基于虚拟仪器的信号发生器设计设计.doc

1、 摘 要传统的信号发生器其功能完全靠硬件实现，功能单一而且用户的购置、维护费用高。更重要的是，对于传统的信号发生器，其功能一旦确定便不能更改，用户要想使用新的功能则必须重新购买新的仪器，传统信号发生器的不足是显而易见的。虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成的一种新的仪器模式。本课题完成了“虚拟信号发生器”的理论研究，在很大程度上解决了传统信号发生器的诸多弊端。本文主要研究虚拟仪器在信号发生器领域里的软件编程。本虚拟仪器可完成输出多种信号波形的同时产生与输出，信号输出频率、幅度等参数实时

2、可调。本文研究的虚拟信号发生器主要具有如下优点：用户可自由定义其功能；系统功能升级扩充方便快捷、可与电脑等设备方便的互联。关键词: 虚拟仪器 , 信号发生器 , 虚拟信号发生器 , LabVIEW AbstractThe functions of traditional signal generators are carried out solely on hardware, and at the same time the functions of traditional signal generators are singleness and costly for purchasing a

3、nd maintaining, What is more important is that the functions of traditional signal generators can not be altered once they are fixed. Users must get new ones so long as they want new functions. Thus, the defects of traditional signal generators are obvious. Virtual instrument is formed by the instru

4、ment technology, computer technology, bus technology and software technology. Powerful digital processings ability of computer is used to achieve the main functions of instrument. Virtual instrument broke the framework of the traditional instruments, and built a new device model. This dissertation h

5、as accomplished the theoretical research, and made up the various shortcomings of traditional signal generators to great degree. This virtual signal generator can achieve the input and output of multi signals, and such parameters as signal output frequency and amplitude can be adjusted timely. The a

6、dvantages of this virtual signal generator include the following: low cost of hardware, user custom functions, convenience of the upgrading and enlargement of systematic functions, and connectable with computers.Keywords: Virtual Instrument , Signal Generator , Virtual Signal Generator , Labview目 录摘

7、 要IAbstractII第1章 绪论11.1研究背景及动态11.2本项目的研究意义及本文主要研究内容21.2.1本项目的研究意义21.2.2本文的主要研究内容2第2章 虚拟仪器和Labview简介42.1虚拟仪器的产生背景42.2虚拟仪器的概念52.3 虚拟仪器的分类52.4虚拟仪器系统的构成62.4.1虚拟仪器系统的硬件构成72.4.2虚拟仪器系统的软件构成72.5虚拟仪器的优势82.6 虚拟仪器的发展方向92.7图形化虚拟仪器开发平台LABVIEW 简介92.8 本章小结12第3章 信号发生器133.1信号发生器概述133.2 信号发生器的分类.143.2.1正弦信号发生器143.2.2

8、函数发生器153.2.3脉冲信号发生器153.2.4 随机信号发生器.153.3本章小结16第4章 基于虚拟仪器的信号发生器的设计174.1虚拟仪器的简单应用174.1.1 创建虚拟仪器174.1.2 为前面板添加控件194.1.3 修改信号224.1.4 本节小结244.2虚拟仪器实现多功能信号发生器244.2.1“信号发生器1”的设计254.2.2“信号发生器2”的设计294.2.3“信号发生器3”的设计314.2.4 本节小结334.3 本章小结34结 论35参考文献36谢 辞37第1章 绪论在有关电参量的测量中，我们需要用到信号源，而信号发生器则为我们提供了在测量中所需的信号源，它可以

9、产生不同频率的正弦信号、方波、三角波、锯齿波、正负脉冲信号、调幅信号、调频信号和随机信号等，其输出信号的幅值也可以按需要进行调节。传统信号发生器种类繁多，价格昂贵，而且仪器功能固定单一，不具备用户对仪器进行定义及编程的功能，一个传统实验室很难同时拥有多类信号发生器，然而，基于虚拟仪器技术的信号发生器则能够实现这一要求。随着计算机技术的迅猛发展，虚拟仪器技术在数据采集、自动测试和仪器控制领域得到了广泛的应用，促进和推动测试系统和仪器控制的设计方法与实现技术发生了深刻的变化。“软件即是仪器”已成为测试与测量技术发展的重要标志。虚拟信号发生器就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的LabVIEW软

