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示波器是生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究中應(yīng)用十分廣泛的電子測量儀器。目前常用的模擬示波器，外型笨重，功能單一；數(shù)字示波器雖然有一定的功能擴(kuò)展，但價格昂貴，維護(hù)升級成本高，短時間內(nèi)難以普及應(yīng)用。隨著計算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，近年來，出現(xiàn)了一種基于計算機(jī)和軟件的新型儀器——虛擬儀器。虛擬儀器以計算機(jī)為核心，功能由用戶定義和設(shè)計，具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實現(xiàn)。虛擬儀器的關(guān)鍵是用軟件來實現(xiàn)硬件的功能，實現(xiàn)“軟件即儀器”。本文應(yīng)用虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW開發(fā)了一種多功能虛擬示波器，不僅擴(kuò)展了示波器的分析和計算能力，而且降低了儀器的價格，增強(qiáng)了儀器的通用性，實現(xiàn)了波形顯示、存儲、打印和讀取以及多個測量參數(shù)自動顯示、相位差自動計算等功能。 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
圖1 多功能虛擬示波器結(jié)構(gòu)框圖 虛擬儀器由通用儀器硬件平臺和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。硬件平臺完成被測信號調(diào)理與信號采集，即獲取被測信號。目前較常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（PC-DAQ系統(tǒng)）、GPIB儀器測試系統(tǒng)、VXI儀器測試系統(tǒng)。 1.1 儀器的結(jié)構(gòu)框圖 多功能虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。儀器由調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集、計算機(jī)等部分組成。調(diào)理電路將被測信號調(diào)理成-5~5V輸入信號，送數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的數(shù)字信號，再由計算機(jī)進(jìn)行相關(guān)分析、計算、輸出處理，顯示、打印、保存觀測結(jié)果。 1.2 數(shù)據(jù)采集卡
1.3 多功能虛擬示波器功能設(shè)計 多功能虛擬示波器的設(shè)計參考了傳統(tǒng)示波器的功能，并結(jié)合虛擬儀器的特點與計算機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力，在功能上進(jìn)行了擴(kuò)展，實現(xiàn)了波形顯示、存儲、打印和時域、頻域參數(shù)自動測量、顯示、查詢以及相位差的自動計算功能。 多功能虛擬示波器的主要技術(shù)指標(biāo)： 采樣速率：200kb／s 采樣位數(shù)：12bits 波形顯示模式：雙通道X-Y mode 定位標(biāo)尺：兩個 數(shù)據(jù)存儲：硬盤或軟盤 2 儀器軟件設(shè)計 2.1 虛擬儀器軟件開發(fā)工具 虛擬示波器軟件設(shè)計采用的NI公司的虛擬儀器開發(fā)工具LabVIEW。LabVIEW是根據(jù)G編程語言,為數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與顯示而設(shè)計的一種圖形編程開發(fā)環(huán)境。它用圖標(biāo)代碼代替編程語言創(chuàng)建應(yīng)用程序，用數(shù)據(jù)流編程方法描述程序的執(zhí)行，用圖標(biāo)和連線代替文本的形式編寫程序，為虛擬儀器設(shè)計者提供了便捷輕松的設(shè)計環(huán)境，設(shè)計者利用它可以像搭積木一樣，輕松組建一個測試系統(tǒng)以及構(gòu)造自己的儀器面板，而無需進(jìn)行任何煩瑣的程序代碼編寫。 使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的虛擬儀器程序VI包括三個部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，生成模仿傳統(tǒng)儀器的控制面板[1]。每一個程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序。