基于LabVIEW的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)文檔

      (1）了解函數(shù)信號(hào)產(chǎn)生方法。

      (2）輸出一路占空比可調(diào)的方波信號(hào)，一路函數(shù)信號(hào)（輸出信號(hào)類型可選擇）。

（1）產(chǎn)生的正弦波、三角波、鋸齒波能夠調(diào)節(jié)頻率、幅值、相位；方波能夠調(diào)節(jié)占空比。

（2）在調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上能夠?qū)㈩l率、幅值和相位的值顯示出來。

理解題目以后，我們又回去查閱了很多相關(guān)資料。最后確定了設(shè)計(jì)的總體思路。用Labview軟件設(shè)計(jì)的過程是先進(jìn)行程序框圖的設(shè)計(jì)，然后再設(shè)計(jì)前面板。首先是確定我們需要的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一共可以產(chǎn)生哪些波形，然后是各個(gè)波形怎樣實(shí)現(xiàn)和相互切換。最后是怎樣來控制波形的產(chǎn)生。

從一些資料中受到啟發(fā)，我們需要解決的一共就只有四個(gè)大問題：

<波形選擇>：與我們常用的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器相聯(lián)系，根據(jù)儀器的功能，可以產(chǎn)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(hào)相互切換的功能。因此用case條件結(jié)構(gòu)是最好的選擇。我可以在case結(jié)構(gòu)中添加多個(gè)條件分支，并用特定的數(shù)據(jù)類型表示不同的波形。在case結(jié)構(gòu)中的條件選擇端口加一個(gè)【文本下拉列表】，輸入各個(gè)可以產(chǎn)生的波形（必須與條件分支中的標(biāo)簽一一對(duì)應(yīng)），這樣就可以實(shí)現(xiàn)波形的選擇了。

<信號(hào)產(chǎn)生>：產(chǎn)生各個(gè)波形的方法有很多。比如用公式編寫、有仿真信號(hào)生成、還有函數(shù)生成。但是最簡單的是用【函數(shù)選板】中的【信號(hào)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(shù)值。

<波形控制>：一個(gè)理想的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器必須有一個(gè)開關(guān)，如我們所用到的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一樣。在不需要發(fā)生器的時(shí)候就利用【開關(guān)】來控制信號(hào)的產(chǎn)生與否。因此，只需要在case條件結(jié)構(gòu)的外面再加一個(gè)while循環(huán)結(jié)構(gòu)就可以了。

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

以上就是整個(gè)虛擬函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)思路。

產(chǎn)生波形的方法有很多，可以用【仿真信號(hào)】、【信號(hào)生成】等。我選擇的是【波形生成】，即正弦波形（），它一共有四個(gè)參數(shù)：頻率、幅值、相位、直流偏移量。只要我把四個(gè)參數(shù)都設(shè)置為變量，就能實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)，進(jìn)而產(chǎn)生能滿足不同要求的波形。達(dá)到一個(gè)虛擬儀器的功能。

這只實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)。充分利用它的功能，我改變【選擇器標(biāo)簽】中的數(shù)據(jù)類型，并添加所需要的條件分支。每一個(gè)分支就對(duì)應(yīng)一個(gè)波形。并根據(jù)這個(gè)波形的特點(diǎn)，選擇不同的參數(shù)。同樣，【分支選擇器】的數(shù)據(jù)類型必須與【選擇器標(biāo)簽】中的數(shù)據(jù)類型一致。這樣就可以實(shí)現(xiàn)正弦波。為了使我們所得到的波形的參數(shù)更加準(zhǔn)確，可以再添加一個(gè)顯示控件；這樣，調(diào)節(jié)參數(shù)的同時(shí)，也可以觀測(cè)它的值，看是否達(dá)到要求。

正弦波的設(shè)計(jì)原理圖如下所示：

圖4.1.1  正弦信號(hào)程序框圖

當(dāng)然，“頻率”是有單位的。所以，我用了一個(gè)字符串函數(shù)：【格式化寫入字符串】，根據(jù)要求加入了單位：“Hz”。

接下來，我設(shè)計(jì)的波形是方波。選擇【波形生成】中的方波波形（），它一共有五個(gè)參數(shù)：頻率、幅值、相位、直流偏移量、占空比。其中，占空比尤其重要，不僅要能調(diào)節(jié)，而且要準(zhǔn)確的顯示它的數(shù)值。同樣，把其它四個(gè)參數(shù)都設(shè)置為變量，就能實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)，進(jìn)而能滿足我們的需要。

涉及到的波形切換，用case條件結(jié)構(gòu)，充分利用它的功能，【分支選擇器】的數(shù)據(jù)類型必須與【選擇器標(biāo)簽】中的數(shù)據(jù)類型一致。這樣既可以實(shí)現(xiàn)正弦波，也可以切換到其它的波形。再添加一個(gè)顯示控件，調(diào)節(jié)參數(shù)的同時(shí)，也可以觀測(cè)它的值。

