基于LabVIEW的多功能示波器的设计.doc

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1、摘 要示波器是科学研究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示波器技术的一种具体应用。本设计主要用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，将每个功能都由一个模块来完成，主要有数据采集、数据处理和结果显示三大部分组成。其中数据采集模块主要由信号发生、触发控制和采样控制组成；信号分析和处理模块由滤波、频谱分析、加窗处理和波形存储和回放组成；波形显示模块由时基控制。数据处理和结果显示都是由计算机软件系统来完成，而数据采集是计算机控制下的硬件来完成的。最后对多功能示波器进行了系统测试和性能分析，实验效果达到了预先的设计要求。

2、本文所设计的多功能示波器具有通用功能外，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进行扩展。关键词：虚拟仪器； 多功能示波器； LabVIEWIABSTRACTOscilloscope is scientific research engineering design in the extensive application of a universal instrument,virtual digital storage oscilloscope is a vitual oscilloscope technology in a sp

3、ecific application.This design mainly uses powerful graphic vitual instrument development platform LabVIEW,complete a vitual oscilloscope design.This design uses the modular design,each funtion by a module to complete,mainly include data acquisition,data processing and result display of three major

4、components.The data collection module is mainly composed of a signal generator,trigger control and sampling control components,signal analysis and processing module consists of filering,spectrum analysis,winow processing and waveform storage and playback compoment.waveform display module comprises a

5、 time-base control.Data processing and result display are made by computer software system to complete data acquisition,which is under the control of computer hardwave to finish the.The multifunctional oscillascope system testing and performance analysis,experimental effect reaches the expected desi

6、gn requirements.The design of the multifuntional oscilloscope has the general funtion,and is superior to ordinary oscilloscope,has its own advantages,such as filtering,spectrum analysis,waveform storage and call,the cost is low funcition according to application needs to expand.Key words: vitual ina

7、trument； multifuntional oscilloscope； LabVIEW25宿州学院毕业论文 目录目 录绪 论11 概述21.1 虚拟仪器概述21.1虚拟仪器的现状41.2.1 国外研究现状41.2.2 国内研究先状51.3.3 仪器仪表的发展趋势51.2本研究的内容62 虚拟示波器的主要原理72.1 传统示波器的结构72.2 现代示波器的基本结构82.3 示波器的波形显示原理82.3.1 扫描作用82.3.2 触发扫描112.3.3 同步作用112.4 虚拟示波器的工作原理113 系统设计133.1 硬件设计143.2 软件设计143.2.1 LabVIEW编程环境介绍14

8、3.2.2 软件编程163.3 信号分析及处理设计163.3.1 波形存储及调用173.3.2 数据存储183.3.3 数据回放184 虚拟示波器的调试与测试结果194.1 虚拟示波器的性能指标194.2 程序的调试与仪器对比测试结果194.2.1 波形显示调试结果194.2.2 触发控制调试214.2.3 数据分析和处理调试21结论23参考文献24致 谢25宿州学院毕业论文 绪论绪论随着电子技术、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得应用也越来越大，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、

9、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了迅猛发展，仪器精度越来越高，功能越来越强大，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，传统的测量方法用起来很不方便，其局限性也越来越明显，显然已经不能适应时代发展的需要了。传统台式仪器的组要结构由硬件构成，是由厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，用户在使用过程中难以对其功能进行改变。因此人们对测试仪器提出了更高的要求：例如测试精度高、仪器体积小、智能化、升级便利，同时还能进行测量数据的处理、

10、存储、显示，具有和其他仪器设备进行数据通讯等功能。 今后电子仪器的发展方向，是从模拟技术向数字技术，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“软件即时仪器”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源，使本来需要硬件实现的技术软件化，以便很大程度的降低系统成本，增加系统的灵活性。在现代化测量、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，频谱分析仪、逻辑

11、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部具备的功能，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、成本低廉的数字示波器是非常必要的。宿州学院毕业论文 第一章 概述1 概述1.1 虚拟仪器概述虚拟仪器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的一个重要方向。大体上说这种结合有两种方式

12、，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益减小，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。另一种方式就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。虚拟示波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件，使得在操作这台仪器时就像是使用一台自己设计的专用的传统仪器，操作员工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

