基于LabVIEW的虚拟双踪示波器的设计.docx

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基于LabVIEW的虚拟双踪示波器的设计

摘要

示波器是科学研究和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仪器技术的一种具体应用，主要由数据采集、数据处理和结果显示三大部分组成。

其中，数据处理和结果显示由计算机软件系统来完成，只有数据采集是在软件的控制下由硬件来完成。

本文主要利用功能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，将每个功能均由一个模块来完成。

其中主要包括由信号发生、触发控制和采样控制组成的数据采集模块，由滤波、频谱分析、加窗处理和波形存储及回放组成的信号分析及处理模块，时基控制的波形显示模块。

数据处理和结果显示都是由计算机软件系统来实现的，而数据采集则是在软件的控制下由硬件来完成的。

本文所设计的虚拟示波器除具有通用功能外，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不断地扩展。

最后对虚拟示波器进行了系统测试和性能分析，实验结果达到了预先的设计要求。

关键词：

虚拟仪器，虚拟双踪示波器，LabVIEW

ABSTRACT

Scopeofscientificresearchandengineeringdesignisawidelyusedgeneral-purposeequipment.VirtualDigitalStorageOscilloscopeisakindofvirtualinstrumenttechnologyspecificapplication,mainlybythedataacquisition,dataprocessingandtheresultsshowedthreemajorcomponents.Amongthem,thedataprocessingandresultsaccomplishedbythecomputersoftwaresystem,onlythedataacquisitionisunderthecontrolofthesoftwarefromthehardwaretocomplete.

ThispapermainlyusingpowerfulgraphicalLabVIEWvirtualinstrumentdevelopmentplatform,completedthedesignofvirtualoscilloscopedoublesteps.

ThisdesignUSESthemodulardesignthought,willeachfunctionallbyamoduletocomplete.Includethesignalhappenandtriggerthecontrolandsamplingcontrolthedataacquisitionmodule,composedbyfiltering,spectrumanalysis,addwindowtreatmentandwaveformstorageandplaybackofsignalanalysisandprocessingmodule,thetimebasecontrolofthewaveformdisplaymodule.Dataprocessingandtheresultsshowedthataremadebycomputersoftwaresystemtoachieve,andthedataacquisitionisunderthecontrolofthesoftwarebythehardwaretofinish.Inthispaper,thedesignofvirtualoscilloscopeisinadditiontothegeneralfunction,andbetterthantheordinaryoscilloscope,whichhasitsownadvantages,suchasfiltering,spectrumanalysis,waveform,thestorageandcalllowcost,accordingtotheneedsofthefunctioncanbeusedcontinuouslyexpanded.

Atlastthevirtualoscilloscopesystemtestandperformanceanalysis,theexperimentalresultstoadvancedesignrequirements.

KEYWORDS:

Virtualinstrument,Virtualoscilloscope.Weredouble,LabVIEW

1绪论

1.1问题的提出及课题研究意义

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的应用也越来越广，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、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迅猛的发展，仪器精度越来越高，功能越来越强，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，传统的测量方法使用起来很不便利，其局限性非常明显，显然已经不能适应时代发展的需要了。

传统台式仪器的主要结构由硬件构成,是由厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，形式相对固定，所能实现的测试功能单一，每种仪器只能实现一类测量功能，用户在使用过程中难以对其功能进行改变，并只能以确定的方式提供给用户。

因此人们对测试仪器提出了更高的要求:

例如测试精度高，可靠性好，功能强，仪器体积小，测试全程自动化，智能化，使用灵活方便，升级便利,同时还能进行测量数据的存储、处理和显示,具有和其他仪器设备（如计算机等）进行数据通讯等功能。

今后电子测试仪器的发展方向，是从模拟技术转向数字技术，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“软件即是仪器”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资源，使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大程度地降低系统成本，增强系统灵活性。

在现代电子测量、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，在科学试验及现场检测等许多领域被广泛应用。

目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑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，生产突破度难。

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不具备的功能，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、成本低的数字示波器是非常必要的。

1.2虚拟仪器概述

虚拟仪器（VirtualInstrument）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发展的一个重要方向。

粗略地说这种结合有两种方式，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趋缩小，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。

虚拟仪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使用一台自己设计的专用的传统仪器，操作人员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。

虚拟仪器的构成如图1-1所示：

图1-1虚拟仪器的结构

测量仪器的发展，一种较普遍地说法是分为五个阶段，如图1-2所示

图1-2测量仪器的发展

模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，数字技术成功地应用到测量仪器。

七十年代初，出现了智能仪器。

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智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力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器，既能进行自动测试又能完成数据处理，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。

为解决这样的问题，总线式仪器与系统应运而生。

人们发明制造出CAMAC、RS232和GPIB（即IEEE-488）等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能仪器连在一起，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重复的部件或功能单元，如键盘、CRT、存储器等。

1987年，美国的惠普和泰克等5家公司在VME总线的基础上，联合提出了一种新型总线系统——VXI总线。

由于它的标准基于开放性原则，又具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用，很快得到了广泛的应用。

尤其是在组建中、大规模自动测量测试系统，以及对速度、准确度要求较高的场合，有着其它仪器系统无法比拟的优势。

1997年Nl公司推出了一种新的仪器总线标准PXI总线标准。

相对VXI仪器，PXI仪器具有成本低、便于组成便携式测试系统等优点。

这些以PC为核心、由测量功能软件支持，具有虚拟控制面板、必要仪器硬件和通信能力的PC仪器或VXI仪器就是虚拟仪器。

电测量理论和技术的不断发展、测量领域和测量观念的不断拓展，给测量仪器仪表提出了更高的要求。

仪器是测量的工具，测量的本质是利用仪器仪表获得定量认知的过程，测量的实现离不开仪器仪表，测量技术的发展过程，也就是仪器仪表的发展过程。

因而，为适应测量技术发展的需要，仪器仪表技术也不断地进步和提高，虚拟仪器就是为了适应测量技术发展的需要而产生并发展起来的。

虚拟仪器利用PC机显示器的显示功能模拟传统仪器的功能面板，以多种形式表达输出检测结果，利用PC机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由FO接口设备完成信号的采集、调理和测量，从而完成各种测试功能。

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（如微处理器、显示器等）和仪器硬件（如A/D、D/A、数字FO、定时器、信号调理等）的测量能力、控制能力结合在一起。

虚拟仪器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。

虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两个方面