10、件来完成各种测试、测量和自动化应用。本课题介绍了基于LabVIEW的虚拟信号发生器的研究背景和发展动态,了解虚拟仪器的特点、现状和实现方法，探索虚拟仪器的发展方向，在LABVIEW平台中设计了多功能信号发生器，该发生器可以产生方波，三角波，锯齿波和正弦波。信号的频率、幅值可调，同时可以实现任意两种信号的叠加。在设计基本信号发生器之余，还添加了卷积和相关控件，用于实现两个信号的卷积。其中卷积和相关控件可以实现信号的卷积、反卷积、自相关、互相关。1.1研究背景及动态随着计算机、通信、微电子技术的日益完善，以及以Internet为代表的计算机网络时代的到来和信息化要求的不断提高，传统的通信方式突破了

11、时空限制和地域限制，大范围通信变得越来越容易，对测控系统的组建也产生了越来越大的影响。一个大的复杂测试系统的输入、输出、结果分析往往分布在不同的地理位置，仅用一台计算机并不能胜任测试任务，需要由分布在不同地理位置的若干计算机共同完成整个测试任务。集成测试越来越不能满足复杂测试任务的需要，因此，“网络化仪器”的出现成为必然。网络技术应用到虚拟信号发生器中是虚拟仪器发展的大趋势。同传统的编程语言相比，采用LabVIEW图形化编程方式可以节省大约80%的程序开发时间，并且其运行速度几乎不受影响，其一般特征是将虚拟信号发生器、外部设备、被测点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。使

12、用网络化虚拟信号发生器，可在任何地点、任意时刻获取测量数据。和以PC为核心的虚拟信号发生器相比，网络化将虚拟仪器的发展产生一次革命，网络化虚拟仪器将把单台虚拟仪器实现的三大功能（数据采集、数据分析、及图形化显示）分开处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的三大功能，以网线相连接，实现信息资源的共享。“网络就是仪器”概念的确立，使人们明确了今后仪器仪表的研发战略，促进并加速了现代测量技术手段的发展与更新。1.2本项目的研究意义及本文主要研究内容1.2.1本项目的研究意义本项目中的虚拟信号发生器是通过LabVIEW图形化语言，将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算

13、处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在仪器，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过LabVIEW实现对数据的显示、存储以及分析处理。因为虚拟信号发生器可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联，用户只需改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它的测量功能。这就是说，仪器的设计制造不再是厂家的专利。虚拟信号发生器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代，这将给虚拟信号发生器使用者带来无尽的利益。Labview作为一个图形化编程软件，是开发测试系统的一种功能强大、方便快捷的编程工具。其良好的相通性、开放性、专用性，使测试系统的开发周期短、成本低、质量高。基于Labview的虚拟函数信号发生器具有

14、人机交互性好、易于操作等特点，能够广泛的应用与于科研、生产等领域。1.2.2本文的主要研究内容本文第二章主要介绍了虚拟仪器的概念、产生发展背景、分类、系统组成、优势及发展现状，阐述与本论文编程有关的虚拟仪器在信号处理中的应用。第三章主要讲述信号发生器的概述，阐述信号发生器的原理及分类，各种信号发生器的优缺点。第四章分两个部分，在第一部分虚拟仪器的简单应用中，通过实现简单的正弦信号发生器，熟悉Labview软件及labview相应的工具箱的使用，第二部分是全文的重点，设计了多功能信号发生器，该发生器可以产生方波，三角波，锯齿波和正弦波。信号的频率、幅值可调，同时可以实现任意两种信号的叠加。在设计

15、信号发生器之余，还添加了卷积和相关控件，用于实现两个信号的卷积。其中卷积和相关控件可以实现信号的卷积、反卷积、自相关、互相关。第2章 虚拟仪器和Labview简介2.1虚拟仪器的产生背景当今我们处于一个正在高度发展的信息社会，要求在有限的时空上实现大量信息的交换，必然带来信息密度的急剧增大，要求电子系统对于信息的处理速度越来越高，功能越来越强，这使得系统结构日趋复杂。对体积、耗电和价格的要求使得系统及IC的集成度越来越高，同时激烈的市场竞争使得产品价格及研制生产周期缩短，传统的测试仪器已经越来越不能满足时代的要求，主要表现在以下几个方面：1、要求测试仪器不仅能单独测量某个电量，而且测试仪器之间