13、的构成如图1-1所示。显示器信号分析及处理器各类接口人机接口A/D转换器数据发生器信号调理器D/A转换器信号调理器信号调理器图1-1 虚拟仪器的系统组成框图测量仪器的发展，一种较普通的说法是分为五个阶段，如表1-2所示表 1-2 测量仪器的发展模拟仪器电子仪器数字仪器智能仪器虚拟仪器19世纪20世纪五十年代七十年代九十年代虚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、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。五十年代左右以后，随着晶体管和集成电路的出现以及应用电子技术的发展，数字技术成功的应用到测

14、量仪器。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职能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠度、自动化程度、运用能力以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表，既能进行自动检测又能完成数据处理，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。为解决这些问题，总线式仪器与系统应运而生。人们发明创造出CAMAC、RS232和GPIB等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能化仪器连接在一起，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复

15、杂的部件或功能元件，如键盘、CRT、存储器等。虚拟仪器的“虚拟”两字主要包括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个“图标”与传统仪器面板上的各种“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”与“段”，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

16、窗口中摆放所需要的图标，然后对图标的属性进行设置。 （2） 虚拟测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来完成的虚拟仪器是在以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。她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的应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药和

17、工业生产等各种领域的电子工程、物矿勘测、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主要可有以DAQ板卡和信号调理为一起硬件而组成的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接口仪器GPIB接口卡串行口仪器并行口仪器VXI仪器现场总线设备其它计算机硬件板块被测对象计算机图1-3 常见虚拟仪器组建方案1.2 虚拟仪器的现状1.2.1 国外研究现状虚拟仪器技术在国外

18、一直发展很快，以美国国家仪器公司为代表的一一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编程语言，以作为各大学理工科学生的一门必修课。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，并编程测试软件。最早和最具有影响的开发软件。是NI公司的LabVIEW软件和Labwindows开发软件。LabVIEW采用图形化的编程软件，是非常使用的开发软件。另外还有美国的HP公司的HP-VEE和HOTIG平台软件，美国Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS软件，以及美

19、国的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，开发了大量软件以及适应要求的硬件插件，可以灵活的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的传输速率已经达到了100Mb每秒。是当时已经发布的最高传输速度。另外虚拟仪器的开发厂家为扩大虚拟仪器的功能和测量结果的数据处理、表达模式以及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、快速傅里叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数的处理、微积分、峰值和阀值检测

20、、波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等，使虚拟仪器发展为成为可以组建极为复杂的自动测试系统。1.2.2 国内研究先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，包括虚拟仪器的发展在过去的20年中，大部分时间处于停滞状态，好在国内测试测量行业厂商意识到了这个问题，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转换器以及软件应用来实现传统仪器中的示波器、频谱分析仪等，有力的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。1.2.3 仪器仪表的发展趋势虚拟仪器之所以被称为

21、仪器，就是在于它是面对信号的，而不是面对数据的。它具有输入输出，不可能只有软件组成，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以及模型化特点，可以使给出测量结果了的同时，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以及系统，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、

22、提出和发展，一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，逐步将非虚拟化仪器虚拟化。未来虚拟仪器的发展，有必要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发展这种实质理念。例如，人们已经有可能研制出“统计特性分析仪”，一边测量一边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。1.3 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

23、提高，使用更方便，具有一定的使用价值。本课题的主要工作是首先进行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。宿州学院毕业论文 第二章 虚拟示波器的主要原理2 虚拟示波器的主要原理示波器是电子信号测量行业的最常用的仪器之一，它是利用电子射线的偏转，来复现电信号瞬间值的一种仪器。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，便于人们研究个别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

24、电量，如电压、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领域被广泛应用。2.1 传统示波器的结构传统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很低，所以一般的被测信号电压都要经过放大电路的放大，在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，以便分析处理。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

25、是使示波管阴极发生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。电源供垂直于水平放大电路、扫描与同步电路以及示波器与控制电路所需的负高压、灯丝电压等。图2-1 传统示波器的结构2.2 现代示波器的基本结构现代化的示波器的简化框图如图2-2所示。它主要由主机、X轴系统、Y轴系统三个部分组成。被测信号1接到“Y”输入器，经Y轴衰减适当衰减后送至放大器（前置放大），推免输出信号2和3.经延迟级延迟T1时间，到Y2放大器。放大后产生做够大的信号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，

