基于LabVIEW的虚拟示波器设计

1、江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）基于LabVIEW的虚拟示波器设计摘要：随着电子计算机技术和软件开发技术的日新月异，电子计算机在数据的实时分析和处理，显示，存储等方面的优势与传统的仪器相比越来越明显。与此同时，随着计算机性价比的不断提升，传统仪器的价格又长期居高不下，再加上传统仪器的功能单一，发展虚拟仪器已经成为一个不可阻挡的历史潮流。本课题在掌握了虚拟仪器的基本结构及信号处理的相关知识基础之上，设计了一套虚拟示波器。对虚拟仪器的概念，结构，发展趋势进行了相关分析。虚拟仪器主要由硬件和软件两个部分构成。本文对虚拟示波器的硬件即数据采集卡进行了介绍，对其软件部分进行了详细研究。在此基础上完

2、成了数据采集模块、滤波模块、测量模块、显示模块、频谱分析模块、存储模块的设计。关键词：虚拟仪器；虚拟示波器；频谱分析；数据采集Design of Virtual Oscillograph Based on LabVIEW Abstract ：Along with the computer technology and software development technology changes with each new day, the electronic computer in real-time data analysis and processing, display, stora

3、ge, and other aspects of the advantages and the traditional instruments is more and more obvious than. At the same time, along with the computer cost-effective rising, traditional instruments and high prices for a long time, plus the traditional instruments single function, the development of virtua

4、l instrument has become an irreversible historical trend. This topic in the master the basic structure of virtual instrument and signal processing knowledge foundation, designed a set of virtual oscilloscope. On the concept of virtual instrument, structure, development trend for the correlation anal

5、ysis. Virtual instrument mainly by the hardware and software two parts. In this paper, the virtual oscilloscope hardware data acquisition card namely initial, introduces the software of are studied. Based on the analysis of spectrum finished module, storage module, display module, filter modules, th

6、e design of the sensor module. Key words: virtual instrument；virtual oscilloscope；Spectrum analysis；data collection目录第一章 绪论11.1虚拟仪器概述11.1.1 虚拟仪器的产生11.1.2 虚拟仪器的概念11.1.3 虚拟仪器的构成21.1.4 虚拟仪器的优点41.2 虚拟仪器的现状61.2.1 国外虚拟仪器的现状61.2.2 国内虚拟仪器的现状71.2.3 虚拟仪器的发展趋势71.3本论文的主要工作8第二章 系统软件的开发平台Labview简介92.1 labview的基本概

7、述92.2 labview的模板分析102.2.1工具模板112.2.2 控件选板122.2.3函数选板13第三章 虚拟示波器的原理153.1 示波器的基本原理153.1.1 示波器波形显示原理153.1.2 通用示波器的组成部分163.2 数字示波器的基本原理203.2.1 数字示波器基本原理203.2.2 数字示波器基本方框图213.3虚拟示波器的基本原理22第四章 虚拟示波器硬件部分（数据采集卡）244.1数据采集卡主要组成部分244.2 数据采集卡参数设置25第五章 虚拟示波器软件的设计275.1数据采集模块设计275.2信号测量模块设计285.3数字滤波模块设计315.4频谱分析模块

8、设计325.5波形显示模块设计325.6波形存储和回放模块设计345.7完整的程序与前面板设计35第六章 示波器验证376.1采集直流信号376.2采集正弦信号386.3其它波形的测量42参考文献44致 谢45附 录46附录146附录 257附录358V第一章绪论1.1虚拟仪器概述1.1.1 虚拟仪器的产生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：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室里还能看到，它是以

9、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，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，无论是开发还是应用，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

10、现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。虚拟仪器（Virtual Instruments.简称VI）的概念，是美国国家仪器公司（National Instruments Corp.简称NI）于1986年提出的。NI公司同时也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。随着现在硬件和软件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化成为各级实验室以及研究机构发展的方向。虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器。它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快

11、捷。1.1.2 虚拟仪器的概念虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（通常叫做虚拟前面板，简称前面板）来操作这台计算机就像在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、判断、显示、数字存储等。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，把计算机资源和仪器硬件的测试能力和控制能力结合起来。虚拟一起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。虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。软

12、件是虚拟仪器的关键，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的数据的分析、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、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。虚拟仪器还可以广泛用于电力工程、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。1.1.3 虚拟仪器的构成虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成分式上讲则由以DAQ板和信号调理为仪器硬件

