基于MATLAB 的信号发生器设计
基于MATLAB 的信号发生器设计
一、前言
- 目前, MATLAB 已经广泛地应用于工程设计的各个领域,如电子、通信等领域,它已成为国际上最流行的计算机仿真软件设计工具。 MATLAB 不再仅仅是一个矩阵实验室,而是一种功能强大的的实用高级计算机编程语言。
- Data Acquisition Toolbox 是MATLAB 自带的数据获取工具箱, 其中包含了许多有用的函数供用户调用,这些函数根据各自不同的功能大致可分为以下几组:数据获取对象的构造,获取和设置参数,执行,模拟输入 / 输出函数,数字输入/ 输出函数。在本次设计通用信号发生器的过程中,大量使用了以上函数,并采用两种不同的方式完成数 / 模转换的工作。
二、信号发生器的设计和实现
程序简介
- 程序参考MATLAB 的Data Acquisition Toolbox 实现。在MATLAB 的GUI 设计中,有两种设计方式:利用 GUI 编辑器和编写M 文件。
- GUI 是用户的操作界面,是选择波形、设定和修改波形参数、设定采样率、选择输出通道和运行、停止程序的人机交互接口。本程序的界面中,可选波形包括正余弦( sin ), Sa 波( sin
c ),方波( square ),三角波( triangle ),锯齿波( toot h ),噪声波( random ),频变波( chirp ),以及自定义波形
(读取图形和数据文件)。波形参数包括频率( frequency ), 幅度( amplitude ),直流偏置( offset ),初相位( phase ), 占空比( duty cycle ),频变方法( method ),频变时间
( target time ),初始频率( initial ( F )),目标频率
( target ( F ))等。因为 PCI-6024E 只有 2 路DAC ,所以输出通道的选择只有这 2 路,或者只输出其中的一路。运行、停止则是开始和停止计算波形、输出波形的过程。编写 M 文件来处理GUI 界面的事件的响应。
- 本设计的独特之处在于输出通道的可选择性,可选择 NI-DAQ
( PCI-6024E ),声卡,或者并行等。考虑到信号幅度范围对于不同硬件也是不同的( PCI-6024E 是-10 ~ 10v ),超出范围的部分是无效的,程序同样会报错并停止运行。
- 触发 start 按钮将使程序进入运行状态,这包括计算波形
(二维数组),绘制波形(在 PC 界面坐标系中),以及输出波形
(在选定的输出板卡中)。触发stop 按钮(运行状态时 start 按钮就转变为stop 按钮了)将停止程序的运行,以及数组数据输出到板卡上。
界面浏览
- 本信号发生器的界面大致是有以下五个区域组成:菜单区,参数 设定区( output1 , output2 ),波形绘制( output1output2 ), 输出选择区,以及输出控制区。界面如下图所示。
信号生成
- 信号生成,即是用数学方法将所选波形(连续信号)按采样率离散为数字序列,序列中的各个数字既是信号在采样率分之一时间间隔的采样值。再将各相邻采样点用短直线相连,即可近似还原出原波形。可见,同等情况下,采样率越高,信号的恢复程度越好。
正弦波( sin )
- 正弦波参数如表 1 所示。设采样率: samp
- 数组表示:
t=0:(1/samp):1;
- y= offset + amplitude
*sin(2*pi*frequency*t+phase*pi/180);
- 说明: t 在 1 秒内有 samp 个均匀采样点, y 做为samp×1 的一维
数组输出到板卡的一个通道
Sa 波( sinc )
- Sa 波参数如表 2 所示。设采样率: samp
- 数组表示:
t=0:(1/samp):1;
- y=offset+amplitude*sin(2*pi*frequency*t+phase*pi/
180+eps)./ ( 2*pi*frequency*t+phase*pi/180+eps ) ;
- 这里“ /” 用的是“ ./” ,表示数组中对应元素运算。为了2*pi*frequency*t+phase*pi/180 = 0 的情况表达式仍然有效, 加入无限小量“ eps” 。
方波( square )
- 方波参数如表 3 所示。设采样率: samp
- 数组表示:
t=0:(1/samp):1;
- y= offset + amplitude* sign(duty/100/ frequency -mod(t,
1/frequency));
三角波( triangle )
- 三角波参数如表 4 所示。设采样率: samp
- 数组表示:
t=0:(1/samp):1;
- y=(4*amplitude*frequency*mod(t,1/frequency)- 2*amplitude).*sign(mod(t1,1/frequency)-1/frequency/2)- amplitude+offset;