26、降Y轴的被测信号3引入X轴系统的触发脉冲6，启动锯齿波扫描电路（时基发生器），产生扫描电压7。由于从触发到启动扫描有一时间延迟T2，为保证轴信号到荧光屏之前X轴进行扫描，Y轴的延迟时间T1应稍大于X轴的扫描时间T2。扫描电压7经X轴放大器放大，产生推免输出9和10，加到示波管的X轴偏转板上。Z轴系统由于放大扫描正固定辉度，而在扫描回程进行抹迹常，并且形成正向矩形波，送到示波管的栅级级。这使得扫描产生的波形有某一固定辉度，而在扫描回程进行抹迹。图2-2 现代化示波器的简化框图2.3 示波器的波形显示原理2.3.1 扫描作用如果只在竖直偏转板上加一交变电压，则电子束的亮点将随电压的变化在竖直方向来

27、回运动，如果电压频率较高，则看到的将是一条竖直的亮线。如图2-3所示图2-3 波形扫描竖直显示(横轴为t,竖轴未y)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，然后突然回到最小，此后在重复的变化。扫描电压随时间的关系曲线同“锯齿”故称“锯齿波电压”，如图2-4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天水平亮线。图2-4 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，则电子的运动为两相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压与正弦

28、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。如图2-5所示图 2-5 正弦波形图2.3.2 触发扫描普通示波器的扫描电压时是采用自激锯齿波震荡器发生的连续信号，当Y轴输入信号时候时，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，每次显示的波形必定重合，图像就能保持稳定。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，

29、完成一次扫描，然后等待下一个脉冲的到来，在重新进行下一次扫描。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，图像就能保持稳定。2.3.3 同步作用要在示波器的荧光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。如果被测信号与锯齿波两者不满足整数倍的关系，或两者中的任一频率发生变化，没次扫描显示的图形就不能重合。而在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保持整数比，为此，可利用被测信号电压或于此有关的电压，去

30、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称为同步信号。2.4 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。其硬件通常包括计算机和外围硬件设备。通常计算机可以使笔记本电脑、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Windows9XNT2000XP、SUNOS、Linux等。虚拟示波器驱动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

31、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，可以很方便的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程序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的提高了虚拟仪器的数据处理分析能力，而软面板则是用户与示波器之间交流信息的纽带。虚拟示波器在工作时间利用软面板去控制系统。与传统示波器相比，用户可自定义软面板，从而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

32、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AD转换器来完成的。虚拟示波器的水平分辨率是由存储器中采样点的时间间隔决定的，因此，采样频率越高，水平分辨率就越高。数据采集的流程如下：（1）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。（2）下位机采集卡开始采集数据暂存在先进先出的缓冲区中。（3）但缓冲区存满数据后，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，通知采集卡暂时停止采集外部数据，并进一步清空缓冲里的内容。虚拟示波器是采用基于计算机的虚拟技术，用以模拟通用

33、示波器的面板操作和处理功能，也就是使用个人计算机以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）来模拟示波器的操作面板，完成信号采集、信号处理。分析处理和显示输出等功能。宿州学院毕业论文 第三章 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，配置一定功能的软件，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。其中，信号处理和结果显示是由软件系统实现的，信号采集部分是由硬件完成的。软件部分的程序流程图如3-1所示。初始化信号采集仿真信号样值送缓冲触发识别是否触发点显示缓

34、冲区若干个点有按键处按键处图3-1 软件件部分程序流程图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中一个主要功能，本研究采用的数据采集卡为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 硬件特性特性USB-6008 AI分辨率12位差分，11位单端最大AI采样率，单通道10KS/s最大AI采样率，多通道10KS/sDIO配置集电极开路图3-2 硬件框图3.2 软件设计 3.2.1 LabVIEW编程环境介绍LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于G语言的虚拟仪器开发平台。