13、而组成的PC-DAQ测试系统，或已GPIB，VXI，Serial和Field bus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图1-1所示。显示器信号分析及处理器入机接口各类接口A/D转换器数据发生器信号调理器信号调理器输入信号D/A转换器信号调理器信号输出图1-1 虚拟仪器的结构目前，虚拟仪器的构成方式有以下几种：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，便可构成各种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，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

14、在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏障，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。随着基于PC的工业控制计算机技术的发展，PC-DAQ方式存在的缺点已经和正在被克服。因个人计算机数目非常庞大，插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适用于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。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。GPIB总线方式的VIGPIB（General Purpose Interface Bus）技术

15、是IEEE488标准的VI早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台的手工操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。在标准情况下，一块GPIB接口卡可带多达14台的仪器，电缆长度可达20m。GPIB技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，很方便的把多台机器组合起来，形成大的自动测试系统。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应用。VXI总线方式的VI VXI总线是VMEbus eXten

16、sion for Instrumentation的缩写，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、众多仪器厂家支持的优点，得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，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系统要求有专用的机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。PXI总线形式的VIPXI总线是PCI eXtension for Instrumentation 的缩写，是PCI在

17、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。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等公司已经开发了通过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，我们能够方便的将虚拟仪器组成计算机网络。利用计算机网络将分散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

18、资。现在，有关MCN（Measurement and Control Networks ）方面的标准正在积极进行，并取得一定的进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。USB接口方式的VIUniversal Serial Bus（USB）因为其在PC机上的广泛使用、即插即用的易用性和USB2.0高达480Mbits/s的传输速率，逐渐的成为仪器控制的主流总线技术。现在计算机上的USB接口越来越多，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在仪器控制方面上亦有一些缺点。比如说USB的排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

19、对排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，台式微机和工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。1.1.4 虚拟仪器的优点一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能，而且在许多方面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几个优点：（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）利用计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的

20、软件话，节省了物质资源，增加了系统的灵活性；一方面，通过软件技术和相应的数值算法、实时、直接的对测量数据进行各种分析和处理；另一方面，通过图形用户界面（Graph User Interface）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，可方便的构建模块化仪器（Instrument on a Card）。（4）基于计算机网络技术和接口技术，使VI系统具有方便、灵活的互联能力，广泛支持诸如CAN，Field Bus，PROFIBUS等各种工业总线标准。因此，利用VI技术可方便的构建自动测试系统（ATS，Autom

21、atic 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，用户可以根据自己的需要选择不同厂家的产品，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修的时间。下表是虚拟仪器与传统仪器的比较。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

22、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1.2 虚拟仪器的现状1.2.1 国外虚拟仪器的现状虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司（NI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

23、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。LABVIEW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

24、，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

25、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。虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模块及其变换方面也做了很多工作，发布了各种软件，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、各种数据滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检测、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极为复杂自动检测系统的仪器系统。1.2.2 国内虚拟仪器的现状在国内已有部分院校的实验室引入了虚

26、拟仪器系统，上海复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、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

27、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。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。1.2.3 虚拟仪器的发展趋势虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术在传统领域的各类仪器。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性和经济性，因而特别适应于当代科学技术迅

28、速发展和科学研究不断深化所提出的更高跟新的测量课题和测量需要。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进。”虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛的应用。图形化编程平台的进一步发展和完善是虚拟仪器发展的一个重要方向。如何使用户进行少量的学习甚至不需要学习就可使用功能强大的虚拟仪器，如何使用构成简单的虚拟仪器系统并完成复杂的测试内容，如何帮助用户对测试结果进行分析和判断等内容，是虚拟仪器技术努力的方向。我国还基本处于传统仪器与计算机化仪器互相分离的状态，世界各大相关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结合我国的实际情况，我们必须走引进与自行开发相结合的道路。一方面，大力引进国外虚拟仪器方面的

29、生产技术；另一方面，发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术，发展图形化平台的软件产品，充分利用我们现有的计算机及测控技术硬件，缩短与国际先进水平的差距。VXI总线将成为未来虚拟仪器的理想硬件平台，这是由VXI总线的性能决定的；另一方面，基于PCI-DAQ的虚拟仪器系统由于性价比高、灵活性好而受到大多数用户的青睐，将得到高速的发展。随着计算机硬件、软件技术的迅速发展，虚拟仪器将向高性能、多功能、集成化、网络化方向发展。1.3本论文的主要工作我国在科学技术方面与世界顶级国家还有一定距离，我国的高档仪器大部分还要依赖进口，这种仪器往往价格昂贵，使用面窄，花很多的外汇只能起到有限的作用，因此，研

