基于LabVIEW的雷電波形信號發生器設計

曹瑞明　劉志華　吳韜

摘 要： 在雷電遠場電磁環境模擬實驗中，需要產生一個與雷電波形一致的電磁場。基于LabVIEW 2012軟件平臺，設計開發了一種雷電波形信號發生器，該信號發生器能夠產生國家推薦進行雷電試驗的7種用雙指數函數擬合的雷電波形和任意實測雷電波形的信號。該信號發生器改善了傳統的用模擬電路構建的雷電信號源功能單一和參數調節困難等缺點，在實驗中取得了理想的效果。

關鍵詞： 雷電波形信號發生器； LabVIEW； 任意實測雷電波形； 雷電信號源

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0043?03Abstract：In the experiment of simulating remote lightning electromagnetic environment， an electromagnetic field accordant with lightning waveform needs to be produced. A lightning waveform signal generator was developed based on LabVIEW2012 software. It can produce seven signals of lightning waveform fitted by double exponential function and measured in any actual measurement， as well as recommended by relevant government department. It also overcame the defects， such as singleness and difficult parameter adjustment of lightning signal source constructed by traditional analogous circuit. This signal generator achieved expecting outcome in the experiment.

Keywords： lightning； LabVIEW waveform signal generator； arbitrary measured lightning waveform； lightning signal generator

0 引 言

傳統的函數信號發生器只能夠產生正弦波、方波和三角波等幾種標準波形，產生其他波形時，需要配合較復雜的外圍電路。隨著近年來微處理器和大規模集成電路的迅速發展，通過軟硬件相結合的方式，已經能夠產生較為復雜的波形，并且信號發生器的輸出頻率有了較大的提高；通過可視化語言，允許用戶對生成的波形進行自由定義，實現了可以輸出任意波形的目的。

在模擬雷電遠場處電磁環境的實驗中，需要有一個模擬雷電波形的信號發生裝置，因此本文設計了一種能夠產生國家推薦進行雷電試驗的7種用雙指數函數擬合的雷電波形和能夠復現雷電定位儀的實測雷電波形的信號發生器。

1 LabVIEW實現

雷電波形發生器的程序實現采用NI公司的LabVIEW 2012作為開發平臺。其具有直觀的圖形化操作界面以及豐富的數據處理庫函數，能夠實現功能強大和操作靈活的設計方案。LabVIEW的開發平臺結合NI公司提供的信號源編程工具包NI?FGEN，能產生系統所需要的雷電波形。首先利用FGEN工具包的初始化函數對雷電波形生成器進行初始化，初始化工作包含檢測硬件是否存在，是否正常工作，并完成硬件內部的一些初始化工作；初始化完成后利用FGEN提供的配置函數將波形生成器配置成適合當前要求生成信號的環境，其中包含產生信號的幅度、頻率、相位等配置；配置完成后，調用生成信號的函數，在波形發生器的相應通道生成要求的信號。軟件設計的流程如圖1所示。

主程序首先設置硬件和波形參數。根據所選擇波形參數類型生成對應波形：若選擇雙指數波形，則根據雙指數函數參數，生成指定時間和點數的數據，并構建指數波形；若選擇實測雷電波形，則程序會打開文件選擇框，讀取有雷電定位儀實測的雷電波形數據數組，根據指定的時間間隔構建波形；若選擇常規函數波形，則直接利用LabVIEW中的基本函數發生器產生波形（正弦余弦、三角波、鋸齒波和方波等）。最后將產生的波形顯示，并通過硬件輸出，同時具有錯誤處理功能。（3） 任意實測的雷電波形生成模塊

在波形選擇的下拉框中選擇“實測雷電波形”，程序會自動彈出波形文件選擇窗口。選擇需要產生的雷電波形數據文件后，通過調整信號的幅度和每個數據點的時間間隔，即可生成任意實測雷電波形信號。