35、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。它的特点在于：使用图形化编程语言G在流行图中创建源程序，而没有使用基于文本的语言来发生源程序代码。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。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，可以创建并发布独立的可执行程序、共享库或动态连接库。LabVIEW应用程序可以创建安装程序，便于WINDOWS环境执行可运行程序。 该环境包括三个部分：程序前面板、程序框图和图标连接接口。程序前面板用于设置输入数值和观察输出值，用于模拟真实仪表

36、的前面板。每一个程序前面板都与一段框图程序对应着，程序框图用LabVIEW图形编译语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。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块，用于创建和运行程序。操作模块共有三大类，为工具模板，控制模板和功能模板三类。（1）工具模板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）控制面板可以给前面板添加输入控制和输出显示，每个图标

37、代表一个子模块。（3）功能模块是创建框图程序的工具，该模板上得每一个顶层图标都表示一个子模板。工具模板、控制模板、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标右键弹出。工具模板、控制模板和功能模板分别如下图3-3所示。图3-3 工具模块、控制模块、功能模块3.2.2 软件编程 本文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3-4所示。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

38、选择。因为本为所设计的示波器是双通道的，所以可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，调用信号处理和波形生成中的正弦波形、方波波形、三角波波形和锯齿波波形的一种，由于采集的真实信号一般都带有噪音，因而再给没路信号外加一个标准方差为0.04的高斯白噪声。图3-4 示波器前面板和仿真信号的产生3.3 信号分析及处理设计由采样定理知，采样频率大于等于频谱中最高频率的2倍，所以信号频率不能超过0.5*f，大于的频率都是无用的高频分量，若不滤除就会发生频谱混叠。所以加滤波器的作用就是为了滤除高频分量，以减小误差。滤波环节可在硬件部分实现，也可在软件部分实现。硬件部分主要由

39、一些电子元器件完成，比如由电感器和电容器构成的电路可使混合的交直流电流分开。而软件滤波器则是利用算法实现滤波功能的，相对硬件滤波更灵活，且代价小。按不同的分类法，滤波器可分为多种类型。数字滤波器已有很大的发展，但其基本出发点上仍基于模拟滤波器。由于每种滤波器都有各自的参数选项，因此使用下拉列表示不同的滤波器类型。Case结构的分支分别对应滤波器的类型。将从Daqmx输出的信号引到case结构中，并在所有的滤波器vi的信号输入端，将窗函数输出的信号引进来。在选项卡上单击想使用的滤波器，然后设置滤波参数，包括采样频率，滤波器类型（低通、高通、带通、带阻），低截止频率和高截止频率。若输入信号的频率是

40、1000HZ大，如果选择为低通，那么高截止频率要比1000HZ大，最好大于5000HZ，这样信号的基频和低阶谐波才不会被滤掉。同理，在选项卡上直接单击想使用的窗函数。三个波形图分别显示了滤波后的波形，信号经滤波和加窗后的FFT幅值谱和相位谱。信号分析的程序框图如图3-5所示。 图3-5 滤波和加窗程序以及信号分析前面板3.3.1 波形存储及调用 LabVIEW支持两种文件类型，即流文件和快记录文件。流文件的基本数据单元式Byte。我们使用的电子表格文件，它是一个多行的文本文件，每一行含有多个数据，同一行的数据与数据之间由制表符隔开，行与行之间由回车符隔开。LabVIEW产生的电子表格可以用任何

41、一种文本编译器打开。文件读取操作由两个功能模块，写电子表格文件节点和读电子表格文件。写的功能是转换一个单精度一维或二维数组组成的一种文本字符串，并把这个字符串写到新文件或者添加到一个已经存在的文件中，并可以选择性的转换数据，在写这个文件前打开或创建文件，写完关闭这个文件。读电子表格文件节点的主要功能是在给定的偏移处开始，读指定行数的数字文本文件，并转换为二维单精度数字数组。在读这个文件前打开文件，随后关闭这个文件。用这个VI可以读一个文本格式保存的Spreadsheet文件。3.3.2 数据存储数据存储模块的框图程序如图3-6所示。它是与前面板上得“存储”按键对应的，但按下“存储”按键后，出现

