【正文】 測(cè)控儀器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū) 姓 名： 沈游 學(xué) 號(hào)： 202106028 班 級(jí)： 測(cè)控 091 專 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 時(shí) 間 ： ～ 地 點(diǎn)： 機(jī)械工程學(xué)院機(jī)房 指導(dǎo)教師： 文妍 李霞 楊淑燕 彭花 2 目 錄 一．前言 ????????????????????????????? ? 5 二．示波器設(shè)計(jì)方案??????????????????????? ?? 6 三．示波器工作原理與設(shè)計(jì)步驟??????????????????? ? 8 Ⅰ .模擬采集模塊???????????????????? ? 8 Ⅱ .時(shí)基控制 ??????????????????????? 10 Ⅲ .波形顯示模塊???????????????????? ? 10 Ⅳ .參數(shù)測(cè)量模塊???????????????????? ? 13 Ⅴ .頻譜分析模塊?????????? ??????????? 15 Ⅵ .數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放模塊?????????????????? 17 Ⅶ .波形打印模塊????????????????????? 18 Ⅷ .主要控制結(jié)構(gòu)????????????????????? 19 四．遇到的問(wèn)題及解決方法??????????????????? 20 五．總結(jié)??????????????????????????? 21 附錄：前面板和程序框圖???????????????????? ? 22 3 前 言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在測(cè)量領(lǐng)域中 需要不斷更新測(cè)量設(shè)備，以滿足越來(lái)越高的測(cè)量要求。在我國(guó)，傳統(tǒng)儀器技術(shù)還比較落后，目前有大批陳舊的測(cè)試儀器等待更新。這些儀器的測(cè)量精度和可靠性均低于國(guó)外，并且自動(dòng)化程度較低。高檔儀器基本上依靠國(guó)外進(jìn)口，每年都消耗國(guó)家大量外匯。然而，花大量資金購(gòu)買(mǎi)的儀器，可能我們只需要其中的一部分功能，同時(shí)有些其他應(yīng)用的功能要求，該儀器卻滿足不了。這些情況無(wú)疑是大大浪費(fèi)了投資。設(shè)想要是能將儀器稍微改動(dòng)以實(shí)現(xiàn)更大的使用范圍該多好。但是這對(duì)于傳統(tǒng)儀器來(lái)說(shuō)是非常困難的。虛擬儀器的出現(xiàn)，將徹底改變這種局面。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源， 用戶可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。數(shù)字示波器是在科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。目前高精度、具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的示波器，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴。所以虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；虛擬示波器能充分發(fā)揮虛擬儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能豐富、價(jià)格低廉、能重復(fù)開(kāi)發(fā)、可用戶自定義的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)的虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器，可同時(shí)顯示、記錄和存儲(chǔ)多通道輸入的波形，并且可以對(duì)波形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，具有一定的研究意義。 結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和軟件編程技術(shù)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)虛擬 示波器。整個(gè)系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件部分主要由計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊采用阿爾泰公司的 PCI2021數(shù)據(jù)采集卡，由于硬件部分主要是購(gòu)買(mǎi)的成熟產(chǎn)品，本論文的研究重點(diǎn)放在軟件的編制和實(shí)現(xiàn)上。 本課題的主要工作是首先進(jìn)行虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器 (簡(jiǎn)稱為虛擬示波器 )的整體設(shè)計(jì)；熟悉數(shù)據(jù)采集卡的使用；掌握虛擬儀器的軟件編程環(huán)境 LabVIEW的使用：用圖形化編程語(yǔ)言 LabVIEW實(shí)現(xiàn)虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)測(cè)量模塊、頻譜分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取模塊以及濾波模塊的設(shè)計(jì)。 4 示波器設(shè)計(jì)方案 虛 擬示波器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成。其中硬件設(shè)備與接口包括儀器接口設(shè)備和計(jì)算機(jī)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序。本設(shè)計(jì)的信號(hào)處理與結(jié)果顯示都由軟件完成，并以虛擬儀器面的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作性對(duì)應(yīng)的各種控件。 本虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器是在對(duì)傳統(tǒng)示波器進(jìn)行分析后，基于多功能 DAQ 采集卡和 LabVIEW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)的具有數(shù)字存儲(chǔ)示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)字頻率計(jì)三者功能與一體的一個(gè)功能強(qiáng)大的電子測(cè)試儀器，主要由數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分、波形顯示部分、波形存儲(chǔ)和回放 以及頻譜分析等部分組成，可以完成對(duì)信號(hào)的輸入及獲取、信號(hào)電壓參數(shù)及時(shí)間頻率參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量、信號(hào)的波形顯示及存儲(chǔ)回放和信號(hào)的頻譜分析等功能。