1.1 程序總體模塊設計

總體模塊設計模式是采用基于“生產者/消費者”設計的模式。

模式的框架如圖3所示。此設計模式的特點是：多線程，多通道，易于數據采集分析處理輸出，界面響應不丟失等，是非常經典的程序設計模式。

項目工程由一個主程序“雷電信號發生器.vi”和子程序“波形生成.vi”“波形輸出.vi”“觸發條件.vi”“基本波形.vi、設置模塊.vi、生成實測波形數據.vi、雙指數波形.vi、雙指數波形選擇.vi、雙指數函數.vi、限制幅度.vi組成。

1.2 基本波形

基本波形包含正弦波、余弦波、三角波、鋸齒波和方波， 這里直接采用LabVIEW自帶的波形函數。此模塊位于程序框圖面板?>編程?>波形?>的“基本函數發生器”模塊。該模塊可以生成4種基本波形，可設置波形頻率、幅值、相位、幅值偏移量、方波占空比、數據點數和波形類型等。這里選擇設置波形類型、頻率、幅值和相位。運行結果如圖4所示。

1.4 實測雷電波形

程序先讀取存有雷電定位儀探測到的雷電波形數據文件中的測試數據。用文件I/O面板中的“讀取電子表格數據”，數據精度為7位小數點，雙精度。由于給出的雷電波形數據文件中的數據格式僅有1列，需要選擇轉置，以便把1列轉為1行讀取數據。從波形參數中選取兩點數據，時間間隔為1 μs（由于單位是μs，因此需要除以1 000 000），幅值放大倍數為10倍。讀取的數據數組經過限值之后，和[dt]一起構建數據波形。生成的一次雷電實測波形的運行結果如圖6所示。

2 結 語

傳統的雷電波形信號源均采用模擬電路如RC振蕩電路等產生，采用模擬電路，具有電路參數調整復雜、功能單一等缺點。本文設計的雷電波形信號發生器能夠產生多種標準雷電波形，具有波形自定義、波形選擇便捷的優點；同時界面簡潔美觀，實用性強，可用于實驗室產生模擬雷電信號。

參考文獻

[1] 黃松嶺，吳靜.虛擬儀器設計基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2] 豈興明，周建興，矯津毅.LabVIEW 8.2[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3] 陳紹東，王孝波，李斌，等.標準雷電波形的頻譜分析及其應用[J].氣象，2006，32（4）：11?19.

[4] 中華人民共和國機械工業部.GB50054?2010 建筑物防雷設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[5] 范福玲，韓建勛.基于LabVIEW的虛擬信號發生器的設計[J].中原工學院學報，2006，17（4）：26?28.

[6] 張紅光，李正明.基于LabWindows/CVI的虛擬示波器研究與設計[J].現代電子技術，2013，36（9）：168?170.

摘 要： 在雷電遠場電磁環境模擬實驗中，需要產生一個與雷電波形一致的電磁場。基于LabVIEW 2012軟件平臺，設計開發了一種雷電波形信號發生器，該信號發生器能夠產生國家推薦進行雷電試驗的7種用雙指數函數擬合的雷電波形和任意實測雷電波形的信號。該信號發生器改善了傳統的用模擬電路構建的雷電信號源功能單一和參數調節困難等缺點，在實驗中取得了理想的效果。

關鍵詞： 雷電波形信號發生器； LabVIEW； 任意實測雷電波形； 雷電信號源

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0043?03Abstract：In the experiment of simulating remote lightning electromagnetic environment， an electromagnetic field accordant with lightning waveform needs to be produced. A lightning waveform signal generator was developed based on LabVIEW2012 software. It can produce seven signals of lightning waveform fitted by double exponential function and measured in any actual measurement， as well as recommended by relevant government department. It also overcame the defects， such as singleness and difficult parameter adjustment of lightning signal source constructed by traditional analogous circuit. This signal generator achieved expecting outcome in the experiment.

