labview示波器设计.docx
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labview示波器设计
labview示波器设计
摘要
随着电子技术、计算机技术的高速发展及其在电子测量技术和仪器领域中的
应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，
电子测量仪器的功能和作用己经发生质的变化。
在市场的需求和相关技术支持下，促使了基于个人计算机的测控仪器—虚拟仪器的发展。
虚拟仪器利用计算机强大的处理能力，使得它成为了一种很好的工具，其应用范围也越来越广泛。
与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力和可操作性等方面均具有明显的技术优势。
示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。
目前研制一种
结构简单、操作方便、生产技术要求不高、费用低的新型数字示波器是非常必要的。
本文介绍了一种新型的示波器:
虚拟示波器。
虚拟示波器是虚拟仪器技术的一种具体应用。
该虚拟仪器基于计算机平台，实现比传统仪器更强大的功能。
本设计采用模块化的软件设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成。
所设计的虚拟示波器主要由仿真信号发生、参数测量、波形显示和存储模块等组成。
将这些子模块在虚拟仪器的框图程序中按照一定的逻辑关系组合起来，就形成了完整的虚拟示波器。
它具有传统仪器所没有的许多优点，如波形可以存储为图片或是数据文件，可以长久保存并随时调用，波形显示可以进行单、双通道的切换、成本低廉，可以根据需要进行功能拓展。
本设计所采用的软件是美国NI公司推出的LabVIEW。
LabVIEW是一种基于图形化编程语言的开发环境，具有十分强大的数据库。
它为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境。
是目前应用最广泛的虚拟仪器开发平台软件之一。
关键词：
示波器，虚拟仪器，LabVIEW
VI,thenthevirtualoscillographiscompletelyrealized.Ithasmanyadvantagesthatthetraditionalinstrumentdoesn'thave,suchassavingwaveaspicturesorpermanentdata,usingdataatanytime，displayingwavethroughtwochannels，costlowandextendingfunctionwhenneeded.
ThesoftwareusedinthepaperisLabVIEW.LabVIEWisakindofsoftwarebasedongraphiclanguage,ithasaverystrongdatabase.ItprovidesaconvenientandrelaxeddesigningenvironmentfortheVIdesigner.Itisoneofthemostwidelyusedsoftwarefordevelopingthevirtualinstrumentcurrently.
KEYWORDS：
oscillograph,virtualinstrument,labview
前言
电子测量技术发展总是与自然科学，特别是电子技术的最新发展紧密相连的。
从传统的电测量指示仪表、数字化仪表到智能仪器，再到虚拟仪器，电子测量技术发生了革命性变化。
虚拟仪器改变了传统电子测量仪器的概念、模式和结构，用户完全可以自己定义仪器的功能和参数，即“软件即是仪器”，虚拟仪器以其特有的优势显示了强大的生命力。
在进行电子测量中，示波测试是多种电量和非电量测试中的基本技术。
示波器是时域分析中最典型的仪器，也是当前电子测量领域中，品种最多、数量最大、最常用的一种仪器。
因此，当传统仪器向虚拟仪器推进时，基于虚拟仪器的示波测试技术也是发展很快的。
LabVIEW是一种业界领先的工业标准图形化编程工具，主要用于开发测试、测量与控制系统。
它是专门为工程师和科学家而设计的直观图形化编程语言。
它将软件和各种不同的测量仪器硬件及计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统，以形成用户自定义的解决方案。
结合虚拟仪器技术和软件编程技术，本文设计并实现了一个虚拟示波器。
整
个系统应分为硬件和软件两个部分。
硬件部分主要由计算机和数据采集模块组成。
由于硬件部分主要是购买成熟产品，本论文的研究重点放在软件的编制和实现上，并用仿真信号代替外部硬件采集信号。
本课题的主要工作是首先进行虚拟示波器的整体设计，掌握虚拟仪器的软件编程环境LabVIEW的使用;用图形化编程语言LabVIEW实现虚拟示波器的信号发生采集模块、显示模块、数据存储模块等。
本文各章的主要安排如下：
第1章为绪论部分，综述本文的研究背景，阐述课题的意义。
第2章为虚拟示波器的设计基础部分，主要讲述示波器的相关内容与虚拟仪器的软件开发环境LabVIEW.