該示波器主要由數(shù)據(jù)采集 DAQ（ Data Acquisition）、接口總線、硬件驅(qū)動(dòng)程序和虛擬數(shù)字示波器軟件構(gòu)成。圖 所示為虛擬數(shù)字示波器的整體組成結(jié)構(gòu)圖。信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)信號(hào)調(diào)理輔助電路，接收傳感器傳送過(guò)來(lái)的物理信號(hào)，并從混合信號(hào)中提取出待測(cè)的微弱信號(hào)，輸出的多路信號(hào)時(shí)已經(jīng)放大濾波和電平變換后的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送入數(shù)據(jù)采集卡板（由硬件程序驅(qū)動(dòng)工作），通過(guò)系統(tǒng)總線送進(jìn)計(jì)算機(jī)進(jìn) 行處理。在使用 DAQ卡之前必須對(duì) DAQ卡的硬件進(jìn)行配置，這些控制程序用到了相應(yīng)的底層 DAQ 驅(qū)動(dòng)程序。 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng)硬 件驅(qū) 動(dòng)程 序軟 件示 波器傳感器信 號(hào)檢 測(cè)電 路D A Q數(shù) 據(jù)采 集板 卡接 口 總 線 圖 1 虛擬數(shù)字示波器結(jié)構(gòu)圖 該虛擬儀器的軟件是以 LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境為平臺(tái)，采用的是自頂而下的設(shè)計(jì)方法，首先，有要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)功能來(lái)制定一個(gè)整體框架。由一個(gè)采集開(kāi)關(guān)啟動(dòng)整 5 個(gè)儀器采集過(guò)程，在采集狀態(tài)下，可以進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量顯示；同時(shí)，還可以進(jìn)行時(shí)基的設(shè)置、觸發(fā)通道的設(shè)置、觸發(fā)模式的設(shè)置等；對(duì)于顯示面板上的波形可以任意地進(jìn)行位置的調(diào)整、縮放；對(duì)于當(dāng)前的波形 能夠保存到硬盤(pán)上或 U 盤(pán)上；同樣，也能把硬盤(pán)或 U 盤(pán)上的數(shù)據(jù)讀到顯示面板上（這是將停止數(shù)據(jù)的采集）并還能進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量；還可以把當(dāng)前的波形打印出來(lái)。此外，應(yīng)用高效數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，還可實(shí)現(xiàn) FFT 算法，對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行分析。 該示波器的主要控制結(jié)構(gòu)有：自動(dòng) /手動(dòng)設(shè)置掃描率的控制結(jié)構(gòu)，寫(xiě)盤(pán) /讀盤(pán)控制結(jié)構(gòu)，采集控制結(jié)構(gòu)，測(cè)量控制結(jié)構(gòu)，打印控制結(jié)構(gòu)，通道選擇控制結(jié)構(gòu)，以及頻譜分析控制結(jié)構(gòu)。在這個(gè)總體框架的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行各個(gè)模塊的具體設(shè)計(jì)，并分別測(cè)量，測(cè)試通過(guò)后再把它們連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，最后進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)性能的調(diào)試 ，直到調(diào)試結(jié)果符合要求為止。主程序流程圖及模塊條用如圖所示。 另外，主面板的設(shè)計(jì)要力求簡(jiǎn)單、方便、使用、美觀。 Y Y N N Y 初始化 讀盤(pán)？ 采集？ 功能按鍵按下？ 波形顯示 執(zhí)行相應(yīng)功能模塊 讀入波形數(shù)據(jù) N 6 示波器工作原理與設(shè)計(jì)步驟 ： 虛擬數(shù)字示波器的原理是對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行密集的采樣，采樣值被數(shù)字化后存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)重建波形時(shí)便從緩沖區(qū)取數(shù)，然后用清晰、均勻一致的軌跡映現(xiàn)在屏幕上。對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后存入數(shù)據(jù)文件，由軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)分析、處理，并在屏幕上顯示處理結(jié)果。兩通道示波器，可以同時(shí)分析掃描兩路信號(hào)，這種功能的實(shí)現(xiàn)得益于計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力，計(jì)算 機(jī)只需要多做一組或幾組運(yùn)算即可。 本虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)雙通道臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能，并在儀器分析和處理功能上有所擴(kuò)展。儀器主要功能包括：雙通道信號(hào)輸入、觸發(fā)控制、通道控制、時(shí)基控制、波形顯示、參數(shù)自動(dòng)測(cè)量、頻譜分析、波形存儲(chǔ)和回放等。 設(shè)計(jì)步驟 ： Ⅰ .模擬采集模塊 由于 DAQ 數(shù)據(jù)采集模塊是建立在數(shù)據(jù)采集卡的基礎(chǔ)上，所以，本設(shè)計(jì)采用一個(gè)虛擬采集模塊代替 DAQ 數(shù)據(jù)采集模塊。 該模塊應(yīng)用兩個(gè)基本函數(shù)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生兩仿真信號(hào)分別用來(lái)模擬 A、 B 通道信號(hào)，其采樣信息通過(guò)對(duì)簇 sample/pol 的掃描率和掃描 數(shù)解除捆綁后再捆綁組成的新簇輸入。通過(guò)前面板還可以調(diào)整仿真信號(hào)的參數(shù)（波形類型、頻率、幅值）和屏幕刷新速度，最后經(jīng)提取波形成分將信號(hào)的幅值信息組成一個(gè)二維數(shù)組。模塊圖標(biāo)如圖 所示。 圖 模擬采集模塊圖標(biāo)（圖