基于虚拟仪器的示波器和信号发生器说明书.docx

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基于虚拟仪器的示波器和信号发生器说明书

JIANGSUUNIVERSITY

《仪器综合课程设计》

任务书与说明书

报告题目：

基于虚拟仪器的多功能示波器

和信号发生器

英文题目：

Multi-functionoscilloscopeandsignalgenerator

basedonvirtualinstrument

学院名称：

机械工程学院

专业班级：

学生学号：

学生姓名：

指导教师姓名：

指导教师职称：

2018年1月

江苏大学

《仪器综合课程设计》任务书

题目：

基于虚拟仪器的多功能示波器和信号发生器

专业班级：

学号：

姓名：

指导教师：

一、课程设计目的意义

课程设计是工科各专业的主要实践性教学环节之一，是围绕一门或多门主要课程，运用所学课程的知识，结合实际的应用而进行的一次综合分析和设计能力的训练。

《仪器综合课程设计》是测控技术与仪器本科专业学生一次综合性课程设计，将综合应用本专业主要专业核心课程知识，如电子技术、传感器技术、误差理论与数据处理、测控电路、微机系统与接口技术、单片机应用系统设计、C语言、数字信号处理、电路设计软件、虚拟仪器设计、智能仪器设计、微机测控系统设计等课程，结合以上课程的相关实验环节，培养和锻炼学生熟悉和掌握仪器系统设计的整个环节。

帮助学生将各专业课程内容综合起来，融会贯通，形成系统的概念，迅速迈过从理论到实践的门槛。

本课程设计的任务是通过设计实践训练，使学生掌握解决测控技术与仪器领域实际复杂工程问题时所应具有的查阅资料、综合运用所学知识解决问题能力，培养学生具备应用文字处理软件撰写规范的课程设计说明书的能力，为后续毕业设计以及从事专业工作打下坚实的基础。

二、课程设计目标

1.学生能够运用数学、自然科学和工程科学基本原理，识别、表达仪器综合课程设计内容相关的复杂工程问题；（指标点2-4）

2.学生能通过文献综合分析，研究课程设计内容相关的复杂工程问题，以获得有效结论；（指标点2-4）

3.学生能够根据总设计任务要求，完成符合特定功能、性能、成本等需求的机电测控系统或者仪器整体或者部件设计，设计中能够体现创新意识；（指标点3-4）

4.学生能够依据相关标准、规范，综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等制约因素；（指标点3-4）

5.学生能够应用文献检索基本方法，获取设计任务有关背景与现状；（指标点5-1）

6.学生能够选择与使用恰当的技术、资源和信息技术工具，完成课程设计具体设计内容；（指标点5-1）

7.学生能够评价解决复杂工程问题的工程实践活动对环境、社会可持续发展的影响；（指标点7-2）

8.学生能够正确认识团队成员之间的任务关系，明确个体、团队成员以及负责人的角色任务，并在团队中担任好自己的角色；（指标点9-1）

9.学生能够撰写课程设计说明书文稿，格式规范，内容完整，表达清楚；（指标点10-2）

10.学生能够针对设计任务，清晰表达陈述设计背景、技术方法现状、设计主要方案及内容，设计试验结果与结论等，并能够准确回应指令；（指标点10-2）

11.学生能够针对设计任务要求，应用管理与技术经济分析方法，分析设计的测控系统与仪器经济合理性；（指标点11-2）

三、课程设计目标与专业毕业要求指标点的对应支撑关系

课程设计目标与专业毕业要求指标点的对应支撑关系表

毕业要求

指标点

课程目标

目标1

目标2

目标3

目标4

目标5

目标6

目标7

目标8

目标9

目标10

目标11

毕业要求2-4

√

√

毕业要求3-4

√

√

毕业要求5-1

√

√

毕业要求7-2

√

毕业要求9-1

√

毕业要求10-2

√

√

毕业要求11-2

√

仪器综合课程设计支撑专业培养计划中毕业要求2、毕业要求3、毕业要求5、毕业要求7、毕业要求9、毕业要求10和毕业要求11：

1.毕业要求2-4：

能够运用数学、自然科学和工程科学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析测控系统与仪器领域相关的复杂工程问题，以获得有效结论，占该指标点达成度的20%。

2.毕业要求3-4：

能够根据总设计任务要求，完成符合特定功能、性能、成本等需求的机电测控系统、电子仪器设计，依据相关标准、规范，综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等制约因素，并体现创新意识，占该指标点达成度的30%。