16、必须具备控制通道和数据交换通道，以便完成对各个被测量同时进行自动分析、信息综合及准确判断，传统的测试仪器在这方面受到极大的限制。2、微处理器和DSP技术的飞速发展及它们价格的不断降低，改变了传统的电子设计概念，原来许多由硬件完成的功能现在逐步由运行在微处理器和DSP芯片上的软件来完成，这样给产品带来了巨大的好处：自动化、程序高、可靠性高、价格低、容易升级、系统具有宽适应范围的柔性结构、可维护性好等等。硬件软化的设计方法对当今测试仪器的设计产生了深刻的影响。3、良好的人机界面的要求促进了传统测试仪器的改造。对于越来越复杂的被测系统，如果仍然使用传统的测试仪器必然会需要众多的仪器设备，面对各个生产

17、厂家的不同设备，使用者需要学习不同设备的使用方法后方可使用。这样的测试仪器不仅使用效率及利用效率都很低，而且硬件存在巨大的冗余。4、微计算机的广泛使用，给基于微计算机的测试仪器提供了巨大的市场，人们在使用计算机及测试仪器时越来越明显的感觉到测试仪器的许多功能不仅可以由已有的计算机来完成，而且需要增加某种测试功能时，只增加少量的模块化功能硬件即可，同时基于微计算机的测试仪器具有更多的优点。可见，一方面电子技术及市场的发展从客观上要求测试仪器向自动化及柔性化的方向发展，另一方面，电子技术及市场的发展也给虚拟仪器的产生提供了可能。在这种形式下，基于微计算机的虚拟仪器逐步变得现实，它的出现和广泛使用为

18、测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且使工程师们在测量和控制方面得到强大功能和灵活性。2.2虚拟仪器的概念虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)的概念是由美国国家仪器公司(NI)在20世纪80年代最早提出的。虚拟仪器就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其核心的思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测试系统到以软件为中心的测试系统的根本性转变。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最

19、新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响。虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器可广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。2.3 虚拟仪器的分类虚拟仪器随着计算机的发展和采用总线方式的不同，一般可分为五种类型。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。美国NI公

20、司的LABVIEW是图形化编程工具，它可以通过各种控件自己组建各种仪器。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, LABVIEW/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

21、，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、GPIB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B

22、PIB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

23、广泛的应用。经过多年的发展，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3-4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

24、结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。2.4虚拟仪器系统的构成虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。2.4.1虚拟仪器系统的硬件构成虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算

25、机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。2.4.2虚拟仪器系统的软件构成测试软件是虚拟仪器的主心骨。NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置。NI公司从一开始就推出丰富而又简洁的

26、虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部分。1、仪器面板控制软件仪器面板控制软件即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。利用计算机强大的图形化编程环境，使用可视化的技术，从控制模块上选择你所需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。2、数据分析处理软件利用计算机强大

27、的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库可以极大提高虚拟仪器系统的数据分析处理能力，节省开发时间。3、仪器驱动软件虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动器与通信接口及使用开发环境相联系，它提供一种高级的、抽象的仪器映像，它还能提供特定的使用开发环境信息。仪器驱动器是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。虚拟仪器驱动程序的核心是驱动程序函数/VI集，函数/VI是指组成驱动的模块化子程序。驱动程序一般分为两层，底层是仪器的基本操作，如初始化仪器配置仪器输入参数、收发数据、查看仪器状态等。高层是应用函数/VI层，它根据具体测量要求调用底层的函数/VI。4

28、、通用I/O接口软件 在虚拟仪器系统中，I/O接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下的一层，其模块化与标准化越来越重要。VXI总线即插即用联盟，为其制定了标准，提出了自底向上的I/O接口软件模型即VISA。作为通用I/O标准，VISA具有与仪器硬件接口无关性的特点， 即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线的。应用工程师为带GPIB接口仪器所写的软件，也可以于VXI系统或具有RS232接口的设备上，这样不但大大缩短了应用程序的开发周期，而且彻底改变了测试软件开发的方式和手段。2.5虚拟仪器的优势1、性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技