30、究虚拟仪器对我国来说具有很重要的意义。开发虚拟仪器不仅可以实现仪器的自我生产，而且虚拟仪器易于改进，提升性能，通过软件和硬件的更换，还可以实现多方面的用途，大大提高了仪器的性价比。本论文主要介绍虚拟示波器硬件和软件的开发过程，以及相关数据处理的基础知识。虚拟示波器主要有硬件和软件两部分构成。硬件部分主要是普通PC机和数据采集卡；软件部分则包括了前面板，采集卡驱动程序及相关的应用软件（主要有频谱分析，数字滤波，数据存储和读取，波形显示等）本论文主要分为以下几个部分：第1章 绪论第2章 软件开发平台Labview的有关介绍第3章 虚拟示波器的原理第4章 虚拟示波器硬件部分（数据采集卡）第5章 虚拟

31、示波器软件的设计第6章 示波器验证第二章 系统软件的开发平台Labview简介2.1 labview的基本概述Labview是美国国家仪器公司开发的，基于G语言（Graphics Language）的虚拟仪器开发工具。其特点是用图形化的符号来代替传统的文本语言，从而达到直观，简洁，易懂的目的。1992年8月labVIEW2.5实现了从MaCintosh平台到Windows又砰台的移植，从 LabVIEW3.0版本开始，LabVIEW作为一个完整优异的图形化软件开发环境得到了工业界和学术界的认可，并开始迅速占领市场，赢得了广大用户的青睐。它的基本特点是(1)具有良好的用户接口其用户接口类似于传统

32、仪器的面板，包括按钮、旋钮、图形显示组件、控制组件等。通过鼠标和键盘向程序输入数据，操作结果由软件在计算机屏幕上生成。(2)编程方式简单、直观采用图形语一言(G语言)、图标和联机代替文本形式编写程序，是对具体编程问题的图形化解决方案。(3)具有层次结构和模块化的特点每一个VI可以作为顶层程序，也可以作为其它程序的子程序。(4)提供程序调试功能程序调试工具包括在源代码中可以设置断点，可以单步执行，也可以启动。LabVIEW创建虚拟仪器过程创建虚拟仪器的过程分为四步:(1)创建前面板。前面板是图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。它模仿了实际仪器的面板。前面板包含了旋钮、按钮、图形和其他控

33、制与显示对象。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，也可在计算机显示器上直接观看结果。若想要在数字控制中输入或修改数值，只需要用操作工具(见工具模板)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。(2)创建框图程序。在前面板窗口的主菜单windows中选择 ShowDiagram将前面板窗口切换到框图程序窗口，此时会看到与前面板对象对应的端口。根据需要在功能模板中找到所需的节点，并将节点图标放置到框图程序窗口。用数据连线将这些端口和节点的图标连接起来，形成一个完整的框图程序。(3)创建图标。一个虚拟仪器的图标/连接端口就像一个图形(表示某一虚拟仪器)的参数列表。这样，

34、其它的虚拟仪器才能将数据传输给子仪器。图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其它程序或子程序的子程序。运行和调试程序。运行和调试程序是任何一门编程语言编程的最重要的一步。在LabVIEW中，用户可以通过两种方式来运行程序:运行和连续运行。如果一个VI程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮将会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。这时这个按钮被称作错误列表。点击它，则LabVIEW弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用Find功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。调试程序时可以利用单步执行、设置断点、设置探针来显示数据流动方向。图2-1 Labview前面板图2

35、-2 Labview程序框图2.2 labview的模板分析 labVIEW是一种图形化设计语言，在一个虚拟仪器VI的开发过程中，主要利用模板创建和运行程序。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。操纵模板共有三类:工具(Too1s)选板、控制(Controls)选板和功能 (Functions)选板或称函数选板。图2-3 工具选版2.2.1工具模板工具选板为编程者提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具(如图所示)。该模板可以在windows菜单下选择 ShowToolsPalette命令以显示该模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状，

