基于labview的示波器设计Word格式文档下载.docx

1、随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，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。（1）虚拟仪器的基本功能虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计算机的仪器。 图1-1-（1） 常见的虚拟仪器方案图虚拟仪器的主要特点有：尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器

2、的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。因为目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。 现在的虚拟仪器是充分利用计算机技术，并可由用户自己设计、自己定义的仪器通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成。 仪器模块的功能主要靠软件实现，通过编程在显示屏上构成波形发生器、示波器或数字万用表等传统仪器的软面板，而波形发生器发生的波形、频率、占空比、幅值、偏置等，或者示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号（沿口、电平、类型）等都可用鼠标或按键进行设置，如同常规仪器一样使用，不过，虚拟仪器具有更强的分析处理能力。随着计算机技术和虚拟仪器技术的相应发

3、展，用户只能使用制造商提供的仪器功能的传统观念正在改变，而用户自己设计、定义的范围进一步扩大；同一台虚拟仪器可在更多场合应用，比如既可在电量测量中应用，又可在振动、运动和图像等非电量测量中应用，甚至在网络测控中应用。 软件技术是虚拟仪器的核心技术。常用的虚拟仪器开发软件有Labview、Labwindows/CVI、VEE等等。这些软件已相当完善，而且还在升级、提高。以LabVIEW为例，这是基于图形化编程语言G的开发环境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI仪器及数据采集卡等硬件的系统构成，而且，具有很强的分析处理能力。LabVIEW 6i的问世，将智能化测量与控制技术进一步扩展到了Int

4、ernet网。（2）虚拟仪器的构成 虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。硬件是指获得测试数据的各种硬件I/O 接口设备，大致可分为4 类：DAQ、GPIB、VXI、PXI，因此组成了4 种虚拟仪器体系结构。无论哪种结构，都是将硬件仪器嵌入到笔记本电脑、台式计算机或工作站等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的因而现在虚拟仪器的发展已经与计算机技术的发展步伐完全同步。 图1-1-（2）、虚拟示波器的软件结构框图（3）虚拟仪器软件开发工具 测控软件设计选用的美国NI公司推出的Labview。Labview是一种基于G语言（Graphical progranming language

5、）的可视化（图形化）优秀的开发平台，主要用于数据采集、分析、处理、表达、总线借口、VXI仪器以及CPIB与串口仪器的驱动程序编制和驱动虚拟仪器。它是把复杂、繁琐、费时的代码编写输入简化成使用菜单式图表的提示的发法选择功能，并用线条把各种功能（图形）连接起来的简单图形编程方式。 LaBVIEW 前面板用于设置输入数值和观察输出量L4 J。由于程序前面板是模拟真实仪表的面板，输入量被称为Controls，输出量被称为Indicators。 用户可以从控制工具箱中选用许多图板，如旋钮、开关、按键、数字显示、LED 显示器、图表、数据存储等当完成设计后，只需在程序执行时按一下开关，拨动一下旋钮，就可以

6、完全操控整个仪器。 （4）虚拟仪器优势所在 虚拟仪器技术取代传统仪器成为必然趋势。虚拟仪器相对于传统仪器，具有明显的优点：灵活性、高性价比、技术更新快、易于网络化、实现传统仪器不可能实现的功能。它的灵活性体现在，用户可以自定义功能，选择自己喜欢的界面图标符号，而不象传统仪器那样，一出厂其功能及外观已经固化，用户只是被动应用。高性价比主要指，用户拥有一台计算机，运行不同的应用程序就得到相应的仪器。换句话就是，一台计算机完全可以取代实验室里的所有仪器实现测量，从而节约大笔资金。由于虚拟仪器中软件是关键，所以更新软件使之功能更新所需时间大大减少。借助于计算机，实现测量系统的网络化、在线测量已成为可能

7、。此外，传统仪器基于硬件、性能必然受到硬件的种种限制。如普通示波器无法捕捉很窄的脉冲，国外生产的特殊示波器能够作到这一点，其价格又不菲，而通过数据采集卡与计算机组成的虚拟仪器则可轻松实现。2、.设计目的由于LABVIEW的强大功能和广阔的市场前景，本文将介绍利用LABVIEW8.2制作简单的示波器，以学习这一软件。通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。实现了“软件即仪器”的概念。要求程序要实现有通道选择，信号发生，触发控制，时基幅值控制

8、，信号测量，波形输出并能输出被测信号随时间变化的图形。3、设计方案的比较与选择 针对以上设计要求有以下设计方案：介绍一款USB接口的虚拟示波器的设计方案，重点介绍了USB总线接口芯片CH371的原理及应用，降低了USB系统开发的门槛，并达到令人满意的效果。 对于学校教学实验以及某些特定需求来说，目前市场上的模拟及数字示波器也许并不适用，价格高昂、体积较大且很多专业功能并不实用。而现在电脑的普及程度也达到了相当的规模，利用电脑以及附加的数采模块实现一个灵活便捷的虚拟示波器能够满足大多数的工作、学习和开发需要，并且可以通过较低代价的硬件和软件升级实现相当复杂的信号处理功能，能够以较低的成本、较小的