3.毕业要求5-1：

能够应用文献检索基本方法，选择与使用恰当的技术、资源和信息技术工具，占该指标点达成度的20%。

4.毕业要求7-2：

能够理解和评价针对测控系统与仪器中复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响，占该指标点达成度的30%。

5.毕业要求9-1：

正确认识团队成员之间的任务关系，理解个体、团队成员以及负责人的角色，并在团队中担任好自己的角色，占该指标点达成度的40%。

6.毕业要求10-2：

能够撰写调查分析报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，占该指标点达成度的30%。

7.毕业要求11-2：

具备在测控系统与仪器工程实践中应用管理与经济决策知识的能力，占该指标点达成度的30%。

四、课程设计工作要求

1.课程设计工作总体要求

通过布置具有一定难度的设计题目，利用所学的智能仪器和微机测控系统知识，要求学生按照小组独立完成所布置设计任务。

在分析与设计过程中，要求学生养成良好的设计习惯，学会分析实际问题，并能利用所学的知识建立系统结构，学会软硬件设计、调试技巧和方法。

根据题目任务的具体要求，提出以下总体要求：

（1）要充分认识课程设计对培养自己的重要性，认真做好设计前的各项准备工作。

（2）既要虚心接受老师的指导，又要充分发挥主观能动性。

结合题目任务，独立思考，努力钻研，勤于实践，勇于创新。

（3）按规定的时间独立完成规定的工作任务，不得弄虚作假，不准抄袭他人内容，否则成绩以不及格计。

（4）要严格遵守学校的纪律和规章制度，学生有事离校必须请假。

课程设计期间，无故缺席按旷课处理；缺席时间达四分之一以上者，其成绩按不及格处理。

（5）在设计过程中，要严格要求自己，树立工程实践意识，严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风，必须按时、按质、按量完成课程设计。

（6）小组成员之间，分工明确具体，各负其责，要保持联系畅通，密切合作，培养良好的互相帮助和团队协作精神。

每位学生能够明确团队成员之间的任务关系，并在团队中担任好自己的角色。

（7）能独立查阅资料，了解专业前沿发展现状和趋势，设计方案经过小组讨论论证，确保正确可行，正确划分系统功能模块，系统设计要尽量实用，数据与功能分析要详细。

（8）实验仪器在使用前一定要仔细阅读使用说明书，严格按要求使用仪器设备，由于操作不当造成损坏学生负责。

（9）学生所在组选出小组负责人，负责仪器及元器件的保管工作。

（10）根据《江苏大学课程设计说明书写作规范》的格式要求，认真撰写课程设计说明书，说明书以个人为单位，并装入课程设计资料袋提交，设计的仪器或者系统以组为单位提交，答辩以组为单位。

2.课程设计具体内容要求

（1）分析设计任务，明确设计指标和功能要求。

（2）收集相关资料，进行背景及现状综述与分析，提出总体方案，进行技术可行性、环境与社会影响可行性、技术经济可行性等分析论证，并进行具体方案设计工作，画出总体功能框图或者部件功能框图。

具体要求包括：

能够依据设计任务性能指标要求，能够运用数学、自然科学和工程科学基本原理，识别与提炼、定义与表达，通过文献研究分析设计内容相关的复杂工程问题，获得有效检测与控制数学模型等结论；能够设计复杂工程问题的解决方案，设计满足特定功能、性能、成本等需求的测控系统、仪器或者部件，在设计环节中能够体现创新意识，并考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素；能够理解和评价针对测控系统与仪器中复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响；理解工程实践活动中管理与经济决策基本知识，并能应用在多学科环境工程实践中，进行必要技术经济分析。

