课程设计基于Labview 的数字示波器设计

1、说明书姓 名： 沈游 学 号： 200906028 班 级： 测控091 专 业：测控技术与仪器 学 院：机械工程学院 时 间：2012.7.22012.7.13地 点：机械工程学院机房 指导教师：文妍 李霞 杨淑燕 彭花目 录一前言 5二示波器设计方案 6三示波器工作原理与设计步骤 8.模拟采集模块 8.时基控制 10.波形显示模块 10.参数测量模块 13.频谱分析模块 15.数据存储和回放模块 17.波形打印模块 18.主要控制结构 19四遇到的问题及解决方法 20五总结 21附录：前面板和程序框图 22前 言随着科学技术的发展，在测量领域中需要不断更新测量设备，以满足越来越高的测量要求

2、。在我国，传统仪器技术还比较落后，目前有大批陈旧的测试仪器等待更新。这些仪器的测量精度和可靠性均低于国外，并且自动化程度较低。高档仪器基本上依靠国外进口，每年都消耗国家大量外汇。然而，花大量资金购买的仪器，可能我们只需要其中的一部分功能，同时有些其他应用的功能要求，该仪器却满足不了。这些情况无疑是大大浪费了投资。设想要是能将仪器稍微改动以实现更大的使用范围该多好。但是这对于传统仪器来说是非常困难的。虚拟仪器的出现，将彻底改变这种局面。利用计算机丰富的软硬件资源，用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。数字示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器

3、。目前高精度、具有数据存储能力的示波器，生产工艺复杂，价格昂贵。所以虚拟数字存储示波器的设计有一定的经济价值；虚拟示波器能充分发挥虚拟仪器结构简单、功能丰富、价格低廉、能重复开发、可用户自定义的优势。设计的虚拟数字存储示波器，可同时显示、记录和存储多通道输入的波形，并且可以对波形进行数据分析和处理，具有一定的研究意义。结合虚拟仪器技术和软件编程技术，本文设计并实现了一个虚拟示波器。整个系统分为硬件和软件两个部分。硬件部分主要由计算机和数据采集模块组成。数据采集模块采用阿尔泰公司的PCI2003数据采集卡，由于硬件部分主要是购买的成熟产品，本论文的研究重点放在软件的编制和实现上。本课题的主要工作

4、是首先进行虚拟数字存储示波器(简称为虚拟示波器)的整体设计；熟悉数据采集卡的使用；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、参数测量模块、频谱分析模块、数据存储和读取模块以及滤波模块的设计。示波器设计方案虚拟示波器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中硬件设备与接口包括仪器接口设备和计算机，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序。本设计的信号处理与结果显示都由软件完成，并以虚拟仪器面的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作性对应的各种控件。本虚拟数字存储示波器是在对传统示波器进行分析后，基于多功能DAQ采

5、集卡和LabVIEW开发平台来设计的具有数字存储示波器、数字万用表、数字频率计三者功能与一体的一个功能强大的电子测试仪器，主要由数据采集部分、数据处理部分、波形显示部分、波形存储和回放以及频谱分析等部分组成，可以完成对信号的输入及获取、信号电压参数及时间频率参数的自动测量、信号的波形显示及存储回放和信号的频谱分析等功能。该示波器主要由数据采集DAQ（Data Acquisition）、接口总线、硬件驱动程序和虚拟数字示波器软件构成。图2.1所示为虚拟数字示波器的整体组成结构图。信号检测电路时信号调理辅助电路，接收传感器传送过来的物理信号，并从混合信号中提取出待测的微弱信号，输出的多路信号时已经

6、放大滤波和电平变换后的标准信号，送入数据采集卡板（由硬件程序驱动工作），通过系统总线送进计算机进行处理。在使用DAQ卡之前必须对DAQ卡的硬件进行配置，这些控制程序用到了相应的底层DAQ驱动程序。图1 虚拟数字示波器结构图该虚拟仪器的软件是以LabVIEW开发环境为平台，采用的是自顶而下的设计方法，首先，有要实现的目标功能来制定一个整体框架。由一个采集开关启动整个仪器采集过程，在采集状态下，可以进行参数的测量显示；同时，还可以进行时基的设置、触发通道的设置、触发模式的设置等；对于显示面板上的波形可以任意地进行位置的调整、缩放；对于当前的波形能够保存到硬盘上或U盘上；同样，也能把硬盘或U盘上的数

