化的编程语言,它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
数据采集(DataAcquisition)是所有测试测量的首要工作,实验测试产生的物理信号通过传感器转换为电压或者电流一类的电信号,然后通过数据采集卡将电信号采集传入PC机,借助软件控制数据采集卡进行数据分析、处理。
LabVIEW以其简便的程序编写、不同数据采集卡的支持、强大的数据处理、有好的人机界面使其成为控制、开发数据采集卡的最佳软件。
随着时代的发展,利用LabVIEW进行数据采集面临着越来越新的任务和要求,讲虚拟仪器引入到数据采集领域成为当今书记数据采集的重要方法和手段。
与传统数据采集相比,利用LabVIEW进行数据采集的意义在于:
(1)打破了传统数据采集“线缆密布”的形象,大大简化了测试系统的复杂程度,简化了现场的布置,节省了物力、人力。
(2)强调“软件就是仪器”。
通过基于虚拟仪器的数据采集环境,同样能够“身临其境”地观察数据采集过程和进行“实际”操作。
(3)LabVIEW图形化编程方式简明快捷,易学易用,可节省大量的学习程序设计及进行程序开发的时间,尤其适合从事科研、开发的科学工作者、工程技术人员。
第二节国外的研究现状
虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代,那计算机测控系统在国防、航天的领域已经有了相当的发展。
PC出现以后,仪器的计算机化成为可能,甚至在微软公司的Windows
诞生之前,美国国家仪器公司已经在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。
自20世纪90年代以来,在计算机技术的推动下,以虚拟仪器为标志的通用化、智能化和网络化测量仪器及测试系统得到了迅猛发展,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,在许多方面已经突破了传统仪器的概念,电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。
虚拟仪器利用现有的计算机,加上特殊的仪器硬件和专用软件,形成既有普通仪器的基本功能,又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。
虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命,代表作仪器发展的最新方向和潮流,对科学技术的发展和工业生产的进步产生了不可估量的影响。
现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高,而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。
与传统仪器相比,虚拟仪器则可以在脚底的成本下较好的实现这些要求,这正是虚拟仪器相对于传统仪器巨大的优势所在。
依靠其自身的优势虚拟仪器在仪器市场的竞争力不断增强。
许多大型仪器公司均在虚拟仪器市场上占有一席之地。
1988年国际上开始有虚拟仪器产品面市,当时只有五家制造商推出的30中产品。
此后,虚拟仪器产品每年成倍增加,到1994年底,虚拟仪器制造厂已达95家,共生产100多种虚拟仪器产品,销售额达2.93亿美元,占整个仪器销售额73亿的4%。
目前,我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期,对仪器设备的需求讲更加强劲。
虚拟仪器赖以生存的PC计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国,这为虚拟仪器的发展奠定了基础,虚拟仪器作为串通仪器的替代品,市场容量巨大。
虚拟仪器在仪器中所占地位越来越高也是与虚拟仪器性能的飞速提高分不开的。
虚拟仪器经历了由模拟仪器、袋IEEE488接口的智能仪器到全部编程的发展历程,其中每一次飞跃无不以高性能计算机的发展为动力。
近年来,计算机的处理能力提高很快,发展的速度已经远远的把传统仪器抛在了后面,高分辨率的图形显示与几百千兆的硬盘也已经成为了标准配置。
同时,计算机生产厂商之间的激烈竞争保证了计算机在显示、存储能力与处理性能等方面仍将高速发展。
由于计算机技术、特别是计算机总线标准的发展导致VI在PXI和VXI两个领域中得到了快速的发展,它们将成为未来仪器行业的两大主流产品。
具有上GHz采样率,高达24bits精度的DAQ版已经面世。
A/D转换技术、仪器放大器、抗混叠滤波器与信号调理技术的进一步发展是DAQ版成为最具有吸引力的VI选件之一。
模块化的Delta-sigmaA/D转换器的仪器放大器可在3us内完成12bits精度下的参数设置,抗混叠滤波器可按1/6倍频程衰减90dB,多通道、完全可编程的信号调理等性能与功能指标仅仅是DAQ版先进技术性能中的几个例子。
虚拟仪器技术经过十余年的发展,正沿着总线与驱动程序的标准化、软件的模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用等方向发展。
虚拟仪器系统作为本世纪内电子测量仪器发展过程中出现的最新高峰,有着极其广阔的发展前景。
它的出现为国家各个行业科研的发展提供了更新式的测试手段,它所具有的得天独厚的优势,是目前任何仪器都不能替代的。
我们有理由相信,随着我过科技水平的不断提高,虚拟仪器必将仪器卓越的性能在我国测试行业及高等工科院校实验室教学及科研中得到更为广泛的应用。
第三节虚拟仪器概述
一、虚拟仪器与传统仪器的比较
与传统仪器相比,虚拟仪器有以下一些特点:
(1)软件是核心