方波的設(shè)計(jì)原理圖如下所示：

圖4.2.1  方波信號(hào)程序框圖

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

與上面的方法一樣，選擇【波形生成】中的鋸齒波形（），一共有四個(gè)參數(shù)：頻率、幅值、相位、直流偏移量。把四個(gè)參數(shù)都設(shè)置為變量，就能實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)。

再用一個(gè)case條件結(jié)構(gòu)，讓各參數(shù)值通過條件結(jié)構(gòu)的通道，并充分利用它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，每一個(gè)分支就對(duì)應(yīng)一個(gè)波形。并根據(jù)這個(gè)波形的特點(diǎn)，選擇不同的參數(shù)。同樣，【分支選擇器】的數(shù)據(jù)類型必須與【選擇器標(biāo)簽】中的數(shù)據(jù)類型一致。這樣就可以實(shí)現(xiàn)鋸齒波。為了使我們所得到的波形的參數(shù)更加準(zhǔn)確，可以再添加一個(gè)顯示控件；這樣，調(diào)節(jié)參數(shù)的同時(shí)，也可以觀測(cè)它的值。

    鋸齒波的設(shè)計(jì)原理圖如下所示：

圖4.3.1  鋸齒波信號(hào)程序框圖

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

選擇的是【波形生成】，即三角波形（），它一共有四個(gè)參數(shù)：頻率、幅值、相位、直流偏移量。同時(shí)，把四個(gè)參數(shù)都設(shè)置為變量，就能實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)。

還有其它波形，切換的方法前面已經(jīng)提到過。因此，用case條件結(jié)構(gòu)，充分利用它的功能，改變【選擇器標(biāo)簽】中的數(shù)據(jù)類型，并添加所需要的條件分支。每一個(gè)分支就對(duì)應(yīng)一個(gè)波形�！痉种нx擇器】的數(shù)據(jù)類型必須與【選擇器標(biāo)簽】中的數(shù)據(jù)類型一致。為了使我們所得到的波形的參數(shù)更加準(zhǔn)確，可以再添加一個(gè)顯示控件；這樣，調(diào)節(jié)參數(shù)的同時(shí)，也可以觀測(cè)它的值。

    三角波的設(shè)計(jì)原理圖如下所示：

圖4.4.1  三角波信號(hào)程序框圖

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

    根據(jù)實(shí)際，當(dāng)我們?cè)谑褂猛晷盘?hào)發(fā)生器以后，必須把它關(guān)掉。所以，我們?cè)O(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器如果沒有開關(guān)的話，就不符合要求。解決這個(gè)問題很簡單，在總的框圖外面加一個(gè)while循環(huán)結(jié)構(gòu)，【循環(huán)條件】處連接一個(gè)【開關(guān)】控件，并且選擇【真時(shí)繼續(xù)】。

    設(shè)計(jì)如下圖所示：

圖4.5.1  信號(hào)控制程序框圖

無論什么儀器設(shè)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(diǎn)。所以前面板的設(shè)計(jì)相當(dāng)重要。我們應(yīng)當(dāng)秉持著美觀、直接、特色、規(guī)范的原則設(shè)計(jì)前面板。就如人的臉面一樣，第一印象特別重要。

下面是我設(shè)計(jì)的前面板，如圖所示：

圖4.6.1  前面板的設(shè)計(jì)圖

一切準(zhǔn)備就緒以后，點(diǎn)【連續(xù)運(yùn)行】，此時(shí)【開關(guān)】為“開”的狀態(tài)，否則沒有任何波形的輸出。程序正常運(yùn)行后，轉(zhuǎn)動(dòng)“頻率”、“幅值”等參數(shù)的旋鈕，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)顯示的波形也隨著改變。

驗(yàn)證波形圖如下所示：

圖5.1.1  正弦波的工作過程及驗(yàn)證

準(zhǔn)備就緒以后，點(diǎn)【連續(xù)運(yùn)行】，此時(shí)【開關(guān)】為“開”的狀態(tài)，否則沒有任何波形的輸出。程序正常運(yùn)行后，轉(zhuǎn)動(dòng)“頻率”、“幅值”等參數(shù)的旋鈕，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)顯示的波形也隨著改變。

驗(yàn)證波形圖如下所示：

圖5.2.1  方波的工作過程

確定程序無誤后，點(diǎn)【連續(xù)運(yùn)行】，此時(shí)【開關(guān)】為“開”的狀態(tài)，否則沒有任何波形的輸出。程序正常運(yùn)行后，轉(zhuǎn)動(dòng)“頻率”、“幅值”等參數(shù)的旋鈕，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)顯示的波形也隨著改變。

驗(yàn)證波形圖如下所示：

圖5.3.1  三角波的工作過程及驗(yàn)證

設(shè)計(jì)完成并確定沒錯(cuò)以后，點(diǎn)【連續(xù)運(yùn)行】，此時(shí)【開關(guān)】為“開”的狀態(tài)，否則沒有任何波形的輸出。程序正常運(yùn)行后，轉(zhuǎn)動(dòng)“頻率”、“幅值”等參數(shù)的旋鈕，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)顯示的波形也隨著改變。

驗(yàn)證波形圖如下所示：

圖5.4.1  鋸齒波的工作過程及驗(yàn)證

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。顯示電路包括電子槍偏、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏。

