示波器设计详细文档

1、第三章虚拟示波器的设计本章介绍各个功能模块及其生成过程。3.1程序流程图程序流程框图如图3-1所示。流程图简介：首先对设计中运用到的模块进行初始化，然后可以选择用声卡对数据进行采集或通过自制的信号发生器生成仿真信号，然后把采集到的信号或生成的仿真信号送入信号处理和参数测量模块中，通过各个模块的程序运行，把信号用波形图的形式显示出来。在前面板通过相应的控制和调节按钮可以对波形 进行调节控制，根据需要可以选择所需的信号处理和参数测量。初始化图3-1虚拟示波器程序流程图3.2程序结构图程序结构图如图3-2信号获取存储/回放滤波波形显示信号数据(声音/仿真信号)数据处理参数测量控制调节图3-2示波器的

2、结构框图3.3虚拟示波器信号获取模块信号获取的程序结构图，如图3-3所示:参数设置 .数据采集 信号生成函数信号发生器图3-2信号获取信号的获取途径主要有：(1)自制信号发生器以获得仿真信号(2)基于声卡的信号采集获得声音信号(3)读取已有的信号数据(如 ecg.lvm )自制简单的信号发生器获得仿真信号EXPRESS V中的“仿真信号”本身就是属于一个简单的仿真信号发生器， 通过打开已封装好的“仿真信号”程序模块，将其复制在一个新建的VI中，命名为电压采集，修改其程序图，将一些端口所接的常量改为输入控件， 再将生成 的信号数据在波形图和数组中显示出来， 即可获得所需单路信号。为实现双踪示 波

3、器的功能，可采用同样的方法再添加一路信号，最后做成一个子VI形式，输入为信号频率，信号噪声类型，采样点等控制，输出两路信号数据，方便调用。通过设置信号的频率、采样点、噪声类型、信号类型可以生成各种仿真信 号，根据采样定律，采样率应大于信号最高频率的2倍。信号发生器如图 3-3所示。A Frequency信号发生，aQ采样点仿斯号控制E Nu is;白 Ri ng电出采集B Frequrnc/Generate B信号发生器 获得仿真信号| A Noise Ringi rj IJnifor采禅点Generate AE Noise Ring Generate B rlGaussi |图3-3信号发生

4、器基于声卡的信号采集获得声音信号数据采集模块是虚拟示 波器软件的硬件驱动部分，在这里主要是利用 LABVIEM面的声卡函数完成声卡的硬件参数设置、启动声卡采集数据、等待采 样数据缓冲区满的消息、通知声卡停止采集等任务。具体的数据采集流程是：(1)初始化；对声卡中与数据采集相关的一些硬件参数进行设置；(2)打开写入声音文件，默认名称为test.wav,可以在对话框中手动修改名(3)启动声音采集，声卡采集数据的暂存在缓冲区中;(4)从声音设备读入声音数据，通过保存控件可以将声音波形数组写入声音文件，通过“停止”控件可以停止读取声音；(5) 一方面，得到缓冲区满的消息后，通知声卡暂时停止采集外部数据

5、，并进一步清空缓存里的内容；另一方面，根据需要，保存完所需的数据后，停止 采集数据并将缓存中的数据清零。如图3-4所示：声音信号采集模块图3-4声音信号采集模块程序图有通道采样数直通道采样率CS/s)-144 lOOEMi设备ID，讣口 一 一果样模式声音采集number of charmebits per 5Mpi“1也图3-5声音信号采集控制前面板1、程序说明：(1)在LabVIEW软件中，对于声卡的声道可以分为单通道(单声道)，双通 道(立体声)。单声道采样，左右声道信号都相同，而且每个声道的幅值只有原 信号幅值的1/2 ;采用立体声采样，左右声道互不干扰，可以采两路不同的信号， 而且采

6、样的信号幅值与原幅值相同。 另外，单声道得到的数据是标量，不能组成 数组，进而不便于数据的各种处理。(2)通道采样位数有8位，16位；其中，16位声道比8位声道采样信号的 质量好，而在采样位数相同情况下立体声比单声道采样信号好，采用双通道 16 位采样得到波形稳定，而且干扰小。所以在设计中我采用立体声 16-bit进行双 声道采样。(3)声卡的采样频率(rate )有4种选择，即 8000Hz, 11025Hz, 22050Hz 和44100Hz,采样频率不同，采到的波形的质量也不同，应视具体情况采用合适 的频率，在设计中，为了得到良好的演示效果，采用了44100Hz的采样频率。2、主要操作说

