【正文】 發(fā)布的最高傳輸速度。 虛擬儀器的開發(fā)廠家，為擴(kuò)大虛擬儀器的功能，在測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)模塊及其變換方面也做了很多工作，發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級(jí)分析庫(kù)和開發(fā)工具庫(kù)（例如測(cè)量結(jié)果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數(shù)據(jù)濾波器、卷積處理和相關(guān)函數(shù)處理、微積分、峰值和閾值檢測(cè)、波形發(fā)生噪聲發(fā)生、回歸分析、數(shù)值運(yùn)算、時(shí)域和頻域分析等），使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)。 1． 2． 2 國(guó)內(nèi)虛擬儀器的現(xiàn)狀 在國(guó)內(nèi)已有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系 統(tǒng)，上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)、華中理工大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等。 近一、兩年來(lái)這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。其中，華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)室將其開發(fā)成果在網(wǎng)上公開展示。四川聯(lián)合大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，研制了“航空電臺(tái)二線綜合測(cè)試儀”將 8 臺(tái)儀器集成于一體，組成太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠檢驗(yàn)。主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率特性、負(fù)荷特性等。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)完后，就可打印出完整的檢測(cè)報(bào)告 。此外，國(guó)內(nèi)已有幾家 企業(yè)在研制 PC虛擬儀器，哈工大儀器王電子有限責(zé)任公司就是其中之一，它的產(chǎn)品已達(dá)到一定的批量。其主要產(chǎn)品有數(shù)字存儲(chǔ)示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻率計(jì)系列、多通道大容量波形 — 記錄系列。國(guó)內(nèi)專家預(yù)測(cè)：未來(lái)幾年內(nèi)，我國(guó)將有 50%的儀器為虛擬儀器。國(guó)內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會(huì) 逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。虛擬儀器技術(shù)的提出和發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)試儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。 1． 2． 3 虛擬 儀器的發(fā)展趨勢(shì) 虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。它可以取代測(cè)量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。 虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性和經(jīng)濟(jì)性，因而特別適應(yīng)于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高跟新的測(cè)量課題和測(cè)量需要?！皼]有測(cè)量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)?！碧摂M儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 圖形化編程平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展和完善是虛擬儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。如何使用戶進(jìn)行少量的學(xué)習(xí)甚至不需要學(xué)習(xí)就可使用功能強(qiáng)大的虛擬儀器，如何使用構(gòu)成簡(jiǎn)單的虛擬儀器系統(tǒng)并完成復(fù)雜的測(cè)試內(nèi)容，如 何幫助用戶對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和判斷等內(nèi)容，是虛擬儀器技術(shù)努力的方向。我國(guó)還基本處于傳統(tǒng)儀器與計(jì)算機(jī)化儀器互相分離的狀態(tài)，世界各大相關(guān)的產(chǎn)品商家都在向中國(guó)這個(gè)巨大的市場(chǎng)進(jìn)軍。結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，我們必須走引進(jìn)與自行開發(fā)相結(jié)合的道路。