基于Labview的虚拟函数信号发生器的设计

弦 波 周 期 由 １０００ 点 组 成 ， 利 用 类 似 Ｃ 语 言 中 的 Ｆｏｒ 循 环 为 ｘ
赋 值 ， 这 样 执 行 一 次 Ｆｏｒ 循 环 ， 便 可 以 产 生 生 成 一 个 周 期 正 弦
波 所需 的 数 据， 然 后 利 用 Ｗｈｉｌｅ 循 环 ， 使 程 序 反 复 执 行 ， 就 可 以
连 续 输 出 正 弦 波 形 。方 波 、锯 齿 波 、三 角 波 的 产 生 原 理 与 正 弦 波
产生原理相近，都是通过数学运算来实现代表波形的数字序列。
与模拟信号相比， 利用软件的方法产生的波形数字序列虽然存
在着一定的误差， 但只要一个周期内选的点数足够的多， 就可
以使误差降到最低， 对结果的影响最小。利用软件产生波形的
３ 虚拟函数信号发生器的软件设计
与实现
技
软 件 部 分 采 用 专 业 的 ＬａｂＶＩＥＷ６ｉ 图 形 化 虚 拟 仪 器 开 发 工
术 具。虚拟函数信号发生器主要由软件完成输出波形信号的产生 和 输 出 信 号 频 率 的 显 示 。输 出 波 形 频 率 的 变 化 的 具 体 实 现 是 将
创 波形数据写入数据采集卡的缓冲区当中， 通过设置缓冲区的更 新频率（ 改变内部的时钟频率） 来实现输出数据频率的变化。该
－１８２－ ３６０元 ／ 年 邮局订阅号： ８２－９４６
《 现场总线技术应用 ２００ 例》
控制系统
中 文 核 心 期 刊《 微 计 算 机 信 息 》（ 测 控 自 动 化 ）２００７ 年 第 ２３ 卷 第 １－１ 期
在被控对象未知情况下， 可采用神经网络进行辨
识， 此处可近似得
（ ８）
其中：η－ 学习参数； α－ 动量因子。ε－ 一个很小的正整数。
您的论文得到两院院士关注 文章编号：１００８－ ０５７０（２００７）０１－ １－ ０１８１－ ０２
传感器与仪器仪表
基于 La b vie w 的虚拟函数信号发生器的设计
Ｔｈ ｅ Ｄｅ ｓ ｉｇ ｎ ｏ ｆ Ｖｉｒｔｕ ａ ｌ Ｆｕ ｎ ｃｔｉｏ ｎ Ｓ ｉｇ ｎ ａ ｌ Ｇｅ ｎ ｅ ｒａ ｔｏ ｒ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｌａ ｂ ｖｉｅ ｗ
２ 虚拟函数信号发生器的结构与组成
２．１ 虚拟函数信号发生器的前面板 本 虚 拟 函 数 信 号 发 生 器 主 要 由 一 块 ＰＣＩ 总 线 的 多 功 能 数 据 采 集 卡 和 相 应 的 软 件 组 成 。 将 它 们 安 装 在 一 台 运 行 Ｗｉｎ－ ｄｏｗｓ９５／９８／２０００／ＮＴ 的 ＰＣ 机 上 ， 即 构 成 一 台 功 能 强 大 的 函 数 信 号发生器。本虚拟函数信号发生器的设计参考了 ＳＧ １６４５ 功率 函数信号发生器， 前面板如图 １ 所示。 本函数信号发生器的前面板主要由以下几个部分构成： 仪 器控制按钮， 输出频率控制窗口（ 包括频率显示单位） ， 频率倍 成控制， 波形选择， 频率微调按钮， 直流偏置， 方波占空比调节， 输出波形幅度控制按钮。频率微调范围： ０．１～１ Ｈｚ； 直 流 偏 置： － １０～１０Ｖ； 方波占空比： ０～１００％； 输出波形幅度： ０～１０Ｖ。此外还增 加 了 许 多 修 饰 性 的 元 件 如 面 板 上 的 压 控 输 入 、记 数 输 入 、同 步 输 出 、电压 输 出 等。使 用 这 些修 饰 性 的元 件 的 目的 是 为 了增 加
ｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｘｐｌｏｒｅｒ 工具配置。 Ｗａｖｅｆｏｒｍ Ｌｅｎｇｔｈ 用于设定数据采集卡的缓冲区的大小。 Ｃｈａｎｎｅｌ 用于 指 定使 用 的 设备 的 通 道号 （ 一 般 的数 据 采 集
卡具备多个输入输出通道） 。 ２．３ 仪器功能描述 本仪器功能主要包括四类函数信号－ － － 正弦波、方波、三角
关 键 字 ： 虚 拟 仪 器 ； Ｌ ａ ｂ ｖｉｅｗ； 函 数 信 号 发 生 器 ； 数 据 采 集 卡
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｐ ３９１．９
文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ａ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｌａｂｖｉｅｗ，Ｔｈｅ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｃａｎ ｇｅｎｅｒａｔｅｓ Ｓｉｎｅ ｗａｖｅ， ｔｒｉａｎｇｌｅ ｗａｖｅ，ｓｑｕａｒｅ ｗａｖｅ，ｔｅｅｔｈ ｏｆ ａ ｓａｗ ｗａｖｅ．．．ｅｔｃ。Ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ｗｉｄｅ ａｎｄ ｃａｎ ｒｅｇｕｌａｔｅ ｓｌｉｇｈｔｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄ ： Ｖｉｒ ｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒ ｕｍｅｎｔ，Ｌａｂｖｉｅｗ，Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒ ａｔｏｒ ，ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃａｒ ｄ
谢水珍：助教
仪器的美观性， 并尽量与真实仪器的使用界面相一致。
技
术
创
新
图 １ 虚拟函数信号发生器的前面板 ２．２ 虚拟函数信号发生器的硬件构成 本虚拟函数信号发生器的输入输出的硬件部分为一数据 采集卡和具有一定配置要 求的 ＰＣ 机 ， 数 据的 输 入 输出 靠 对 数 据 采 集 卡 输 出 输 入 口 的 定 义 来 实 现 。 本 设 计 采 用 的 ＰＣＩ－ １２００ 数据采集卡是一块性价比较好的产品， 具备数／模转换的功能， 能将产生的数字信号转换成模拟信号且数模转换精度高， 而且 还具备滤波功能， 从而使输出波形光滑。它支持单极和双极性 模拟信号输入， 信号输入范围分别为－ ５～＋５Ｖ 和 ０～１０Ｖ。提供 １６ 路单端／８ 路差动模拟输入通道、２ 路独立的 ＤＡ 输出通道、２４ 线 的 ＴＴＬ 型 数 字 Ｉ／Ｏ、３ 个 １６ 位 的 定 时 计 数 器 等 多 种 功 能 。 硬 件 接 口 部 分 用 于 数 据 输 入 或 输 出 时 的 通 道 设 置 。硬 件 接 口 部 分 程 序框图如图 ２ 所示：
新 过程主要运用了 Ｌａｂｖｉｅｗ 中的数据采集子模 块中 的 ＡＯ ＳＴＡＲＴ 功能模块。从实现功能的角度来说， 本次设计的虚拟函数信号
发生器的功能结构主要包括两大功能模块 ： 波 形 产生 模 块 （ ＦＧ
模块 ） 和 频 率 单 位 变 化 控 制 （ ＤＩＳＰＬＡＹ） 模 块 。 波 形 产 生 模 块 又
图 ２ 硬件接口程序框图 Ｄｅｖｉｃｅ 用 于 指 定 所 用 的 设 备 号 ， 该 设 备 号 通 过 Ｍｅａｓｕｒｅ－