Keywords： lightning； LabVIEW waveform signal generator； arbitrary measured lightning waveform； lightning signal generator

0 引 言

傳統的函數信號發生器只能夠產生正弦波、方波和三角波等幾種標準波形，產生其他波形時，需要配合較復雜的外圍電路。隨著近年來微處理器和大規模集成電路的迅速發展，通過軟硬件相結合的方式，已經能夠產生較為復雜的波形，并且信號發生器的輸出頻率有了較大的提高；通過可視化語言，允許用戶對生成的波形進行自由定義，實現了可以輸出任意波形的目的。

在模擬雷電遠場處電磁環境的實驗中，需要有一個模擬雷電波形的信號發生裝置，因此本文設計了一種能夠產生國家推薦進行雷電試驗的7種用雙指數函數擬合的雷電波形和能夠復現雷電定位儀的實測雷電波形的信號發生器。

1 LabVIEW實現

雷電波形發生器的程序實現采用NI公司的LabVIEW 2012作為開發平臺。其具有直觀的圖形化操作界面以及豐富的數據處理庫函數，能夠實現功能強大和操作靈活的設計方案。LabVIEW的開發平臺結合NI公司提供的信號源編程工具包NI?FGEN，能產生系統所需要的雷電波形。首先利用FGEN工具包的初始化函數對雷電波形生成器進行初始化，初始化工作包含檢測硬件是否存在，是否正常工作，并完成硬件內部的一些初始化工作；初始化完成后利用FGEN提供的配置函數將波形生成器配置成適合當前要求生成信號的環境，其中包含產生信號的幅度、頻率、相位等配置；配置完成后，調用生成信號的函數，在波形發生器的相應通道生成要求的信號。軟件設計的流程如圖1所示。

主程序首先設置硬件和波形參數。根據所選擇波形參數類型生成對應波形：若選擇雙指數波形，則根據雙指數函數參數，生成指定時間和點數的數據，并構建指數波形；若選擇實測雷電波形，則程序會打開文件選擇框，讀取有雷電定位儀實測的雷電波形數據數組，根據指定的時間間隔構建波形；若選擇常規函數波形，則直接利用LabVIEW中的基本函數發生器產生波形（正弦余弦、三角波、鋸齒波和方波等）。最后將產生的波形顯示，并通過硬件輸出，同時具有錯誤處理功能。（3） 任意實測的雷電波形生成模塊

在波形選擇的下拉框中選擇“實測雷電波形”，程序會自動彈出波形文件選擇窗口。選擇需要產生的雷電波形數據文件后，通過調整信號的幅度和每個數據點的時間間隔，即可生成任意實測雷電波形信號。

1.1 程序總體模塊設計

總體模塊設計模式是采用基于“生產者/消費者”設計的模式。

模式的框架如圖3所示。此設計模式的特點是：多線程，多通道，易于數據采集分析處理輸出，界面響應不丟失等，是非常經典的程序設計模式。

項目工程由一個主程序“雷電信號發生器.vi”和子程序“波形生成.vi”“波形輸出.vi”“觸發條件.vi”“基本波形.vi、設置模塊.vi、生成實測波形數據.vi、雙指數波形.vi、雙指數波形選擇.vi、雙指數函數.vi、限制幅度.vi組成。

1.2 基本波形

基本波形包含正弦波、余弦波、三角波、鋸齒波和方波， 這里直接采用LabVIEW自帶的波形函數。此模塊位于程序框圖面板?>編程?>波形?>的“基本函數發生器”模塊。該模塊可以生成4種基本波形，可設置波形頻率、幅值、相位、幅值偏移量、方波占空比、數據點數和波形類型等。這里選擇設置波形類型、頻率、幅值和相位。運行結果如圖4所示。

1.4 實測雷電波形

程序先讀取存有雷電定位儀探測到的雷電波形數據文件中的測試數據。用文件I/O面板中的“讀取電子表格數據”，數據精度為7位小數點，雙精度。由于給出的雷電波形數據文件中的數據格式僅有1列，需要選擇轉置，以便把1列轉為1行讀取數據。從波形參數中選取兩點數據，時間間隔為1 μs（由于單位是μs，因此需要除以1 000 000），幅值放大倍數為10倍。讀取的數據數組經過限值之后，和[dt]一起構建數據波形。生成的一次雷電實測波形的運行結果如圖6所示。

