1、基于LabVIEW的虚拟示波器设计学 号分类号本科生毕业论文（设计）题目： 基于LabVIEW虚拟示波器设计 院 （系） 专 业 班 级 学 生 姓 名 指导教师（职称） 提 交 时 间 二一二年六月 版权声明任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经本论文作者同意，不得将本论文转借他人，亦不得随意复制、抄录、拍照或以任何方式传播。否则，引起有碍作者著作权之问题，将可能承担法律责任。原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人
2、和集体，均已在文中以明确方式标明，本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日摘 要基于LabVIEW的虚拟示波器设计XX（XX电子与信息工程系，陕西XX，7XXXX）摘 要 虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。本文主要利用功能强大的图形化虚拟仪器LabVIEW开发平台来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，将其划分为信号采集、信号生成、波形叠加、通道选择、信号参数测量和显示等模块。信号生成、波形叠加、通道选择、信号参数测量和显示模块都是由计算
3、机软件系统来实现的，信号采集模块利用DAQ数据采集卡进行信号采集。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，如波形的存储和打开，精确度高，其成本低廉，功能可根据应用的需要不断地扩展。本文所设计的虚拟示波器经过测试可以对信号正确的采集和显示，达到了本次虚拟示波器的设计要求。关键词 示波器 虚拟仪器 LabVIEWDesign of Virtual Oscillograph Based on LabVIEW)Abstract The virtual instrument technology is now the computer system and the co
4、mbination of the instrument system, It is an important technology in the computer aided testing field. It promotes the traditional instruments toward digitization, intelligent, modular, network-oriented development. This paper mainly uses the powerful graphical LabVIEW virtual instrument development
5、 platform to complete the design of double traces virtual oscilloscope. This design USES the modular design thought. Design is divided into signal acquisition module, signal generation module, waveform stack module, channel selection module, signal parameter measurement module and display module. Si
6、gnal generation, waveform stack, channel selection, signal parameter measurement and display modules are made by computer software system to fulfill. Signal acquisition module uses data acquisition card DAQ to realize signal acquisition. In this paper the design of virtual oscilloscope is in additio
7、n to the general function, and is better than the ordinary oscilloscope, which has its own advantages, such as the wave of storage and open, the high accuracy , the low cost and its function can be expanded according to the needs. In this paper the design of virtual oscilloscope ,which passed the te
8、sting, can collect rightly the signal and display perfectly after the acquisition .It reached the virtual oscilloscope design requirements.Key Words Oscilloscope Virtual Instrument LabVIEW第一章 绪 论1.1 引言虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：模
9、拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器1。第一代模拟仪器，这类仪器在实验室里还能看到，它是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、晶体管电压表、指针式电流表等。第二代数字化仪器，这类仪器现在相当普遍，这类仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量，如数字万用表、数字频率计等。第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，可以进行自动测试和数据处理功能，可能代替部分脑力劳动，人们习惯上称为智能仪器。它的功能模块全部都是以硬件或固定软件的形式存在，无论是教学、科研开发还是工业应用都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器，它是现在计算机软件技术、通信技
10、术和测试技术高速发展孕育出的一项革命性技术，其导致了传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大的变革，它的出现使得人类的测试技术进入了一个发展新纪元2。示波器是以短暂扫描轨迹的形式显示一个量的瞬时值的仪器，也是一种测量、观察、记录的仪器，在科研和实验室中应用十分广泛。传统的模拟示波器需要把观察的两个电信号加至到示波管的X、Y通道以控制电子束的偏移，从而获得荧光屏上关于两个电信号关系波形。这种模拟示波器体积大、重量大、成本高、价格贵，并不适合于对非周期的、单次信号的测量。基于多功能DAQ卡3和LabVIEW平台开发的虚拟数字示波器，具有结构简单、开发成本低、体积小、重量轻等优点，在众多领域已得到
11、广泛应用。1.2 课题研究背景1.2.1 国内外研究现状目前虚拟仪器技术在国外发展很快，以美国国家仪器公司为代表的一批厂商已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，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯福坦大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。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。最早和最具有影响力的开发软件，是NI公司的LabVIEW软件和Lab windows/CVI开发软件4。L
12、abVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。Lab windows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的、在windows 环境下的标准ANSI C开发环境，除了上述优秀的开发软件之外，美国HP公司的HP-VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS软件，以及美国的HEM Data公司的Snap-Master平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线，以及已经被PC机广泛采用的USB串行总线和IEEE1394总线（即Fire wire，也叫
13、做火线）。世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应硬件（插件）的要求，可以灵活的组建不同复杂程度的虚拟仪器自动检测系统。虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。美国NI公司在1997年9月1日推出模块化仪器的主流平台PXI，这是与Compact PCI 完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台PXI/Compact PCI的传输速度已经达到100Mb/s。是目前已经发布的最高传输速度5。1.2.2 国内虚拟仪器的研究现状目前主流的虚拟仪器主要是VXI.
