信号发生器报告————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：基于虚拟仪器的信号发生器的设计【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。

本次设计主要是阐述虚拟信号发生器的前面板和程序框图的设计。

设计完的信号发生器的功能包括能够产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波四种信号波形；波形的频率、幅值、相位、偏移量及占空比等参数由前面板控件实时可调。

【关键词】虚拟仪器，信号发生器，LABVIEW引言信号发生器作为科学实验必不可少的装置，被广泛地应用到教学、科研等各个领域。

高等学校特别是理工科的教学、科研需要大量的仪器设备，例如信号源、示波器等，常用仪器都必须配置多套，但是有些仪器设备价格昂贵，如果按照传统模式新建或者改造实验室投资巨大，造成许多学校仪器设备缺乏或过时陈旧，严重影响教学科研。

如果运用虚拟仪器技术构建系统，代替常规仪器、仪表，不但可以满足实验教学的需要、节约大量的经费、降低实验室建设的成本，而且能够提高教学科研的质量与效率。

1．信号发生器的发展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。

其基本原理如图1所示。

波形发生电路D/A 转换电路I/O 控制控制信号输出键盘显示控制芯片信号采集图1 信号发生器基本原理框图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。

2.虚拟仪器2.1虚拟仪器的发展趋势现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物。

随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展，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，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。

在此背景下，1986年美国国家仪器公司(National Instruments ，NI)提出了虚拟仪器(Virtual Instrument ，VI)的概念。

尽管迄今为止虚拟仪器还没有一个统一的定义，但是一般认为：虚拟仪器是在PC基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪器系统。

作为一种以计算机软件为核心的新型仪器系统，虚拟仪器具有功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强等优点，通常被认为是第三代自动测试系统的同义语[3]。

使用虚拟仪器系统可以避免仪器编程过程中的大量重复性劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时间，并且客户可以用不同的模块来构造自己的虚拟仪器系统，选择统一的测试策略。

由于虚拟仪器的功能和性能已被不断提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。

而虚拟仪器的各种优点让用户可放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。

由于计算机的性能价格比不断改进，使虚拟仪器的价格更为大众化，用户不必再受限于传统仪器的使用限制和昂贵的价格，进一步降低了使用成本，减少了系统的开发费用和系统的维护费用。

此外，新型笔记本电脑又把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。

所有这些必将加快虚拟仪器的发展，使它的功能和应用领域不断增强和扩大。

在测量、检测、电信、监控、教育等方面的应用已广泛开展。

2.2虚拟仪器的概述虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司最先提出的。

所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等，可集成于自动控制、工业控制系统之中，可自由构建成专有仪器系统。

虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。

虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。

该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分[6]。

虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件和测量仪器等硬件资源与计算机软件资源有机的结合起来。

2.2.1虚拟仪器的特点及优势虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图2所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。

这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。

虚拟仪器中应用程序将可选硬件和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。

由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。

这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。

虚拟仪器开发者虚拟仪器软件面板虚拟仪器软件开发平台底层驱动程序硬件模块虚拟仪器开发者操作系统图2 虚拟仪器开发框图虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。

虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。

它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据，它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户经简单培训即可迅速掌握操作规程。

2.2.2 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势。

在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。

在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的强项，这是传统的独立仪器难以胜任的。

1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。

由此导致许多识读和操作错误。

虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。

这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。

同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。

2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。

3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。

4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。

5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。

6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。

7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。

8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低了系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。

近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。

这是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet的一部分，实现现场监控和管理。

2.2.3 虚拟仪器系统的组成虚拟仪器是基于计算机的仪器。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。

这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是智能化仪器。

随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。

另一种方式是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式。

虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。

如图3所示。

采集与控制插入式数据采集板GPIB仪器VXI/PXI仪器RS-232仪器数据分析和处理数字信号处理数字滤波统计分析数值分析结果显示网络通信硬盘拷贝输出文件I/O图形用户接口图3虚拟仪器的内部功能的划分对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成。

对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。

与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，使设计工作量大大减小。

通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件、通用计算机、打印机等构成。