第3章是虚拟示波器的具体设计部分，主要介绍虚拟示波器的各个功能模块的具体设计方法。
第4章则是利用所设计的虚拟示波器进行实验，实现对信号的显示、测量和
保存等操作。
第5章是结论和展望。
第1章绪论
1.1虚拟仪器介绍
电子测量仪器发展至今，大体可以分为四代:
即模拟仪器、数字化仪器、智
能化仪器和虚拟仪器。
虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）是现代仪器技术和计算机技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试（ComputerAidedTestCAT）的重要技术。
虚拟仪器把计算机技术、电子技术、传感器技术、信号处理技术、软件技术结合起来，除继承传统仪器的已有功能外，还增加了许多传统仪器所不能及的先进功能。
虚拟仪器的出现则是电子测量仪器领域的一场革命，它提出了一种与传统电子测量仪器完全不同的概念，即“软件即是仪器”，改变了传统仪器的概念、模式和结构，用户完全可以自定义仪器，虚拟仪器以其特有的优势显示了强大的生命力。
1.1.1虚拟仪器概念
从20世纪70年代提出智能仪器的概念到目前最新发展的虚拟仪器的思想，人们对测量仪器功能设计和应用的认识呈现出不断发展和深化的过程。
从通用接口总线（GPIB）到个人仪器，再发展到图型化编程环境LabVIEW、HPVEE等，使得虚拟仪器的思想为工业界所接受，促进了相关硬件和软件技术的发展。
“软件就是仪器”，它能最本质地刻画出虚拟仪器的特征。
所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。
虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果;利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理;利用I/O设备完成信号的测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机测试系统。
使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。
因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了[1]。
1.1.2虚拟仪器的构成
数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试是实验室研究和自动测试领域广泛存在的实际任务。
为完成这些任务，通常一台仪器由三大功能块组成：
信号的采集、数据的处理、结果的输出。
虚拟仪器也不例外，它也是按照“信号的调理与采集－数据的分析与处理－结果的输出及显示”的结构模式来建立[1]。
图1－1为虚拟仪器的构成方式。
图1－1 虚拟仪器的构成方式
在这个通用仪器硬件平台上，调用不同的测试软件就构成了不同功能的仪器。
因此，虚拟仪器通常同硬件设备与接口、设备驱动软件（或称仪器驱动器）和虚拟仪器面板组成。
其中，硬件设备与接口可以是以各种PC为基础的内置功能插卡、通用接口总裁（GPIB）卡、串行口、VXI总线接口等设备，或者是其他各种可编程的外置测试设备;设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通信；最后以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示出来，其显示的控件与真实仪器面板操作元素对应，所以用户用鼠标或键盘操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实、方便。
1.1.3虚拟仪器的特点
与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势，具体表现为：
（1）智能化程度高，处理能力强。
虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。
用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。
（2）复用性强，系统费用低。
应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。
这样形成的测试仪器系统功能更灵活、系统费用更低。
通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。
（3）可操作性强，研制周期较传统仪器大为缩短。
虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。
使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。
测量完后还可打印，显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高。
1.2虚拟仪器现状与发展
1.2.1虚拟仪器现状
虚拟仪器的概念，是美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorp，简称NI）于1986年提出的。