7、明：(1)采集设置：在while循环中将控件：每通道采样数，采样模式，设备号， 采样率，通道，通道采样位数捆绑，以便能在前面板进行对声音信号采集进行设 置。(2)在while循环中从声音设备读入声音数据，加入一个 case语句控制对 读进的声音数据进行存储并保存到目标文件中。3.3.3声音信号读取通常，为了能随时观察和分析采集到的信号， 在采集完后将采集到的信号存 入硬盘或其他存储器中，借助于声音回放模块读取已存在的声音信号，调节示波器观察声音信号频率幅度等特性。本设计的声音回放模块控制面板如图 3-6所示。图3-6声音回放控制面板声音信号读取程序说明：(1)选择一个路径合法的*wav文件(2

8、)获得* wav的文件文件数据，如每通道采样数，声音格式(波形文件采样 率，通道数，每采样比特数)。(3)打开用于读取的*.wav文件，配置声音输出格式，将*.wav文件以波形数 组形式读出，根据需要设置声音输出量，调整声音大小。(4)最后将声音输出到指定的输出设备，并将其声音文件的波形数组在示波器面板上显示出来。总声音读取程序如图 3-7所示图3-7声音读取总程序框图3.4虚拟示波器信号显示控制模块(1)时基控制time base/div属于时间轴调节，调节每刻度显示的时间长度。在该控件 中设置3个档位0、1、2。0档的值为50ms/div,1档的值为100ms/div , 2档值 为200

9、ms/div。Volts/div 属于电压轴调节，调节每刻度显示的电压值， 在该控 件中设置3个档位0、1、2。0档的值为0.5V/div , 1档的值为1V/div , 2档的 值为 2V/div。 操作说明：用case语句的3个分支0、1、2分别表示0档,1档,2档。 显示波形的控件命名为示波器，创建“示波器”的属性节点一X标尺一 范围一 全部元素(最小值，最大值，增量，次增量，起始值)。由图3-8可知：Tite Base100 ms/div50 m/div 200 is/4Vdts/DiT1 Y/DIV图3-8时基控制I、time base/div中0档表示时间轴是从0s到1s,增量为0

10、.2s ,起始时刻 为0; 1档表示时间轴是从0s到2s,增量为0.4s,起始时刻为0; 2档表示时间 轴是从0s到4s；增量为0.8s,起始时刻为00而信号频率在0档时值为10HZ； 1档时值为20HZ； 2档时值为40H乙并且获得的波形成分中，0档时相邻两个采 样点间距dt为0.002 ; 1档时dt为0.004 , 2档时dt为0.008。时基设置如下表3-1所示：表3-1 time base相关参数time base0档1档2档起始值(s)000增量(s)0.20.40.8范围(s)0-10-210-4心所(HZ)102040波形数据dt(s)0.0020.0040.008每刻度采样数

11、100100100采样率(HZ)200020002000每刻度时间长度 (ms/div)50100200(采样数/采样率)II、Volts/div 中0档表示电压轴是从-2V到+2V,增量为0.5V,起始电压为-2V; 1档表示电压轴是从-4V至U+4V,增量为1V,起始电压为-4V; 2档表示电压 轴是从-8V到+8V,增量为2V,起始电压为-8V。用case语句的3个分支0, 1, 2分别表示0档，1档，2档。创建“示波器”的属性节点一Y标尺一 范围一 全部元素(最小值，最大值，增量，次增量,起始值)相关参数设置如下表3-2所示表3-2 volts/div 相关参数volts/div0档1

12、档2档起始值(V)-2-4-8增量(V)0.512范围(V)-2 +2-4 +4-8 +8每刻度电压值(V/div )0.512(2)增益调节与平移图3-9增益调节与平移增益调节：设置增益调节控件值的范围为0.01-10，该控件与信号数据相乘即可使得信号幅值为正数部分成倍数向正方向增加而信号幅值为负数部分成 倍数向负方向增加。平移：设置平移控件调节的范围为-10+10,通过与信号数据相加即可得 到信号数据幅值整体增加(向上平移)或整体减小(向下平移)。(3)通道选择与信号显示控制通过前面板控件一 系统一 系统单选按钮，用布尔按钮代替原控件，然后 分别命名为通道A,通道B,双通道，使之成为通道选