圖6.1.1 模擬示波器                          圖6.1.2 示波器的原理圖

由示波管的原理可知，一個(gè)直流電壓加到一對(duì)偏轉(zhuǎn)板上時(shí)，將使光點(diǎn)在熒光屏上產(chǎn)生一個(gè)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(gè)直流電壓同時(shí)加到垂直和水平兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板上，則熒光屏上的光點(diǎn)位置就由兩個(gè)方向的位移所共同決定。

如果將一個(gè)正交流電壓弦加到一對(duì)偏轉(zhuǎn)板上時(shí)，光點(diǎn)在熒光屏上將隨電壓的變化而移動(dòng)。這光點(diǎn)距離坐標(biāo)原點(diǎn)的瞬時(shí)偏轉(zhuǎn)值將與加在垂直偏轉(zhuǎn)板上的電壓瞬時(shí)值成正比。如果加在垂直偏轉(zhuǎn)板上的交流電壓頻率10Hz～20Hz以上，則由于熒光屏的余輝現(xiàn)象和人眼的視覺暫留現(xiàn)象，在熒光屏上看到的就不是一個(gè)上下移動(dòng)的點(diǎn)，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(zhuǎn)板上加一個(gè)正弦交流電壓，則會(huì)產(chǎn)生相類似的情況，只是光點(diǎn)在水平軸上移動(dòng)罷了。如果將被測(cè)信號(hào)電壓加到垂直偏轉(zhuǎn)板上，鋸齒波掃描電壓加到水平偏轉(zhuǎn)板上，而且被測(cè)信號(hào)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(gè)周期的被測(cè)信號(hào)電壓隨時(shí)間變化的波形曲線。

　　為使熒光屏上的圖形穩(wěn)定，被測(cè)信號(hào)電壓的頻率應(yīng)與鋸齒波電壓的頻率保持整數(shù)比的關(guān)系，即同步關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就要求鋸齒波電壓的頻率連續(xù)可調(diào)，以便適應(yīng)觀察各種不同頻率的周期信號(hào)。其次，由于被測(cè)信號(hào)頻率和鋸齒波振蕩信號(hào)頻率的相對(duì)不穩(wěn)定性，即使把鋸齒波電壓的頻率臨時(shí)調(diào)到與被測(cè)信號(hào)頻率成整倍數(shù)關(guān)系，也不能使圖形一直保持穩(wěn)定。因此，示波器中都設(shè)有同步裝置。也就是在鋸齒波電路的某部分加上一個(gè)同步信號(hào)來促使掃描的同步，對(duì)于只能產(chǎn)生連續(xù)掃描（即產(chǎn)生周而復(fù)始連續(xù)不斷的鋸齒波）一種狀態(tài)的簡易示波器（如國產(chǎn)SB-10型示波器等）而言，需要在其掃描電路上輸入一個(gè)與被觀察信號(hào)頻率相關(guān)的同步信號(hào)，當(dāng)所加同步信號(hào)的頻率接近鋸齒波頻率的自主振蕩頻率（或接近其整數(shù)倍）時(shí)，就可以把鋸齒波頻率“拖入同步”或“鎖住”。對(duì)于具有等待掃描（即平時(shí)不產(chǎn)生鋸齒波，當(dāng)被測(cè)信號(hào)來到時(shí)才產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波進(jìn)行一次掃描）功能的示波器（如國產(chǎn)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(gè)與被測(cè)信號(hào)相關(guān)的觸發(fā)信號(hào)，使掃描過程與被測(cè)信號(hào)密切配合。這樣，只要按照需要來選擇適當(dāng)?shù)耐�步信�?hào)或觸發(fā)信號(hào)，便可使任何欲研究的過程與鋸齒波掃描頻率保持同步。

這一次虛擬儀器的設(shè)計(jì)的時(shí)間比較短。于是同學(xué)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(chuàng)意。于是同學(xué)們都積極思考、相互交流。因此，時(shí)間就過得很快，也很有意義。

當(dāng)然過程中遇到困難時(shí)不可避免的，要想做成一個(gè)讓人滿意的作品必須對(duì)程序框圖中的程序反復(fù)測(cè)試和修改。由于老師為了培養(yǎng)我們獨(dú)立解決問題的能力，因此一般不參與設(shè)計(jì)。在同學(xué)的幫助下，最后終于把問題都解決了。有時(shí)侯我們也會(huì)遇到自己確實(shí)不能解決的問題，老師還是會(huì)提出解決問題的建議，或是指點(diǎn)應(yīng)該改進(jìn)的方向。

設(shè)計(jì)是對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合理解與應(yīng)用，它不僅要求我們對(duì)Labview軟件特別熟悉，而且還要求我們能夠熟練運(yùn)用各個(gè)【編程】中的各種函數(shù)結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計(jì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，讓我懂得發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，并解決問題可以提高自己的能力。同時(shí)通過分析解決問題，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與掌握。通過這次設(shè)計(jì)我學(xué)到了很多書本上永遠(yuǎn)都學(xué)不到得東西，