基于LabVIEW6.1的数字存储示波器设计

0 引言
　　1986年，美国国家仪器公司提出了虚拟仪器概念。它是一种程序设计思想，是前面板、数据流框图和图标或连接器的有机结合，密不可分。随着现代测试与仪器技术的发展，目前虚拟仪器概念已经发展成为一种创新的仪器设计思想。它是以通用计算机（含LabVIEW软件）为操作平台，以模块化功能硬件为桥梁的测控系统。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是解决信号的输入和输出问题的方法和软件赖以生存运行的物理环境，软件才是整个仪器的核心，用于实现硬件的管理和仪器功能的实现[1]。用户只需通过调整或修改仪器的软件，便可方便地改变或增减仪器系统的功能与规模，甚至仪器的性质，完全打破了传统仪器有厂家定义，用户无法改变的模式，给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间。

1 数据采集模块功能
　　LabJack U12是基于USB的多功能数据采集和控制设备。它提供了8路单端或4路差分模拟输入端，分辨率为12位。差分输入充分利用可编程放大器的低噪音精度，提供增益G=1、2、4、5、8、10、16、20，且给出比16位更高的分辨率。2路模拟输出端，分辨率为10位。20路数字I/O口和4kBRAM缓存。能够实现单路或多路软、硬件实时数据采集。当用硬件实时数据采集时，有两种采集方式可供选择：以触发方式，可以从1—4路模拟输入端采集数据，采样速率高达8kS/s；以数据流方式，采样速率高达1.2kS/s。当用软件采集数据时，以命令/应答方式，可从4路或8路模拟通道同时采集数据，平均每通道采样频率高达50 kS/或25kS/s。

2 数字存储示波虚拟仪器结构

（1）电信号
　　根据数据采集模块的功能要求，只能对电压信号进行采样，而且只有当电信号的频率低于4kHz时，才能复现待测信号。对于单端输入，电信号的幅值范围-10V～+10V。对于差分输入，可以利用数据采集卡的可编程放大器功能，扩大待测信号的电压范围。

（2）数据采集模块
　　数据采集模块LabJack U12是由北京迪阳科技发展公司研发制造，包括硬件和驱动软件两大部分。硬件部分主要有模拟输入和输出端，数字I/O端，计数器，八路模拟开关，程控放大器，采样/保持器，A/D转换器，缓存器，定时和逻辑控制器等。驱动软件是用图形化编程软件设计，有20多个VI程序。本文设计数字存储示波器用到的驱动软件有模拟触发采集和数据流采集。

（3）计算机编程软件
　　构建虚拟仪器重在计算机内编程，开发虚拟仪器的编程语言有两类：一是基于文本编程语言。目前普遍流行的是Visual Basic和Visual C++。二是图形化编程语言。例如，美国NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI,HP公司的VEE。通过比较筛选，LabVIEW是开发虚拟仪器最高效的软件。因此，作者利用LabVIEW6.1设计数字存储示波虚拟仪器。

3 测试原理
（1）离散傅里叶变换（DFT）
设模拟信号xi(t)(i=0,1,2…7))经过A/D转换为有限长序列xi（nT）＝xi(n)。N为采样值，T为采样周期。离散傅里叶变换对如下：

（2）周期信号有效值计算

互相关函数估计

4 数字示波器软件设计
（1）面板图设计
⒈控件
　　采集模块参数初始化控件：采集模块ID号，可以有选择的使用多个数据采集模块。采集方式选择为菜单控件，有触发和数据流两种采集方式。扫描速率根据采集的通道数目在0～8kS/s范围内选择，扫描数值菜单控件共有六种数值：128、256、512、1024、2048、4096。模拟输入通道选择簇控件包括通道号（单极性和双极性12种）选择，差分增益（G=1、2、4、5、8、10、16、20）和通道数目（1、2、4）。巴特沃思滤波器的参数设置：滤波器阶数和最低截至频率控件。原信号时频控件与滤波后时频控件用于开启4路信号的选择按钮。电压/格与时间基旋转按钮能够调节时域波形图的Y和X坐标范围。周期信号参数值由信号参数值按钮控制其实时显示。保存数据路径控件能够选择用于存储波形数据的路径。保存按钮可以同时保存各通路的时域和频域波形数据。布尔控件用来停止数字存储示波器虚拟仪器的运行。

⒉指示器
　　波形图分别显示信号时域特性和频域特性。周期信号的有效值、频率及两种周期信号的相位差均以字符串指示器得以显示。布尔指示器（过电压指示）用于指示采样信号电压是否越限。

图2 数字存储示波器前面板

（2）框图程序设计
　　框图是源程序的可执行代码，它有控件端子、节点、连线和指示器端子组成。根据程序模块化设计思想，把数字存储示波虚拟仪器分成六个功能子模块（图3）。

图3 数字存储示波器功能模块

5 数字存储示波器与传统仪器的比较
数字示波虚拟仪器与HP54603B功能比较

　　由上表可以看出，数据采样频率低于HP54603B，测量的参数没有HP54603B多。但是总的来说，数字存储示波器的性价比高，可扩展功能，优于传统仪器。

6 数字存储示波器的应用
　　应用函数信号发生器对数字存储示波器进行调试，测试结果正确，运行良好（图4）。数字存储示波器能够应用于电工电子实验和信号检测教学中。

图4 参数测量值