9、体积实现配置灵活的智能仪器组合；完全可以与便携电脑结合，构成便携式检测维修工作站。目前已经有计算机并口通信的数据采集器但是USB的应用日趋广泛和深入，如果将USB功能融合在里面则可以实现更高的数据传输率、更方便的使用方式，更为优越的体现出虚拟仪器的性能。 此虚拟示波器的数据采集器由以下功能模块组成：前端信号变换模块、高速模数转换模块、高速数据缓冲模块、单片机控制模块、USB接口模块和电源模块。前端信号变换、高速数据采集有成熟的方案并且可根据需要的指标，譬如采样率、量程控制、采样深度等进行设计，我们这里主要讨论USB接口部分的开发。4、硬件设计 单片机对于CH371的控制依靠对其内部的16个寄存

10、器的操作来实现。 根据系统的要求我们设计硬件如下。 USB接口提供数据交换及电源供应（经适当变换后供高速AD使用），CH371在12M晶振下倍频工作，提供与单片机接口的同时提供看门狗复位输出功能，I2C主控功能没有使用，A3A0可以由计算控制驱动4只LED作为工作显示信号。单片机89C52的P1口组用于控制数据采集模块，包括量程转换控制、AD触发信号、采集数据溢出信号等；高速缓存62256通过低功耗的CPLD控制存放高速AD采集的结果，单片机定时将其中数据读出经CH371传送到计算机的数据显示和分析软件，实现虚拟示波器功能。5、软件设计 单片机端软件： 单片机端软件主要完成数据采集控制、数据报

11、告这两个功能。 计算机端软件： 计算机端软件主要功能是模拟一个示波器的界面，实现数据的显示以及满足不同需要的分析功能，同时完成对数据采集硬件的参数设定。在这个设计中已经实现了基本的功能，虚拟示波器的界面如下图。进一步开发后可以实现量程的自动转换、数据的深度分析（譬如波形测量、频谱分析等），甚至可以结合硬件的升级实现波形发生器、逻辑分析仪、扫频仪、网络分析仪等功能。 计算机端有关USB通信的开发不需要了解USB底层驱动，并且芯片生产商已经以动态链接库的形式封装好了面向功能应用的API函数，开发者可以在多种高级语言中调用，功能强大且灵活方便。CH371动态链接库提供的API函数主要包括：设备管理A

12、PI、数据传输API、中断查询API、I2C 操作API和直接控制API。 5、结束语虚拟示波器有以下几个特点：（1）集成度高，模块化特性明显 （2）性能提高， 基于LabVIEW 的虚拟示波器在稳定性、精度等方面都优于传统的测试仪器。（3）具有“虚拟仪器”特征，整个系统只有输入、输出端，其它仪器功能键都在可视化软面板上完成，这样的系统既有高度集成化，又具有操作简单、方便等优点。 二、LabVlEW 开发软件 在必要仪器硬件支持下，开发和使用VI的关键就是软件。VI开发软件可采用各种编程软件，如C、BASIC、c+、Visual C、Visual BASIC等目前，图形化编程语言正成为发展主流

13、， 它使科研和工程人员从编程中解脱出来，专注于VI的设计，同时缩短了开发周期（与传统软件相比，开发时间节省80 ）。最具代表性的图形化vI软件开发平台首推NI的LV1、LabVIEW的背景美国国家仪器公司（NI）成立于1976年，30年来NI一直是虚拟仪器技术的技术先锋与领导者虚拟仪器技术这一创新概念已经改变了各个领域的工程师和科学家们进行测试测量和自动化的方式。通过采用PC和现成即用商业技术，虚拟仪器技术通过易于集成的软件，如图形化开发环境NI LabVIEW，以及基于PXI、PCI、PCI Express、PXI Express、USB和以太网的模块化测量和控制硬件，为用户降低测试、控制和

14、设计领域应用的成本，并大幅提高生产效率。NI总部设于美国德克萨斯州的奥斯汀，在40个国家中设有分支机构。 LabVIEW 软件是NI公司提供的一种图形方式编程软件。同C、BASIC等一样，它是一种程序开发软件。但它有别于其它开发软件利用文本代码创建程LabVIEW 利用图形化编程语言（G语言），以“流图一方式刨建程序。如DOS与WINDO WS两种操作系统的对比，LabVIEW 是一种可视化编程软件。 LabVIEW 软件含有丰富的函数库，如数据采样库、数字信号处理和数值分析库、数据表达库、数据存储库以及仪器接口控制库（支持串口、GPIB、DAQ、VXI等I0硬件）；免费提供几十家仪器厂商的数

