[毕业设计精品]基于LabVIEW的虚拟双踪示波器的设计

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1、摘要摘 要示波器是科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。虚拟数字存储示波器是虚拟仪器技术的一种具体应用，主要由数据采集、数据处理和结果显示三大部分组成。其中，数据处理和结果显示由计算机软件系统来完成，只有数据采集是在软件的控制下由硬件来完成。本文主要利用功能强大的图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW，完成虚拟双踪示波器的设计。本设计采用模块化的设计思想，将每个功能均由一个模块来完成。其中主要包括由信号发生、触发控制和采样控制组成的数据采集模块，由滤波、频谱分析、加窗处理和波形存储及回放组成的信号分析及处理模块，时基控制的波形显示模块。数据处理和结果显示都是由计算机软件系统来实现的，而数据

2、采集则是在软件的控制下由硬件来完成的。本文所设计的虚拟示波器除具有通用功能外，又优于普通示波器，具有自身的优点，如滤波、频谱分析、波形的存储和调用，其成本低廉，功能可根据应用的需要不断地扩展。最后对虚拟示波器进行了系统测试和性能分析，实验结果达到了预先的设计要求。关键词：虚拟仪器，虚拟双踪示波器，LabVIEW39ABSTRACTABSTRACTScope of scientific research and engineering design is a widely used general-purpose equipment. Virtual Digital Storage Oscill

3、oscope is a kind of virtual instrument technology specific application, mainly by the data acquisition, data processing and the results showed three major components. Among them, the data processing and results accomplished by the computer software system, only the data acquisition is under the cont

4、rol of the software from the hardware to complete.This paper mainly using powerful graphical LabVIEW virtual instrument development platform, completed the design of virtual oscilloscope double steps.This design USES the modular design thought, will each function all by a module to complete. Include

5、 the signal happen and trigger the control and sampling control the data acquisition module, composed by filtering, spectrum analysis, add window treatment and waveform storage and playback of signal analysis and processing module, the time base control of the waveform display module. Data processin

6、g and the results showed that are made by computer software system to achieve, and the data acquisition is under the control of the software by the hardware to finish. In this paper, the design of virtual oscilloscope is in addition to the general function, and better than the ordinary oscilloscope,

7、 which has its own advantages, such as filtering, spectrum analysis, waveform, the storage and call low cost, according to the needs of the function can be used continuously expanded. At last the virtual oscilloscope system test and performance analysis, the experimental results to advance design re

8、quirements. KEY WORDS: Virtual instrument, Virtual oscilloscope.Were double, LabVIEW 目录目 录1 绪 论11.1问题的提出及课题研究意义11.2 虚拟仪器概述21.3 虚拟仪器的现状71.4 本研究的内容92 虚拟示波器的基本原理112.1示波器的结构112.2示波器的波形显示原理122.3虚拟示波器的工作原理143 系统设计173.1 硬件设计183.2 软件设计193.2.1 LabVIEW编程环境介绍193.2.2 软件编程223.3 信号分析及处理设计253.3.1波形存储及调用293.3.2数据存储

9、293.3.3 数据回放303.3.4 显示控制314 虚拟示波器的调试与测试结果334.1虚拟示波器的性能指标334.2程序的调试与仪器对比测试结果334.2.1波形显示调试结果334.2.2触发控制调试354.2.3数据分析和处理调试365结论与展望37参考文献391 绪论1 绪 论1.1问题的提出及课题研究意义随着电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展，其在仪器技术和测量技术上的应用也越来越广，仪器仪表结构在许多方面都较传统仪器有很大突破，在功能和作用上发生了质的变化，由此产生了许多新的测试仪器、测试理论、测试方法。同时越来越复杂的测试条件，高度自动化的工业化大生产迫切需要功

10、能更强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器。随着科技的发展，虽然传统仪器也得到迅猛的发展，仪器精度越来越高，功能越来越强，性能越来越好，但传统仪器基本上没有摆脱单独使用、手动操作的局限。在工业自动化测试及测量领域，传统的测量方法使用起来很不便利，其局限性非常明显，显然已经不能适应时代发展的需要了。传统台式仪器的主要结构由硬件构成,是由厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，形式相对固定，所能实现的测试功能单一，每种仪器只能实现一类测量功能，用户在使用过程中难以对其功能进行改变，并只能以确定的方式提供给用户。因此人们对测试仪器提出了更高的要求:例如测试精度高，可靠性好，功能强，仪器体积小，测试

11、全程自动化，智能化，使用灵活方便，升级便利, 同时还能进行测量数据的存储、处理和显示,具有和其他仪器设备(如计算机等) 进行数据通讯等功能。今后电子测试仪器的发展方向，是从模拟技术转向数字技术，从单台仪器转向多种功能组合仪器，从硬件实现仪器功能转向软硬件结合使用，从简单的功能组合转向以一个人计算机为核心的测试平台，从硬件模块转向软件包形式。基于计算机的测试仪器的思想逐渐形成，美国国家仪器公司首先提出了“软件即是仪器”的口号，虚拟仪器应运而生。虚拟仪器的核心思想是利用计算机的强大资资源，使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大程度地降低系统成本，增强系统灵活性。在现代电子测量、仪器仪表等领域，示

