基于VS2008的任意波形生成軟件的設計與開發(fā)

黃繼國+張世清+羅劍兵

摘 要

本文介紹了一種任意波形生成軟件的開發(fā)和設計，主要應用了VS2008開發(fā)工具，依據(jù)時域采樣定理，可以實現(xiàn)基本波形和自定義波形的采樣，支持對波形進行編輯，比如對某一段波形翻轉(zhuǎn)、鏡像、刪除等；同時可以對波形進行數(shù)學運算，比如兩個波形的加減乘除；生成的波形可以保存為文件，或者通過USB發(fā)送到波形發(fā)生器。此軟件極大地提高了波形發(fā)生器的可用性，解決一些要求復雜的項目需求。

【關(guān)鍵詞】任意波形 VS2008 時域采樣定理 波形發(fā)生器

1 引言

任意波形發(fā)生器作為信號源的一種，在通信、電子等領(lǐng)域的設備研發(fā)、生成、測試中起到非常重要的作用。目前，任意波形發(fā)生器廣泛采用DDS（Direct Digital Synthesizer）技術(shù)，DDS采用查找表的方式，將存儲在存儲單元中的波形數(shù)據(jù)按照一定的次序取出，按照一定頻率，通過控制電路將數(shù)據(jù)進行D/A轉(zhuǎn)換，最后形成模擬信號輸出。這種波形發(fā)生器由于是全數(shù)字化，具有轉(zhuǎn)換速度快、輸出頻率穩(wěn)定、噪聲低等特點。其工作原理如圖1所示。由圖示可以知道，任意波形發(fā)生器的源波形都是存儲在存儲單元中，但是由于任意波形發(fā)生器的硬件限制，本機無法快速生成任意波形，必須借助于計算機，通過計算機軟件生成任意波形數(shù)據(jù)，然后下發(fā)到波形發(fā)生器中，再由波形發(fā)生器輸出波形。因此，任意波形生成軟件具有不可替代的作用，本文將主要介紹軟件相關(guān)的設計與開發(fā)。

2 任意波形生成軟件設計及開發(fā)

2.1 軟件基本架構(gòu)及開發(fā)工具介紹

任意波形生成軟件主要由數(shù)據(jù)初始化、波形建立和波形應用三個部分組成，基本架構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)初始化主要根據(jù)用戶設定值初始化采樣點數(shù)和波形周期，從而建立繪圖窗口。

波形建立部分主要包括兩個功能：生成波形功能和編輯波形功能，用戶通過生成波形功能，可以快速生成基本波形（例如正弦波、方波等）、按公式建立波形、手繪波形，也可以按點建立波形；用戶通過編輯波形功能，可以對選擇的波形進行編輯（翻轉(zhuǎn)、循環(huán)移動、疊加波形、按點編輯等）；

通過波形應用，用戶可以保存設計的波形，以便于下次調(diào)用；也可以通過USB與波形發(fā)生器連接，將波形下發(fā)到機器，從而生成相應信號。

為實現(xiàn)以上功能，軟件設計將選用VS2008開發(fā)工具，VS2008引入了250多個新特性，整合了對象、關(guān)系型數(shù)據(jù)、XML的訪問方式，語言更加簡潔。提供了可視化的設計界面，控件應用非常方便，使用Visual Studio 2008可以高效開發(fā)Windows應用程序。

2.2 波形生成原理及方法

本軟件波形的生成方法主要依據(jù)時域采樣定理：頻帶為F的連續(xù)信號f（t）可用一系列離散的采樣值f（t1）、f（t1±Δt）、f（t1±2Δt）、...來表示，只要這些采樣點的時間間隔Δt≤1/2F，便可根據(jù)各采樣值完全恢復原來的信號f（t）。根據(jù)圖1所示，存儲單元存儲的波形信號是按一定時間順序的波形幅度值，所以任意波形生成軟件最后生成的波形也將是按一定時間順序的幅度值。由于存儲器空間限制，最大采樣點將有所限制，本軟件最大支持16M點采樣，用戶可以根據(jù)需要進行設置。

根據(jù)用戶設置的采樣點數(shù)和時域采樣定理，可以根據(jù)公式一得到采樣間隔時間Δt等于1/NF，其中N表示采樣點數(shù)，F(xiàn)表示連續(xù)信號的頻帶。只要保證N的值大于2，就完全滿足時域采樣定理，因此，可以按時間間隔Δt對信號進行采樣，從而得到波形的采樣點值。

Δt = 1/NF <公式一>

軟件設計方面，將以斜波的采樣為例，決定斜波形狀的主要參數(shù)有峰峰值、偏移量、周期數(shù)、相位及對稱度，用戶可以根據(jù)需要，在配置界面上完成各項參數(shù)的配置，配置界面如圖3所示。