一方面，大力引進(jìn)國(guó)外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術(shù)；另一方面，發(fā)展基于計(jì)算機(jī)的插卡式硬件模塊為主的測(cè)控技術(shù)，發(fā)展圖形化平臺(tái)的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)及測(cè)控技術(shù)硬件，縮短與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。 VXI 總線將成為未來(lái)虛擬儀器的理想硬件平臺(tái)，這是由 VXI 總線的性能決定的；另一方面，基于 PCIDAQ 的虛擬儀器系統(tǒng)由于性價(jià)比高、靈活性好而受到大多數(shù)用戶的青睞，將得到高速的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器將向高性能、多功能、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。 唐小清：基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 8 1． 3 本文的研究?jī)?nèi)容 虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)（簡(jiǎn)稱硬件平臺(tái)）和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。硬件平臺(tái)主要完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的進(jìn)行調(diào)理和采集。儀器硬件可以是插入式數(shù)據(jù)采集卡及必要的外圍電路（含信號(hào)調(diào)理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換器 、數(shù)字 I/O、定時(shí)器、 D/A 轉(zhuǎn)換器等 ） ，或者是帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器，如 GPIB、 VXI、 PXI、 STD、 PCI 總線儀器和網(wǎng) 絡(luò)化儀器等。 目前市場(chǎng)上的 A/D 采集卡和數(shù)據(jù)采集卡以及帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器等，其價(jià)格均不菲，以畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的來(lái)說，性價(jià)比以及實(shí)用程度顯的不高。 進(jìn)而考慮到計(jì)算機(jī)中的聲卡本身就是一個(gè) A/D， D/A 的轉(zhuǎn)化裝置，具有 16 位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率是 ，完成可以滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，個(gè)別性能指標(biāo)還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡，而價(jià)格卻為商用數(shù)據(jù)采集卡的十分之一或者幾十分之一，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中完全可以滿足要求。 因此在本設(shè)計(jì)中，虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集裝置主要基于 聲卡 。 利用聲卡實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，制作成一個(gè)簡(jiǎn)易的 示波器，示波器能夠 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)自動(dòng)測(cè)量及頻譜分析四大功能 。 虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)具有快 30 年的歷史，虛擬示波器作為虛擬儀器中的一種典型儀器，是儀器儀表、 無(wú)線電通信 、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域不可缺少的一部分。本論文開發(fā)了一臺(tái)虛擬示波器。本論文具體內(nèi)容安排如下： 第一章，緒論：介紹虛擬儀器的概念、構(gòu)成及其優(yōu)勢(shì)，發(fā)展的現(xiàn)狀，和本文的研究?jī)?nèi)容。 第二章，虛擬示波器的原理：首先講述通用示波器的原理，過度到數(shù)字示波器的原理，進(jìn)而講述了基于聲卡的虛擬示波器的原理。 第三章，虛擬示波器的設(shè)計(jì)：本章講解了軟、硬件的選取方 案，詳細(xì)講述了軟件選擇 LABVIEW，軟件選擇聲卡的理由。 第四章 ，軟件模塊設(shè)計(jì)：本章是重點(diǎn)，詳細(xì)講述了各個(gè)功能模塊具體的實(shí)現(xiàn)過程，包括數(shù)據(jù)采集和處理、 波形顯示、參數(shù)測(cè)量、頻譜分析 等模塊。 第五章， 程序設(shè)計(jì)顯示 ：本章給出了虛擬示波器系統(tǒng)性能的具體指標(biāo)，進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試，驗(yàn)證了虛擬示波器的實(shí)用性和優(yōu)越性。 