【正文】 測控儀器設(shè)計課程設(shè)計 說明書 姓 名： 沈游 學(xué) 號： 202106028 班 級： 測控 091 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 學(xué) 院： 機械工程學(xué)院 時 間 ： ～ 地 點： 機械工程學(xué)院機房 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)計方案??????????????????????? ?? 6 三．示波器工作原理與設(shè)計步驟??????????????????? ? 8 Ⅰ .模擬采集模塊???????????????????? ? 8 Ⅱ .時基控制 ??????????????????????? 10 Ⅲ .波形顯示模塊???????????????????? ? 10 Ⅳ .參數(shù)測量模塊???????????????????? ? 13 Ⅴ .頻譜分析模塊?????????? ??????????? 15 Ⅵ .數(shù)據(jù)存儲和回放模塊?????????????????? 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，在測量領(lǐng)域中 需要不斷更新測量設(shè)備，以滿足越來越高的測量要求。在我國，傳統(tǒng)儀器技術(shù)還比較落后，目前有大批陳舊的測試儀器等待更新。這些儀器的測量精度和可靠性均低于國外，并且自動化程度較低。高檔儀器基本上依靠國外進口，每年都消耗國家大量外匯。然而，花大量資金購買的儀器，可能我們只需要其中的一部分功能，同時有些其他應(yīng)用的功能要求，該儀器卻滿足不了。這些情況無疑是大大浪費了投資。設(shè)想要是能將儀器稍微改動以實現(xiàn)更大的使用范圍該多好。但是這對于傳統(tǒng)儀器來說是非常困難的。虛擬儀器的出現(xiàn)，將徹底改變這種局面。利用計算機豐富的軟硬件資源， 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)存儲能力的示波器，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，價格昂貴。所以虛擬數(shù)字存儲示波器的設(shè)計有一定的經(jīng)濟價值；虛擬示波器能充分發(fā)揮虛擬儀器結(jié)構(gòu)簡單、功能豐富、價格低廉、能重復(fù)開發(fā)、可用戶自定義的優(yōu)勢。設(shè)計的虛擬數(shù)字存儲示波器，可同時顯示、記錄和存儲多通道輸入的波形，并且可以對波形進行數(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)計并實現(xiàn)了一個虛擬 示波器。整個系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個部分。硬件部分主要由計算機和數(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買的成熟產(chǎn)品，本論文的研究重點放在軟件的編制和實現(xiàn)上。 本課題的主要工作是首先進行虛擬數(shù)字存儲示波器 (簡稱為虛擬示波器 )的整體設(shè)計；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：用圖形化編程語言 LabVIEW實現(xiàn)虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)測量模塊、頻譜分析模塊、數(shù)據(jù)存儲和讀取模塊以及濾波模塊的設(shè)計。 4 示波器設(shè)計方案 虛 擬示波器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動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)備和計算機，設(shè)備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序。本設(shè)計的信號處理與結(jié)果顯示都由軟件完成，并以虛擬儀器面的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作性對應(yīng)的各種控件。 本虛擬數(shù)字存儲示波器是在對傳統(tǒng)示波器進行分析后，基于多功能 DAQ 采集卡和 LabVIEW 開發(fā)平臺來設(shè)計的具有數(shù)字存儲示波器、數(shù)字萬用表、數(shù)字頻率計三者功能與一體的一個功能強大的電子測試儀器，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、波形存儲和回放 以及頻譜分析等部分組成，可以完成對信號的輸入及獲取、信號電壓參數(shù)及時間頻率參數(shù)的自動測量、信號的波形顯示及存儲回放和信號的頻譜分析等功能。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。信號檢測電路時信號調(diào)理輔助電路，接收傳感器傳送過來的物理信號，并從混合信號中提取出待測的微弱信號，輸出的多路信號時已經(jīng)放大濾波和電平變換后的標準信號，送入數(shù)據(jù)采集卡板（由硬件程序驅(qū)動工作），通過系統(tǒng)總線送進計算機進 行處理。在使用 DAQ卡之前必須對 DAQ卡的硬件進行配置，這些控制程序用到了相應(yīng)的底層 DAQ 驅(qū)動程序。 計 算 機 系 統(tǒng)硬 件驅(qū) 動程 序軟 件示 波器傳感器信 號檢 測電 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 開發(fā)環(huán)境為平臺，采用的是自頂而下的設(shè)計方法，首先，有要實現(xiàn)的目標功能來制定一個整體框架。由一個采集開關(guān)啟動整 5 個儀器采集過程，在采集狀態(tài)下，可以進行參數(shù)的測量顯示；同時，還可以進行時基的設(shè)置、觸發(fā)通道的設(shè)置、觸發(fā)模式的設(shè)置等；對于顯示面板上的波形可以任意地進行位置的調(diào)整、縮放；對于當前的波形 能夠保存到硬盤上或 U 盤上；同樣，也能把硬盤或 U 盤上的數(shù)據(jù)讀到顯示面板上（這是將停止數(shù)據(jù)的采集）并還能進行參數(shù)的測量；還可以把當前的波形打印出來。此外，應(yīng)用高效數(shù)字信號處理技術(shù)，還可實現(xiàn) FFT 算法，對頻域信號進行分析。 該示波器的主要控制結(jié)構(gòu)有：自動 /手動設(shè)置掃描率的控制結(jié)構(gòu)，寫盤 /讀盤控制結(jié)構(gòu)，采集控制結(jié)構(gòu)，測量控制結(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)。在這個總體框架的基礎(chǔ)上來進行各個模塊的具體設(shè)計，并分別測量，測試通過后再把它們連接起來，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，最后進行整個系統(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)計要力求簡單、方便、使用、美觀。 Y Y N N Y 初始化 讀盤？ 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)計步驟 ： 虛擬數(shù)字示波器的原理是對信號波形進行密集的采樣，采樣值被數(shù)字化后存儲起來，當重建波形時便從緩沖區(qū)取數(shù)，然后用清晰、均勻一致的軌跡映現(xiàn)在屏幕上。對模擬信號進行數(shù)據(jù)采集后存入數(shù)據(jù)文件，由軟件對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)分析、處理，并在屏幕上顯示處理結(jié)果。兩通道示波器，可以同時分析掃描兩路信號，這種功能的實現(xiàn)得益于計算機的高速計算能力，計算 機只需要多做一組或幾組運算即可。 本虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計雙通道臺式數(shù)字存儲示波器的功能，并在儀器分析和處理功能上有所擴展。儀器主要功能包括：雙通道信號輸入、觸發(fā)控制、通道控制、時基控制、波形顯示、參數(shù)自動測量、頻譜分析、波形存儲和回放等。 設(shè)計步驟 ： 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)計采用一個虛擬采集模塊代替 DAQ 數(shù)據(jù)采集模塊。 該模塊應(yīng)用兩個基本函數(shù)發(fā)生器來產(chǎn)生兩仿真信號分別用來模擬 A、 B 通道信號，其采樣信息通過對簇 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。通過前面板還可以調(diào)整仿真信號的參數(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的幅值信息組成一個二維數(shù)組。模塊圖標如圖 所示。 圖 模擬采集模塊圖標（圖