29、术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。2、扩展性强NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。3、开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器 传统仪器与虚拟仪器构成比较仪表和通讯方面的最新技术结合

30、在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。4、无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。2.6 虚拟仪器的发展方向虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易、转换灵活，它

31、已广泛应用于电子测量、声学分析、故障诊断、航天航空、机械工程、建筑工程、铁路交通、生物医疗、教学及科研等诸多方面。随着计算机软硬件技术、通信技术及网络技术的发展，给虚拟仪器的发展提供了广阔的天地，国内外仪器界正看中这个大市场。测控仪器将会向高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、智能化和网络化的方向发展。开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路。虚拟仪器作为教学的新手段，已慢慢地走进了电子技术的课堂和实验室，正逐渐改变着电子技术教学的传统模式，这也是现代教育技术发展的必然。在电工电子实验室的建设中，实验室常规设备有的已经老化，有的技术上有些落后，在当前学校经费较少

32、的情况下，如果配置常规仪器、仪表，学校财力难以支付，也不符合目前学校的实际。而且，随着测试仪器的数字化、计算机化的发展趋势，传统测试仪器渐渐有被取代的趋势。如果运用虚拟仪器技术，以微机为基础，构建集成化测试平台，代替常规仪器、仪表，不但满足电工电子实验教学的需要，而且将这批微机可作为其他有关计算机课程教学用机，大大提高了设备利用率，降低了实验室建设的成本。当前应该解决的是如何使虚拟仪器和现有仪器配合，挖掘现有仪器的潜力，达到逐步淘汰和取代传统仪器的目的。总之，虚拟仪器有很广阔的发展空间，并最终要取代大量的传统仪器成为仪器领域的主流产品，成为测量、分析、控制、自动化仪表的核心。2.7图形化虚拟仪

33、器开发平台LABVIEW 简介LABVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (实验室虚拟仪器集成开发环境)的简称，是由美国国家仪器公司(National instruments, IN)创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析应用开发工具。Labview一种图形化的编程语言，主要用来开发数据采集，仪器控制及数据处理分析等软件，功能强大。目前，该开发软件在国际测试、测控行业比较流行，在国内的测控领域也得到广泛应用。函数信号发生器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。本文将结合一个虚拟函数信号发生器的设计实现具体介绍

34、基于图形化编程语言Labview的虚拟仪器编程方法与实现技术。LABVIEW是基于数据流的编译型图形编程环境，可以在不同操作系统下保持兼容，为数据的采集、分析、显示提供集成的开发工具，而且还可以通过DDE和TCP/TP实现共享，节约了80%的程序开发时间，而速度几乎不受影响。事实上，LABVIEW已经成为图形化编程语言的工业标准。LABVIEW不同于基于文本的的编程语言（如Fortran和C），他是一种图形编程语言-通常称为G语言，其编程过程就是同过图形符号描述程序的运行。NI LABVIEW使用已获取专利的数据流编程模式，他能是用户从基于文本程序语言的循序结构中解脱出来，他的执行循序是由节点

35、间的数据而不是由文本行的循序决定的。并且，LABVIEW是唯一具有编译器的图形化程序环境，所生成的的优化代码的执行速率可以和C语言媲美。 LABVIEW是一种图形化的编程语言和开发环境，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。它为设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，利用它设计者可以象搭积木一样，轻松组建一个测量系统或数据采集系统，并任意构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机程序代码的编写，从而可以大大简化程序的设计。LABVIEW与VC+, Visual Basic, LabWindows/CVI等编程语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序代码，而LABVIEW则是使用图形化程序设

36、计语言G，用对话框代替了传统的程序代码。LABVIEW所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似。用LABVIEW设计的虚拟仪器可以脱离LABVIEW开发环境，最终用户看一见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。LABVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能库和开发工具库。LABVIEW的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VIs(Virtual Instruments) 。在计算机显示屏幕上利用功能库和开发工具库产生一个前面板(front panel )；在后台则利用图形化编程语言编制用于控制前面板的程序。程序的前