7、据读到显示面板上（这是将停止数据的采集）并还能进行参数的测量；还可以把当前的波形打印出来。此外，应用高效数字信号处理技术，还可实现FFT算法，对频域信号进行分析。该示波器的主要控制结构有：自动/手动设置扫描率的控制结构，写盘/读盘控制结构，采集控制结构，测量控制结构，打印控制结构，通道选择控制结构，以及频谱分析控制结构。在这个总体框架的基础上来进行各个模块的具体设计，并分别测量，测试通过后再把它们连接起来，构成一个完整的系统，最后进行整个系统性能的调试，直到调试结果符合要求为止。主程序流程图及模块条用如图所示。另外，主面板的设计要力求简单、方便、使用、美观。YYNNY初始化读盘？采集？功能按键

8、按下？波形显示执行相应功能模块读入波形数据N示波器工作原理与设计步骤1.工作原理：虚拟数字示波器的原理是对信号波形进行密集的采样，采样值被数字化后存储起来，当重建波形时便从缓冲区取数，然后用清晰、均匀一致的轨迹映现在屏幕上。对模拟信号进行数据采集后存入数据文件，由软件对数据进行相应分析、处理，并在屏幕上显示处理结果。两通道示波器，可以同时分析扫描两路信号，这种功能的实现得益于计算机的高速计算能力，计算机只需要多做一组或几组运算即可。本虚拟数字示波器的设计双通道台式数字存储示波器的功能，并在仪器分析和处理功能上有所扩展。仪器主要功能包括：双通道信号输入、触发控制、通道控制、时基控制、波形显示、参

9、数自动测量、频谱分析、波形存储和回放等。设计步骤2. 设计步骤：.模拟采集模块由于DAQ数据采集模块是建立在数据采集卡的基础上，所以，本设计采用一个虚拟采集模块代替DAQ数据采集模块。该模块应用两个基本函数发生器来产生两仿真信号分别用来模拟A、B通道信号，其采样信息通过对簇sample/pol的扫描率和扫描数解除捆绑后再捆绑组成的新簇输入。通过前面板还可以调整仿真信号的参数（波形类型、频率、幅值）和屏幕刷新速度，最后经提取波形成分将信号的幅值信息组成一个二维数组。模块图标如图1.1所示。图1.1 模拟采集模块图标（图片用作子VI时用）模块程序框图如图1.2所示。图1.2 模拟采集模块程序框图图

10、1.3 模拟采集模块前面板.时基控制图2.1 时基控制模块程序框图图2.2 时基控制模块前面板.波形显示模块软件提供了五种波形显示模式：u A B A&B模式：在此模式下，通过显示通道选择按键“A”和“B”，可以任意显示某一通道或两通道输入信号的波形。u XY模式：当A、B两通道都处于选通状态时，使用此模式来显示李沙育（Lissajous）图形、测量相位差或频率。u A+B A-B模式：当A、B两通道都处于选通状态时，使用此模式显示两通道信号代数相加、相减后的波形。u A&A积分模式：当A通道处于选通状态时，使用此模式显示A通道信号和A通道信号对采样间隔的离散积分的波形。u A

11、&A微分模式：当A通道处于选通状态时，使用此模式显示A通道信号和A通道信号对采样间隔的离散求导的波形。对于前三种模式其横坐标是时间参数，首先对扫描数求倒数，然后看其是否小于等于扫描周期（乘1000后以毫秒为单位），若小于（即扫描数×以毫秒为单位的扫描周期大于等于1毫秒），则单位显示ms；若不小于（即扫描数×以毫秒为单位的扫描周期小于1毫秒），则单位显示为us，同时横坐标时间参数通过条件变量把数值扩大1000倍。前面板单位的显示是通过一个布尔输出来显示的。通过对电压二维数组的索引分别提取A、B两波形的幅值数据，在根据对应的通道按钮来决定是否将其数据清零，然后根据A、B

12、基值的位置相应的改变其幅值数据，最后通过对横纵坐标的参数数值捆绑成簇，以便显示在display显板（即XY图）。A的积分和微分运算分别通过积分X(t)和微分X(t)节点来实现波形数据离散积分和微分，其求导时间参数采用扫描周期（即采样间隔）。而A、B图形采样模式的改变时通过一个条件结构来实现的。图3.1波形显示模块图标（图片用作子VI时用）.参数测量模块本模块主要模拟HP 54603B的参数测量功能，完成包括Vrms等12个电压参数和频率、周期等7个时间参数的测量，并显示其测量结果。模块图标如图4.1所示。图4.1 参数测量模块图标图4.2 参数测量模块程序框图图4.3 参数测量模块前面板如图所