36、它包括了以下工具包。 操作工具:使用该工具来操作前面板的控制和显示。使用它向数字或字符串控制中键入值时，工具会变成标签工具的形状。 选择工具，用于选择、移动或改变对象的大小当它用于改变对象的连框大小时，会变成相应形状。 标签工具:用于输入标签文本或者创建自由标签。当创建自由标签时它会变成相应形状。 连线工具:用于在框图程序上连接对象。如果联机帮助的窗口被打开时，把该工具放在任一条连线上，就会显示相应的数据类型。 对象弹出菜单工具:用左鼠标键可以弹出对象的弹出式菜单。 漫游工具:使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游 断点工具:使用该工具在VI的框图对象上设置断点。 探针工具:可以在框图

37、程序内的数据流线上设置探针。程序调试员可以通过控针窗口来观察该数据流线上的数据变化状况。 颜色提取工具:使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。颜色工具:用来给对象定义颜色。它也显示出对象的前景色和背景色。 自动选择工具2.2.2 控件选板图2-4 控件选版控件选板拟仪器的面板是通过软件实现的。就是LabVIEW将传统仪器上的各种旋纽、开关.、显示屏等所有可能涉及到的操作部件，都做成外形相似的“控件”分类存于控制模板上。设计仪器模板时，只需根据需要选择合适的“控件”放在面板相应的位置上即可。每个图标代表一个子模板(如图所示)。控制模板可以用Wind。，s菜单的 ShowControlsPale

38、tte功能打开它，也可以在前面板的空白处,点击鼠标右键，以弹出控制模板。它只有当打开前面板窗口时才能调用2.2.3函数选板图2-5 函数选板图2-6 函数选板子选板函数选板编程子选板功能模板就是LabVIEW将传统仪器上的各种测试功能、信号分析文件操作以及输入/输出(1/0)接口设备的驱动做成可供直接调用的库函数。使用时只需根据预完成的功能与操作，从子模板上选择相应的“图标”放在流程图编辑窗口中相应的位置上即可。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板(如图所示)。它可以用Windows菜单下的Show Funetionspalette功能打开它，也可以在框图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出

39、功能模板。而且它只有打开了框图程序窗口后才能出现。它包括结构子模板、数值运算子模板、布尔逻辑子模板、字符串运算子模板、数组子模板、类子模板、比较子模板、时间和对话框子模板、文件输入/输出子模板、仪器控制子模板、仪器驱动程序库、数据采集子模板、信号处理子模板、数学模型子模块、图形与声音子模块、通讯子模板、应用程序控制子模块、底层接口子模块、文档生成子模板、示教课程子模板、用户自定义的子Vl模板和选择VI子程序等子模板。编制软件时通过对控制和功能模块中子模块的灵活调用，选取相应的功能子模块，分别置于前后面板内，使用连线工具即可完成虚拟仪器设计。本章介绍了当今在测控领域内的虚拟仪器开发软件LabVI

40、Ew语言，它满足了实现虚拟测试仪器的条件，是虚拟仪器开发环境中图形化语言的杰出代表之一。LabvIEW语言是一种面向工程技术人员的图形化编程语言，是一种面向对象的模块化编程语言，使面向对象技术程序的复用性达到最佳，被誉为工程师和科学家的语言。第三章 虚拟示波器的原理3.1 示波器的基本原理示波器是利用电子射线的偏转，来显示电信号瞬时值图象（常成为时间波形）的一种仪器。它能快速的把肉眼不能直接看见的电信号的时变规律，以可见的形式，形象的显示出来。目前，示波器在信号测试、信号比较、逻辑分析等领域得到了广泛的应用。3.1.1 示波器波形显示原理在示波器的荧光屏上，显示电压波形的原理如下：被测电压是时

41、间的函数，在直角坐标系统中，可以用的曲线表示。示波器的两副偏转板使电子束在两个互相垂直的方向偏转，这两个方向可以看成是坐标轴。因此，要在管子的荧光屏上显示被测电压的波形，就必须使射线沿水平方向的偏转同时间成正比，而在垂直方向同被测电压成正比（每一瞬间）。所以，锯齿波电压加到水平偏转板上，它迫使射线以恒定的速度从左向右沿水平方向偏转。并且很快的返回到起始位置。射线沿水平轴经过的距离跟时间成正比。被测电压加到垂直偏转板上，因而，每一瞬间射线的位置单值的对应于这一瞬间被测信号的值。在锯齿波电压作用期间，射线就绘出了被测信号的曲线，示波器波形显示原理如图3-1所示。图3-1 示波器波形显示原理以上图形