12、波器是电子信号测量行业最常用的仪器之一，主要用来测量并显示被测信号的参数和波形，在科学试验及现场检测等许多领域被广泛应用。目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破度难。计算机技术的进步为新型测控仪器的产生提供了技术基础、功能更强的应用软件提供了方便。虚拟仪器的诞生，使用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器的设计，增加传统台式仪器所不具备的功能，还能利用先进的计算机技术提高效率，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计。因此，目前研制一种结构简单、操作方便、生产技术要求不高、成本低的数字示波器是

13、非常必要的。1.2 虚拟仪器概述信号调理器D/A转换器信号调理器信号调理器数据发生器A/D转换器人机接口信号分析及处理器各类接口显示器虚拟仪器 (Virtual Instrument)是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓的智能化仪器。随着计算机功能的日益强大及其体积的日趋缩小，这类仪器的功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。所谓虚拟仪器就是在通用计算机上选用一组软件和硬

14、件，使得在操作这台仪器时就像使用一台自己设计的专用的传统仪器，操作人员可以通过友好的用户界面来控制仪器的启动、运行和结束，只需要向仪器发布一个测试指令，就可以获得最终的测试结果和信息。完成对被测信号的数据采集、信号分析、波形显示、故障诊断、数据存储以及控制输出等功能。虚拟仪器的构成如图1-1所示：图1-1 虚拟仪器的结构测量仪器的发展，一种较普遍地说法是分为五个阶段，如图1-2所示数字仪器智能仪器虚拟仪器电子仪器模拟仪器七十年代五十年代20世纪19世纪九十年代图1-2 测量仪器的发展模拟仪器主要有模拟式电压表、电流表等，这些仪表解决了当时对某些量的测量需求。从二十世纪初到五十年代左右，测量理论

15、、方法与电子技术、控制技术相结合，出现了以记录仪和示波器为代表的电子仪表。五十年代以后，随着晶体管和集成电路的出现以及应用电子技术的发展，数字技术成功地应用到测量仪器。七十年代初，出现了智能仪器。智能仪器是将微机置于仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力及解决测量技术问题深度和广度等方面都有明显的进步。这种内置微处理器的仪器，既能进行自动测试又能完成数据处理，可取代部分的脑力劳动。但在数字化仪器和智能仪器阶段基本上没有摆脱传统仪器那种独立使用、手动操作的模式，难以胜任更复杂、多任务的测量需求。为解决这样的问题，总

16、线式仪器与系统应运而生。人们发明制造出CAMAC、RS232和GPIB(即IEEE-488)等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能仪器连在一起，以构成更复杂的测试系统。但在复杂的总线式仪器系统中还有许多重复的部件或功能单元，如键盘、CRT、存储器等。1987年，美国的惠普和泰克等5家公司在VME总线的基础上，联合提出了一种新型总线系统VXI总线。由于它的标准基于开放性原则，又具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用，很快得到了广泛的应用。尤其是在组建中、大规模自动测量测试系统，以及对速度、准确度要求较高的场合，有着其它仪器系统无法比拟的优势。1997年Nl公司推出了一种新的

17、仪器总线标准PXI总线标准。相对VXI仪器，PXI仪器具有成本低、便于组成便携式测试系统等优点。这些以PC为核心、由测量功能软件支持，具有虚拟控制面板、必要仪器硬件和通信能力的PC仪器或VXI仪器就是虚拟仪器。电测量理论和技术的不断发展、测量领域和测量观念的不断拓展，给测量仪器仪表提出了更高的要求。仪器是测量的工具，测量的本质是利用仪器仪表获得定量认知的过程，测量的实现离不开仪器仪表，测量技术的发展过程，也就是仪器仪表的发展过程。因而，为适应测量技术发展的需要，仪器仪表技术也不断地进步和提高，虚拟仪器就是为了适应测量技术发展的需要而产生并发展起来的。虚拟仪器利用PC机显示器的显示功能模拟传统仪

18、器的功能面板，以多种形式表达输出检测结果，利用PC机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由FO接口设备完成信号的采集、调理和测量，从而完成各种测试功能。虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源(如微处理器、显示器等)和仪器硬件(如A/D、D/A、数字FO、定时器、信号调理等)的测量能力、控制能力结合在一起。虚拟仪器突破了传统仪器以硬件为主体的模式。实际上使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两个方面的含义：（1）虚拟仪器的面板是虚拟的虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪

19、器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”，实现被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，以及实现测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”进行操作的。虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放大”等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需要的图标，然后对图标的属性进行设置。(2)虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的虚拟仪器是在以PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件

20、编程来实现仪器的功能。当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据分析、处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以用于电子测量、分析、处理等领域，而且还可以用于进行设备的监控及工业过程自动化。虚拟仪器系统可以广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药、和工业生产等各种领域的电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。现有的虚拟仪器系统按硬件工作平台主要可有以DAQ板卡和信号调理为仪