15、百种源代码及仪器驱动程序，为用户开发仪器控制系统提供便利；集成了大量的生成图形界面模板；另外，它还具备常规程序的开发调试功能，可以方便地设置断点、单步跟踪、模拟及运行间数据分析等，直观地对程序进行动态调试并实时记录。 LabVIEW 面向的是没有编程经验的用户而不是编程专家，尤其适合从事科研、开发的科学家、工程技术人员，被誉为“工程师和科学家的语言”。2、LabVIEW 开发环境LabVIEW 为开发者提了一个交互式人机界面，包括下拉式菜单和图形模板 利用此界面，完成包括前面板、数据流框图以及图标和连接器三部分应用程序的设计，形象地仿真测控环境。 交互式用户界面又称前面板（front pane

16、1），它模仿实际仪器的操作面板，选择control图形模板，可在前面板上创建按钮、旋钮、图表显示框等多种控制和指示部件，完成测量的输入和显示的输出。 数据流框图（block diagram）的设计是选择tool图形模板和function图形模板，构成数据传送途径，类似于实际仪器的原理流图 它实际上是图形化的程序源代码，是LabVIEW程序的主要部分。测量数据输入后，由前面板送人框图，完成流程后送前面板显示。 LabVIEW 是面向虚拟仪器的应用语言，支持模块化和层次化程序结构可将任务分为多个子任务分别编程、调试，然后组合；通过图标选择和连接器连线实现各种库函数和子任务的调用，具有良好的代码重复

17、使用性能；具有支持DDE和TcPP 等网络功能具有与其它语言，如C语言的接口；此外，LabVIEW 开发环境下提供了大量应用程序工具。3、LabVIEW的特点 （1） 简单的图形化编程环境 LabVIEW使用了G（图形化）的数据流编程模式,它有别于基于文本语言的线性结构。在LabVIEW中执行程序的顺序是由块之间的数据流决定的，而不是传统文本语言的按命令行次序连续执行的方式。（2）具有开放性 LabVIEW是开放型的开发环境，它拥有大量的与其它应用程序进行通信的VI库。因此，LabVIEW可从众多的外部设备获取或传送数据，这些设备包括GPIB、VXI、PXI、串行设备、PLCs、和插件式DAQ

18、板等，LabVIEW甚至可以通过Internet取得外部数据源本。 三、示波器的结构与组成示波器是一种测量电压波形的电子仪器,它可以把被测电压信号随时间变化的规律,用图形显示出来。使用示波器不仅可以直观而形象地观察被测物理量的变化全貌,而且可以通过它显示的波形,测量电压和电流,进行频率和相位的比较,以及描绘特性曲线等。1、示波器的类型和工作原理 示波器分为数字示波器和模拟示波器。模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子,发射的电子经聚焦形成电子束,并打到屏幕上。屏幕的内表面涂有荧光物质,这样电子束打中的点就会发出光来。 而数字示波器则是数据采集，A/D转换，软件

19、编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。示波器工作原理是：利用显示在示波器上的波形幅度的相对大小来反映加在示波器Y偏转极板上的电压最大值的相对大小，从而反映出电磁感应中所产生的交变电动势的最大值的大小。因此借助示波器可以研究感应电动势与其产生条件的关系。 （1）示波管阴极射线管（CRT）简称示波管，是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。正如图1所示，电子枪、偏转系统和荧光屏三部分密封在一个真空玻璃壳内，构成了一个完整的示波管。 图3-1-（1）示波管的内部机构图（2）偏转系统

20、偏转系统控制电子射线方向，使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波形。图81中，Y1、Y2和Xl、X2两对互相垂直的偏转板组成偏转系统。Y轴偏转板在前，X轴偏转板在后，因此Y轴灵敏度高（被测信号经处理后加到Y轴）。两对偏转板分别加上电压，使两对偏转板间各自形成电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向偏转。 （3）电子枪及聚焦电子枪由灯丝（F）、阴极（K）、栅极（G1）、前加速极（G2）（或称第二栅极）、第一阳极（A1）和第二阳极（A2）组成。它的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。灯丝通电加热阴极，阴极受热发射电子。栅极是一个顶部有小孔的金属园筒，套在阴极外面。由于栅极电位比阴极低

