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。