21、器硬件而组成的PC总线的PC-DAQ测试系统，或以GPD3，VXI，Serial和 Field bus等标准总线为仪器硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。常见虚拟仪器组建方案如图1-3所示:信号调理器数据、图像采集卡GPIB接口卡GPIB接口仪器串行口仪器计算机（装有虚拟仪器开发软件）被测对象并行口仪器VXI仪器现场总线（field，CANbus）设备其它计算机硬件板卡图1-3 常见虚拟仪器组建方案(l)PC-DAQ插卡式的VI这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成数据采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，

22、其关键在于A/D转换技术。这种方式受PC机机箱、总线限制，存在电源功率不足、机箱内噪声电平较高、无屏蔽、插槽数目不多、尺寸较小等缺点。但因插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适合于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。(2)并行口式的VI最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种VI功能。它的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC相连，实现台式和便携式两用，非常方便。(3)GPIB总线方式的VIGPIB(General Porpose Interface Bus)技术的出现使电子测量由独立的单台手工操

23、作向大规模自动测试系统发展。典型的GPIB系统由一台PC机，一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。GPIB测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的场合。(4)VXI总线方式的VIVXI总线是高速计算机总线VME在VI领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持等的优点，得到了广泛的应用。它适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但VXI总线要

24、求有专用机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。(5)PXI总线方式的VIPXI总线是PCI在VI领域的扩展。这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。(6)网络接口方式的VI 尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司己经开发了通过web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，能够方便的将虚拟仪器组成计算机网络，利用网络技术将分散

25、在不同地理位置不同功能的设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。(7)USB接口方式的VIUSB因其在PC机上的广泛使用、即插即用的特性和USB2.0高达480Mbits/s的传输速率，使其逐渐成为仪器控制的主流总线技术。USB接口被广泛应用，也使得工程师可以很方便的将基于USB的测量仪器连接到整个系统中。但是USB在仪器控制方面亦有一些缺点，比如USB的传输线没有工业标准的规格，在恶劣的环境下，可能造成数据的丢失，此外，USB对传输线的距离也有一定的限制。无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式微机或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的

26、。一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的所有功能，而且在许多方面还有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可一机多用、可重复开发等。与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下优点：表1-1 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器开放、灵活，可与计算机保持同步发展封闭仪器间相互配合较差核心是软件，系统升级方便核心是硬件，升级成本较高价格低廉，仪器间投资可以重复利用价格昂贵，仪器间无法相互利用用户可自定义仪器功能仪器功能在出厂前有厂家定义好的可以与周边设备方便互联与其它仪器设备的连接十分有限软件使得开发与维护费用低开发与维护开销高技术更新周期短（1-2年）技术更新周期长（5-1

27、0年）数据可编辑、储存、打印数据无法编辑1）融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。而且高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。2）利用了计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统的灵活性;另一方面，通过软件技术和相应的数值算法，实时、直接地对测量数据进行各种分析与处理另，通过图形用户界面技术，真正做到界面友好、人机交互。3）基于计算机总线和模块化仪器总线，使仪器的硬件实现了模块化、系列化，大大缩小了系统的尺寸，可方便地构建模块化仪器 (Instrument o

28、n a Card)。4）基于计算机网络技术和接口技术，使系统具有方便、灵活的互联能力，广泛支持诸如CAN， Field Bus，PROFIBUS，USB、PCI等各种工业总线标准。因此，利用VI技术可方便地构建自动测试系统(ATS，Automatic Test System)，实现测量、控制过程的网络化。5）基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建和维护时间。表1-1是虚拟仪器和传统仪器的比较。1.3 虚拟仪器的现状1. 国外研究现状虚拟仪器

29、技术在国外一直发展很快，以美国国家仪器公司为代表的一批厂商己经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，己作为各大学理工科学生的一门必修课程。近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响力的开发软件，是Nl公司的LabVIEW软件和Labwindows/CVI开发软件。LabVIEW采用图形化编程语言，是非常实用的开发软件。另外还有美国HP公司的HP-VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronix公司的Ez-Test和介Tek

30、-TNS软件，以及美国HEM Data公司的Snap-Master平台软件，都是国际上公认的好的虚拟仪器开发平台软件。世界各国的公司为使虚拟仪器能够适应各种总线标准的配置，开发了大量的软件及适应要求的硬件插件，可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。美国NI公司在1997年推出的模块化仪器平台PXI的传输速率己达到100Mb/s，是目前己经发布的最高传输速度。另外虚拟仪器的开发厂家在为扩大虚拟仪器的功能和测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库，例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、

31、峰值和阀值检测、波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等，使虚拟仪器发展成为可以组建成极为复杂的自动测试系统。2. 国内研究现状我国虚拟仪器的发展并不晚，几乎和国外领先企业处于同一时期。但由于众所周知的原因，整个仪器行业，包括虚拟仪器发展在过去的20年中，大部分时间处于停滞阶段。好在国内测试测量厂商意识到了这问题，并积极做出反应，使我国仪器仪表行业整体处于回暖状态，虚拟仪器也得到发展，特别是以计算机加A/D转换器及软件应用来实现传统仪器中的示波器、频谱分析仪等，有力打破了国外企业垄断的市场局面，促进了国内仪器行业的全面繁荣。3. 虚拟仪器的发展趋势虚拟仪器之所以被称为仪器，就是