- 上升和下降的占空比均为 50 %。
锯齿波( tooth )
- 锯齿波参数如表 5 所示。设采样率: samp
- 数组表示:
t=0:(1/samp):1;
- y1=2 *amplitude *frequency *mod(t,1/ frequency)- amplitude+ offset;
噪声波( random )
- 噪声波参数如表 6 所示。设采样率: samp
- 数组表示:
t=0:(1/samp):1;
- y=2* amplitude*(rand(1,length(t))-0.5)+ offset;
- 说明: seed 为每个周期内的采样点数, t 在 1 秒内有 samp 个均匀采样点, y 做为 samp×1 的一维数组输出到板卡的一个通道。
频变波( chirp )
- 频变波参数如表 7 所示。设采样率: samp
- 数组表示:
t=0:(1/samp):1;
- method = linear 时
- y=sin(2*pi*mod(t,tTime).*(iF+mod(t,tTime)*(tF-iF)/tTime));
- method = log 时
- y=sin(2*pi*mod(t,tTime).*mod(t,tTime)*exp(log(tF/iF))*iF/ tTime)
- 说明: t 在 1 秒内有 samp 个均匀采样点, y 做为 samp×1 的一维数
组输出到板卡的一个通道。频率变化的方式不同,输出表达式也不同。
- 注意: method 有两个选项: linear 和 log ;
- 符号“ ./” 用于数组间运算。
自定义波( self-define )
- 自定义波参数如表 8 所示。设采样率: samp
- 说明:本选项是信号发生器的扩展功能之一,通过菜单区操作可以读取保存为图像和数据的文件,输出信号到输出板卡上。
信号输出
- 这个部分,就是把上一部分生成的数组输出到输出板卡上。目前本信号发生器只支持 PCI-6024E 和winsound 。因为 MATLAB 对 PC 扩展板卡的支持十分全面,集成化,所以驱动和 winsound 的代码是非常相似的。
硬件设定(板卡选择和通道选择)
- 板卡选择
- 源代码段:
- out = daqhwinfo;
- device=out.InstalledAdaptors
- set(handles.device,'string',device);
- 说明: daqhwinfo.InstalledAdaptors 包含安装的硬件板卡的信息,将其加入作为下拉列表框的选项。
通道选择
- 源代码段:
- if ~strcmp(get(handles.channel1,'checked'),'on')
y1=zeros(1,samp+1);
- end
- if ~strcmp(get(handles.channel2,'checked'),'on')
y2=zeros(1,samp+1);
- end
- 说明:通道 1 或 2 不输出其实就是把输出数组置为全 0 。
PCI-6024E 相关代码
- 源代码段:
- AO = analogoutput('nidaq',1);
- addchannel(AO,0:1);
- set(AO,'SampleRate',samp)
- set(AO,'RepeatOutput',inf)
- putdata(AO, [y1' y2'])
- start(AO)
…………
- stop(AO)
- delete(AO)
- clear AO
- 说明: analogoutput 指定输出板卡,( PCI-6024E )的 ID 是 1 ; addchannel 加入通道;接着设定采样率,重复次数,; start 启动输出; stop 停止输出, delete 删除输出。
- 注意: putdata 指定输出信号时要用列数组,如上 [y1' y2'] 。
winsound 相关代码
- 源代码段:
- AO = analogoutput('winsound');
- addchannel(AO,1:2);
- set(AO,'SampleRate',samp)
- set(AO,'RepeatOutput',inf)
- putdata(AO, [y1' y2'])
- start(AO)
…………
- stop(AO)
- delete(AO)
- clear AO
三、结束语
- 本设计的主要内容就是基于 MATLAB来实现一个信号发生器,利用了虚拟仪器的灵活性,实现具有除信号发生器一般功能外,还能通过文件或图形获取波形数据,以实现任意波形的生成的信号发生器。
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