13、示： 利用数组最大值与最小值（Array Max&Min）节点求出最大值、最小值和峰峰值。 利用交流和直流分量估计（AC&DC Estimator）节点求出直流和交流分量。 分别利用均方根节点（RMS.vi）和均值节点（Mean.vi）求均方根值和平均值。 利用脉冲参数节点（Pulse Parameters.vi）可以求时域参数。如上升时间、下降时间、电压顶部、电压底部、电压幅值、延迟时间和持续时间，并通过对扫描周期的运算可求出正宽度、负宽度和占空比。 利用应用程序控制属性节点可以控制调用模块时前面板的显示。 点击暂停可以暂停参数测量，点击返回可以退出参数测量前面板。当按键暂停

14、按键未按下时，第一个条件结构执行假时的程序进行参数测量；当暂停按键按下时，第一个条件结构执行真时的空程序，参数测量暂停。返回按键未按下时，第二个条件结构执行假时的程序，通过对应用程序控制属性节点的调用和一个布尔真常量，使其前面板始终处于打开状态，且输出（送入测量按键的局部变量）为真，该子VI持续运行；当返回按键按下时，第二个条件结构执行真时的程序，通过对应用程序控制属性节点的调用和一个布尔假常量，是其前面板由打开转为关闭状态，且输出（送入测量按键的局部变量）变为假，分析按键被弹起，该子VI停止运行。.频谱分析模块采用快速FFT算法，完成频域信号分析。可实现的频谱分析控制包括：u 利用按窗函数缩

15、放(Scaled Window.vi)完成信号加窗，提供9种频谱分析窗口；u 利用频谱单位转换(Spectrum Unit Conversion.vi) 完成Log/Linear选择，提供3种坐标显示模式和8种频谱单位；u 利用频谱分析显示模块子VI完成频谱分析结果的显示和主VI对其的调用。首先根据通道的选择提取要分析的信号（A信号或B信号），然后完成信号加窗，自功率谱的输出，最后完成对显示坐标及频谱单位的转换，并送入频谱分析显示模块，另外通过功率和频率估计节点来提取信号基频，供其他模块使用。通过分析逻辑按键和一个条件结构决定是否调用其显示模块。频谱分析显示模块是将输入的df（频谱间隔）和频谱

16、通过捆绑成簇，然后送入频谱图（XY图）显示，输入的频谱单位通过一字符显示控件显示在频谱图相应位置。另外，通过在其前面板上添加了暂停和返回按键和两个条件结构，使其可以暂停分析和关闭该子VI。当按键暂停按键未按下时，第一个条件结构执行假时的程序进行频谱分析；当暂停按键按下时，第一个条件结构执行真时的空程序，频谱分析暂停。返回按键未按下时，第二个条件结构执行假时的程序，通过对应用程序控制属性节点的调用和一个布尔真常量，使其前面板始终处于打开状态，且输出（送入分析按键的局部变量）为真，该子VI持续运行；当返回按键按下时，第二个条件结构执行真时的程序，通过对应用程序控制属性节点的调用和一个布尔假常量，是

17、其前面板由打开转为关闭状态，且输出（送入分析按键的局部变量）变为假，分析按键被弹起，该子VI停止运行。.数据存储和回放模块传统的示波器存储的数据一般是易失性的存储器，但这样保存的数据容易丢失，而该虚拟示波器使用的存储工具是软盘或硬盘，数据不易丢失且携带方便，实现了数据的保存和读取，对波形的事后分析有很大的意义。按键“写盘”控制是否进行数据存储；按键“读盘”控制是否从数据文件中读取数据。主面板提供了一个文件名输入框，这一个文件由写盘功能和读盘功能共用。从软盘或硬盘上读取的数据同实时采集的数据一样，能够进行自动参数测量、显示波形以及波形打印，并保留在显示窗口（显示模式设置为五种模式中的任意一种）。

18、模块的程序框图如图6.1所示。在该模块的设计中应用了多个局部变量，使用时要注意选择正确，另外，通过对数组写入时的转置，可以使我们在察看数据文件时看到完整的数据。图6.1 读盘写盘程序框图.波形打印模块一般的数字示波器都没有打印功能，这在一定程度上限制了示波器的功能。为了完善该示波器的功能，本虚拟示波器的设计添加了一个波形打印模块，将主面板的波形数据送到波形打印模块子VI显示面板，模块程序框图如图7.1所示。当按下打印按键时，完成主VI对子VI波形数据和单位的传输，它没有循环，打印原理就是执行一次波形的显示。该子VI运行时用获取日期/时间字符串(Get Data/Time String)节点可以