32、在于它是面对信号的，而不是面对数据的。它具有输入输出，不可能只由软件组成，通常需要由硬件平台、软件平台、计算机及数学模型几方面组成。其本质体现的是仪器的软件化，在可以预见的未来，虚拟仪器的软件平台将模块化、标准化、专业化、系列化和网络化。测量结果的不确定度是仪器行业的一个基本问题，虚拟仪器的智能化和软件化及模型化特点，可以使给出测量结果的同时，给出其不确定度。目前的虚拟仪器硬件平台已经有了标准化和通用化趋势，与软件模块的标准化发展趋势一样，硬件标准也是其发展的一个重要方向。目前一部分虚拟仪器模块及系统，如数据采集系统，早在虚拟仪器概念提出之前就已经存在，所以，虚拟仪器概念的建立、提出和发展，一

33、直是围绕着现有仪器设备和功能，逐步强调和加大软件在仪器中的地位和作用，并以软件技术代替硬件技术为核心进行，逐渐将非虚拟仪器虚拟化。未来虚拟仪器的发展，有必要突破原来非虚拟仪器的概念，诞生新型仪器设备，它符合测量对客观世界的一种展示这种实质理念。例如，人们已经有可能研制出“统计特性分析仪”，一边测量分析任何一个信号的统计特性。除此之外，虚拟仪器的发展空间还会更大。1.4 本研究的内容结合虚拟仪器技术和软件编程技术，本文以美国国家仪器公司 LabVIEW8.2为软件开发平台，以NI公司的数据采集卡USB-6008作为硬件平台，设计并实现了一个虚拟示波器。相比传统示波器，在功能上有很大的提高，使用更

34、方便，具有一定的实用价值。本课题的主要工作是首先进行虚拟双踪示波器(简称虚拟示波器)的整体设计，熟悉数据采集卡的使用并明确数据采集的基本理论，掌握虚拟仪器的软件编程环境LabVIEW的使用，用图形化编程语言LabVIEW实现虚拟示波器的数据采集模块、信号的分析处理模块。2 虚拟示波器的基本原理2 虚拟示波器的基本原理示波器是电子信号测量行业最常用的仪器之一，它是利用电子射线的偏转，来复现电信号瞬时值图象的一种仪器。它把肉眼不能直接看见的电信号变换成可见的波形，形象的显示出来，便于人们研究个重点现象的变化过程。利用示波器可以观察各种不同信号的幅度随时间变化的规律，还可以测试各种不同的电量，如电压

35、、电流、频率、相位差、调幅度等。目前示波器在科学试验及现场检测等许多领域被广泛应用。2.1示波器的结构1. 示波管的结构示波器的基本组成部分包括示波管、竖直放大器（Y轴放大器）、水平放大器（X轴放大器）、扫描发生器、触发同步和直流电源等部分。示波管的基本结构如图2-1所示。由于示波管的偏转灵敏度很低，其垂直偏转灵敏度也较低，所以一般的被测信号电压都要经过放大电路的放大，再加到示波管的垂直偏转板上，得到垂直方向适当大小的图形，一边分析处理。同理，水平方向的电压也要加放大电路。显示电路包括了示波管及其控制部分。扫描电路产生一个锯齿波电压。该锯齿波电压的频率能在一定的范围内连续可调。锯齿波电压的作用

36、是使示波管阴极发出的电子束在荧光屏上形成周期性的、与时间成正比的水平位移，即形成时间基线。这样，才能把加在垂直方向的被测信号按时间的变化波形展现在荧光屏上。电源供给电路供给垂直与水平放大电路、扫描与同步电路以及示波管与控制电路所需的负高压、灯丝电压等。图2-1 示波管的基本结构2. 示波器的结构现代示波器的简化方框图如图2-2所示。它主要由主机、Y轴系统、X轴系统三个部分组成。被测信号接到“Y”输入端，经Y轴衰减器适当衰减后送至放大器(前置放大)，推挽输出信号和。经延迟级延迟Tl时间，到Y2放大器。放大后产生足够大的信号5和6，加到示波管的Y轴偏转板上。为了在屏幕上显示出完整的稳定波形，将Y轴

37、的被测信号引入X轴系统的触发电路，在引入信号的正(或者负)极性的某一电平值产生触发脉冲，启动锯齿波扫描电路(时基发生器)，产生扫描电压。由于从触发到启动扫描有一时间延迟T2，为保证轴信号到达荧光屏之前X轴开始扫描，Y轴的延迟时间Tl应稍大于X轴的延迟时间T2。扫描电压经X轴放大器放大，产生推挽输出和，加到示波管的X轴偏转板上。Z轴系统用于放大扫描电压正程，并且变成正向矩形波，送到示波管栅极。这使得在扫描正程显示的波形有某一固定辉度，而在扫描回程进行抹迹。图2-5 示波器的简化框图2.2示波器的波形显示原理 （1）扫描作用如果只在竖直偏转板上加一交变的正弦电压，则电子束的亮点将随电压的变化在竖直