80年代以来，NI公司研制和推出了许多总线系统的虚拟式仪器，成为这类新型仪器世界第一生产大户。
此后，美国的惠普（HP）公司，Tektronix公司，Racal公司等也相继推出了许多此类仪器，并在短短的10余年便占有了世界仪器市场的10%左右。
虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以NI公司为代表的一批厂商己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。
美国的斯坦福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。
据“世界仪表及自动化”杂志预测，21世纪，世界虚拟仪器的生产厂家将超过千家，其品种将达到数千种，市场占有率将达到70%左右。
虚拟仪器将成为本世纪仪器发展的方向，而且有逐步取代传统硬件化电子仪器的趋势。
近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便
使用者利用这些仪器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。
最早和最具影响的开发软件，是NI公司的LabVIEW软件和
LabWindows/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。
LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的、在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。
LabVIEW不仅可以用来快速搭建小型自动化测试测量系统，还可以用来开发大型的分布式数据采集与控制系统。
因此它被广泛地应用于汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各个领域，涵盖了从研发、测试、生产到服务的产品开发所有阶段。
LabVIEW不仅可以用来快速搭建小型自动化测试测量系统，还可以被用来开发大型的分布式数据采集与控制系统。
在美国LawrenceLivermore国家实验室，一个花费2000万美金的极为复杂的飞秒激光切割系统就是基于LabVIEW开发的。
在北京正负电子对撞机二期工程北京谱仪慢控制系统中，大约有30种物理量共7000多点的现场数据点需要实时采集控制和分析记录等。
该大型分布式监控系统的上层软件完全基于LabVIEW及DSC模块实现，共创建了约300个VI。
基于LabVIEW实现的最大的系统应该是Honeywell-Measurex公司由DirkDemol领导的小组开发的MxProline.它是一流的分布式过程控制系统，其95%的代码都是用LabVIEW编写的。
该系统使用了5000个以上的VI,可以处理超过10万个变量（包括物理I/O和计算值）。
除了上述的优秀开发软件之外，美国HP公司的HP-VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronis公司的Ez-Test和Tek-TNS软件，以及美国HEMData公司的Snap-Marter平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件[2]。
作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟仪器的开发和研究在国内也迅速发展起来。
从90年代中期以来，国内的清华大学、重庆大学、西安交通大学、西安电子科技大学以及中科泛华电子科技公司，东方震动和噪声技术研究所等高校和公
司，在研究和开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及消化吸收NI等产品方
面做了大量工作，其成果已在汽车发动机检测、自动计量控制系统等方面得到应
用。
不可否认，未来的几年内，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。
1.2.2虚拟仪器展望
虚拟仪器的出现则是电子测量仪器领域的一场革命，它提出了一种与传统电子测量仪器完全不同的概念，即“软件即是仪器”，改变了传统仪器的概念、模式和结构，用户完全可自定义仪器，虚拟仪器以其特有的优势显示了强大的生命力。
所有PC主流技术的最新进展，不管是CPU的更新换代还是便携式计算机的进一步实用化，不管是操作系统平台的提升还是网络的应用拓展，都能够为虚拟仪器系统技术带来新的活力和好处。
按计算机总线形式，虚拟仪器的发展主要有两个方向：
一是遵循GPIB-VSI-PXI总线方式，适合大型高精度集成系统；二是遵循PC插卡－并口式－串口USB方式，适合普及型的廉价系统[3]。
同时随着计算机、通信、微电子技术的日益完善，以及以Internet为代表的计算机网络时代的到来和信息化要求的不断提高，传统的通信方式突破了时空限制和地域限制，大范围的通信变得越来越容易，对测试系统的组建也产生了越来越大的影响。
集成测试越来越不能满足复杂测试任务的需要，因此“网络化仪器”的出现成为必然。