13、择的控件。在后面板创建“示波器”的属性节点一 活动曲线再添加属性元素选择可见，0号曲线代表通道A曲线，1号曲线代表通道B曲线，通过case语句选择所需通道的活动曲线在示波器上显示。如图 3-10所示(4)复位控制示波器通道选择Visible?ActFlotklot. Visible?图3-11通道选择与信号显示控制通常，示波器带有复位功能，以便能回到初始状态。在本设计中，复位的功 能是回到开始时刻的状态，以便重新调节信号。图3-12 复位调整设置复位时示波器数据清零，time base和volts/div 都在0档，增 益为1,即信号不放大也不缩小，A通道信号向下移1V, B通道信号向上移 1

14、V。使得两个通道的信号错开，便于观察。(5)暂停示波器的信号是动态显示的，这会对某一时刻的波形观察分析或者数据记录 带来很多不便，本设计采用波形Graph显示图形。它的基本显示模式是等时间问隔地显示数据点,而且在每一时刻只有一个数据值与之对应,波形Graph在接收新数据时，先把已有数据曲线完全清除，然后根据新数据重新绘制整条曲线。因 此可以利用一个case结构，使得暂停时波形Graph不接收新数据，保留原有的 旧数据，对旧数据进行Time base和Volts/div 调节，可以放大或缩小波形，可 以更好的观察和分析波形图的细节。信号处理模块此处的信号处理模块主要通过滤波器对信号进行处理，如图

15、4-9所示。由图4-10可知，选项卡选项按钮设为：无、低通、高通、带通、带阻、平滑。在前 面板根据信号的特征输入相应的滤波参数，如图3-13所示。本设计中滤波器均默认为采用IIR（无限冲激响应）滤波器，3阶巴特沃斯拓扑结构。滤波器需 错误输入（无错 ,低截止频率一空茶窗挣茶癖璃低通LUh 带阴l 丽Value*图3-13信号处理方式选择无 低通高通常逋带阳平滑图3-14滤波选项卡图3-15滤波参数设置说明：由于本设计的信号都属于低频信号，所以高通滤波器和带通，带阻滤 波器滤波效果不明显，但是针对将来可能需要对其他信号采用相关滤波方式所以 有必要设置各种滤波方式。参数测量模块(1)单频测量 查找

16、具有最高幅值的单频，或在指定范围内查找具有最高幅值的单频。 也可查找单频的频率和相位。如图 3-16所示幅值一计算检测到的单频的幅值，以峰值电压 (Vp)为单位。频率一计算 单频信号频率，以赫兹为单位。相位一计算检测到的单频的相位， 以度为单位。 如图3-15所示。一单频 幅值.失真一频谱,相关-统计|单螂分析通道息幅值通道趣率通道端目位1.268722 49965-54.491单频分析E通道通道E幅值通道E频率通道B相位0. 033789.58S77-118.4S图3-15单频测量显示T3单嬲量4图3-16单频测量幅值和电平测量直流一一采集信号的直流分量。均方根一一计算信号的均方根值。峰峰值

17、一一测量信号最高正峰和最低负峰之间的距离如图3-17所示，图3-17幅值和电平测量显示图3-18幅值和电平测量(3)失真测量SINAD (dB)计算测得的信号与噪声失真比(SINAD)o信号与噪声失真比 (SINAD)是信号RMSIt量与信号RMStt量减去基波能量所得结果之比，以dB为单 位。如需以dB为单位计算总谐波失真加噪声，可取消选择 SINAD总谐波失真一一计算测量到的总谐波失真，测量范围包括最高谐波。THC谐波的均方根总量与基频幅值之比。如需将THD乍为百分比使用，乘以100即可。基波电平一一指定谐波次数为1,指定在谐波搜索中仅包含低于 Nyquist频 率，即采样频率的一半的频率