在完成配置之后，程序即可以對斜波進行采樣，斜波采樣代碼清單如下：

int Np = sample_num / cycle， I = 0；

double Nz = Np * symmetry；

double Rstep = 2.0 / Nz；

double Fstep = 2.0 /（Np - Nz）；

int np = （int）（degree* Np/360）；

for（int i = 0； i < sample_num； i++）

{

I = （i + np） % Np；

if（I < Nz）{

data_sample[i] = （float）（amplitude / 2 * （ Rstep * I - 1.0） + offset）；

}else{

data_sample[i] = （float）（amplitude / 2 * （ 2.0 - Fstep * （I - Nz） - 1.0） + offset）；

}

if（data_sample[i] > 10） data_sample[i] = 10；

else if（data_sample[i] < -10） data_sample[i] = -10；

}

2.3 波形繪制

波形采樣完成之后，需要直觀的將采樣數(shù)據(jù)顯示給用戶，即需要在繪圖區(qū)域顯示采樣數(shù)據(jù)（即波形）。波形繪制主要應用了VS2008提供的panel控件，通過panel建立畫刷，利用畫刷繪制點或者線，從而實現(xiàn)波形顯示，在繪制的過程中，可以同時指定畫刷的顏色，通過波形繪制，用戶可以更方便、更準確地生產(chǎn)各種波形。

波形繪制的基本流程如圖4所示。首先對數(shù)據(jù)進行初始化，比如獲取繪圖區(qū)的寬度和高度，取得采樣值的最大值和最小值等；然后將清除當前顯示內(nèi)容，并重新繪制電氣表格和X、Y軸的坐標；最后，根據(jù)繪圖區(qū)域的寬度和采樣數(shù)確定繪制點和線的坐標。如果繪圖區(qū)寬度小于采樣數(shù)，則以等分步距抽取采樣點進行繪制，同時得到步距內(nèi)的最大值和最小值，并顯示最大值和最小值，以防止抽取數(shù)據(jù)時導致波形無法顯示完全；如果繪圖區(qū)寬度大于采樣數(shù)，則繪圖區(qū)需要間隔一定的點，從而將所有采樣點顯示到繪圖區(qū)。

2.4 文件存儲及數(shù)據(jù)通信設計

用戶完成波形采樣并繪制之后，最終目的是下發(fā)給波形發(fā)生器，從而生成相應的信號，或者保存為文件，以便于以后使用。

文件的存儲可以使用VS2008的saveFileDialog控件，當用戶點擊保存按鈕時，將執(zhí)行this->saveFileDialog1->ShowDialog（）程序，從而顯示保存文件對話框，程序根據(jù)用戶輸入的文件名和路徑保存文件。文件存儲為二進制數(shù)據(jù)，根據(jù)文件格式，首先需要以二進制可寫模式創(chuàng)建或者打開文件；然后查找波形采樣值的最大值和最小值，根據(jù)最大值和最小值對采樣數(shù)據(jù)進行歸一化處理；數(shù)據(jù)處理完成之后即可根據(jù)文件格式依次寫入文件名、采樣點總數(shù)和采樣值。

3 任意波形生成軟件測試

根據(jù)任意波形生成軟件的基本框架，對任意波形生成軟件進行了基本測試，主要測試內(nèi)容有：繪圖區(qū)建立、基本波形生成、公式編輯、波形編輯、文件存儲和數(shù)據(jù)通信等功能。經(jīng)過測試，通過VS2008生成的應用軟件可以工作于windows XP、win7、win8等系統(tǒng)，基本功能正常，波形生成、繪制迅速，軟件非常穩(wěn)定可靠。通過軟件生成一個總時間為1s、總采樣點數(shù)為16K、幅度2V、周期數(shù)為2、對稱度為80%的斜波如圖5所示。

4 結(jié)論

通過實際測試和應用，使用VS2008設計開發(fā)的任意波形生成軟件在windows系統(tǒng)下工作比較穩(wěn)定可靠。軟件提供的功能非常豐富，用戶可以很方便地生成各種波形；由于此軟件數(shù)據(jù)采樣的方法主要依據(jù)時域采樣定理，所以得到的采樣值比較準確，能有效地表示波形信號；提供繪圖區(qū)，比較直觀地展示了用戶繪制的波形。綜上所述，此軟件具有功能全面、采樣準確、繪圖迅速、穩(wěn)定可靠等特點，在各種開發(fā)、測試中得到廣泛地應用。

參考文獻

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作者單位

南京電子技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210039