42、是锯齿波的重复周期等于输入信号周期整数倍的情况（一倍），荧光屏上显示出的信号图形是稳定不动的。如果不是整数倍，则每次出现的信号波形就不会重合，图形将不断移动，不利于观测。为了保证锯齿波的周期等于输入信号的整数倍，示波器必须具有同步或触发电路。3.1.2 通用示波器的组成部分现在示波器的简化方框图如图3-2所示。它主要由主机、Y轴系统、X轴系统三部分组成。图3-2 示波器的简化方框图被测信号接到“Y”输入端，经Y轴衰减器适当衰减后送至Y1放大器（前置放大），推挽输出信号和。经延迟级延迟r1时间，到Y2放大器。放大后产生足够大的信号和，加到示波管的Y轴偏转板上。为了在荧屏上显示出完整的稳定波形，将

43、Y轴的被测信号引入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r2，为了保证Y轴信号到达荧光屏之前X轴开始扫描，Y轴的延迟时间r1应稍大于X轴延迟时间r2。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。1主机主机部分包括示波管、Z信道、电源和校准器等。（1）阴极射线管（CRT）简称示波管，是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。下图3-

44、3是示波管内部结构图。图3-3 示波管的内部结构图（2）Z 信道又称调亮信道，它将调亮电路送来的调亮信号送到示波管的控制栅极，使示波管在扫描正程时才出现射线的光迹。显然，调亮信号应该是一个持续时间同扫描正程相等的正方波电压。（3）示波器的电源分为高压电源和低压电源两种。低压电源常采用典型的串联调整式温压电路。现代示波器的高压电源大部分采用图3-4所示直流-直流变换器方案。图3-4 直流直流变换器它由高频振荡器产生近于方波的高频振荡，再用变压器把它升压到所需的电压值，经过整流和滤波，得到所需的直流电压。这种用高频产生高压的方法，其优点是：变压器和滤波器可以做的较小；纹波电压和噪声都比较低；振荡器

45、的负载一旦加重，能自动停振，有自动保护的作用。（4）示波器主机中有一个固定频率和幅度，并具有较高准确度的内部信号源。它可以是正弦波、方波或脉冲波，用于自校水平系统扫速和垂直系统灵敏度。2.Y轴系统Y信道是被测信号通过的通道，因此，它需要足够宽的频宽，带内的幅-频特性应平坦，相-频特性为直线。Y信道主要包括探极、衰减器、倒相放大器、前置放大器、延迟线、输出放大器等几个部分。（1）示波器的探极是连接在外部的一个输入电路部件，它的基本作用是便于在被测源上探测信号和提高示波器的输入阻抗，从而展宽示波器的实际频带。（2）示波器的被测信号幅度变化范围宽广，小到几十毫伏，大到几百伏。为了保证垂直放大器正常工

46、作，对大信号需要进行衰减。为使信号不畸变，通常采用电阻电容分压器，为了不影响被测信号电路原有工作状态，衰减器的阻抗还必须足够高。（3）由于示波管垂直偏转板需要对称电压，即要求Y轴要对称输出，因此在前置放大器中设置倒相电路，将单端输入信号变成对称输入信号。（4）前置放大器常用来将单端输入信号变成双端对称信号输出。它的增益要求不高，但是频带宽度要比整体的频响指标值还要宽广，同时还要实现各种控制功能、增益微调、增益扩展、变换极性和垂直移位等。（5）示波器的水平扫描锯齿波信号起始点与触发信号之间有一段延迟时间，为了观测脉冲的前沿，就必须在Y轴放大器中插入延迟线，使被测信号起点和扫描信号起点同步。为此，

47、延迟线在Y轴的频带宽度内，要能无失真的滞后一段时候传输被测信号，滞后时间称为延迟线的延迟时间（td）。示波器的延迟时间通常为60ns200ns。为了防止延迟线传输信号产生反射，导致波形失真，它的特定阻抗必须与电路上的负载想匹配。（6）Y信道输出放大器的主要作用是把延迟线送来的信号放大到足够的幅度，以推动示波管里的垂直偏转系统产生满偏转。因此，它应有足够的放大系数（一般为550，级数为13级）。大的动态范围，小的非线形失真以及良好的频率特性和过渡特性。3.X轴系统X信道的主要作用是产生一个随时间线形变化的电压（称锯齿波电压）。将这个电压放大到足够的幅度，加到示波管的水平偏转板，去控制射线沿水平方

