【正文】 測控儀器設計課程設計 說明書 姓 名： 沈游 學 號： 202106028 班 級： 測控 091 專 業(yè)： 測控技術與儀器 學 院： 機械工程學院 時 間 ： ～ 地 點： 機械工程學院機房 指導教師： 文妍 李霞 楊淑燕 彭花 2 目 錄 一．前言 ????????????????????????????? ? 5 二．示波器設計方案??????????????????????? ?? 6 三．示波器工作原理與設計步驟??????????????????? ? 8 Ⅰ .模擬采集模塊???????????????????? ? 8 Ⅱ .時基控制 ??????????????????????? 10 Ⅲ .波形顯示模塊???????????????????? ? 10 Ⅳ .參數測量模塊???????????????????? ? 13 Ⅴ .頻譜分析模塊?????????? ??????????? 15 Ⅵ .數據存儲和回放模塊?????????????????? 17 Ⅶ .波形打印模塊????????????????????? 18 Ⅷ .主要控制結構????????????????????? 19 四．遇到的問題及解決方法??????????????????? 20 五．總結??????????????????????????? 21 附錄：前面板和程序框圖???????????????????? ? 22 3 前 言 隨著科學技術的發(fā)展，在測量領域中 需要不斷更新測量設備，以滿足越來越高的測量要求。在我國，傳統儀器技術還比較落后，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。設想要是能將儀器稍微改動以實現更大的使用范圍該多好。但是這對于傳統儀器來說是非常困難的。虛擬儀器的出現，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自己的需求，設計自己的儀器系統，滿足多種多樣的應用需求。數字示波器是在科學研究和工程設計中廣泛應用的一種通用儀器。目前高精度、具有數據存儲能力的示波器，生產工藝復雜，價格昂貴。所以虛擬數字存儲示波器的設計有一定的經濟價值；虛擬示波器能充分發(fā)揮虛擬儀器結構簡單、功能豐富、價格低廉、能重復開發(fā)、可用戶自定義的優(yōu)勢。設計的虛擬數字存儲示波器，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據分析和處理，具有一定的研究意義。 結合虛擬儀器技術和軟件編程技術，本文設計并實現了一個虛擬 示波器。整個系統分為硬件和軟件兩個部分。硬件部分主要由計算機和數據采集模塊組成。數據采集模塊采用阿爾泰公司的 PCI2021數據采集卡，由于硬件部分主要是購買的成熟產品，本論文的研究重點放在軟件的編制和實現上。 本課題的主要工作是首先進行虛擬數字存儲示波器 (簡稱為虛擬示波器 )的整體設計；熟悉數據采集卡的使用；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實現虛擬示波器的數據采集模塊、參數測量模塊、頻譜分析模塊、數據存儲和讀取模塊以及濾波模塊的設計。 4 示波器設計方案 虛 擬示波器由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。其中硬件設備與接口包括儀器接口設備和計算機，設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序。本設計的信號處理與結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的各種控件。 本虛擬數字存儲示波器是在對傳統示波器進行分析后，基于多功能 DAQ 采集卡和 LabVIEW 開發(fā)平臺來設計的具有數字存儲示波器、數字萬用表、數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，主要由數據采集部分、數據處理部分、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、信號電壓參數及時間頻率參數的自動測量、信號的波形顯示及存儲回放和信號的頻譜分析等功能。該示波器主要由數據采集 DAQ（ Data Acquisition）、接口總線、硬件驅動程序和虛擬數字示波器軟件構成。圖 所示為虛擬數字示波器的整體組成結構圖。信號檢測電路時信號調理輔助電路，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放大濾波和電平變換后的標準信號，送入數據采集卡板（由硬件程序驅動工作），通過系統總線送進計算機進 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的底層 DAQ 驅動程序。 計 算 機 系 統硬 件驅 動程 序軟 件示 波器傳感器信 號檢 測電 路D A Q數 據采 集板 卡接 口 總 線 圖 1 虛擬數字示波器結構圖 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計方法，首先，有要實現的目標功能來制定一個整體框架。由一個采集開關啟動整 5 個儀器采集過程，在采集狀態(tài)下，可以進行參數的測量顯示；同時，還可以進行時基的設置、觸發(fā)通道的設置、觸發(fā)模式的設置等；對于顯示面板上的波形可以任意地進行位置的調整、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 盤上的數據讀到顯示面板上（這是將停止數據的采集）并還能進行參數的測量；還可以把當前的波形打印出來。此外，應用高效數字信號處理技術，還可實現 FFT 算法，對頻域信號進行分析。 該示波器的主要控制結構有：自動 /手動設置掃描率的控制結構，寫盤 /讀盤控制結構，采集控制結構，測量控制結構，打印控制結構，通道選擇控制結構，以及頻譜分析控制結構。在這個總體框架的基礎上來進行各個模塊的具體設計，并分別測量，測試通過后再把它們連接起來，構成一個完整的系統，最后進行整個系統性能的調試 ，直到調試結果符合要求為止。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)行相應功能模塊 讀入波形數據 N 6 示波器工作原理與設計步驟 ： 虛擬數字示波器的原理是對信號波形進行密集的采樣，采樣值被數字化后存儲起來，當重建波形時便從緩沖區(qū)取數，然后用清晰、均勻一致的軌跡映現在屏幕上。對模擬信號進行數據采集后存入數據文件，由軟件對數據進行相應分析、處理，并在屏幕上顯示處理結果。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。 本虛擬數字示波器的設計雙通道臺式數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、參數自動測量、頻譜分析、波形存儲和回放等。 設計步驟 ： Ⅰ .模擬采集模塊 由于 DAQ 數據采集模塊是建立在數據采集卡的基礎上，所以，本設計采用一個虛擬采集模塊代替 DAQ 數據采集模塊。 該模塊應用兩個基本函數發(fā)生器來產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 數解除捆綁后再捆綁組成的新簇輸入。通過前面板還可以調整仿真信號的參數（波形類型、頻率、幅值）和屏幕刷新速度，最后經提取波形成分將信號的幅值信息組成一個二維數組。模塊圖標如圖 所示。 圖 模擬采集模塊圖標（圖