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电子测量用多功能函数信号源设计与仿真

电子测量用多功能函数信号源设计与仿真

张鹏展,陈超逸,张冷,程任翔,张金,刘飞,李玉魁

摘要:在虚拟仪器的基础上,通过模拟实际实验室中电子测量用常见的信号源,实现了实际函数信号源的各项功能。利用 LabView 编程软件开发平台,进行了多功能函数信号源的 VI 程序设计,并借助于良好人机交互界面,进行了相应的功能仿真实现。值得一提的,在实现信号源常见功能的基础上,还添加了电子测量实验中会用到的一些实用功能,如多种函数叠加、噪声叠加等附加功能,从而很好地提高了该仪器在实际电子测量中的通用性。

关键词:虚拟仪器;LabView;多功能函数信号源;噪声叠加。

中图分类号:TN407    文章编号:1674-2583(2018)11-0036-03

DOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2018.11.009

中文引用格式:张鹏展,陈超逸,张冷,程任翔,张金,刘飞,李玉魁.电子测量用多功能函数信号源设计与仿真[J].集成电路应用, 2018,35(11): 36-38.

The Design and Simulation of Multifunctional Signal Source for Electronic Measurement

ZHANG Pengzhan, CHEN Chaoyi, ZHANG Leng, CHENG Renxiang, ZHANG Jin, LIU Fei,  LI Yukui

Abstract — In this paper, we realized the function of common signal source in electronic measurement laboratory by simulating function signal generator on the basis of virtual instrument. The LabView programming software with a good human-computer interaction interface can be used to complete a VI program with Multifunctional signal generation system. Especially to deserve to be mentioned, on the basis of the realization of the basic function signal generator, we also added some useful functions, such as adding noise, simple function superposition and other functions, to improve the adaptability of the electronic measurement instrument.

Index Terms — virtual instrument, LabView, multifunction signal source, noise superposition.

1  引言

随着微电子技术的进步与超大规模集成电路的发展,电子测量系统经历了模拟式、数字式向虚拟化集成化的更新过程。

近年来,测量系统对仪器“智能化”要求越来越高,虚拟仪器技术及 LabView 软件开发平台凭借自身强大的信号处理和运算能力,已逐渐被应用于微电子测量领域,进行数据采集测试、信号通信控制及仪器控制等的设计、仿真与实现 [1-6]。

众所周知,信号源是电子测量中最重要仪器之一,以往多由硬件组成,结构复杂,可维护性可操作性不佳。2009 年,梁秋明等人验证发现,用 LabView 设计的扫频仪 GUI 控制界面,不仅操作便捷,而且其控制水平相较传统扫频仪更好[3]。武一等人研究表明,虚拟仪器设计的函数信号发生器,很好地克服了传统仪器功能固定、不能扩展,仪器组装维修复杂、价格贵且不易携带的缺点[4]。随后,周晶晶等人对基于虚拟仪器 LabView 的信号发生器设计研发进行了研究,他们认为相应器件的 GUI 界面友好、控制功能强大、操作简便,未来有广阔的应用前景[5]。

本文鉴于 LabView 能够进行数据采集和仪器编程,提供了一种构建面向用户的电子测量用多功能函数信号源的便捷途径。本途径在信号源原理研究、设计测试以及仪器系统的仿真实现方面可以大大提高工作效率;用户通过选择信号类型、输入系统参数运行,可方便地实现常见的函数信号。

值得一提的,在实现信号源常见功能基础上,本文还添加了实际测量实验中信号源所需的实用功能,如多种函数叠加、噪声叠加等,很好地提高了该虚拟仪器在实际电子测量中的通用性。

2  函数信号的发生系统

本文不仅实现了实验室常见信号源的基本功能(如三角波、方波和正弦波等)输出,同时还实现了输出任意波形的函数信号,并进一步进行相应的仿真优化。我们设计了函数信号发生系统 GUI 界面,真实直观地产生并显示如三角波、锯齿波、方波、正弦波等多种基础波形信号。在此基础上,还额外添加了一些如噪声干扰叠加,将两个输出信号进行波形叠加运算处理等功能。

2.1 波形产生模块

该模块的功能是产生基本的函数波形,左侧的四个组件是用来输入波形的基本参数。如图 1 所示,通过波形选择组件,用户可以自由地选择使用三角波、方波和正弦波等常见波形。任意公式波形组件用来实现产生任意公式波形的功能,绝大多数的波形可以通过三角函数公式来表示。为了使程序功能界面简洁,本文所选仿真信号组件默认采样频率均默认设为 1 kHz,采样数 100。

2.2 噪声功能模块

电子测量中要求输入信号应贴近现实情况,这就需要在信号源产生的函数信号中加入一些噪声干扰。生活中常见噪声有高斯白噪声、均匀白噪声和泊松噪声。图 2 便是噪声功能模块,左边组件用来判断是否添加噪声,逻辑框图判断是否开启噪声。如果返回值为 1 则执行框图内功能;如果返回值为 0 则跳过该功能。

2.3 波形叠加模块

为满足更多的波形需求,我们可以将两个通道 1 和 2 产生的函数信号进行加减运算,使得函数信号的波形产生一些变化。模块如图 3 所示,该叠加波形组件可以实现 4 种简单数学运算,即 A+B,A-B,-A+B,-A-B。这四种形式的叠加,一定程度上增加了仪器可输出函数波形的种类,使仪器在现实使用中更加灵活。

2.4 GUI 界面设计

图 4 是设计的多功能函数信号源 GUI 界面,可实现基础函数信号(如方波,锯齿波、三角波等)输出,同时显示两个通道的函数信号并进行信号波形的比较。为使图形输出多样化,GUI 面板添加了任意公式函数波形、波形叠加组件,添加了实现噪声干扰模块,使信号仿真更贴近实际实验需求。

2.5 信号源的仿真实现与调试

实际测量所需函数不可能都是基础波形,很多为叠加而成。我们以基础函数与噪声叠加为例,观察测试叠加公式波形受噪声干扰后的波形变化,验证调试信号源的仿真实现。首先打开通道 1 和 2,分别选择锯齿波与正弦波,然后将这两个信号进行 A+B 和 A-B 运算;再向通道 1 和 2 分别添加高斯白噪声与泊松噪声。由图 5、图 6 可见,正弦波受到泊松噪声干扰,锯齿波受到高斯白噪声干扰。所有波形变化均符合现实测量情况,基本实现了预期设计仿真效果。

本文通过使用虚拟仪器,来实现电子测量用多功能函数信号源的设计仿真。以实际实验室函数信号发生器为基础,基本实现了传统仪器具有的输出功能。同时还添加了硬件系统所不具备的,如多种函数叠加、噪声叠加等附加功能,很好地提高了该虚拟仪器在实际电子测量中的通用性。

参考文献

[1] 吴成东,孙秋野,盛科.LabVIEW 虚拟仪器程序设计及应用[M].北京:人民邮电出版社, 2008.

[2] 陈玲玲,杨明,刘新杰.LabVIEW在数字通信原理实验教学中的应用[J].吉林化工学院学报,2012,29(11):87-91.

[3] 梁秋明,田梦君.基于LabVIEW的虚拟示波器的设计与实现[J].电子测量技术,2009,32(03):158-161.

[5] 周晶晶,吴文全,孙金明,章耀文.基于虚拟仪器系统的多功能信号发生器设计[J].现代电子技术,2014,37(17):120-121+124.

[6] M Yaragal,Abilash Desai,Deepak Dhadoti,Vijay Prabhu.Profile based motion generation for actuators using LabVIEW software[J].IConAMMA, 2016.149(): 1-8.

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