48、向从左向右随时间线形偏转，以形成时间基线（称时基）。为了获得稳定的图象，应能选择合适的同步或者触发信号，并把它放大和形成触发脉冲，去触发时基闸门。因此，X信道应包括时基发生器，触发电路和X放大器等几个部分。（1）时基发生器扫描的种类扫描的方式有很多种，有直线扫描、圆扫描和螺旋扫描，在示波器中，几乎都是采用直线扫描。直线扫描还可以分为连续扫描和出发扫描。连续扫描的扫描电压就是周期性的锯齿波电压。如果用示波器研究研究脉冲过程，连续扫描就不适用了，必须用出发扫描。时基电路与工作原理在现在示波器中，时基发生器由时基闸门、积分器（扫描电压发生器）、电压比较器和释抑电路四个部分组成。它们构成一个环形自控系

49、统。时基电路方框图如图3-5所示。图 3-5 时基电路方框图a.电压比较器是确定扫描电压幅度及其稳定性的主要部件，如果说扫描电压的起始时刻是由内触发脉冲决定，那么其终止时刻就应由电压比较器决定。时基闸门在触发脉冲的作用下，打开扫描发生器中的开关管，开始扫描的正程。扫描电压一方面送到X轴通道放大器推动X轴偏转板；另一方面送到电压比较器与预定的电压比较。当扫描电压和这个预定电压相等时，电压比较器产生一个输出信号，使时基闸门恢复到原始状态，从而结束闸门脉冲，关闭扫描发生器中的开关管，产生扫描回程。b.时基闸门是直接控制扫描发生器工作电路部件。它在触发脉冲的作用下，使扫描发生器开始工作。扫描正程开始，

50、当扫描电压达到一定的幅度后，它又在电压比较器的作用下关闭扫描发生器，使扫描正程结束，开始扫描回程。当扫描回程结束后，它又在释抑电路的作用下接触闭锁状态，使整个扫描发生器环处于等待状态。c.为了获得稳定的图象，每一次扫描都必须在同样的起始电平上开始，这一点就是由释抑电路来保证的。扫描系统一旦被触动，释抑电路就“抑制”触发脉冲对扫描发生器的触发作用，直到一次扫描过程结束。扫描电压回到起始电平后，释抑电路才“释放”扫描电路，使它能够再次被触发脉冲搐动。（2）触发电路时基发生器是在触发脉冲发生器的控制下工作。触发脉冲发生器的主要任务是：把不同来源，不同波形，不同幅度和不同频率的触发信号变换成时基发生器

51、所能接受的触发脉冲。触发电路的作用就在于保证每次时基在屏幕的扫描的时候，时基扫描都从输入信号上的一个精确确定的点开始。这个精确的扫描起始点由下述控制因素来决定：触发电平、触发斜率、触发耦合。（3） X放大器X放大器的基本应用，是作扫描电压的放大；但在示波器XY方式工作时，又作X输入信号的传输通道。3.2 数字示波器的基本原理数字示波器用A/D变换器把模拟波形转换成数字信号，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，再恢复成模拟量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，完成取决于进行信号处理的A

52、/D、D/A变换器和半导体存储器。3.2.1 数字示波器基本原理在数字示波器中，把输入的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“1” 、“0”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，只有恰当的选择取样频率才能用所得的样值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

53、结果出现明显误差。取样定律证明，对于一个最高频率为的信号，当取样频率时，其取样后所得到的脉冲序列将包括原信号的全部信息。称为奈奎斯特频率。当取样频率等于输入信号频率时，显示波形的频率信息还能保留，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。若采用正弦内插显示，等效带宽可达。3.2.2 数字示波器基本方框图数字存储示波器的基本方框图如图3-6所示。图3-6 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

54、控制逻辑电路的作用下写入随即存储器RAM中。RAM的读写操作受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，则将读地址输出选做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，同时使写地址计数器计数。写地址计数器将顺序递增的写地址送至存储器，确保每组数据写入至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，且显示时不产生闪烁。读出数据送至垂直D/A变

55、换电路，用做示波器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，供读地址计数器和显示地址计数器，以产生稳定阶梯扫描电压。3.3虚拟示波器的基本原理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

56、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。本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3-7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DA

57、Q驱动程序。图3-7 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