14、PX各种计算机总线和总线标准的各种插卡和仪器模块间或有其它总线式的仪器模块，工作方式多是插入各种总线机箱内或直接插入计算机机箱内，少数情况下是独立模块以接口形式接入计算机。它们多数属于中低频范围，主要是工程应用类仪器设备。我国VXI总线技术是反映我国目前虚拟仪器水平的一个方面，互联网已经使数据共享进入新阶段，加速了虚拟仪器的新网络技术及远程计算机技术的发展，而这些技术是传统仪器不可能实现的，虚拟仪器很好的利用了互联网的功能，因此可以把来自测量和设计的数据直接发布到网上。国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，上海复旦大学、上海交通大学、华中理工大学、四川联合大学等。近一、两年来这些学校在原
15、有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。四川联合大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。主要检测发动机的功率特性、负荷特性等。一台发动机检测完后，就可打印出完整的检测报告。此外，国内已有几家企业在研制PC虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一，它的产品已达到一定的批量。其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形
16、记录系列。国内专家预测：未来几年内，我国将有50%的仪器为虚拟仪器6。国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。虚拟仪器技术的提出和发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测试仪器领域技术发展的一个重要方向。1.3 研究目的及意义在现代电子测量、仪器仪表等领域，示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
17、产突破度大。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7。因此，目前研制一种结构简单、操作方便、生产技术要求高、成本低的虚拟示波器是非常必要的8。通过表1.1虚拟仪器与传统仪器的比较比较可以清楚地看到虚拟仪器的优越性。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，可与计算机技术保持同步发展封闭性、仪器间相互配合较差关键是软件，系统性能升级方便，通过网络
18、下载升级程序即可。关键是硬件，升级成本较高，且升级必须上门服务。价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法相互利用用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能可以与网络及周边设备方便互连与其他设备仪器的连接十分有限软件使得开发和维护费用降至最低开发和维护开销高技术更新周期短（1-2年）技术更新周期长（5-10年）数据可编辑、存储、打印数据无法编辑 1.4 本文工作及内容安排虚拟仪器由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分构成。硬件平台主要完成对被测信号的进行调理和采集。仪器硬件可以是插入式数据采集卡及必要的外围电路（含信号调理电路、A/D转换器、数字I/O、定时器、D/
19、A转换器等），或者是带标准总线接口的仪器，如GPIB、VXI、PXI、STD、PCI总线仪器和网络化仪器等。本文的组织结构是：第一章，绪论：介绍虚拟仪器的概念、构成及其优势，发展的现状和本文的研究内容。第二章，虚拟示波器的原理介绍：首先讲述普通示波器的原理，过度到数字示波器的原理，进而讲述了基于DAQ数据采集卡的虚拟示波器的原理。第三章，虚拟示波器整体结构的设计：本章讲解了软、硬件的选取方案，详细讲述了软件选择LabVIEW，软件选择DAQ采集卡的理由。第四章，虚拟示波器功能模块设计：本章是重点，详细讲述了各个功能模块具体的实现过程，包括数据采集和处理、波形显示、参数测量、频谱分析等模块。第五
