基于MATLAB的数字信号发生器报告

基于MATLAB的数字信号发生器设计报告

摘要：数字信号发生器是基于软硬件实现的一种波形发生仪器。在工工程实践中需要检测和分析的各种复杂信号均可分解成各简单信号之和，而这些简单信号皆可由数字信号发生器模拟产生，因此它在工程分析和实验教学有着广泛的应用。MATLAB是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，他的数据采集工具箱为实现数据的输入和输出提供了十分方便的函数和命令，在数字信号处理方面方便实用。本文介绍了使用MATLAB建立一个简单数字信号发生器的基本流程，并详细叙述了简单波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波、白噪声）信号的具体实现方法。

关键字：MATLAB，数字信号发生器

1概述

随着计算机软硬件技术的发展，越来越多现实物品的功能能够由计算机实现。信号发生器原本是模拟电子技术发展的产物，到后来的数字信号发生器也是通过硬件实现的，本文将给出通过计算机软件实现的数字信号发生器。

信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子技术实验、自控系统和科学研究等领域。传统的台式仪器如任意函数发生器等加工工艺复杂、价格高、仪器面板单调、数据存储、处理不方便。以Matlab

和LabVlEW 为代表的软件的出现，轻松地用虚拟仪器技术解决了这些问题。

Matlab 是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，他的数据采集工具箱（data acquisition toolbox ）为实现数据的输入和输出提供了十分方便的函数和命令，利用这些函数和命令可以很容易地实现对外部物理世界的信号输出和输入。根据声卡输出信号的原理，采用Matlab 软件编程，可以方便地输出所需要的正弦波、三角波、方波等多种信号，有效地实现信号发生器的基本功能。

2设计原理

要设计的数字信号有正弦信号、方波信号、三角波、锯齿波、白噪声、脉冲信号。其中，前五种波形都可以利用MATLAB 提供的函数实现，并根据输入的幅值、相位、频率等信息进行调整。脉冲信号由自己编写程序实现，并以定义的时间节点控制脉冲出现的时刻。

2.1正弦信号的实现

正弦波信号的数学表达式如2.1，

()sin 2y A ft πφ=+ 2.1

其中：A 为幅值；

f 为频率；

φ为相位。

在MATLAB 中，相应的数字信号可以由下式2.2计算，

()()sin 2y n t A fn t πφ∆=∆+ 2.2

式中时间变量t 可构造为一个一维数组，并由式2.3进行付值，

0:1/:0.5t cf = 2.3

其中：cf ——采样频率。

幅值、频率、相位、采样频率等在用户界面输入。在t 与y 的表达式都得到以后，用plot 二维作图函数获得波形显示。

2.2方波信号实现

像正弦波一样，从用户界面获得幅值、频率、相位、采样频率等信息，用square 函数获得对应y 坐标值，用plot 绘图，格式如式2.4

(),y square t duty = 2.4

其中，duty ——占空比。

2.3三角波和锯齿波的实现

这两种波形的y 坐标表达式皆要借助于sawtooth 命令。

Sawtooth(t)用于产生周期为2π，幅值从-1~+1的锯齿波，波形的斜率为1/π。

Sawtooth(t ，width)用于产生三角波，其中width 是取值介于0和1之间的一个参数，它决定了在一个周期中峰值的发生点。本设计中取width=0.5，可以获得标准形状的三角波。

完整y 坐标表达式如式2.5，

()()2/360,0.5y a sawtooth ft πφ=⋅+ 2.5

2.4白噪声的实现

白噪声的定义：白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。换句话说，此信号在各个频段上的功率是一样的，由于白光是由各种频率（颜色）的单色光混合而成，因而此信号的这种具有平坦功率谱的性质被称作是“白色的”，此信号也因此被称作白噪声。

白噪声的实现借助于randn 函数，它的功能是产生一个均值为零方差为1的随机高斯分布序列，如式2.6

()()*y a randn size t = 2.6

其中，a ——幅值；

1:1/:0.5

t cf =2.5脉冲信号的实现

考虑到脉冲信号出现的时刻可以进行调节，借助图形界面输入相位信息设置时间节点，如式

()0:1/:0.5;

0.5*/360;

t cf n x y t n ===== 2.7

3设计方法

（1）图形界面设计

打开MATLAB ，新建一个空白的图形界面文件，计算需要添加的控件种类及个数并设计它们的布局。

（a ）添加1个axes 控件，用于显示波形；

（b）添加5个static text控件作为窗口说明使用；

（c）添加4个Slider控件用于输入幅值、频率等信号信息；

（d）添加4个edit text控件用于显示幅值、频率等信号信息；

（e）添加7个push button空间用于各种操作的开始控制；

双击各个控件并修改其颜色、大小及string属性。得到界面如下：

（2）各控件对应的回调函数的编辑

界面控件及布局创建完成以后，自动生成包含各控件回调函数在内的m文件。点击保存时可以修改fig及m文件名。系统自动生成的m文件包括：

function varargout=signalgenerator(varargin)function signalgenerator_OpeningFcn(hObject,eventdata,handles,varargin) function varargout=signalgenerator_OutputFcn(hObject,eventdata, handles

以及各个控件对应的回调函数的框架，如：

function a_Callback(hObject,eventdata,handles)等等。