第六章， 總結(jié) 與 展望：對(duì)設(shè)計(jì)的虛擬示波器進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)給出了展望。 太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 第二章 虛擬示波器的原理 2． 1 示波器的基本原理 示波器 是利用電子射線的偏轉(zhuǎn)，來(lái) 顯 示 電信號(hào)瞬時(shí)值圖象（ 常成為時(shí)間波 形 ） 的一種儀器。它能快速的把肉眼不能直接看見的電信號(hào)的時(shí)變規(guī)律，以可見的形式，形象的顯示出來(lái)。目前，示波器在信號(hào)測(cè)試、信號(hào)比較、邏輯分析等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 2． 1． 1 示波器波形顯示原理 在示波器的熒光屏上，顯示電壓波形的原理如下：被測(cè)電壓是時(shí)間的函數(shù)，在直角坐標(biāo)系統(tǒng)中 ， 可以用 ()xu f t? 的曲線表示。示波器的兩副偏轉(zhuǎn)板使電子束在兩個(gè)互相垂直的方向偏轉(zhuǎn) ，這兩個(gè)方向可以看成是坐標(biāo)軸。因此，要在管子的熒光屏上顯示被測(cè)電壓的波形，就必須使射線沿水平方向的偏轉(zhuǎn)同時(shí)間成正 比，而在垂直方向同被測(cè)電壓成正比（每一瞬間）。 所以，鋸齒波電壓加到水平偏轉(zhuǎn)板上，它迫使射線以恒定的速度從左向右沿水平方向偏轉(zhuǎn)。并且很快的返回到起始位置。射線沿水平軸經(jīng)過的距離跟時(shí)間成正比。 被測(cè)電壓加到垂直偏轉(zhuǎn)板上，因而，每一瞬間射線 的位置單值的對(duì)應(yīng)于這一瞬間被測(cè)信號(hào)的值。在鋸齒波電壓作用期間，射線就繪出了被測(cè)信號(hào)的曲線， 示波器波形顯示原理 如圖 21 所示。 唐小清：基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 10 圖 21 示波器波形顯示原理 以上圖形是鋸齒波的重復(fù)周期等于輸入信號(hào)周期整數(shù)倍的情況（一倍），熒光屏上顯示出的信號(hào)圖形是穩(wěn)定不動(dòng)的。如果不是整數(shù)倍 ， 則每次出現(xiàn)的信號(hào)波形就不會(huì)重合，圖形將不斷移動(dòng)，不利于觀測(cè)。為了保證鋸齒波的周期等于輸入信號(hào)的整數(shù)倍，示波器必須具有同步或觸發(fā)電路。 2． 1． 2 通用示波器的組成部分 現(xiàn)在示波器的簡(jiǎn)化方框圖如圖 22 所示。它主要由主機(jī)、 Y軸系統(tǒng)、 X軸系統(tǒng)三部分組成。 太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 圖 22 示波器的簡(jiǎn)化方框圖 被測(cè)信號(hào) ① 接到“ Y”輸入端，經(jīng) Y 軸衰減器適當(dāng)衰減后送至 Y1 放大器（前置放大），推挽輸出信號(hào) ② 和 ③ 。經(jīng)延遲級(jí)延遲 r1時(shí)間，到 Y2 放大器。放大后產(chǎn)生足夠大的信號(hào) ④ 和 ⑤ ，加到示波管的 Y 軸偏轉(zhuǎn)板上。為了在熒屏上顯示出完整的穩(wěn)定波形，將 Y 軸的被測(cè)信號(hào) ③ 引入 X 軸系統(tǒng)的觸發(fā)電路，在引入信號(hào)的正（或者負(fù)）極性的某一電平值產(chǎn)生觸發(fā)脈沖 ⑥ ，啟動(dòng)鋸齒波掃描 電路（時(shí)基發(fā)生器），產(chǎn)生掃描電壓 ⑦ 。由于從觸發(fā)到啟動(dòng)掃描有一時(shí)間延遲 r2，為了保證 Y軸信號(hào)到達(dá)熒光屏之前 X 軸開始掃描， Y 軸的延遲時(shí)間 r1應(yīng)稍大于 X軸延遲時(shí)間 r2。掃描電壓 ⑦ 經(jīng) X軸放大器放大，產(chǎn)生推挽輸出 ⑨ 和 ⑩ ，加到示波管的 X軸偏轉(zhuǎn)板上。 Z軸系統(tǒng)用于放大 掃描電壓正程，并且變成正向矩形波，送到示波管柵極。這使得在掃描正程顯示的波形有某一固定輝度，而在掃描回程進(jìn)行抹跡。 1 主機(jī) 主機(jī)部分包括示波管、 Z 信 道、電源和校準(zhǔn)器等。 （ 1） 陰極射線管（ CRT）簡(jiǎn)稱示波管，是示波器的核心。它將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。下圖 23 是示波管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 唐小清：基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 12 圖 23 示波管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （ 2） Z 信道又稱調(diào)亮信道，它將調(diào)亮電路送來(lái)的調(diào)亮信號(hào)送到示波管的控制柵極，使示波管在掃描正程時(shí)才出現(xiàn)射線的光跡。顯然，調(diào)亮信號(hào)應(yīng)該是一個(gè)持續(xù)時(shí)間同 掃描 正程相等 的正方波電壓。 （ 3）示波器的電源分為高壓電源和低壓電源兩種。低壓電源常采用典型的串聯(lián)調(diào)整式溫壓電路?，F(xiàn)代示波器的高壓電源大部分采用圖 24 所示直流 直流變換器方案。 圖 24 直流 — 直流變換器 它由高頻振蕩器產(chǎn)生近于方波的高頻振蕩，再用變壓器把它升壓到所需的電壓值，經(jīng)過整流和濾波，得到所需的直流電壓。