20、章，虚拟示波器测试结果：本章给出了虚拟示波器系统性能的具体指标，进行了系统调试，验证了虚拟示波器的实用性和优越性。第六章，总结与展望：对设计的虚拟示波器进行了总结，并对将来的发展趋势给出了展望。最后对本文所做的工作进行全面的总结，并指出了工作中的不足。第二章 示波器原理介绍2.1 通用示波器的原理示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线9。利
21、用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。目前，示波器在信号测量、信号比较、逻辑分析等领域得到了广泛的应用，示波器硬件图如图2.1所示。显示电路包括示波管及其控制电路两个部分。示波管是一种特殊的电子管，是示波器一个重要组成部分。示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏显示三部分组成，如图2-2示波器内部结构图。电子枪用于产生并形成高速、聚束的电子流，去轰击荧光屏使之发光。电子枪发射电子束，在第一阳极和第二阳极高电位的作用下，得到加速，向荧光屏方向作高速运动。由于电荷的同性相斥，电子束会逐渐散开10。通过第一阳极、第二阳极之
22、间电场的聚焦作用，使电子重新聚集起来并交汇于一点。适当控制第一阳极和第二阳极之间电位差的大小，便能使焦点刚好落在荧光屏上，显现一个光亮细小的圆点。通过改变第一阳极和第二阳极之间的电位差，改变调节光点聚焦的作用。电子束通过水平偏转板和垂直偏转板时，分别控制电子束在水平方向和垂直方向的运动。当电子在偏转板之间运动时，如果偏转板上没有加电压，偏转板之间无电场，离开第二阳极后进入偏转系统的电子将沿轴方向运动，射向屏幕的中心。如果偏转板上有电压，偏转板之间则有电场，进入偏转系统的电子会在偏转电场的作用下射向荧光屏的指定位置。荧光屏位于示波管的终端，它的作用是将偏转后的电子束显示出来，以便观察。在示波器的
23、荧光屏内壁涂有一层发光物质，因而，荧光屏上受到高速电子冲击的地点就显现出荧光。此时光点的亮度决定于电子束的数目、密度及其速度。改变控制极的电压时，电子束中电子的数目将随之改变，光点亮度也就改变。图2.1 示波器硬件结构图2.2示波器内部结构图2.2 数字示波器的原理数字示波器用A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，然后存储在半导体存储器RAM中，需要时将RAM中存储内容调出，通过相应的D/A转换器，再恢复成模拟信号显示在示波管屏幕上。在这种示波器中，信号处理功能和信号显示功能是分开的。其性能，包括精度和速度，完全取决于进行信号处理的A/D、D/A变换器和半导体存储器。2.2.1 数字示波器工作
24、原理在数字示波器中，把输入被测模拟信号先送至A/D转化器进行取样、量化和编码成为数字“0”、“1”码，存储到RAM中，这个过程称为存储器的“写过程”。然后，再将这些“1”、“0”码，从RAM中依次取出按顺序排列起来，经过D/A转换使其包络重现输入模拟信号，这就是“读过程”。在数字存储示波器中，采用适时取样方式，可观测单次信号；采用顺序取样或者随即取样方式，可观测重复信号。理论分析指出，为了正确的观测信号波形，只有选择恰当的取样频率，才能用所得脉冲序列恢复出原信号波形。取样频率过低会产生频谱重叠效应，造成波形失真，使示波器测量结果出现明显误差。取样定律证明，对于一个最高频率为f0的信号，当取样频
25、率fs2f0时，其取样后所得到的脉冲序列将包括原信号的全部信息。fs称为奈奎斯特频率。当取样频率fs等于输入信号频率f0时，显示波形的频率信息还能得到保留，但是幅度信息将大量损失。通过计算可以得到，当一个周期中取样点数N为4时，即取样频率fs=4f0时，失真波形的最大值是波形幅度的0.707，故数字示波器的等效带宽为fs/4。若采用正弦内插显示，等效带宽可达fs/2.5。2.2.2 数字示波器结构原理数字存储示波器的基本方框图如图2. 3所示。图2.3 数字存储示波器的基本方框图Y输入信号经衰减放大后送至A/D转换器，按“t/div”开关设定的取样频率下进行变换，从而得到一串数据流，在控制逻辑
26、电路的作用下写入随即存储器RAM中。RAM的读写操作由受R/W控制，当RAM的读写控制R/W=0时，RAM进行写操作；当R/W=1时，RAM进行读操作。RAM地址选择器在RAM进行写操作时，将写地址输出选做RAM地址；读操作时，将读输出地址，做RAM地址。控制逻辑电路一旦接受到来自触发放大器的触发信号，就启动一次数据写入循环，产生写功能信号送至RAM读写控制，同时写地址计数器计数。写地址计数器将按顺序递增的写地址送至存储器，确保每组数据写入相应的存储单元中去。不管数据用何种速度写入存储器，存储器中存储的各数据均不相关的以固定的速度不断读出，显示时不产生闪烁。读出数据送至垂直D/A转换电路，用做