38、方向来回运动，如果电压频率较高，则看到的将是一条竖直亮线。如图2-2所示。图2-2 波形扫描垂直显示要显示出波形，必须同时在水平偏转板上加一个扫描电压，使电子束的亮点同时沿着水平方向拉开。这种扫描电压的特点是电压随时间成线性关系增加到最大值，然后突然回到最小，此后再重复地变化。扫描电压随时间变化的关系曲线形同“锯齿”故称“锯齿波电压”，如图2-3所示。当只有锯齿波电压加在水平偏转板上，如果频率足够高，则会在荧光屏上显示一条水平亮线。图2-3 波形扫描水平显示如果在竖直偏转板上（简称Y轴）加正弦电压，同时在水平偏转板上（简称X轴）加锯齿波电压，电子同时受竖直、水平两个方向的力的作用，则电子的运动

39、为两相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压与正弦电压变化周期相等时，在荧光屏上将能显示出一个完整的正弦电压的波形图（随着时间的推移X和Y信号同步周期性地出现），如图2-4所示。图2-4 波形显示原理（2）触发扫描普通示波器的扫描电压是采用自激锯齿波振荡器产生的连续信号，当Y轴输入信号时，就显示波形，当Y轴未输入信号时，显示为一条水平线，这种扫描方式称为连续扫描，连续扫描对显示正弦波、对称方波、三角波是最合适的，但如果用来显示很窄的脉冲信号时，就无法得到理想的结果，因为难以看清脉冲的前后沿等情况，因此必须采用触发扫描方式。所谓触发扫描，就是使扫描电路在被测脉冲信号或与之有一定关系的外来脉冲信号的触发

40、下，才产生扫描电压，经过一定时间后又自动恢复到起始状态，完成一次扫描，然后等待下一个脉冲的到来，再重新进行一次扫描。因为扫描的起点由触发信号控制，因此，每次显示的波形必定重合，图象就能保持稳定。（3）同步作用 要在示波器荧屏上获得稳定的波形，被测信号的频率必须为扫描电压（锯齿波）频率的整数倍，即有。 如果被测信号与锯齿波两者频率不满足整倍数的关系，或两者中的任一频率发生变化，每次扫描显示的图形就不能重合。而实际电路中由于电源电压不稳定或其他原因，都会引起被测信号和扫描信号频率的变化，这种变化随时可能发生，依靠人工手动调节“扫描微调”旋钮，无法始终保持两者整数比的关系，所以必须设法使两者频率自动

41、保持整数比，为此，可利用被测信号电压或与此有关的电压，去强迫控制锯齿波的频率，使之与被测信号频率保持整数比，这就是同步（或称为整步），用来控制锯齿波频率的信号则称为同步信号。2.3虚拟示波器的工作原理虚拟示波器整体上包括硬件和软件两部分。其硬件通常包括通用计算机和外围硬件设备。通用计算机可以是笔记本电脑、台式计算机或工作站等。外围设备可以选择GPIB系统、VXI系统、PXI系统、数据采集系统或其他系统，也可以选择有两种或两种以上系统构成的混合系统;软件包括操作系统、示波器驱动器和应用软件三个层次。操作系统可以选择Windows9X/NT/2000/XP、SUNOS、Linux等。虚拟示波器驱动

42、程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。示波器驱动器与通信接口及开发环境相联系，是虚拟示波器的核心，可帮助用户完成对示波器硬件的控制。目前流行的虚拟仪器开发软件不但提供世界各地主要厂家生产的多种仪器驱动程序，而且提供重要的模块化代码，可以很方便地进行示波器驱动程序的开发设计。应用软件通过示波器驱动器实现与外围硬件模块的通信连接。应用软件指实现示波器功能和软面板的软件程序。利用计算机强大的计算能力和虚拟示波器开发软件功能强大的函数库极大地提高了虚拟仪器的数据分析处理能力。如内置分析能力能对采集到的信号进行平滑、数字滤波、频域转换等分析处理。软面板是用户与示波器之间交流信息的纽带。虚拟示波器在

43、工作时利用前面板去控制系统。与传统示波器物理面板相比，虚拟示波器软面板最大的特点就是用户可自定义软面板，用户可根据自己的需要来组成不同的虚拟示波器控制面板。对于虚拟示波器来说，精度和准确度以及带宽都是非常重要的参数。虚拟示波器将模拟信号数字化的过程是利用采样时钟的A/D转换器来完成的。时钟信号决定A/D转换的时间，并把转换后的数据存入存储器。完成存储后，虚拟示波器能读出这些数据并将采样点按其时间间隔以一定的表示方法显示出来，因此虚拟示波器的水平分辨力是由存储器中采样点的时间间隔决定的。采样频率越高，水平分辨力就越高。（1）虚拟示波器的垂直分辨力是由模数转换器的位数决定的，n位的转换器有l/ 的