42、一个文件存储对话框。选择存储路径，输入要存储的文件名，即可将文件存储在计算机硬盘中。但输入的文件名已经存在时，将出现一个询问是否覆盖原文件的对话框。程序运行时，它没有对应的前面板。图3-6 框图程序3.3.3 数据回放数据回放与前面板上得“回放”按钮相对应。先选择要读取的文件目录，然后打开要读取件的文件，就会出现读取子程序的前面板，将存储在文件中的数据以波形的形式显示在前面板上。宿州学院毕业论文 虚拟示波器的调试与测试结果4 虚拟示波器的调试与测试结果4.1 虚拟示波器的性能指标本文所设计的虚拟示波器是参考通用的双通式台式示波器而设计的的，并对仪器分析和功能上有所扩展。示波器的个性能指标如下：

43、采样率：可调（最大为10KS/s）分辨率：12Bit波形显示模式：A、B、A&B（即可双通道显示，也可单通道显示）时基：刻度范围（05ms/div）垂直灵敏度：刻度范围（010v/div）加窗功能：Hanning窗、Hamming、三角窗、Blackman窗等13种窗函数可选滤波功能：Butterworth滤波、Chebyshev滤波、贝塞尔滤波三种滤波可选频谱分析：FFT数据存储：硬盘测试结果显示：所有结果同时显示本文所设计的虚拟示波器有数据采集模块、数据处理和分析模块、数据显示模块等组成。采集到的波形直接在虚拟示波器的主面板上显示。各个模块在主面板上都有相应的按钮对应。但按下这些按键时，就

44、执行相应的子程序并显示主面板。采集信号发生模块产生的仿真信号作为输入信号，来验证虚拟示波器系统软件各个模块的可行性。4.2 程序的调试与仪器对比测试结果由于整个系统的下位机硬件采集卡是自行开发的，工作量和难度均较大，在有限的时间内做的还不够完善，通信之后的显示效果很差。因而利用LabVIEW中自带的信号源进行仿真分析，验证虚拟示波器各个模块的可行性。4.2.1 波形显示调试结果当选择A通道信号时，输入频率为50HZ，幅值为0.5V的正弦波。显示波形如图4-1所示。从图中可看见结果与计算结果完全一致。图4-1 A通道显示当选择B通道是，输入频率为50HZ。幅值为0.5V时的方波。显示波形可看出与

45、计算结果也完全一致。图4-2 B通道显示当显示双通道信号时，输入频率都为50HZ，幅值为0.5的正选拨和方波。显示波形如图4-3所示。从图中可看出显示结果与计算结果完全一致。图4-3 双通道显示调节主面板上得增益数值控件和垂直移位滑动杆，可改变波形的显示状态。光标是波形显示不可缺少的一部分，也为信号幅度和时间的测量提供了方便。本虚拟示波器设有游标0和游标1两个光标，在显示各自所在点的时间值和电压值的同时，也可通过波形图下方的光标移位按钮，显示两个光标之间的值，从而求得所选通道的电压差和时间差。可通过V/DIV和ms|div灵活的准确的调节垂直灵敏度和时基，同时将数值显示在频幕的下方。4.2.2

46、 触发控制调试当程序开始运行时，选择“触发”内个按钮，程序便显示触发后的结果。4.2.3 数据分析和处理调试当按下“存储”按钮时，出现文件存储对话框，选择存储路径并输入文件名，就将波形存储在计算机硬盘当中。在按下“回放”按钮时，出现回放VI的前面板，显示刚才存储的波形。 滤波模块显示了虚拟示波器比传统示波器更灵活，本文调用了Buttterworth、Chebyshev、贝塞尔滤波器三种滤波器。图 4-3 滤波后信号波形和波形分析结果宿州学院毕业论文 结论结论本文设计的虚拟示波器具有以下优点：（1） 不仅具有台式示波器的功能，而且充分发挥了微机强大的功能和软件设计的灵活性。整个程序的设计采用模块化的设计思想，将这些子模块在虚拟示波器的框图程序中，按照一定的逻辑关系组合起来，构成了完整的虚拟示波器。（2） 程序好设有仿真的功能，在没有硬件的支持下，也可以运行处结果。通过对程序的仿真调试能够完成上述各个模块的测量任务，而且能够达到预期的测量目的。通过触发控制显示稳定的波形；通过位移和增益的调节，随