18、。失真测量显示如图3-19所示单频 幅值失真 频谱 相关 统计除其测量通道A THD A SIIIAD 墟波电平n ri 1H200 11EFR |o. 45407 IB失真测量通道B THD B SIWAIB基波电平0. ijlijijT |O. 11530. 45407图3-19失真测量显示（4）频谱测量幅度（均方根）一测量频谱，并以均方根（RMS用形式显示结果。用均方根 测量衡量频谱的幅度。例如，幅值为A的正弦波可在正弦的相应频率上产生幅值 0.707*A 。3.7图像保存为了记录任意时刻信号在示波器上的显示，保存相关图像可直观的再现图 形，还可以根据需要打印图片。因此本设计采用bmp图

19、像保存格式。实现方法如 图3-21所示，用一个case结构，当按下“保存图像”按钮时，获取“示波器” 节点图像，将图像数据写入bmp文件，实现保存bmp图像功能；再添加”文件对 话框”为创建新bmp文件选择位置，默认文件名为test ,根据需要可以改变要 保存的图像名称。图像保存路径可以显示图像保存的位置，方便查找。图3-21保存图像3.8小结本章是设计的关键部分，主要介绍了虚拟示波器的各个功能模块具体设计和 实现，包括：数据采集和处理模块、测量模块、频谱分析模块、参数显示模块等。 将这些模块在主VI的框图程序中按照一定的逻辑关系组合起来，就形成了一个 完整的虚拟示波器。这将在下一章中具体介绍

20、。第四章 结果显示与分析虚拟示波器的控制与信号显示控制显示面板本论文设计的虚拟示波器波形显示通过图 4-1显示面板显示，声音采集控制 与声音读取控制面板如图4-2所示，得到的声音信号和仿真信号在显示面板上显 示出来。图4-1示波器显示面板配置吟蜩放 氏需采集通道A)1道B取通道设备品一设置完毕采样模式图4-2声音采集与控制面板惟益A增益B单颊幅值失耳颈谙.法目测超illSA THD A SINU)11. Zfi575 |0,4531T |b.震H失具测量通道E THD B SIIJU) E基迪|. 03785 10.05261 |7Tt图4-3示波器的控制面板4.1.2示波器的控制与程序调试结

21、果(1)仿真信号控制显示通道A选择方波，通道B选择正弦波，噪声幅值为0.4 ,增益A为1,增益B为 1,平移 A为-1，平移 B 为 1 ,time base 为 50mv/div, volts/div 为 0.5V/div 。A通道波形显示如图5-4所示，B通道波形显示如图4-5所示，双通道波形显示如图4-6所示。无低通高通带通带阳平滑图4-4 A通道波形显示图4-5 B通道波形显示图4-6双通道波形显示改变“平移A”的值，令其为0, “平移B”的值也为0,设置time base为 100ms/div, Volts/div 为1V/div。A通道波形如图 4-7所示,B通道波形如图 4-8所

22、示，双通道波形如图5-9所示。在图中我们可以看到通道 A的波形向上移 了 1V,通道B的波形向下移了 1V,同时电压轴没亥J度值由原来的 0.5V变为1V, 时间轴每刻度值由0.2变为0.4.图4-7调节后通道A的波形显示图4-8调节后通道B的波形显示图4-9调节后双通道波形显示由于噪声幅值太大，而信号频率此时只有 20HZ所以在此采用低通滤波器，滤 波后A通道图如图4-10所示，B通道波形图如图4-12所示，双通道波形图如图 4-13所示。图4-10滤波后A通道波形图显示图4-11滤波后B通道波形图显示图4-12滤波后双通道波形图显示(2)声音信号控制显示：播放声音文件时，可以从示波器上读出

23、该声音的旋律图，可以调节增益、平移、时基等方便观察旋律图的细节部分。图 4-13是正在播放test.wav声音的旋律图。九低通商通带通帝阻平滑图4-13播放声音文件的旋律图显示(3)读取测量信号，例如读取文件 ecg.lvm ,心电信号如图4-14所示图4-14显示读取的心电信号4. 2小结由调试结果可知，在LABVIEVffl形编程语言环境下设计实现了一种方便、灵 活性强的虚拟示波器，对一些应用领域是一种很好的选择。第五章总结与展望设计的虚拟示波器不仅具有台式数字示波器的功能，而且充分发挥了计算机强大的功能和软件设计的灵活性。设计的研究工作和主要研究结果总结如下：（一）设计的虚拟示波器主要的优点为：（1）用图形化编程语言LABVIEW面向对象编程技术，软件开发效率高，可 操作