44、分辨力。如果所选用的数据采集卡是12位的，其在垂直方向上可以分辨出65536个数据点，分辨力为。虚拟示波器的垂直精度首先受A/D转换器精度的限制，一般要比分辨力低。同时，它还受输入输出放大器的线性度和精度的影响，因此不能通过垂直分辨力来计算垂直精度。虚拟示波器所采用的时钟是由一个具有既定频率的晶体振荡器产生的，它的精确度可以高于，同时数字时钟还提供了良好的稳定性，因此采样量值序列有很高的线性度。示波器的使用者主要依靠眼睛和显示器上的刻度来辨别信号，由于人为误差，所观察的值根本达不到示波器的精度和分辨力，浪费了示波器资源。虚拟示波器由于已经将输入信号数字化，因此使用者可以通过它提供的光标测试功能

45、来提高测试效果。光标测试功能是数字显示出光标所在位置的信号的值和时间值，从而可以减少人为误差。（2）示波器用户的观测目标就是获得感兴趣信号的准确波形，同时具有最小的失真。衡量虚拟示波器可靠度的一个重要指标就是带宽。模拟示波器的带宽是一个固定的值，而虚拟示波器有两种带宽：模拟带宽和数字带宽。模拟带宽是指虚拟示波器可以无失真的接受最高输入信号的频率，它由虚拟示波器的信号调理电路决定。虚拟示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字带宽，一般并不作为一项指标直接给出。一般厂家指的都是模拟带宽，实际数字带宽是要低于这个值。所以在数字带宽低于模拟带宽时，欠采样一个信号，利用

46、示波器观察单次波形就会看到混叠现象。混叠现象的危险性在于事实上用户可能不知道信号是欠采样的，认为示波器显示的是一个正确的波形。模拟信号经同轴电缆进入采集卡的输入通道，经过前置滤波电路、衰减电路、可变增益的放大电路，将信号处理成A/D转换器可以处理的标准电平，经过A/D采样量化转化成计算机可以处理的数字信号并缓存到存储器里。通过PC机的PCI总线接口控制模拟通道的阻抗匹配、放大器的增益选择、启动A/D转换及转换结束的识别，并将采集数据以DMA方式传输到计算机内存，同时对数据信号进行分析处理、显示、存储及打印输出等。数据采集的流程如下：(l)对下位机采集卡中与数据采集相关的一些硬件参数进行设置；(

47、2)下位机采集卡开始采集数据，并将采集到的数据暂存在先进先出的缓冲区中；(3)当缓冲区存满数据后，一方面将数据读取到用户程序的数组中，产生一个采样数据集合，并在程序中对数据进行各种处理;另一方面，得到缓冲区满的消息后，通知采集卡卡暂时停止采集外部数据，并进一步清空缓存里的内容。虚拟示波器是采用基于计算机的虚拟技术，用以模拟通用示波器的面板操作和处理功能，也就是使用个人计算机及其接口电路来采集现场或实验室信号，并通过图形用户界面(GUI)来模仿示波器的操作面板，完成信号采集、调理、分析处理和显示输出等功能。3 系统设计3 系统设计本文所开发的虚拟示波器，是在数据采集硬件的支持下，配备一定功能的软

48、件，完成波形数据的采集、分析处理、存储回放以及显示控制等功能。一般测试仪器由信号采集、信号处理和结果显示三大部分组成，这三部分均由硬件构成。虚拟示波器也是由这三大部分组成，其中，信号处理和结果显示是由软件系统实现的，信号采集部分则是由硬件实现的。软件部分的程序流程图如图3-1所示。初始化信号采集样值送缓冲触发识别显示缓冲区若干个点有按键按下是否为触发点按键处理仿真信号图3-1 虚拟示波器程序流程图3.1 硬件设计数据采集技术是LabVIEW的核心技术之一，也是LabVIEW与其他编程语言相比的优势所在。使用LabVIEW的DAQ技术，可以编写出强大的DAQ应用软件。模拟信号采集是LabVIEW

49、的DAQ中一个主要功能，本研究所选用的数据采集卡为NI的USB-6008，特性如表3-1所示。硬件框图如图3-2所示。表3-1 数据采集卡USB-6008的特性特性USB-6008AI分辨力12位差分，11位单端最大AI采样率，单个通道10KS/s最大AI采样率，多个通道（总计）10KS/sDIO配置集电极开路1.设备表层标签 带引脚排列方式示意 3. 信号标签2. Combicon连接器插座 4. USB线缆图3-2 数据采集卡连接框图图3-3 数据采集程序框图3.2 软件设计3.2.1 LabVIEW编程环境介绍LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument E

50、ngineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司推出的一种基于G语言（Graphics Language，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发平台。LabVIEW是目前应用最广泛、发展最快、功能最强的虚拟仪器开发环境。它类似于 Visual Basic、Visua1 C+、C语言。但LabVIEW的特点在于：它使用图形化编程语言G在流程图中创建源程序，而没有使用基于文本的语言来产生源程序代码。LabVIEW是一个多线程、最佳化的图形编译器，它能在最大程度上优化系统的性能。无论是使用基于计算机的插入式仪器设备，还是使用GPIB、VXI、Ethenet接口或是串口的独