框圖程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，類似傳統(tǒng)程序的源代碼。圖標(biāo)/連接器是子程序SubVI被其它VI調(diào)用的接口。LabVIEW采用的是自上向下的模塊化編程方法，所生成的各個子程序有利于主程序的設(shè)計與實現(xiàn)[2]。這種設(shè)計方法可大大減小虛擬儀器開發(fā)的難度，利于儀器開發(fā)人員之間的分工協(xié)作。 多功能虛擬示波器的主要技術(shù)指標(biāo)： 采樣速率：200kb／s 采樣位數(shù)：12bits 波形顯示模式：雙通道X-Y mode 定位標(biāo)尺：兩個 數(shù)據(jù)存儲：硬盤或軟盤 2 多功能虛擬示波器的軟件結(jié)構(gòu) 多功能虛擬示波器主要由軟件來完成信號的采集、處理和輸出。系統(tǒng)軟件包括前面板生成、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示、參數(shù)測量、相位差計算、打印、記錄等模塊。主程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 2.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計
圖3 數(shù)據(jù)采集模塊框圖程序 2.4 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計 本文設(shè)計的虛擬示波器數(shù)據(jù)處理模塊具有數(shù)據(jù)讀寫、波形顯示、波形打印、波形存儲、時域參數(shù)測量、頻域參數(shù)測量等功能。數(shù)據(jù)采集后，需進(jìn)行數(shù)字濾波、參數(shù)計算、頻譜分析等數(shù)據(jù)處理。根據(jù)LabVIEW軟件的特點，在編寫程序時每一項功能對應(yīng)一個子程序（SubVI），通過各子程序的調(diào)用與連接來完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。時域參數(shù)測量子程序的框圖程序如圖4所示。
圖4 時域參數(shù)測量模塊框圖程序 2.5 前面板設(shè)計 多功能虛擬示波器的前面板設(shè)計模仿傳統(tǒng)示波器形式，利用軟件生成了顯示窗、調(diào)節(jié)旋鈕、開關(guān)鍵等部件，但儀器的操作、調(diào)節(jié)均由鼠標(biāo)操作完成。儀器的前面板如圖5所示。
圖5 多功能虛擬示波器前面板圖 3 結(jié)束語 本文設(shè)計的多功能虛擬示波器實現(xiàn)了參數(shù)的自動測量、分析、處理功能，節(jié)省了測量時間，提高了參數(shù)測量的精度，實現(xiàn)了波形、數(shù)據(jù)的存儲和顯示，具有相位差的自動計算與顯示功能。多功能虛擬示波器的波形打印、暫停等功能也為儀器的使用帶來了方便。實際應(yīng)用表明，該虛擬示波器具有集成度高、功能強(qiáng)、操作簡單、使用方便等優(yōu)點。在實現(xiàn)傳統(tǒng)示波器功能的基礎(chǔ)上增加軟件設(shè)計，還實現(xiàn)了頻譜分析、萬用表、頻率計等功能，實現(xiàn)儀器的一機(jī)多用。 本文作者創(chuàng)新點在于以虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW為基礎(chǔ)，設(shè)計、開發(fā)了具有波形檢測、分析、存儲、打印功能的集示波器、頻譜分析儀、萬用表、頻率計為一體的多功能測量儀器，可望使測量人員從眾多操作復(fù)雜的儀器中解脫出來，實現(xiàn)“測量室拎著走”。 |
NI公司提供了完善的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置軟件Measurement & Automation，用于連接數(shù)據(jù)采集卡硬件和計算機(jī)軟件[3]。虛擬示波器采用了工具DAQ節(jié)點（Utility Vis）。在Data Acquisition子模板中選Analog Input中的Analog Input Utilities->AI Waveform Scan.vi節(jié)點[4]，能夠滿足虛擬示波器對數(shù)據(jù)采集和顯示結(jié)果控制方面的眾多要求。該數(shù)據(jù)采集節(jié)點可以設(shè)置設(shè)備號、通道、掃描次數(shù)、采樣點、掃描速率；在觸發(fā)方面，它有強(qiáng)大的設(shè)置功能：5種觸發(fā)方式、2個觸發(fā)源可選；可輸出所采集數(shù)據(jù)的掃描周期。數(shù)據(jù)采集模塊框圖程序如圖3所示。
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