19、获取系统当前时间，并显示在打印波形显示面板的右上部。通过对VI属性中打印选项的设置使每次VI执行结束自动打印前面板，如图7.2所示，其他打印选项可根据需要自由选择。.主要控制结构1、 测量控制结构通过逻辑按键“测量”控制是否进行测量；通过逻辑按键“通道”控制通道选择，且在测量过程中可随时切换测量通道。2、 自动调整扫描率控制结构由逻辑按键“自动”和“手动”来控制是否根据扫描数来自动调整扫描率，两个按键之间通过使用一个事件结构来进行自动/手动按键的切换，使一个按键变化的时候，另一个按键也相应变换一次。3、 模拟信号控制可通过对模拟信号选择内参数的调整，来改变使用的两模拟信号的类型及相关数据；可通

20、过刷新控制滑动条实现屏幕刷新的快慢程度。4、 按键总体使用情况当主模块运行时，如果采集按键没有按下，则可使用的功能包括“写盘”、“读盘”、“测量”、“波形打印”等；当采集按键按下时，可使用全部功能模块，但当进行“读盘”操作时，采集按键将会自动弹起。遇到的问题及解决办法1. 设计前不知道如何下手-上网搜些资料，结合着前面选控件，分析程序框图的原理，利用后面板伤得控件连线实现相应功能。2. 有些控件看前面容易选错-结合着后面板上的控件可以确定，例如枚举菜单栏的枚举控件和数值菜单栏的数值输入控件。3. 设计各个模块时，注意，一些控件得事先设好默认值。4. 连线错误-选中那根线，会显示是错在哪里，例如

21、前后类型不匹配等，做出相应修改。5. 设计的各个子模块中，也出现了很多关于类型不匹配的问题，特别是枚举型输入的连接经常出现错误，还有连接的各个波形图，波形图表，XY图，更是需要有人尝试着连接，直到没有断线出现。6. 模块完成后调试出现问题-按运行按钮，错误时弹出对话框，点击所显示错误会自动指向问题所在，分析问题，解决问题。7. 做子VI时注意各接线端的功能，不能弄错。8. 在调用子VI时，在前面板的控制中如测量，分析模块在执行时会有相应的子模块弹出和关闭，可以通过在各子模块中，利用文件VI属性，进行自定义操作即可解决该问题。9. 在总程序框图设计时，最常出现的问题也是与子VI的连接错误，有多种

22、可能性，例如，用簇时，需要将总程序的各个单项连接顺序与子VI中簇的顺序相同；枚举连接case结果时，也需要将总程序与子程序一一对应。10. 在调用子VI时，在前面板的控制中如测量，分析模块在执行时会有相应的子模块弹出和关闭，可以通过在各子模块中，利用文件VI属性，进行自定义操作即可解决该问题。11. 对背景颜色及文字颜色进行调整时，没有找到背景颜色的调整，后来经同学指点，在查看工具选板中可以找到颜色调整，移动等功能。12. 做总图前面板时不知道如何将各功能块分块-运用修饰菜单栏里的控件划区。13.模块调试都对，但调试总图时波形显示不出来-可能是某模块所选控件选得不对，虽在模块单独运行时无误但是

23、所实现的功能不符合。总结刚拿到设计题目时，感到这个设计很难，因为很多概念、原理和术语都不曾见过。所以，做设计之前，我花了很长时间来了解设计任务书中所给的执行文件，并通过书籍和网络来搜寻相关设计资料。等到基本掌握执行文件的各个模块的相关功能后，我开始了各个子VI的设计工作。设计过程是辛苦的，但结果是快乐的，整个设计过程基本上就是一个调试、修改、再调试、再修改的过程。有时候为了一个功能的实现可能要花去整整一个下午和一个晚上的时间，而当你完成后有时却发现有更简便的方法，可是这个时候却一点也不感到失落，因为那是自己独立思考的结果，也许复杂，但正因复杂才得了别人没有的经验。各子VI设计调试好后，便是建立

24、主程序模块将它们连接起来，进行整体的功能调试，调试，修改，再调试，再修改循环的过程很痛苦，主要是没有显示任何错误，却没有波形出现，老师的答疑很大程度上有了很好的促进作用，结局了部分问题，同学们都在一起讨论了彼此的问题，使得问题基本迎刃而解。本次课程设计-基于LabVIEW的虚拟数字示波器设计是测控仪器设计专业课程与LabVIEW课程重要的综合性与实践性教学环节，通过设计实践不仅可以检测我们对所学知识的掌握程度，更有助于培养我们独立学习、搜寻所需信息的能力，而对于越来越多专业课的学习，这次课程设计更发挥着很大的作用，所以我们要认真对待此次设计，对于以后的专业学习会有很大的帮助。附录总图前面板总图程序框图测控仪器设计课程设计任务书设计题目：基于Labview 的数字示波器设计设计要求：一、主要功能模块数字示波器主要由软件控制完成信号的采集、处理和显示。系统软件总体上包括数据采集、波形显示、参数测量、频谱分析及波形存储和回放等五大模块，功能结