37、面板具有与传统仪器类似的界面，可接受用户的鼠标指令。一般来说，每一个VI都可以作为其它VI的调用对象，其功能类似于文本语言的子程序。 LABVIEW是带有可扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了用于GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储的应用程序模块。LABVIEW可调用Windows动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数。LABVIEW的CIN节点使用户可以使用由其它语言，如ANSIC编译的程序模块，使LABVIEW成为一个开放的开发平台。LABVIEW还直接支持动态数据交换(DDE)、结构化查询语言(SQL) , TCP和UDP网络协议等。

38、此外，LABVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，动态执行程序来观察数据的传输过程，以及进行方便的调试。LABVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯诺依曼计算机体系结构的执行方式。传统的计算机语言(如C语言)中的顺序执行结构在LABVIEW中被并行机制所代替：从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式，这种方式确保程序中的节点只有在获得它的全部数据后才能执行。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。LABVIEW程序是数据流驱动的。数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能执行；而

39、目标的输出，只有当它的功能完全时才是有效的。这样，LABVIEW中被连接的对话框之间的数据流控制着程序的执行次序，而不象文本程序受到行顺序执行的约束。从而可以通过相互连接功能对话框快速简洁地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。LABVIEW的核心是VI。VI有一个人机对话的用户界面一前面板(front panel)以及类似于源代码功能的对话框(diagram)。前面板接受来自对话框的指令。在VI的前面板中，控制器(controls)模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的对话框；而指示器(indicators)则模拟了仪器的输出装置并显示由对话框获得或产生的数据。当把一个控件或指示

40、器放置到前面板上时，LABVIEW在对话框中相应地放置了一个端口(terminals)，这个从属于控件或指示器的端口不能随意删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才随之一起被删除。用LABVIEW编制对话框程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。首先，从功能菜单中选择需要的功能方框，将之置于面板上适当的位置；然后用导线(wires)连接各功能方框在对话框中的端口，用来在功能方框之间传输数据。这些方框包括了简单的算术功能，高级的采集和分析VI以及用来存储和检索数据的文件输入输出功能和网络功能。 用LABVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的。可以将之用于顶层(top level)程序，也

41、可用作其它程序或子程序的子程序。一个VI用在其它V工中，称之为sub VI 。 sub VI在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的。LABVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用题目分解为一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合。首先设计sub VI完成每个子任务，然后将之逐步组合成能够解决最终问题的VI 。归纳起来LABVIEW软件开发平台具有以下优点: 1、图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言。2、提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。3、既提供了传统的程序调

42、试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独到的高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。4、32bit的编译器编译生成32bit的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。5、囊括了DAQ, GPIB, PXI, VXI, RS-232/485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。6、提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DLL(动态连接库)、DDE(共享库)、ActiveX等。7、强大的Internet功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。 图形

43、化程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最流行的发展趋势。2.8 本章小结 本章主要讲述了虚拟仪器的基本概念以及虚拟仪器的组成。虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器可广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。最后介绍了Labview这种被广泛应用的虚拟仪器。第3章 信号发生器3.

44、1信号发生器概述信号发生器(signal generator)又称信号源或振荡器，是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号，常用作测试的信号源或激励源的设备。在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。信号发生器是一种悠久的测量仪器，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机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，因此发展速度比较慢。直到1964年才出现第一台全晶体管的信号发生

45、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

46、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。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

47、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正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器、函数发生器和任意波发生器等。再次，按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。一般传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，来获得所需频率。3.2 信号发生器的分类3.2.1正弦信号发生器正弦信号主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按频率覆盖范围分为低频信号发生器、高频信号发生器和微波信号发生器；按输出电平可调节范围和稳定度分为简易信号发生器（即信号源）、标准信号发生器（输出功率能准确地衰减到-100分贝毫瓦以下）和功率信号发生器（输出功率达数十毫瓦以上）；按频率改变的方式分为调谐式信号发生器、扫频式信号发生器、程控式信号发生器和频率合成式信号发生器等。低频信号发生器：包括音频（20020000赫）和视频 （1赫10兆赫）范围的正弦波发生器。主振级一般用RC式振荡器，也可用差频振荡器。为便于测试系统的频率特性，要求输出幅频特性平和波形失真小。高频信号发生器：频率为 100千赫30兆赫的高频、30300兆赫的甚高频信号发生器。一般采用 LC调