在国内网络化虚拟仪器的概念还没有一个比较明确的说法，其一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务，也适合异地或远程控制、数据采集、故障监测、报警等。
“网络就是仪器”概念的确立，将使人们明确今后仪器仪表的研发战略，促进并加速现代测量技术手段的发展与更新[1]。
“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应用，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。
1.3课题意义
随着科学技术的发展，在测量领域中需要不断更新测量设备，以满足越来越
高的测量要求。
在我国，传统仪器技术还比较落后，目前有大批陈旧的测试仪器
等待更新。
这些仪器的测量精度和可靠性均低于国外，并且自动化程度较低。
高
档仪器基本上依靠国外进口，每年都消耗国家大量外汇。
然而，花大量资金购买
的仪器，可能我们只需要其中的一部分功能，同时有些其他应用的功能要求，该
仪器却满足不了。
这些情况无疑是大大浪费了投资。
设想要是能将仪器稍微改动
以实现更大的使用范围该多好。
但是这对于传统仪器来说是非常困难的。
虚拟仪器的出现，将彻底改变这种局面。
利用计算机丰富的软硬件资源，用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。
示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。
目前高精度、具有数据存储能力的示波器，生产工艺复杂，价格昂贵。
所以虚拟示波器的设计有一定的经济价值:
虚拟示波器能充分发挥虚拟仪器结构简单、功能丰富、价格低廉、能重复开发、可用户自定义的优势。
设计的虚拟示波器，可同时显示、记录和存储多通道输入的波形，并且可以对波形进行数据分析和处理，具有一定的研究意义。
第2章虚拟示波器设计基础
2.1示波器概述
进行电子测量时，通常希望直观地看到电信号随时间变化的图形，如直接观察并测量信号的幅度、频率、周期等基本参量。
示波测试技术实现了人们的愿望，它不但可将电信号作为时间的函数显示在屏幕上，更广泛的，只要能把两个有关系的变量转化为电参数，分别加至示波器的X、Y通道，就可以在荧光屏上显示这两个变量之间的关系。
而且，示波器还可以直接观测一个脉冲信号的前后沿、脉宽、上冲、下冲等参数，这是其他测量仪器很难做到的。
同时，示波测试还是多种电量和非电量测试的基本技术，如在医学、生物学、地质学中，用示波器显示某些变化过程，观测被测对象的某些特性。
示波器是时域分析中最典型的仪器，也是当前电子测量领域中，品种最多、数量最大、最常用的一种仪器。
因此，当传统仪器向虚拟仪器推进时，基于虚拟仪器的示波测试技术也是发展最快的。
示波测试以示波管为核心器件，建立在“电子通过电场运动时，运动轨迹与外电场相关”的规律基础上。
在电子枪中，电子经过聚焦形成电子束，电子束通过垂直或水平偏转板打到荧光屏上，产生亮点，亮点在荧光屏上垂直或水平偏转的距离，正比于加在垂直或水平偏转板上的电压，即亮点在屏幕上移动的轨迹，是加到偏转板上的电压信号的波形。
2.1.1示波器的分类
示波器种类繁多，按其用途和特点为，可分为以下六类。
（1）通用示波器
通用示波器是指采用单束示波管的宽带示波器，常用的为双踪示波器。
从使用功能看，通用示波器的通用性强，可对一般的电信号进行定性和定量的分析、测量。
（2）多束示波器
多束示波器采用多束示波管，在屏幕上可同时显示两个以上的波形，与通用示波器叠加或交替显示多个不同波形，它的每个波形分别由单独的电子束产生，观察与比较两个以上的信号时非常方便。
（3）取样示波器
取样示波器采用取样技术，先把快速变化的高频信号变化成与之相似的、慢速变化的低频信号，再用通用示波器显示其波形。
这样，被观测信号的周期大大展宽，便于观察细节部分，对于测试高频信号是非常方便的。
（4）记忆示波器
用记忆示波管实现存储信息功能的示波器称为记忆示波器。
除了具有通用示波器的功能外，还具有记忆功能。
（5）特种示波器
特种示波器是指具有特殊用途的示波器，如矢量示波器、心电图示波器等。
（6）数字存储示波器
采用大规模集成电路和微处理器，在微处理器统一指挥下，将捕捉到的波形通过A/D转换数字化，而后存储，也称为存储示波器。
数字存储示波器不是一种模拟信号的存储，也不将波形存储在示波管内的存储栅网上，而是将它捕捉到的波形通过A/D转换数字化，而后存入管外的数字存储器中。
读出时，将存入的数字化波形经D/A变换，还原成捕捉到的波形，然后在荧光屏上显示出来。
数字存储示波器经常采用大规模集成电路和微处理器，在微处理器统一指挥下工作，具有自动化程度高、功能强等特点[3]。
2.1.2示波器的主要技术指标
示波器的水平偏转系统、垂直偏转系统和主机系统都定义了各自的技术指标。
（1）频带宽度
频带宽度标志示波器的最高响应能力，用频率和上升时间表示，两者的换算有关系为
上升时间＝0.35/频带宽度
（2）垂直灵敏度
示波器可以分辨的最小信号幅度和输入信号的动态范围，一般用V/cm,V/div,mV/cm,mV/div表示。
（3）输入阻抗