仪器驱动软件的功能是实现与仪器硬件的接口和通信,应用软件则完成用户定义
的测试和仪器功能,并提供人机交互界面。
Nl公司提出的“软件即仪器”是这一特点的形象概括。
(2)灵活性和可扩展性
仪器用户可以根据自己不断变化的需求,方便灵活的重组系统,系统的扩展、升级随时
进行,而且系统更新的周期短、见效快,能充分满足用户在不同场合的应用需求。
(3)性价比高
虚拟仪器可以将在传统仪器中由硬件完成的功能转为软件实现,减少了自动测试系统的
硬件环节,降低了系统的开发成本和维护成本。
虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的
测量,信号传输大部分采用数字信号的形式,数据处理也主要依赖软件来实现,大大降低了
环境干扰和系统误差的影响。
用户可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能,实现一机多用。
因此,使用虚拟仪器比传统仪器更经济。
(4)良好的人机界面
虚拟仪器的操控界面是采用图形化编程技术实现的一种虚拟面板或称为软面板。
可以模
拟传统仪器面板的设计风格来设计,也可以由用户根据实际需要定制设计。
测量结果可以通
过计算机屏幕以曲线、图形、数据表格等形式显示。
二、虚拟仪器系统的构成
虚拟仪器由硬件和软件两大部分构成。
虚拟仪器硬件通常包括通用计算机和外围硬件设
备。
通用计算机可以是笔记本电脑、台式PC机或工作站等。
外围硬件设备可以选择GPIB
系统、VXI系统、USB系统、数据采集系统或其他系统,也可以选择两种以上系统构成的
混合系统。
其中,最简单、最廉价的形式是采用基于ISA或PCI总线的数据采集卡,或是基
于RS-232或USB总线的便携式数据采集模块。
虚拟仪器的软件包括操作系统、仪器驱动程
序和应用软件三个层次。
操作系统可以选择Windowsgx/NT/2000/XP、Linux等。
虚拟仪器驱动程序软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序,应用软件通过仪器驱动器实现与外围硬件模块的通信连接。
应用软件包括实现仪器功能的软件程序和实现虚拟面板的软件程序。
用户通过虚拟面板与虚拟仪器进行交互。
第三节课题研究目标
本课题研究的是虚拟任意波形发生器,它在硬件平台支持下,在通用计算机平台通过软件实现仪器数据分析处理、人机交互和显示等几部分功能模块,既具有虚拟仪器成本低,功能多,灵活性强,人机界面好等特点。
在功能上,虚拟波形发生器能够产生各种常规信号波形,如:
正弦波,三角波,锯齿波,方波等,其中方波的占空比可以调节,也可以产生用户用鼠标绘制的任意波形信号,另外还可以产生噪声信号以及各种模拟、数字调制信号。
本论文研究的主要工作:
1研究设计任意波形发生器的上位机操作界面,完成操作界面运行程序和标准波形、手绘任意波形、数字信号以及各种信号的处理调制程序的设计2.设计实现上位机与任意波形发生器硬件模块的数据传输USB接口的驱动程序。
分为五章
第一章为绪论,简单介绍本文的目的和研究的意义以及虚拟仪器的发展,各种类型等。
第二章详细介绍基于LabVIEW的虚拟任意波形发生器软件结构。
第三章介绍硬件平台的搭建与实现。
第四章设计虚拟任意波形发生器及数据的采集;
第五章分析调试结果,结束语部分对本文的研究内容进行了总结,并指出了进一步的研究方
向。
第二章虚拟信号发生器的基本原理
第一节信号发生器的基本原理
信号发生可以通过多种方式,使用波形发生器创建波形。
选择的方法取决于提供的与
DUT有关的信息及其输入要求;
是否需要增加失真或错误信号及其它变量。
现代高性能波
形发生器为开发波形至少提供了三种方式:
创建:
全新的电路激励和测试信号;
复制:
合成没有提供的实际环境信号(从示波器或逻辑分析仪中捕获);
发生:
理想的或极限测试的参考信号,适用于特定容限的行业标准。
在本文中结合三种标准模拟波形,以及按照用户的意愿绘制的任意
波形。
第二节虚拟信号发生器的基本组成
任意波形发生器(AWG)是一种完善的播放系统,它根据存储的数字数据提供波形,这些数字数据描述了AC信号不断变化的电压电平。
为理解AWG,首先必需掌握数字采样的概念,顾名思义,数字采样是使用样点或数据点定义一个信号,这些样点或数据点沿着波形的斜率表示一串电压测量。
通过使用示波器等仪器实际测量波形,或使用图形或数学技术,可以确定这些样点。
在AWG中,采样的值以二进制形式存储在快速随机存取存储器(RAM中。
通过使用存储的信息,可以读回存储器位置,通过数模转换器(DAC)输入数据点,在任何时间重建信号。
注意AWG的输出电路在样点之间滤波,以连接各个点,创建干净的不间断的波形形状。
DUT不会把这些点“看作”离散的点,而是看作连续的模拟波形。
第三节虚拟信号发生器的工作原理
虚拟任意波形发生器包括硬件和软件两部分。
硬件通常包括通用计算机和外围硬件设备。
通用计算机可以是笔记本电脑、台式计算机或工作站等。
外围设备可以选择GPIB系统、VXI系统、PXI系统、数据采集系统或其他系统,也可以选择有两种或两种以上系统构成的混合系统;
软件包括操作系统、任意波形发生器驱动器和应用软件三个层次。
操作系统可以选择WindowsgX/NT/2000XP、SUNOS、Linux等。
虚拟任意波形发生器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。
波形发生器驱动与通信接口及开发环境相联系,是虚拟波形发生器的核心,可帮助用户完成对波形发生器硬件的控制。
目前流行的虚拟仪器开发软件不但提供世界各地主要厂家生产的多种仪器驱动程序,而且提供重要的模块化代码,可以很方便地进行波形发生器驱动程序的开发设计。
