基于LabVIEW的虛擬示波器設計

　　0引言

　　虛擬儀器是一種基于計算機的自動(dòng)化測試儀器系統。虛擬儀器的突出優(yōu)點(diǎn)在于能夠與計算機技術(shù)結合，將計算機資源與儀器硬件，數字信號處理技術(shù)與不同功能的軟件模塊結合，組成不同的儀器功能。用戶(hù)可根據測試的需要，自己設計所需要的儀器系統，即利用數據采集卡及計算機外圍硬件進(jìn)行信號的采集與檢測，然后用計算機所編的軟件來(lái)實(shí)現對信號的處理、計算和分析以及對測試結果進(jìn)行顯示。

　　波形分析是信號處理中重要的分析手段。虛擬示波器的出現改變了原有示波器的整體設計思路，用軟件代替了硬件。將傳統儀器由硬件實(shí)現的數據分析與顯示功能，改由功能強大的計算機及其顯示器來(lái)完成，使工程技術(shù)人員可以用一部筆記本電腦到現場(chǎng)就可輕松完成信號的采集、處理及頻譜分析和波形分析。 LabVIEW(實(shí)驗室虛擬儀器集成環(huán)境)是NI公司(美國國家儀器公司)的創(chuàng )新軟件產(chǎn)品，也是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可實(shí)現數據采集、儀器控制、過(guò)程監控和自動(dòng)測試等實(shí)驗室研究和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的實(shí)際任務(wù)。LabVIEW從基本的數學(xué)函數、字符串處理函數、數據運算函數、文件I／O函數到高級分析庫，包括了信號處理、窗函數、濾波器設計、線(xiàn)性代數、概率論與數理統計、曲線(xiàn)擬合等，涵蓋了儀器設計中幾乎所有需要的函數。LabVIEW的功能模塊包括數據采集、通用接口總線(xiàn)和儀表的實(shí)時(shí)控制、數據分析、數據顯示以及數據的存儲。擁有大量數據采集和儀表控制的功能模塊和開(kāi)發(fā)工具，因此，LabVIEW可以編出外觀(guān)和功能都與真實(shí)儀表很相似的程序。

　　1虛擬示波器的方案設計

　　虛擬示波器是虛擬儀器平臺測控系統輸出部分中常用的電子測試儀器之一，是一種分析和比較信號的綜合性?xún)x器，能在熒光屏上將電壓或電流以時(shí)間函數的形式描繪出來(lái)，是電信號的時(shí)域測量和顯示儀器。它的主要功能是精確復現作為時(shí)間函數的電壓波形，顯示的波形用來(lái)確定數量的信息(如幅度、頻率)，也可用來(lái)獲得其質(zhì)量的信息(如波形)；還可用來(lái)比較兩個(gè)不同的波形，并測量它們的時(shí)間和相位關(guān)系。本文介紹利用NI公司數據采集卡PCI-6014及LabVIEW應用開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)基于PCI總線(xiàn)的虛擬示波器。

　　本虛擬示波器的主要功能包括：3種通道信號輸入、觸發(fā)控制、通道控制、時(shí)基調整控制、幅度調整控制、波形顯示、參數自動(dòng)測量等?；拘阅苋缦拢簲祿蓸铀俾蕿?00KSPS(千次采樣每秒)，分辨率為12 bit；波形顯示模式為通道A或B或A&B；電壓參數測量為Vrms和Vpp波形類(lèi)型為雙蹤示波；通道選擇為通道0或1。