《 Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 －１８１－
传感器与 算 机 信 息 》（ 测 控 自 动 化 ）２００７ 年 第 ２３ 卷 第 １－１ 期
４ 仿真研究
训练好控制器后， 把它接入模糊神经控制系统中进行仿 真。我们首先给 ＦＮＣ 网络的各参数和权值初值， 如表 １ 所示， 以 ４９ 组 控 制 操 作 数 据 对 ｛ｘｅｉ， ｘｅｃｉ， ｕｉ｝作 为 网 络 的 学 习 样 本 ， 取 ７ 个语 言 变 量值 的 模 糊子 集 当 中， 具 有 最 大隶 属 度“１”， 即高 斯 型 函 数 中 心 值 Ｃｉ（０）初 值 为 （－ ６， － ４， － ２， ０， ２， ４， ６）， σｊ（０）宽 度 初 值 定 ２， ｊ＝１， ２， … １４； Ｗｋ（０）权 值 初 始 值 为 表 １ 中 的 数 值 ， Ｋ＝１， ２， … ， ４９。学习率 η＝０．４５， α＝０．８， 网络结 构 ２—１４—４９—１。用前 述 的 ＧＡ 算法来离线调整模糊神经网络的参 数（Ｃｉｊ， σｊ）， 算法 参 数 选取 为 ： 群 体大 小 ｎ＝１００， 网 络 参 数 均 在［－ ６， ６］内 变 化 ， 并 用 １０ 位 长 度的二进制字符串表示， 网络中共有 ２ 个参数需要整， 个体长 度 Ｌ＝２×１０＝２０ 位。自适应交叉和变异概率参数 Ｋ１＝Ｋ２＝０．５８。其 输入变量的高斯分布图如图 ５ 所示。输入输出关系曲面如图 ６ 所 示 。可 以 很 直 观 的 根 据 期 望 值 是 不 是 在 输 出 空 间 的 附 近 来 适
１ 前言
自 从 １９８６ 年 美 国 ＮＩ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）公 司 提 出 虚 拟 仪 器的概念以来，随着计算机技术和测量技术的发展，虚拟仪器技 术 也得 到 很 快的 发 展 。虚拟 仪 器 是指：利 用 现 有 的 ＰＣ 机 ， 加 上 特殊设计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 新 型 仪 器 。与 传 统 的 仪 器 相 比 其 特 点 主 要 有 ：具 有 更 好 的 测 量 精 度 和 可 重 复 性 ；测 量 速 度 快 ；系 统 组 建 时 间 短 ；由 用 户 定 义 仪 器 功 能 ；可 扩 展 性 强 ；技 术 更 新 快 等 。 虚 拟 仪 器 以 软 件 为 核 心， 其 软 件 又 以 美 国 ＮＩ 公 司 的 Ｌａｂｖｉｅｗ 虚拟仪器软件开发平台最为常用。Ｌａｂｖｉｅｗ 是一种图形 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 。下 面 结 合 一个虚拟函数信号发生器设计开发具体介绍基于图形化编程 语言 Ｌａｂｖｉｅｗ 的虚拟仪器编程方法与实现技术。
波、锯齿波的输出， 频率的倍乘与微调相结合， 以及实现输出波形 的直流偏置、电压幅度的控制等功能。具体指标如如表 １ 所示：
表 １ 虚拟函数信号发生器性能指标
图 ４ 波形产生模块的程序 ３．２ 频率单位变化控制模块 当输出频率动态范围较大时， 用单个旋转按钮控制时， 由 于旋转一个很小的角度就会产生较大的频率变动， 给频率的准 确设置带来了较大困难， 通过使用一个旋钮和频率倍乘相结 合， 可大大提高频率的输出控制精度。为了提高频率的输出控 制精度， 在本次的设计当中， 通过使用频率单位变化控制模块， 使输出控制精度可达到 ０．００１Ｈｚ。该模块的前面板如图 ５ 所示， 该模块的程序框图如图 ６ 所示。