這種用高頻產(chǎn)生高壓的方法，其優(yōu)點(diǎn)是：變壓器和濾波器可以做的較?。患y波電壓和噪聲都比較低；振蕩器的負(fù)載一旦加重，能自動(dòng)停振，有自動(dòng)保護(hù)的作用。 （ 4）示波器主機(jī)中有一個(gè)固定頻率和幅度，并具有較高準(zhǔn)確度的內(nèi)部信號(hào)源。高頻振蕩器 變換器 整流器 濾波器 直流輸入電壓 直流輸出電壓 太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 它可以是正弦波、方波或脈沖波，用于自校水平系統(tǒng)掃速和垂直系統(tǒng)靈敏度。 2 Y 軸系統(tǒng) Y 信道是被測(cè)信號(hào)通過的通道，因此，它需 要足夠?qū)挼念l寬，帶內(nèi)的幅 頻特性應(yīng)平坦， 相 頻特性為直線。 Y 信道主要包括探極、衰減器、倒相放大器、前置放大器、延遲線、輸出放大器等幾個(gè)部分。 （ 1） 示波器的探極是連接在外部的一個(gè)輸入電路部件，它的基本作用是便于在被測(cè)源上探測(cè)信號(hào)和提高示波器的輸入阻抗，從而展寬示波器的實(shí)際頻帶。 （ 2） 示波器的被測(cè)信號(hào)幅度變化范圍寬廣，小到幾十毫伏，大到幾百伏。為了保證垂直放大器正常工作，對(duì)大信號(hào)需要進(jìn)行衰減。為使信號(hào)不畸變，通常采用電阻電容分壓器，為了不影響被測(cè)信號(hào)電路原有工作狀態(tài)，衰減器的阻抗還必須足夠高。 （ 3） 由于示 波管垂直偏轉(zhuǎn)板需要對(duì)稱電壓，即要求 Y 軸要對(duì)稱輸出，因此在前置放大器中設(shè)置倒相電路，將單端輸入信號(hào)變成對(duì)稱輸入信號(hào)。 （ 4） 前置放大器常用來(lái)將單端輸入信號(hào)變成雙端對(duì)稱信號(hào) 輸出。它的增益要求不高，但是頻帶寬度要比整體的頻響指標(biāo)值還要寬廣，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)各種控制功能、增益微調(diào)、增益擴(kuò)展、變換極性和垂直移位等。 （ 5） 示波器的水平掃描鋸齒波信號(hào)起始點(diǎn)與觸發(fā)信號(hào)之間有一段延遲時(shí)間，為了觀測(cè)脈沖的前沿，就必須在 Y 軸放大器中插入延遲線，使被測(cè)信號(hào)起點(diǎn)和掃描信號(hào)起點(diǎn)同步。為此，延遲線在 Y 軸的頻帶寬度內(nèi)，要能無(wú)失真的滯后一段時(shí) 候傳輸被測(cè)信號(hào)，滯后時(shí)間稱為延遲線的延遲時(shí)間（ td）。示波器的延遲時(shí)間通常為 60ns— 200ns。為了防止延遲線傳輸信號(hào)產(chǎn)生反射，導(dǎo)致波形失真，它的特定阻抗必須與電路上的負(fù)載想匹配。 （ 6） Y 信道輸出放大器的主要作用是把延遲線送來(lái)的信號(hào)放大到足夠的 幅度，以推動(dòng)示波管里的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生滿偏轉(zhuǎn)。因此，它應(yīng)有足夠的放大系數(shù)（一般為 5— 50，級(jí)數(shù)為 1— 3級(jí)）。大的動(dòng)態(tài)范圍，小的非線形失真以及良好的頻率特性和過渡特性。 3 X 軸系統(tǒng) X 信道的主要作用是產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間線形變化的電壓（稱鋸齒波電壓）。將這個(gè)電壓放大到足夠的 幅度，加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板，去控制射線沿水平方向從左向右隨時(shí)間線形偏轉(zhuǎn)，以形成時(shí)間基線（稱時(shí)基）。為了獲得穩(wěn)定的圖象，應(yīng)能選擇合適的同步或者觸發(fā)信號(hào)，并把它放大和形成觸發(fā)脈沖，去觸發(fā)時(shí)基閘門。因此， X信道應(yīng)包括時(shí)基發(fā)生器，觸發(fā)電路和 X放大器等幾個(gè)部分。 （ 1） 時(shí)基發(fā)生器 ① 掃描的種類 唐小清：基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 14 掃描的方式有很多種，有直線掃描、圓掃描和螺旋掃描，在示波器中，幾乎都是采用直線掃描。直線掃描還可以分為連續(xù)掃描和出發(fā)掃描。連續(xù)掃描的掃描電壓就是周期性的鋸齒波電壓。如果用示波器研究研究脈沖過程，連續(xù)掃描就不適用了，必須用 出發(fā)掃描。 ② 時(shí)基電路與工作原理 在現(xiàn)在示波器中，時(shí)基發(fā)生器由時(shí)基閘門、積分器（掃描電壓發(fā)生器）、電壓比較器和釋抑電路四個(gè)部分組成。它們構(gòu)成一個(gè)環(huán)形自控系統(tǒng)。 時(shí)基電路方 框圖如圖 25所示。 圖 25 時(shí)基電路方框圖 （一） 電壓比較器是確定掃描電壓幅度及其穩(wěn)定性的主要部件，如果說掃描電壓的起始時(shí)刻是由內(nèi)觸發(fā)脈沖決定，那么其終止時(shí)刻就應(yīng)由電壓比較器決定。時(shí)基閘門在觸發(fā)脈沖的作用下，打開掃描發(fā)生器中的開關(guān)管，開始掃描的正程。掃描電壓一方面送到 X 軸通道放大器推動(dòng) X 軸偏轉(zhuǎn)板；另一方面送到電壓比較器與預(yù)定的電 壓比較。當(dāng)掃描電壓和這個(gè)預(yù)定電壓相等時(shí)，電壓比較器產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，使時(shí)基閘門恢復(fù)