　　虛擬示波器主要由軟件控制完成信號的采集、處理和顯示。其功能結構如圖1所示。最終能實(shí)現數據采集、處理、顯示等功能。

　　2虛擬示波器模塊的設計

　　虛擬示波器由一塊基于PCI總線(xiàn)的多功能數據采集卡和相應的軟件組成，將它們安裝在一臺PC機上，采集卡選用NI公司的PCI-6041，系統的軟件采用模塊化的思想編寫(xiě)，每個(gè)功能的實(shí)現由一個(gè)模塊完成，然后由主控模塊調用各個(gè)于模塊，即可構成一個(gè)功能強大的數字虛擬示波器。實(shí)際測量是輸入信號通過(guò)BNC接頭從輸入端子進(jìn)人數據采集卡進(jìn)行數據采集，同時(shí)用NI公司提供的Measurement Automation進(jìn)行簡(jiǎn)單的設置，便可完成系統軟件與數據采集卡之間的通信。軟件采用模塊化設計思想編寫(xiě)，每個(gè)功能的實(shí)現由一個(gè)模塊完成，軟件總體上包括程序控制、波形顯示、通道選擇、位置調整、觸發(fā)控制等模塊組成，最終能實(shí)現數據采集、調節、處理、顯示等功能。 程序控制模塊是虛擬雙蹤示波器軟件的主要部分，完成提供本示波器的操作以及停止按鈕。在運行次程序之后，點(diǎn)擊其幫助信息可以出現簡(jiǎn)單的操作說(shuō)明對話(huà)框，還設置了其相應的鍵盤(pán)快捷鍵。

　　軟件提供的波形顯示方式是通過(guò)顯示通道選擇按鈕"A"、"B"和"A&B"，可以任意顯示某一通道或同時(shí)顯示兩個(gè)通道輸入信號的波形，當選擇通道"A"、"B"時(shí)分別是"A"、"B"的波形，采集外部數據；當選擇"A&B"時(shí)，同時(shí)顯示兩個(gè)通道輸入信號的波形，此時(shí)實(shí)現了外部數據的采集，可以根據需要來(lái)采集顯示外部信號，也可任意選擇波形(方波、正弦波、三角波等)。排序如圖2所示。

　　軟件還提供兩個(gè)調節按鈕，分別是時(shí)基調整和幅度調整。時(shí)基調整可以調節顯示屏橫坐標的分度值(5 ms／div～20 ms／div)，幅度調整可以調節顯示屏縱坐標的分度值(0.5 V／div～2 V／div)。也可以設為自行調節。圖3是時(shí)基調整和幅度調整代碼圖的局部。

　　本示波器提供3種觸發(fā)方式，分別為電源觸發(fā)、斜坡觸發(fā)和電平出發(fā)。

　　將上述功能模塊依一定的邏輯組合，即可實(shí)現預定的功能。

　　3系統調試

　　根據對虛擬示波器設汁要求和設計思想，開(kāi)發(fā)出相應的應用程序。本系統軟件的主操作界面如圖4所示。

　　虛擬雙蹤示波器模塊可以對信號波形進(jìn)行采樣、采樣值數字化并存儲，然后可從存儲器中讀出，重建波形，并用清晰、均勻的軌跡顯示在屏幕上。實(shí)驗中選用EM系列函數發(fā)生器作為信號源對虛擬示波器的性能進(jìn)行檢測，該信號源可以自由調節輸入信號的波形類(lèi)型、頻率及幅值。同時(shí)，觀(guān)察軟面板上虛擬示波器波形窗口和通用示波器上的波形顯示，以此來(lái)驗證虛擬示波器模塊波形顯示的精度。

　　將信號源的信號輸出與連接器的A／D輸入引腳用雙線(xiàn)電纜連接，設置波形為正弦波，選擇不同頻率、不同幅值，通過(guò)真實(shí)通用示波器的測試和運行虛擬示波器程序的比較，町以看到，所設計的虛擬示波器的精度高于通用示波器。

　　4結束語(yǔ)

　　利用NI公司數據采集卡PCI-6014及LabVIEW應用開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)的基于PCI總線(xiàn)的虛擬數字示波器基本實(shí)現了傳統示波器的數據采集、調節、處理、顯示等功能，并實(shí)現波形存儲，具有較高的測試精度和友好的人機界面。