信号发生及频谱分析实验报告

基于LABVIEW的信号发生及频谱分析的设计

课程设计：虚拟仪器系统设计

专业名称：电子信息工程

2013年11月25日

基于虚拟仪器的信号发生及频谱分析的设计

【摘要】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。

本设计采用USB6211数据采集卡，将虚拟仪器技术用于信号发生器的设计。该系统具有生成正弦波、方波、三角波、锯齿波及PWM波的功能。

本文首先概述了信号发生器及虚拟仪器技术在国内外的发展及趋势，然后介绍了信号发生器的相关理论，给出了信号发生器的基本原理框图，并探讨了虚拟仪器的总线及其标准、框架结构、LABVIEW开发平台。在分析本系统功能需求的基础上，介绍了数据采集卡、LABVIEW的编程模式等设计中所涉及到的硬件和技术。

本设计是虚拟仪器模拟真实仪器的尝试。实践证明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够实现各种硬件可以完成的任务。

【关键词】虚拟仪器，数据采集卡，信号发生器，LABVIEW

Signal based on virtual instrument and the design of the frequency spectrum analysis

Abstract

Virtual instrument is formed by the instrument technology, computer technology, bus technology and software technology. Powerful digital processing’s 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 design uses USB6211 data acquisition card. The virtual instrument technology has been utilized in the design of signal generator. The system has ability to produce sine wave, square wave, and triangle wave, saw tooth wave and PWM wave. This article summarizes the development and trend of the signal generator and virtual instrument at home and abroad at first. And then introduces the theory of signal generator, gives a basic block diagram of signal generator, also the frame structure and LABVIEW development platform of the virtual instrument with the inquiry of the bus’s standard. Based on the analysis of this sys tem’s functional requirements, this article introduces the hardware and technology which involved in design of the data acquisition card and the LABVIEW’s programming modes.The design is an attempt of virtual instrument to simulate the reality instrument. It shows the virtual instrument is an excellent solution to achieve the task which is achieved by traditional hardware in the past.

Key Words:Virtual Instruments，Data Acquisition Cards，Signal Generators，LABVIEW

目录

1. 实验相关问题 (1)

1.1 实验目的 (1)

1.2 实验内容 (1)

1.3 实验要求 (1)

2. 实验方案选择 (1)

2.1 仿真波形的产生 (1)

2.2 白噪声的产生 (1)

2.3 仿真信号频谱分析 (1)

3. 系统总体的设计及实现 (1)

3.1 系统设计及程序框图流程 (1)

3.2 系统具体应用程序 (2)

3.3 程序框图的具体设计步骤 (2)

3.3.1 虚拟正弦波发生器的设计 (2)

3.3.2 虚拟方波发生器的设计 (3)

3.3.3虚拟锯齿波发生器的设计 (3)

3.3.4虚拟三角波发生器的设计 (4)

4. 系统调试 (1)

4.1 调试步骤 (1)

4.2 调试结果 (1)

1. 实验相关问题

1.1 实验目的

1. 学习LabVIEW 软件特点及工作环境。

2．利用LabVIEW进行频谱仪的设计，并对仿真信号进行分析。

1.2 实验内容

①产生正弦波、方波、三角波信号

②设计一个频谱分析仪，对正弦波、方波、三角波信号进行频谱分析

③噪声信号的频谱分析

④备注：

?界面尽可能美观大方

?程序尽量简短、占用系统资料尽可能少

1.3 实验要求

实现仿真信号的生成，并利用FFT对所得仿真信号、实际信号进行频谱分析进而得到信号的频谱。

①采样频率、采样点数、信号频率、幅值和初相位可调

②分析正弦波、方波、三角波和白噪声的频谱特性

2. 实验方案选择

2.1 仿真波形的产生

利用Labview里的函数发生器进行频率、幅值、相位等参数的设置和波形的选择。比如：正弦信号、三角信号、方波信号等。

2.2 白噪声的产生

直接在直流信号进入显示屏前叠加一个均匀白噪声发生器产生白噪声。

2.3 仿真信号频谱分析

我们调用了频谱测量函数，只需将波形输入调节dt即可。

3. 系统总体的设计及实现

3.1 系统设计及程序框图流程

设计信号发生器的主要任务是设计程序框图和前面板，在设计这两部分中若没有出现数据类型不匹配、控件的属性设置等问题，再跟硬件连接，看是否可以产生各种信号，并且能被数字示波器采集到，并在硬件允许的范围内体现比现有信号发生器更宽泛的信号范围。

用LABVIEW设计虚拟信号发生器的主要步骤是在设计程序框图上，图4.1是设计程序框图的主要流程。

创建通道

选择连续采

样

指定采样率

指定采样数

写入采样

开始

等待生成所

有采样

停止

清除

程序框图的设计流程

3.2 系统具体应用程序

按系统的总体要求，可以分为两部分来设计，一个是基本波形的系统设计，如正弦波，方波，三角波和锯齿波及其中混有噪的设计声，另一个是基于数字脉冲的频谱分析过程设计。

3.3 程序框图的具体设计步骤

利用LABVIEW设计一个系统，其中的主要部分是程序框图的设计，以下就是程序框图各部分设计的基本过程。

3.3.1 虚拟正弦波发生器的设计

1.功能描述

该虚拟正弦信号发生器可产生正弦信号。指标为:

初始相位:0°～ 180°,可选;

幅值:1V～510V, 可选;

生成波形的总点数: N =8～512 , 可选。

2.设计步骤

(1)正弦波发生器前面板的设计

正弦波发生器前面板包括五个输入型数子控件：正弦波的信号频率、初始相位、信号幅值、总采样点数N与采样频率，及STOP控件，复位控件和正弦波发生器。

1)五个输入型数字控件。五个输入型数子控件提供使用者键入生成正弦波的频率、初始相位、幅值、总采样点数N与采样频率。

2)一个输出显示型图形控件。输出显示型图形控件用来显示所产生的正弦波波形。

3)两个开关控件。调入开关按钮控件，标记为“复位相位”。

3.3.2 虚拟方波发生器的设计

1.功能描述

在此继续使用正弦波的频率范围初始相位幅值指标为:

频率范围:1Hz～10000 Hz ,可选;

初始相位:0°～ 180°,可选;

幅值:1V～510V, 可选;

生成波形的总点数: N =8～512 , 可选。

2设计步骤

（1）方波信号发生器的前面板设计

方波信号发生器的前面板设计过程和正弦信号发生器的前面板设计大体相同。

1)五个输入型数字控件。五个输入型数子控件提供使用者键入生成方波的频率、初始相位、幅值、总采样点数N与采样频率。

2)一个输出显示型图形控件。输出显示型图形控件用来显示所产生的方波形。

3)两个开关控件。调入开关按钮控件，标记为“复位相位”。

3.3.3虚拟锯齿波发生器的设计

1.功能描述

该虚拟锯齿波信号发生器可产生锯齿波信号。指标为:

初始相位:0°～ 180°,可选;

幅值:1V～510V, 可选;

生成波形的总点数: N =8～512 , 可选

2.设计步骤

(1)锯齿波信号发生器的前面板设计

锯齿波信号发生器的前面板设计过程也是和正弦信号发生器.方波信号发生器的前面板设计一样，具体设计过程如下：

1)五个输入型数字控件。五个输入型数子控件提供使用者键入生成锯齿波的频率、初始相位、幅值、总采样点数N与采样频率。

2）一个输出显示型图形控件。输出显示型图形控件用来显示所产生的锯齿波形。

3）两个开关控件。调入开关按钮控件，标记为“复位相位”。

（2）锯齿波发生器流程图设计

（3）单击运行快捷按钮，检验设计的功能已完全实现。

3.3.4虚拟三角波发生器的设计

1.功能描述

该虚拟三角波信号发生器可产生三角波信号。指标为:

频率范围:1Hz～10000 Hz ,可选;

初始相位:0°～ 180°,可选;

幅值:1V～510V, 可选;

生成波形的总点数: N =8～512 , 可选

2.设计步骤

（1）三角波信号发生器的前面板设计

三角波信号发生器的前面板设计过程也是和正弦信号发生器.方波信号发生器锯齿波发生器的前面板设计一样，具体设计过程如下：

1）五个输入型数字控件。五个输入型数子控件提供使用者键入生成三角波的频率、初始相位、幅值、总采样点数N与采样频率。

2）一个输出显示型图形控件。输出显示型图形控件用来显示所产生的三角波形。 3）两个开关控件。调入开关按钮控件，标记为“复位相位”。

仿真信号部分前面板

周期信号程序图白噪声程序图

功能程序框图

4. 系统调试

4.1 调试步骤

（1）开始产生正弦波、方波、三角波

（2）调整它们的频率及相位观察波形和频谱特性

（3）调试各种正弦波的叠加并观察它们的波形及频谱特性

（4）观察白噪声的波形及频谱特性

4.2 调试结果

分别产生正弦波、三角波、方波、锯齿波，并对其进行频谱分析。（下图中的各个波形频率

均为20HZ）

波形频谱分析图

5. 结论

本设计大部分工作是程序的编写，所涉及的硬件部分都是现成的。但是对硬件的了解也是必需要做的工作，特别是对数据采集卡的了解，其中包括采集率，采集通道，采样方式等，然后根据实际情况选择合适的参数。

本设计在研究虚拟仪器技术、DAQ应用技术的基础上，使用虚拟仪器技术实现了信号发生器。前面板应提供良好的人机交互界面，可以实现实验室里几种常见的信号波形。

与现有的信号发生器相比，该信号发生器的输出波形类型没有很大的改变，而且波形的频率由于硬件板卡本身对于采样频率的限制，并没有在原来的基础上提高有所提高。在输出基本波形时如果需要增波形的频率，则需要减小波形的采样频率，否则会由于硬件的溢出问题而不能运行，但是减小采样频率容易让波形产生失真。

如果在这个设计上进一步研究信号发生器，在波形的类型上应该有更多的变化，更迅速的响应时间，更准确的调节过程。对于信号波形的参数，如频率、幅值、相位、占空比等的设定有更好更精确的方式，而且在波形失真和噪声方面有更好的解决方法。在面板美化方面也可以做得更好更漂亮。

通过本设计，深刻地认识到了虚拟仪器技术是当代仪器发展的重要发展方向。虚拟仪器也以崭新的模式和强大的功能深入人心，伴随计算机技术和信息技术的发展虚拟仪器必将拓展到各个领域，引起仪器的深层次变革。