（3）各单元电路设计，包括详细的电路原理图，各元器件及芯片功能引脚图。

包括电路设计必要计算分析。

（4）设计方案交由指导老师审查，领取元器件及仪器设备，缺少的自己购买。

（5）硬件电路安装与调试。

（6）程序设计，并调试通过。

（7）撰写课程设计说明书。

（8）提交仪器，现场测试，并提交设计说明书，参加答辩。

要求能够就测控系统与仪器中复杂工程问题与老师、同学进行有效沟通和交流，包括撰写调查分析报告或者设计文稿PPT、陈述发言、清晰表达或回应指令。

（9）做好元器件及仪器设备归还、工作室卫生打扫等善后工作。

五、课程设计说明书的内容要求

课程设计说明书是课程设计工作的总结和提高，课程设计说明书应反映出作者在课程设计过程中所做的主要工作及主要成果，以及作者在课程设计过程中的经验教训。

必须同时提供纸质文档和电子文档。

1、课程设计说明书内容

课程设计说明书包括以下几个主要部分：

（1）课程设计封面（统一）

（2）课程设计任务书（包括题目、设计任务技术性能及功能要求，设计小组分工等，依据提供任务书补充，修改更具体）；

（3）课程设计中英文摘要；

（4）目录（课程设计大纲）；

（5）引言（题目背景及设计目的意义）

（6）现状综述分析（对参考文献综述，分析技术发展水平、特点及趋势）

（7）设计方案论证及关键技术方法介绍（包括对关键技术应用原理分析，设计总体功能框图、电路的总体结构框图，总体设计方案的比较选择等）

（8）硬件电路设计调试（包括电路参数必要设计计算、元器件型号的选择确定等，硬件电路调试工具、硬件电路制作、连接、安装、调试等步骤）

（9）软件系统设计调试（包括设计手段、设计过程、设计步骤，软件系统调试工具、方法及步骤等）；

（10）性能试验结果分析（性能功能测试实验，测试数据和误差结果分析等）；

（11）结论及展望

（12）设计小结与体会

（13）参考文献

（14）附录（其他图表）

2、课程设计说明书编写基本要求

（1）每个学生必须独立完成课程设计说明书；

（2）课程设计说明书写规范、文字通顺、图表清晰、数据完整、结论明确；

（3）课程设计说明书后应附近期参考文献，以期刊为主，至少10篇以上；

（4）要求课程设计说明书用A4纸打印装订成册；

（5）电路图用Protel绘制。

（6）署名设计学生和指导教师姓名；

（7）课程设计电子文件存档，保管齐全。

具体格式参看《江苏大学课程设计说明书写作规范》。

六、课程设计题目及任务要求

设计任务7：

设计《基于虚拟仪器的多功能示波器和信号发生器》。

要求选择合适的硬件板卡，设计一基于虚拟仪器的多功能示波器和信号发生器，具备数字存储示波器、信号发生器和信号分析仪三个主要功能模块。

具体要求如下：

可以通过前面板交互界面实现示波器与信号发生器功能切换；数字存储示波器可以实现双通道信号采集，而且采集的数据可以进行存储，同时可以将已存数据重新载入进行分析观察；信号发生器可直接数字合成（DDS），能够产生正弦波、方波、锯齿波及三角波信号，精度高，相关参数可程控，便于与其他设备接口构成各种系统。

另外，根据要求可以叠加各种噪声，同时能够实现两个及以上信号叠加输出，具有较高性价比和一定市场竞争力。

最多设置2组，2人一组。

项目分工：

个人独立完成

基于虚拟仪器的多功能示波器和信号发生器

柳子越

（江苏大学机械工程学院仪器科学与工程系，江苏，镇江，212013）

摘要：

本文提出了一种基于Labview虚拟仪器平台和NImyDAQ设备的多功能示波器及信号发生器设计。

由myDAQ输出和采集信号,由软件编程来实现示波器的显示及测量等功能。

与传统的示波器相比,除具有信号的测量和显示功能外,还可以实现对信号的滤波、频谱分析、参数测量、数据的存储和导出等功能。

本文的主要工作包括:

（1）介绍了虚拟仪器的研究目的、意义以及国内外现状;

（2）介绍了虚拟仪器的概念、特点、组成和实现技术;（3）对虚拟示波器和信号发生器系统进行了设计,利用高速数据采集技术采集数据、利用信号处理算法处理数据;（4）利用Labview图形化编程语言进行了软件编程。

此外,本文还使用myDAQ多功能卡实现了一个波形发生器,可以生成标准波形、绘制任意波形。

将此波形发生器系统作为虚拟示波器系统的信号源,对整个虚拟示波器系统进行了验证。

结果表明:

该系统更加灵活、高效、经济、可扩展性强等优势。

关键词：

虚拟仪器示波器信号发生器

Multi-functionoscilloscopeandsignalgenerator

basedonvirtualinstrument

Abstract:

ThispaperpresentsthedesignofamultifunctionaloscilloscopeandsignalgeneratorbasedonLabviewvirtualinstrumentplatformandNImyDAQequipment.ThesignalisoutputandcollectedbymyDAQ.Comparedwiththetraditionaloscilloscope,itnotonlyhassignalmeasurementanddisplayfunction,butalsocanrealizesignalfiltering,spectrumanalysisandparametermeasurement.Themainworkofthispaperistointroducetheresearchpurpose,significanceandcurrentsituationofvirtualinstrumentathomeandabroad.Theconcept,characteristics,compositionandcompositionofvirtualinstrumentareintroduced.Realizationtechnology;Thevirtualoscilloscopeandsignalgeneratorsystemaredesigned.Thedataarecollectedbyhigh-speeddataacquisitiontechnologyandprocessedbysignalprocessingalgorithm.Inaddition,awaveformgeneratorusingmyDAQmulti-functioncardisimplemented,whichcangeneratestandardwaveform.Thewaveformgeneratorsystemisusedasthesignalsourceofthevirtualoscilloscopesystem,andthewholevirtualoscilloscopesystemisverified.Theresultsshowthatthesystemismoreflexible,efficientandeconomical.Strongscalabilityandotheradvantages.

Keywords:

Virtualinstrumentoscilloscopesignalgenerator

目录

第一章绪论1

1.1引言1

1.2国内外现状综述1

1.3设计主要内容3

第二章总体方案设计5

2.1设计功能和性能指标要求5

2.2设计方案5

2.3方案技术可行性分析8

2.4方案经济可行性分析9

2.5方案对社会、健康、安全、法律、文化以及环境等影响分析10

第三章详细设计12

3.1硬件电路设计12

3.2软件系统设计14

3.3实验系统设计26

第四章系统调试与试验结果分析28

4.1硬件电路调试28

4.2软件系统测试29

4.3结果分析35

第五章结束语38

课程设计工作小结与体会39

参考文献40

附录41

附录一：

信号发生器模块程序图41

附录二：

示波器及程序测量模块程序图42

附录三：

波形保存和回放程序图43

第一章绪论

1.1引言

测量设备是工业生产以及科学研究中至关重要的一环。

随着计算机技术，电子测量技术，软件编程技术的发展，测量设备打破了传统测量仪器理论和方式，新的理论、方法、架构不断出现，其中最著名的就是虚拟仪器，它引发了仪器测量领域的重大变革，代表着仪器发展的最新方向和潮流。

传统测量仪器的结构固定，功能是由厂家自主设计并制造完成，有固定的输入/输出接口和仪器操作面板，每种仪器通常只能实现一类特定的测量功能，传统仪器在使用上具有一定的局限性，目前常用的数字示波器、数字万用表、信号发生器、信号记录仪以及温度、压力监测仪都是传统仪器的代表。

传统仪器与虚拟仪器之间的差异主要是：

传统仪器由厂商定义固定的功能，而虚拟仪器则由用户根据实际测量需要定义功能；传统仪器与虚拟仪器组件结构基本相同，但在体系结构原理上完全不同。

虚拟仪器系统包括软硬件两部分，用户可以自由选择适合的软硬件，无需使用厂商提供的封装好的设施，从而保证了极大的灵活性【4】。

传统仪器软件和测量电路被封装在一起，利用仪器操作面板完成限定的功能；虚拟仪器利用计算机数据处理能力和显示界面，建立图形化的用户操作界面，可以完成仪器控制、数据采集、分析、处理和显示功能。

相比于传统仪器，虚拟仪器具有功能自定义、性价比高、开发维护费用低等特点。

随着计算机处理能力的提升，设计人员将一些高效的数字信号处理算法应用于虚拟仪器设计领域，充分丰富了传统仪器的功能，而且能够通过软件配置的形式实现多功能集成的仪器设计。

最常用的基于PC-DAQ体系的虚拟示波器系统，即就是利用数据采集卡，在PC机上设计与实现一套具有示波器，型号发生器功能的虚拟仪器系统，既可完成示波器的基本功能，还可对被测对象的信息进行各种统计和分析，利用计算机系统的处理能力丰富示波器的功能，具有开发周期短、性价比高、功能全面等优点【1】。

1.2国内外现状综述

个人计算机的产生为基于测量仪器的PC机的发明提供了平台。

美国国家仪器公司（NationalInstruments，简称NI）使整个行业发生了根本性地变化，NI公司的理论和技术变革顺应了时代的潮流，推动了整个测量测控行业的发展。

在Microsoft公司的Windows操作系统诞生之前，NI公司就开始了在虚拟仪器技术领域的研究。

在NI公司的带领下，基于长期、高效、科学系统的对于虚拟仪器和图形化编程语言LabVIEW研究和实验，1992年具有跨平台的功能的LabVIEW2.5正式诞生，从此虚拟仪器制造进入了蓬勃发展的时期。

