2019年11月11日 | 基于LabVIEW的虚拟示波器设计

　　0引言

　　虚拟仪器是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器的突出优点在于能够与计算机技术结合，将计算机资源与仪器硬件，数字信号处理技术与不同功能的软件模块结合，组成不同的仪器功能。用户可根据测试的需要，自己设计所需要的仪器系统，即利用数据采集卡及计算机外围硬件进行信号的采集与检测，然后用计算机所编的软件来实现对信号的处理、计算和分析以及对测试结果进行显示。

　　波形分析是信号处理中重要的分析手段。虚拟示波器的出现改变了原有示波器的整体设计思路，用软件代替了硬件。将传统仪器由硬件实现的数据分析与显示功能，改由功能强大的计算机及其显示器来完成，使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析和波形分析。 LabVIEW(实验室虚拟仪器集成环境)是NI公司(美国国家仪器公司)的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境，可实现数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试等实验室研究和工业自动化领域的实际任务。LabVIEW从基本的数学函数、字符串处理函数、数据运算函数、文件I／O函数到高级分析库，包括了信号处理、窗函数、滤波器设计、线性代数、概率论与数理统计、曲线拟合等，涵盖了仪器设计中几乎所有需要的函数。LabVIEW的功能模块包括数据采集、通用接口总线和仪表的实时控制、数据分析、数据显示以及数据的存储。拥有大量数据采集和仪表控制的功能模块和开发工具，因此，LabVIEW可以编出外观和功能都与真实仪表很相似的程序。

　　1虚拟示波器的方案设计

　　虚拟示波器是虚拟仪器平台测控系统输出部分中常用的电子测试仪器之一，是一种分析和比较信号的综合性仪器，能在荧光屏上将电压或电流以时间函数的形式描绘出来，是电信号的时域测量和显示仪器。它的主要功能是精确复现作为时间函数的电压波形，显示的波形用来确定数量的信息(如幅度、频率)，也可用来获得其质量的信息(如波形)；还可用来比较两个不同的波形，并测量它们的时间和相位关系。本文介绍利用NI公司数据采集卡PCI-6014及LabVIEW应用开发环境，开发基于PCI总线的虚拟示波器。

　　本虚拟示波器的主要功能包括：3种通道信号输入、触发控制、通道控制、时基调整控制、幅度调整控制、波形显示、参数自动测量等。基本性能如下：数据采样速率为100KSPS(千次采样每秒)，分辨率为12 bit；波形显示模式为通道A或B或A&B；电压参数测量为Vrms和Vpp波形类型为双踪示波；通道选择为通道0或1。

　　虚拟示波器主要由软件控制完成信号的采集、处理和显示。其功能结构如图1所示。最终能实现数据采集、处理、显示等功能。

　　2虚拟示波器模块的设计

　　虚拟示波器由一块基于PCI总线的多功能数据采集卡和相应的软件组成，将它们安装在一台PC机上，采集卡选用NI公司的PCI-6041，系统的软件采用模块化的思想编写，每个功能的实现由一个模块完成，然后由主控模块调用各个于模块，即可构成一个功能强大的数字虚拟示波器。实际测量是输入信号通过BNC接头从输入端子进人数据采集卡进行数据采集，同时用NI公司提供的Measurement Automation进行简单的设置，便可完成系统软件与数据采集卡之间的通信。软件采用模块化设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成，软件总体上包括程序控制、波形显示、通道选择、位置调整、触发控制等模块组成，最终能实现数据采集、调节、处理、显示等功能。 程序控制模块是虚拟双踪示波器软件的主要部分，完成提供本示波器的操作以及停止按钮。在运行次程序之后，点击其帮助信息可以出现简单的操作说明对话框，还设置了其相应的键盘快捷键。

　　软件提供的波形显示方式是通过显示通道选择按钮"A"、"B"和"A&B"，可以任意显示某一通道或同时显示两个通道输入信号的波形，当选择通道"A"、"B"时分别是"A"、"B"的波形，采集外部数据；当选择"A&B"时，同时显示两个通道输入信号的波形，此时实现了外部数据的采集，可以根据需要来采集显示外部信号，也可任意选择波形(方波、正弦波、三角波等)。排序如图2所示。

　　软件还提供两个调节按钮，分别是时基调整和幅度调整。时基调整可以调节显示屏横坐标的分度值(5 ms／div～20 ms／div)，幅度调整可以调节显示屏纵坐标的分度值(0.5 V／div～2 V／div)。也可以设为自行调节。图3是时基调整和幅度调整代码图的局部。

　　本示波器提供3种触发方式，分别为电源触发、斜坡触发和电平出发。

　　将上述功能模块依一定的逻辑组合，即可实现预定的功能。

　　3系统调试

　　根据对虚拟示波器设汁要求和设计思想，开发出相应的应用程序。本系统软件的主操作界面如图4所示。

　　虚拟双踪示波器模块可以对信号波形进行采样、采样值数字化并存储，然后可从存储器中读出，重建波形，并用清晰、均匀的轨迹显示在屏幕上。实验中选用EM系列函数发生器作为信号源对虚拟示波器的性能进行检测，该信号源可以自由调节输入信号的波形类型、频率及幅值。同时，观察软面板上虚拟示波器波形窗口和通用示波器上的波形显示，以此来验证虚拟示波器模块波形显示的精度。

　　将信号源的信号输出与连接器的A／D输入引脚用双线电缆连接，设置波形为正弦波，选择不同频率、不同幅值，通过真实通用示波器的测试和运行虚拟示波器程序的比较，町以看到，所设计的虚拟示波器的精度高于通用示波器。

　　4结束语

　　利用NI公司数据采集卡PCI-6014及LabVIEW应用开发环境，开发的基于PCI总线的虚拟数字示波器基本实现了传统示波器的数据采集、调节、处理、显示等功能，并实现波形存储，具有较高的测试精度和友好的人机界面。