27、示波器Y显示。同时一个以读出速率递增的计数器计数，输出送至水平D/A转换器，用做示波器X显示。晶体振荡器产生高精度、高稳定性的时钟。该时钟由分频电路产生与面板上“t/div”开关设置相对应的取样时钟，去控制A/D转换器和存储器写入。时基分频电路也产生该脉冲，为读地址计数器和显示地址计数器产生稳定阶梯扫描电压。2.3 基于DAQ数据采集卡的虚拟示波器的原理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卡上的存储器。其支持软件通过PC机的PCI总线接口控制模
28、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的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、存储及打印传输等。使用LabVIEW构建基于DAQ采集卡的虚拟示波器的思路是很清晰的。实际的数据采集流程是：（1）初始化：对DAQ采集卡中与数据采集相关的一些硬件参数进行设置；（2）DAQ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，产生一个采集数据集合，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DAQ采集卡暂时停止采集外部数据，并进一步清空缓存里的
29、内容11。DAQ采集卡数据采集原理如图2.4所示，这个流程与一般数据采集卡并无多大差别，这也是本设计的最基本的部分。图2.4 DAQ采集卡数据采集原理图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12。本文所设计的虚拟示波器，是在数据采集硬件的支持下，配备LabVIEW软件，完成波形的存储、分析、显示等功能。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，这三大部分均由硬件构成。虚拟示波器也是由这三大部分
30、组成，但是除了信号采集部分是由硬件实现之外，其它两部分都是由软件实现。本文设计的虚拟示波器总体上包括数据采集、波形显示、参数测量、频谱分析等几大模块组成，虚拟示波器的结构框图如下2.5所示。图2.5 示波器的结构框图信号输入是DAQ采集卡，然后由DAQ采集卡进行数据采集，DAQ将采集到的信号存入缓存区，LabVIEW中的信号函数从缓存区中读取数据，读取到数据以后点击运行按钮，示波器中就可以将信号的波形、参数测量和频谱分析显示出来。第三章 虚拟示波器整体结构设计3.1 LabVIEW 简介LabVIEW是（实验室虚拟仪器工作平台）是一个程序开发环境。它类似于Visual Basic，Visual
31、 C+。但是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，而没有使用基于的文本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，Ethernet 接口或是串口的独立仪器设备，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的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13。它能够为集成式测量方案提供功能强
32、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成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布，或在互联网的应用程序间进行数据传递。LabVIEW拥有完整的Web服务器，可以随时发布测量结果。LabVIEW专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与其他开发工具如VB，VC和NI的Measurement Studio结合起来14。LabVIEW应用程序生成器可以创建安装程序，以便在Windows环境中执行可运行程序。3.1.1 G语言简介Lab