应用软件通过波形发生器驱动器实现与外围硬件模块的通信连接。
应用软件指实现波形发生器功能和软面板的软件程序。
利用计算机强大的计算能力和虚拟波形发生器开发软件功能强大的函数库极大地提高了虚拟仪器的数据分析处理能力。
软面板是用户与波形发生器之间交流信息的纽带。
虚拟波形发生器在工作时利用前面板去控制系统。
与传统任意波形发生器物理面板相比,虚拟波形发生器软面板最大的特点就是用户可自定义软面板,用户可根据自己的需要来组成不同的虚拟波形发生器控制面板。
第三章数据采集硬件平台的设计
第一节数据采集理论基础
一、什么是数据采集
数据采集,又称数据获取,是利用一种装置,从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。
从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。
数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。
数据采集技术广泛引用在各个领域。
比如摄像头、麦克风都是数据采集工具。
本论文利用NI公司USB-6008作为数据采集器,将所需的信号采集到计算机中,利用LabVIEW软件对数据进行运算和处理。
被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量,如温度、水位、风速、压力等,可以是模拟量,也可以是数字量。
采集一般是采样方式,即隔一定时间(称采样周期)对同一点数据重复采集。
采集的数据大多是瞬时值,也可是某段时间内的一个特征值。
准确数据量测是数据采集的基础。
数据量测方法有接触式和非接触式,检测元件多种多样。
不论哪种方法和元件,均以不影响被测对象状态和测量环境为前提,以保证数据的正确性。
数据采集含义很广,包抱对面状连续物理量的采集。
在计算机辅助制图、测图、设计中,对图形或图像数字化过程也可称为数据采集,此时被采集的是几何量(或包括物理量,如灰度)数据。
二、数据采集的目的
数据采集的目的是为了测量电压、电流、温度、压力或声音等物理现象。
基于PC的数据采集,通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合,进行测量。
尽管数据采集系统根据不同的应用需求有不同的定义,但各个系统采集、分析和显示信息的目的却都相同。
数据采集系统整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件。
在计算机广泛应用的今天,数据采集的重要性是十分显著的。
它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。
各种类型信号采集的难易程度差别很大。
实际采集时,噪声也可能带来一些麻烦。
数据采集时,有一些基本原理要注意,还有更多的实际的问题要解决。
在互联网行业快速发展的今天,数据采集已经被广泛互联网及分布式领域,数据采集领域已经发生了重要的变化。
首先,分布式控制应用场合中的智能数据采集系统在国内外已经取得了长足的发展。
其次,总线兼容型数据采集插件的数量不断增大,与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。
国内外各种数据采集机先后问世,将数据采集带入了一个全新的时代。
在NI公司的产品中,大多数采集卡都可以运用LabVIEW中的数据采集助手(DAQ)进行数据的采集,数据采集助手是采集卡和计算机软件LabVIEW之间的驱动,利用数据采集助手可以方便的使采集卡和计算机之间进行通信,全部运用图形操作,无需编程,相比于其它数据采集卡,为课题的研究节省了大量的时间。
本论文采用NI公司的USB-6008数据采集卡,此采集卡也自带了数据采集驱动程。
第二节数据采集卡结构
一、采集卡外观
NIUSB-6008可提供8个模拟输入(AI)通道、2个模拟输出(AO)通道、12个数字输入/输出(DIO)通道以及一个带全速USB接口的32位计数器。
NIUSB-6008外观如图3.1所示
图3.1数据采集卡外观
二、采集卡功能
NIUSB-6008数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字1/0、计数器/计时器。
这些功能分别由相应的电路来实现。
(一)模拟输入
模拟输入是采集最基本的功能。
它一般由多路开关(MUX)、放大器、采样保持电路以及A/D来实现,通过这些部分,一个模拟信号就可以转化为数字信号。
A/D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量,要根据实际需要的精度来选择合适的A/D。
(二)模拟输出
模拟输出通常是为采集系统提供激励。
输出信号受数模转换器(D/A)的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。
建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。
建立时间短、转换率高的D/A可以提供一个较高频率的信号。
如果用D/A的输出信号去驱动一个加热器,就不需要使用速度很快的D/A,因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化。
应该根据实际需要选择D/A的参数指标。
(三)数字1/0
数字1/0
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 LabVIEW 虚拟 信号发生器