随着计算机编程语言、通讯技术、测量技术等各个方面的不断发展，用户对于测量设备的要求不断增多，测量系统的复杂度也在不断提升，基于市场的推动和行业发展，NI公司和国内外的高校、科技公司不断加大对虚拟化设备的探索，基于传统测量设备，成功推出了可应用于工业制造界、学术研究界、科学实验室等领域的虚拟化设备。

利用编程软件，虚拟仪器可以实现与满足GPIB、VXI、RS-232、RS-485等协议的硬件和数据采集设备通讯的所有功能的集成，并且还内置了各类库函数，便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准。

以NI公司为代表的一大批生产厂商推出了适应市场需求的虚拟仪器产品，美国各大理工类院校已经将基于计算机的虚拟设备制造和图形化编程语言作为必修学科，部分大学要求学生利用虚拟设备进行数据采集、控制、处理等各种操作。

世界各大知名的虚拟仪器生产厂商开发出众多的软件平台用于设计者自主构建虚拟仪器测量系统。

最早和最具影响力的开发软件是美国国家仪器公司（NI公司），该公司不断推出新的虚拟仪器产品，其图形化编程语言LabVIEW、LabWindows/CVI及其相应的硬件也引领整个虚拟仪器市场。

NI公司开发了图形化的编程软件，为用户提供了仪器自动化设计和实现方案。

其中，NI公司的虚拟频谱分析仪就是利用高速数据采集卡和图形化编程软件LabVIEW设计和实现的，它在电子测量、分析领域中应用广泛。

荷兰的TiePieEngineering公司是一家专门销售计算机控制的测量仪器公司，产品包括示波器、光谱分析仪、资料记录仪、万用表、函数发生器等。

美国Link分析仪利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用，公司推出的数字化存储示波器、逻辑分析仪和FFT频谱分析仪等也都被各个电子行业广泛研究和应用。

美国的HP公司、Racal公司和Tektronix等很多公司都相继加入虚拟仪器的研究领域，虚拟仪器领域不断涌现出众多新产品。

NI、HP和Aglent公司都推出了基于计算机系统的虚拟测量和控制系统，这些虚拟仪器被广泛应用于科研领域的数据测试【6】【7】。

目前，我国很多高校和科研机构认识到虚拟仪器在测量领域的优势，逐步开展了对虚拟仪器相关技术的研究，开发具有自主知识产权的虚拟仪器设备。

华中科技大学、复旦大学、上海交通大学、重庆大学等部分高校相继建立了自己的虚拟仪器教学实验室。

清华大学、重庆大学、华中科技大学等争众多理工类院校开始引进以及自主研发虚拟仪器，通过引进美国国家仪器公司、HP公司产品，在对国外产品不断研究的基础上，取得了喜人的研究成果，为国内的虚拟仪器领域做出了巨大的贡献。

重庆大学的测试中心，他们研发的产品包括数字示波器、频谱分析仪等多种虚拟仪器，根据客户的需求定制，得到了市场上的广泛认可，不少高校、厂商争相与其合作。

华中理工大学机械学院工程测试实验室将其研究成果公开透明化，为很多研究者提供了技术支持。

四川大学基于虚拟仪器设计思想，研制出“航空电台二线综合测试仪”，实现了将台虚拟仪器集成，组成虚拟仪器系统，使用起来灵活、方便。

清华大学汽车系利用虚拟仪器技术研制的期初发动机检测系统，可以用来对出厂的汽车发动机进行检测，检验发动机的功率特性、负荷特性等等，一台发动机检验完成，即可打印出完整的检验报告【4】。

此外，国内的多家企业也不断研制基于计算机的虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司研制的数字化存储示波器系列、任意波形发生器系统以及多通道大容量的波形记录仪系列等多种产品已经开始批量生产和应用。

未来几年，中国的虚拟仪器市场占有率将超过50%，会有越来越多的厂商利用虚拟仪器系统对生产设备进行实时监控和测量，随着计算机技术的发展，虚拟仪器系统会逐渐代替传统的测量仪器成为电子测量领域的主流。

1.3设计主要内容

使用NImyDAQ硬件平台，搭建PC-DAQ体系，使用Labview2015软件编写信号发生器，示波器程序并设计界面。

能够产生虚拟信号，并完成信号的测量、数字滤波、频谱分析、数据存储读取及显示功能，并可以录