21、，对阴极发射的电子起控制作用，一般只有运动初速度大的少量电子，在阳极电压的作用下能穿过栅极小孔，奔向荧光屏。初速度小的电子仍返回阴极。如果栅极电位过低，则全部电子返回阴极，即管子截止。调节电路中的W1电位器，可以改变栅极电位，控制射向荧光屏的电子流密度，从而达到调节亮点的辉度。第一阳极、第二阳极和前加速极都是与阴极在同一条轴线上的三个金属圆筒。前加速极G2与A2相连，所加电位比A1高。G2的正电位对阴极电子奔向荧光屏起加速作用。电子束从阴极奔向荧光屏的过程中，经过两次聚焦过程。第一次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的第一电子透镜。第二次聚焦发生在G2、A1、A2区域，调节

22、第二阳极A2的电位，能使电子束正好会聚于荧光屏上的一点，这是第二次聚焦。A1上的电压叫做聚焦电压，A1又被叫做聚焦极。有时调节A1电压仍不能满足良好聚焦，需微调第二阳极A2的电压，A2又叫做辅助聚焦极。 （4）示波管的电源 为使示波管正常工作，对电源供给有一定要求。规定第二阳极与偏转板之间电位相近，偏转板的平均电位为零或接近为零。阴极必须工作在负电位上。栅极G1相对阴极为负电位（30V100V），而且可调，以实现辉度调节。第一阳极为正电位（约+100V+600V），也应可调，用作聚焦调节。第二阳极与前加速极相连，对阴极为正高压（约+1000V），相对于地电位的可调范围为50V。由于示波管各电极

23、电流很小，可以用公共高压经电阻分压器供电。2、示波器的结构由上面的介绍可以知道示波器由示波管、Y轴系统、X轴系统、Z轴系统和电源等五部分组成。 图3-2 示波器的结构框图 四、设计过程和步骤1、利用LabVIEW 开发VI利用LabVIEW 丰富的软件资源，配备DAQ板卡，可设计多种测量及分析vI，如虚拟示波器，虚拟频谱分析仪，虚拟信号分析仪等。所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（front panel）、流程图（block diagram）以及图标/连结器（icon/connector）三部分。（1）前面板 前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面

24、上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。图4-1-（1）中所示是一个随机信号发生和显示的简单VI是它的前面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。还有一个控制对象开关，可以启动和停止工作。显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的流程图。 图4-1-（1）随机数曲线图流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。图

25、4-1-（2）是与图4-1-（1）对应的流程图。我们可以看到流程图中包括了前面板上的开关和随机数显示器的连线端子，还有一个随机数发生器的函数及程序的循环结构。随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设置了一个While Loop循环，由开关控制这一循环的结束。 图4-2-（1）随机信号发生器的流程图2、虚拟示波器的功能虚拟示波器的软件实现采用了基于G 语言的编程工具LabVIEW。LabVIEW采用图形化的仪器编程环境，具有内置的程序编译器，程序调试手段灵活，函数库功能强大，支持网络功能。由于数据采集卡采样速率的限制，对于高频信号而言，还不能满足带宽的要求，可采

26、用高速的数据采集卡，示波器实现原理基本一致。数据的接收包括数据采集和通信部分。数据采集部分主要完成数据采集卡的配置，包括设备号、通道选择控制、缓冲区大小、采样速率、采样点数等的控制。通信部分包括数据的发送和接收，利用TCP/IP 协议实现网络通信。波形显示包括触发控制、时基控制、幅度控制、波形的清除。参数测量模块完成包括电压参数、频率和周期等参数的测量功能，具体为：上升时间（Risetime）、下降时间（Falltime）、频率（Frequency）、周期（Period）、正脉宽（width）、负脉宽（width）、占空比（Duty cy）、延迟（Delay）、峰峰值（V P-P） 、最小值（

27、V-MIN）、最大值（V -MAX）、均方值（V- RMS）、幅度（V-AMP）、平均值（V-AVG）。多波形显示与运算模块提供了AB、AB、A、B、A、B、XY 以及A 和B 同时显示等显示 图4-3-2虚拟示波器的功能模块3、虚拟示波器的设计与制作 利用Labview中vi中的basic function generator.vi来产生正弦波，三角波，方波锯齿波这4种波形，并且对这几种波形分别设定出它们的幅值、频率、相位、方波占空比、采样信息等常量，让这几钟波形在运行中能完整而清晰的在波形图在图形显示控件中显示出来。 “生成信号”前面板 图4-4“生成信号”前面板框图 在设计“生成信号”的

28、前面板的过程中，我运用到Labview软件中的控件中新型控件中的“旋钮”控件和新型控件中的“下拉列表”控件，并且对它们做了相应的参数设置让整个“生成信号”前面板能更加醒目和美观。 其中运用到控制模板（Control Palette）注意：只有打开前面板时才能调用该模板该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个图标代表一类子模板。如果控制模板不显示，可以用Windows菜单的Show Controls Palette功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象 。如果控制模板不显示，可以用Windows菜单的Show Controls Pa