51、立仪器设备，LabVIEW内置的驱动程序库和具有工业标准的设备驱动软件都可以对仪器系统进行全面的控制。LabVIEW数据采集库包含了许多有关采集和生成数据的函数，它们与NI的插卡式或远程数据采集产品协同工作。数据采集卡是进行高速直接控制以及低速控制的理想设备。它能够为集成式测量方案提供功能强大且完备的测量分析库，这些软件库可以完成极限测试、频率分析、滤波及信号生成等任务。LabVIEW具有许多特性，能使测量和自动化应用方案完全适用于用户企业的生产经营，能将应用方案以网页的形式发表，或在互联网的应用程序间进行数据的传递。LabVIEW拥有完整的Web服务器，可以随时发布测量结果。LabVIEW专

52、业版开发系统包括应用程序生成器 (Application Builder)，可以创建并发布独立的可执行程序、共享库或动态连接库(DLL)。使用共享库可以使开发的应用程序代码进行重新使用。DLL提供最大的灵活性，可以将LabVIEW与其它开发工具如VB、VC和NI的 Measurement Studio结合起来。LabVIEW应用程序生成器可以创建安装程序，以便Windows环境中执行可运行程序。该环境包含包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标连接端口。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制(Controls)，为虚拟仪器的框图程序提

53、供数据；输出量被称为显(Indicators)，显示虚拟仪器流程图中获得或产生的数据。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、波形图等，这使得前面板直观易懂。每一个程序前面板都与一段框图程序对应着，框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由节点(Node)、数据连线(Wire)构成。节点式VI程序中的执行元素，类似于文本编程语言程序中的语句、函数或子程序。节点之间数据连线按照一定的逻辑关系相互连接，可定义框图程序内的数据流动方向。节点之间、节点与前面板对象之间是由同数据端口和数据连线来传递数据的。数据端口是数据在前面板对象和

54、框图程序之间传输的通道，是数据在框图程序内节点之间传输的接口。LabVIEW中有两种类型的数据端口：控制端口、指示端口、节点端口。控制端口和指示端口用于前面板对象，当VI程序运行时，从控制输入的数据通过控制端传递到框图程序，供其中的程序使用，产生的输出数据在通过指示端口传输到前面板对应的指示中显示。每个节点端口都有一个或多个数据端口用于输入或输出。LabVIEW采用的是一种获得专利的数据流编程模式，这不同于一些基于文本的编程语言的线性结构，不同于执行一个传统的控制流方法。控制流执行的是指令驱动，而数据流执行的是数据流驱动或依赖数据的。但一个虚拟仪器的图标被放置在另一个虚拟仪器的流程图中时，它就

55、是一个子仪器 (SubVI)。图标/连接端口可以把VI变成一个SubVI。然后像子程序一样在其它程序中调用。图标是SubVI的直观标记，是SubVI在其它程序框图中被调用的节点表现形式；而连接端口则表示该SubVI与调用它的VI之间进行数据交换的输入/输出口，就像传统编程语言子程序的参数。在许多应用程序中，运行速度是至关重要的。LabVIEW是现在唯一最佳的图形化开发环境，运行速度等同于编好的C或C+程序。因此，LabVIEW是虚拟示波器设计的最佳选择。LabVIEW是具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。操作模板共有三类，

56、为工具模板(Tools)、控制模板(Controls)和功能模板(Functions)三类。（1）工具模板 (Toofs Palette)为编程者提供了各种创建、修改和调试程序的工具，当从模板内选择任意一种工具后，鼠标箭头就会变成可操作的该工具相应的形状。（2）控制模板(Controls Palette)可以给前面板添加输入控制和输出显示，每个图标代表一个子模板。（3）功能模板(Functions Palette)是创建框图程序的工具，该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。工具模板、控制模板和功能模板都可以通过“查看”下拉菜单选择相应的命令显示该模板。控制模板还可以在前面板的空白处，单击鼠

57、标右键弹出。功能模板也可以在框图程序窗口的空白处单击鼠标右键弹出。工具模板、控制模板和功能模板分别如图3-4所示。图3-4 函数选板、控件选板、工具选板a. 前面板使用输入控制和输出显示来构成前面板。控制是用户输入数据到程序的接口，而显示是输出程序产生输出接口。控制和显示有许多种类，可以从控制模板的各个子模板中选取。两种最常用的前面板对象是数字控制和数字显示。若想要在数字控制中输入或修改数值，只需要用操作工具点击控制部件和增减按钮，或者用操作工具或标签工具双击数值栏进行输入数值修改。b. 框图程序框图程序是由节点、端点、图框和连线四种元素构成的。节点是程序执行元素，类似于文本语言程序的语句、函

