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基于LabVIEW的雷电波形信号发生器设计
作者：曹瑞明 刘志华 吴韬 来源：《现代电子技术》2014年第17期
摘 要： 在雷电远场电磁环境模拟实验中，需要产生一个与雷电波形一致的电磁场。基于LabVIEW 2012软件平台，设计开发了一种雷电波形信号发生器，该信号发生器能够产生国家推荐进行雷电试验的7种用双指数函数拟合的雷电波形和任意实测雷电波形的信号。该信号发生器改善了传统的用模拟电路构建的雷电信号源功能单一和参数调节困难等缺点，在实验中取得了理想的效果。
关键词： 雷电波形信号发生器； LabVIEW； 任意实测雷电波形； 雷电信号源 中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 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
传统的函数信号发生器只能够产生正弦波、方波和三角波等几种标准波形，产生其他波形时，需要配合较复杂的外围电路。随着近年来微处理器和大规模集成电路的迅速发展，通过软硬件相结合的方式，已经能够产生较为复杂的波形，并且信号发生器的输出频率有了较大的提高；通过可视化语言，允许用户对生成的波形进行自由定义，实现了可以输出任意波形的目的。
在模拟雷电远场处电磁环境的实验中，需要有一个模拟雷电波形的信号发生装置，因此本文设计了一种能够产生国家推荐进行雷电试验的7种用双指数函数拟合的雷电波形和能够复现雷电定位仪的实测雷电波形的信号发生器。 1 LabVIEW实现
雷电波形发生器的程序实现采用NI公司的LabVIEW 2012作为开发平台。其具有直观的图形化操作界面以及丰富的数据处理库函数，能够实现功能强大和操作灵活的设计方案。
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LabVIEW的开发平台结合NI公司提供的信号源编程工具包NI?FGEN，能产生系统所需要的雷电波形。首先利用FGEN工具包的初始化函数对雷电波形生成器进行初始化，初始化工作包含检测硬件是否存在，是否正常工作，并完成硬件内部的一些初始化工作；初始化完成后利用FGEN提供的配置函数将波形生成器配置成适合当前要求生成信号的环境，其中包含产生信号的幅度、频率、相位等配置；配置完成后，调用生成信号的函数，在波形发生器的相应通道生成要求的信号。软件设计的流程如图1所示。
主程序首先设置硬件和波形参数。根据所选择波形参数类型生成对应波形：若选择双指数波形，则根据双指数函数参数，生成指定时间和点数的数据，并构建指数波形；若选择实测雷电波形，则程序会打开文件选择框，读取有雷电定位仪实测的雷电波形数据数组，根据指定的时间间隔构建波形；若选择常规函数波形，则直接利用LabVIEW中的基本函数发生器产生波形（正弦余弦、三角波、锯齿波和方波等）。最后将产生的波形显示，并通过硬件输出，同时具有错误处理功能。（3） 任意实测的雷电波形生成模块
在波形选择的下拉框中选择“实测雷电波形”，程序会自动弹出波形文件选择窗口。选择需要产生的雷电波形数据文件后，通过调整信号的幅度和每个数据点的时间间隔，即可生成任意实测雷电波形信号。 1.1 程序总体模块设计
总体模块设计模式是采用基于“生产者/消费者”设计的模式。
模式的框架如图3所示。此设计模式的特点是：多线程，多通道，易于数据采集分析处理输出，界面响应不丢失等，是非常经典的程序设计模式。
项目工程由一个主程序“雷电信号发生器.vi”和子程序“波形生成.vi”“波形输出.vi”“触发条件.vi”“基本波形.vi、设置模块.vi、生成实测波形数据.vi、双指数波形.vi、双指数波形选择.vi、双指数函数.vi、限制幅度.vi组成。 1.2 基本波形
基本波形包含正弦波、余弦波、三角波、锯齿波和方波， 这里直接采用LabVIEW自带的波形函数。此模块位于程序框图面板?>编程?>波形?>的“基本函数发生器”模块。该模块可以生成4种基本波形，可设置波形频率、幅值、相位、幅值偏移量、方波占空比、数据点数和波形类型等。这里选择设置波形类型、频率、幅值和相位。运行结果如图4所示。 1.4 实测雷电波形
程序先读取存有雷电定位仪探测到的雷电波形数据文件中的测试数据。用文件I/O面板中的“读取电子表格数据”，数据精度为7位小数点，双精度。由于给出的雷电波形数据文件中的数据格式仅有1列，需要选择转置，以便把1列转为1行读取数据。从波形参数中选取两点数
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据，时间间隔为1 μs（由于单位是μs，因此需要除以1 000 000），幅值放大倍数为10倍。读取的数据数组经过限值之后，和[dt]一起构建数据波形。生成的一次雷电实测波形的运行结果如图6所示。 2 结 语
传统的雷电波形信号源均采用模拟电路如RC振荡电路等产生，采用模拟电路，具有电路参数调整复杂、功能单一等缺点。本文设计的雷电波形信号发生器能够产生多种标准雷电波形，具有波形自定义、波形选择便捷的优点；同时界面简洁美观，实用性强，可用于实验室产生模拟雷电信号。 参考文献
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