摘要：基于专业虚拟仪器开发工具Labview，设计了一虚拟函数信号发生器。该虚拟函数信号发生器能够产生正弦波、三角波、方波、锯齿波等波形，频率动态范围较宽且可微调。
关键字：虚拟仪器；Labview；函数信号发生器；数据采集卡

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。

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Windows95/98/2000/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。

图 1 虚拟函数信号发生器的前面板

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仪器的美观性，并尽量与真实仪器的使用界面相一致。

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：

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Measurement 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

3虚拟函数信号发生器的软件设计与实现

软件部分采用专业的LabVIEW6i图形化虚拟仪器开发工具。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。波形产生模块又调用FGEN模块。FGEN模块为数字波形产生模块。

3.1数字波形产生模块

波形产生模块是虚拟函数信号发生器软件的核心。利用该模块可实现正弦波、方波、锯齿波、三角波等波形。正弦波的产生原理是通过调用sin(x)函数来实现。在本次设计，设计每一正弦波周期由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一个最大的优点是使仪器的成本大大降低，而且使仪器小型化，智能化。波形产生模块的前面板如图3所示，波形产生模块的程序框图如图4所示。

图3波形产生模块的前面板

                      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。

图5   频率单位变化控制模块前面板

图 6频率单位变化控制模块程

在该框图程序当中，实现了输出频率单位的变化。其设计思路为：通过判断代表1000 倍乘的按钮是否按下，如按下，则其状态为“真”，即布尔值“1”，否则为“0”，通过判断条件查询所返回的值就可控制一个用于显示频率单位的显示型控件。在频率单位变化控制模块中，使用了三个全局变量：frequency Base、Signal Type和 Number of cycles, 用于向主程序传送产生的频率数据、频率倍乘控制信息和循环次数。在程序运行时，该模块作为一个子模块被主程序调用。

4总  结：

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.

参考文献：

[1]杨乐平 吕英军 虚拟数字示波器的设计与实现  电子技术应用2000年第7期

[2]戎舟 基于Labview的虚拟示波器及远程测控 微计算机信息 2004年第20卷第5期 66-67

[3]杨乐平 李海涛 杨磊 Labview程序设计与应用（第2版） 北京 电子工业出版社 2006

[4]蔡建安 陈洁华 基于LabVIEW的工程软件应用  重庆大学出版社  2006

[5]马双宝 基于Labview7.0虚拟信号发生器的实现 微计算机信息 2005年01期 89-90.