58、数或者子程序。LabVIEW有两种节点类型，即函数节点和子VI节点，两者的区别在于：函数节点是LabVIEW编译好了的机器代码供用户使用，而子VI节点是以图形语言的形式提供给用户的。用户可以访问和修改任一子VI节点的代码，但无法对函数节点进行修改。LabVIEW有三类端点：前面板对象端点、全局与局部变量端点和和常量端点。对象端点是数据在框图程序部分和前面板之间传输的接口。一般来说，一个VI前面板上的对象都在框图中有一个对象端点与之一一对应。当在前面板创建或删除对象时，可以自动创建或删除相应的对象端点。控制对象对应的端点在框图中是用粗框框住的，只能在VI程序框图中作为数据流源点；显示对象对应的端

59、点在框图中是用细框框住的，且只能在VI程序框图中作为数据流终点。常量端点永远只能在VI程序框图中作为数据流源点。图框是LabVIEW实现程序结构控制命令的图形表示，如循环控制、条件分支控制和顺序控制等，编程人员可以使用它们控制VI程序的执行方式。连线是端口间的数据通道。它们类似于普通程序中的变量。数据是单向流动的，从源端口向一个或多个目的端口流动。不同的线型代表不同的数据类型：蓝色代表整形数、橙色代表浮点数、绿色代表逻辑量、粉色代表字符串、青色代表文件路径。当需要连接两个端点时，在第一个端点上点击连线工具，按住移动到另一个端点，再点击第二个端点。端点的先后次序不影响数据流动的方向序。c. 框图

60、程序窗口创建前面板对象用选择和连线工具，都可以用鼠标右键点击任意节点和端点，然后从弹出菜单中选择“创建常数”、“创建控件”或“创建显示”等命令。 LabVIEW会自动地在被创建的端点与所点击对象之间接好连线。d. 数据流编程控制VI程序的运行方式叫做“数据流。对一个节点而言，只有当它的所有输入端口上的数据都成为有效数据时，它才能被执行。当节点程序运行完毕后，把结果数据送给所有的输出端口，使之成为有效的数据，并且数据很快从源端口送到目的端口。3.2.2 软件编程本文所设计的虚拟示波器除了具有与下位机采集卡通信、控制采集卡进行数据采集的功能外，还具有产生模拟仿真信号的功能，具体程序框图如图3-6所

61、示。用LabVIEW自带的信号源产生仿真信号，对其进行处理分析，进而可以验证示波器其他部分的功能。具体可利用前面板上的功能选择按钮进行选择。因为本文所设计的示波器是双通道的，所以产生两路的仿真信号，每一路分别用一个case选择框对仿真信号进行选择，调用信号处理/波形生成中的正弦波形(Sine Waveform.vi)、方波波形(Square Waveform.vi)、三角波波形(Triangle Waveform.vi)和锯齿波波形 (Sawtooth Waveform.vi)的一种，由于采集的真实信号一般都带有噪声，因而再给每路信号外加一个标准方差为0.04的高斯白噪声。图3-5 示波器前面

62、板图3-6 仿真信号的产生触发控制：示波器的触发功能可以在信号的正确点处同步水平扫描，这对表现清晰的信号特性非常重要。如果每一次扫描的起始都从信号的不同位置开始，那么屏幕上的图象会很混乱。触发的目的是保证信号波形稳定地显示，每次扑捉的起点都是相同的，将该点以后的波形稳定的显示出来。本设计采用了电平触发方式，触发源用A路信号，将原始的A通道信号（未经放大和直流偏置）相邻的2个元素分别与所设定的触发电平比较大小，符合上升沿或下降沿触发条件后，将2路信号的前i个元素删除后再经放大和直流偏置而显示出来。若不满足条件就不删除元素，这样的波形显示出来是不稳定的触发栏中有3项即：选择触发源（source）、

63、slope 和level。CHA是选择a为触发源，如果level合适就可以实现触发；EXT是选择不进行触发，此时显示的波形是不稳定的，并且slope和level被禁用。Level是a路原始信号触发电压大小（未经放大和直流偏置的a路信号）。Slope是选择上升沿还是下降沿触发。slope做为一个case结构的布尔控制端，当slope为假时即为外部触发源，两路信号直接传递出去，不做任何处理，并且通过属性节点禁用掉level和slope，此时用户不能对他们做任何操作；当slope为真时，以a路信号做为触发源，case结构中嵌套一个while循环。在while循环中，将a路信号引进去，索引出a信号的第

64、i个元素和第i+1个元素（i为while循环的循环次数），然后将这2个元素送入一个由slope作为布尔控制端的case结构。Slope为真时，设定为上升沿触发，第i个元素和第i+1个元素分别与level比较，若第i个元素小于level与第i+1个元素大于level同时成立，则与门输出为1，while循环被停止，此时的i被传递出去。Slope 为假时，设定为下降沿触发，第i个元素和第i+1个元素分别与level比较，若第i个元素大于level与第i+1个元素小于level同时成立，则与门输出为1，while循环被停止，此时的i被传递出去。i被传递出去后送入删除数组元素的长度输入端口；将a路和b路信号的前i个元素删除，这样每次2路信号波形的起点是同一个点，就达到了稳定显示波形。虚拟示波器的触发部分与传统示波器的触发有相似之处，但也存在很多不同之处。触发类型包