2 結 語

傳統的雷電波形信號源均采用模擬電路如RC振蕩電路等產生，采用模擬電路，具有電路參數調整復雜、功能單一等缺點。本文設計的雷電波形信號發生器能夠產生多種標準雷電波形，具有波形自定義、波形選擇便捷的優點；同時界面簡潔美觀，實用性強，可用于實驗室產生模擬雷電信號。

參考文獻

[1] 黃松嶺，吳靜.虛擬儀器設計基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2] 豈興明，周建興，矯津毅.LabVIEW 8.2[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3] 陳紹東，王孝波，李斌，等.標準雷電波形的頻譜分析及其應用[J].氣象，2006，32（4）：11?19.

[4] 中華人民共和國機械工業部.GB50054?2010 建筑物防雷設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[5] 范福玲，韓建勛.基于LabVIEW的虛擬信號發生器的設計[J].中原工學院學報，2006，17（4）：26?28.

[6] 張紅光，李正明.基于LabWindows/CVI的虛擬示波器研究與設計[J].現代電子技術，2013，36（9）：168?170.

摘 要： 在雷電遠場電磁環境模擬實驗中，需要產生一個與雷電波形一致的電磁場。基于LabVIEW 2012軟件平臺，設計開發了一種雷電波形信號發生器，該信號發生器能夠產生國家推薦進行雷電試驗的7種用雙指數函數擬合的雷電波形和任意實測雷電波形的信號。該信號發生器改善了傳統的用模擬電路構建的雷電信號源功能單一和參數調節困難等缺點，在實驗中取得了理想的效果。

關鍵詞： 雷電波形信號發生器； LabVIEW； 任意實測雷電波形； 雷電信號源

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0043?03Abstract：In the experiment of simulating remote lightning electromagnetic environment， an electromagnetic field accordant with lightning waveform needs to be produced. A lightning waveform signal generator was developed based on LabVIEW2012 software. It can produce seven signals of lightning waveform fitted by double exponential function and measured in any actual measurement， as well as recommended by relevant government department. It also overcame the defects， such as singleness and difficult parameter adjustment of lightning signal source constructed by traditional analogous circuit. This signal generator achieved expecting outcome in the experiment.

Keywords： lightning； LabVIEW waveform signal generator； arbitrary measured lightning waveform； lightning signal generator

0 引 言

傳統的函數信號發生器只能夠產生正弦波、方波和三角波等幾種標準波形，產生其他波形時，需要配合較復雜的外圍電路。隨著近年來微處理器和大規模集成電路的迅速發展，通過軟硬件相結合的方式，已經能夠產生較為復雜的波形，并且信號發生器的輸出頻率有了較大的提高；通過可視化語言，允許用戶對生成的波形進行自由定義，實現了可以輸出任意波形的目的。

在模擬雷電遠場處電磁環境的實驗中，需要有一個模擬雷電波形的信號發生裝置，因此本文設計了一種能夠產生國家推薦進行雷電試驗的7種用雙指數函數擬合的雷電波形和能夠復現雷電定位儀的實測雷電波形的信號發生器。

1 LabVIEW實現

雷電波形發生器的程序實現采用NI公司的LabVIEW 2012作為開發平臺。其具有直觀的圖形化操作界面以及豐富的數據處理庫函數，能夠實現功能強大和操作靈活的設計方案。LabVIEW的開發平臺結合NI公司提供的信號源編程工具包NI?FGEN，能產生系統所需要的雷電波形。首先利用FGEN工具包的初始化函數對雷電波形生成器進行初始化，初始化工作包含檢測硬件是否存在，是否正常工作，并完成硬件內部的一些初始化工作；初始化完成后利用FGEN提供的配置函數將波形生成器配置成適合當前要求生成信號的環境，其中包含產生信號的幅度、頻率、相位等配置；配置完成后，調用生成信號的函數，在波形發生器的相應通道生成要求的信號。軟件設計的流程如圖1所示。