一般用Ω（MΩ）//pF表示，是指在示波器输入端规定的直流电阻值和并联电容值，它标志对被测信号的负载的轻重。
（4）扫描速度
扫描速度也称为扫描时间因数，是指光点水平移动的速度，一般用cm/s,div/s表示，它说明了示波器能观察的时间和频率的范围。
（5）同步（或触发）电压
它是指波形稳定的最小输入电压。
2.2软件开发平台LabVIEW介绍
2.2.1LabVIEW概述
LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）的简称，是美国国家仪器公司（NATIONALINSTRUMENTS,简称NI）的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，又称为G语言，是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。
与VisualBasic、VisualC++、Delphi、Perl等基于文本型程序代码的编程语言不同，LabVIEW采用图形模式的结构框图构建程序代码，因而，在使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是用图标、连线构成的流程图。
它尽可能地利用了开发人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。
它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。
使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率[1]。
LabVIEW是一个工业标准的图形化开发环境，它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性，以及专为测试、测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能，能为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种应用提供必要的开发工具，因此，LabVIEW通过降低应用系统开发时间与项目筹建成本帮助科学家与工程师提高工作效率。
LabVIEW被广泛应用于各种中、包括汽车、半导体、航空航天、交通运输、高效实验室、电信、生物医药与电子等。
无论在哪个行业，工程师与科学家们都 可以使用LabVIEW创建功能强大的测试、测量与自动化控制系统，在产品开发中进行快速原型创建与仿真工作。
在产品的生产过程中，工程师们也可以利用LabVIEW进行生产测试，监控各个产品的生产过程。
总之，LabVIEW可用于各行各业产品开发的阶段。
LabVIEW是可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统，不仅可以用于一般的Windows桌面应用程序设计，而且还提供了用于GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备等，以及数据分析、显示和存储等应用程序模块，其强大的专用函数库使得它非常适合编写用于测试、测量以及工业控制的应用程序。
LabVIEW可方便地调用Windows动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数，还提供了CIN（CodeInterfaceNode）节点使得用户可以使用由C或C++言，如ANIC C等编译的程序模块，使得LabVIEW成为一个开放的开发平台。
LabVIEW还直接支持动态数据交换（DDE）、结构化查询语言（SQL）、TCP和UDP网络协议等。
此外，LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户可以很方便地设置断点，动态地执行程序可非常直观地观察数据的传输过程，而且可以方便地进行调试。
LabVIEW的程序是数据流驱动的。
数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入都有效时才能执行。
而目标的输出，只有当它的功能完全时才是有效的。
因而，可能通过相互连接功能方框图快速简洁地开发应用程序，甚至还可有多个数据通道同步运行[2]。
2.2.2LabVIEW编程环境
用LabVIEW编写程序与其他Windows环境下的可视化开发环境一样，程序的界面和代码是分离的。
在LabVIEW中，通过使用系统提供的工具选板、工具条和菜单来创建程序的前面板和程序框图。
LabVIEW包括3个工具选板：
控件（Controls）选板、函数（Functions）选板、工具（Tools）选板，还包括启动窗口、上下文帮助窗口、工程管理管口和导航窗口[2]。
LabVIEW8.2启动界面，如图2－1所示。
图2－1 LabVIEW8.20的启动界面
图2－1中左边New栏中的BlankVI选项用于创建一个新的空白VI程序；EmptyProject可以创建一个新的工程项目；VIfromTemplate按类型列出LabVIEW自身
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