主程序首先設置硬件和波形參數。根據所選擇波形參數類型生成對應波形：若選擇雙指數波形，則根據雙指數函數參數，生成指定時間和點數的數據，并構建指數波形；若選擇實測雷電波形，則程序會打開文件選擇框，讀取有雷電定位儀實測的雷電波形數據數組，根據指定的時間間隔構建波形；若選擇常規函數波形，則直接利用LabVIEW中的基本函數發生器產生波形（正弦余弦、三角波、鋸齒波和方波等）。最后將產生的波形顯示，并通過硬件輸出，同時具有錯誤處理功能。（3） 任意實測的雷電波形生成模塊

在波形選擇的下拉框中選擇“實測雷電波形”，程序會自動彈出波形文件選擇窗口。選擇需要產生的雷電波形數據文件后，通過調整信號的幅度和每個數據點的時間間隔，即可生成任意實測雷電波形信號。

1.1 程序總體模塊設計

總體模塊設計模式是采用基于“生產者/消費者”設計的模式。

模式的框架如圖3所示。此設計模式的特點是：多線程，多通道，易于數據采集分析處理輸出，界面響應不丟失等，是非常經典的程序設計模式。

項目工程由一個主程序“雷電信號發生器.vi”和子程序“波形生成.vi”“波形輸出.vi”“觸發條件.vi”“基本波形.vi、設置模塊.vi、生成實測波形數據.vi、雙指數波形.vi、雙指數波形選擇.vi、雙指數函數.vi、限制幅度.vi組成。

1.2 基本波形

基本波形包含正弦波、余弦波、三角波、鋸齒波和方波， 這里直接采用LabVIEW自帶的波形函數。此模塊位于程序框圖面板?>編程?>波形?>的“基本函數發生器”模塊。該模塊可以生成4種基本波形，可設置波形頻率、幅值、相位、幅值偏移量、方波占空比、數據點數和波形類型等。這里選擇設置波形類型、頻率、幅值和相位。運行結果如圖4所示。

1.4 實測雷電波形

程序先讀取存有雷電定位儀探測到的雷電波形數據文件中的測試數據。用文件I/O面板中的“讀取電子表格數據”，數據精度為7位小數點，雙精度。由于給出的雷電波形數據文件中的數據格式僅有1列，需要選擇轉置，以便把1列轉為1行讀取數據。從波形參數中選取兩點數據，時間間隔為1 μs（由于單位是μs，因此需要除以1 000 000），幅值放大倍數為10倍。讀取的數據數組經過限值之后，和[dt]一起構建數據波形。生成的一次雷電實測波形的運行結果如圖6所示。

2 結 語

傳統的雷電波形信號源均采用模擬電路如RC振蕩電路等產生，采用模擬電路，具有電路參數調整復雜、功能單一等缺點。本文設計的雷電波形信號發生器能夠產生多種標準雷電波形，具有波形自定義、波形選擇便捷的優點；同時界面簡潔美觀，實用性強，可用于實驗室產生模擬雷電信號。

參考文獻

[1] 黃松嶺，吳靜.虛擬儀器設計基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2] 豈興明，周建興，矯津毅.LabVIEW 8.2[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3] 陳紹東，王孝波，李斌，等.標準雷電波形的頻譜分析及其應用[J].氣象，2006，32（4）：11?19.

[4] 中華人民共和國機械工業部.GB50054?2010 建筑物防雷設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[5] 范福玲，韓建勛.基于LabVIEW的虛擬信號發生器的設計[J].中原工學院學報，2006，17（4）：26?28.

[6] 張紅光，李正明.基于LabWindows/CVI的虛擬示波器研究與設計[J].現代電子技術，2013，36（9）：168?170.