【正文】 在我畢業(yè)設(shè)計期間，宿舍的舍友林文在我們互相探討中也給了我很大的啟發(fā)和鼓勵，并提出了許多寶貴的建議。隨著高速 A/D 芯片和電路的進(jìn)一步集成化，可以設(shè)想在不遠(yuǎn)的將來，一臺有安裝虛擬儀器軟件的標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)成為5 總結(jié)與展望37一個多功能的測量儀器站，從根本上改變目前專用儀器的研制和生產(chǎn)方式，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益。主要有以下幾個方面需要改進(jìn)和研究：（1）影響示波器系統(tǒng)各個性能的因素很多，而數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率、分辨率影響著示波器的分辨率和顯示的波形。設(shè)計的研究工作和主要研究結(jié)果總結(jié)如下： （1）本文用圖形化編程語言 LABVIEW 對程序進(jìn)行設(shè)計。圖 42 三角波的波形顯示最后將函數(shù)信號發(fā)生器輸出波形改為方波，點擊“連續(xù)運行”按鈕。下面分別從波形顯示、幅頻特性、相頻特性三方面來測試系統(tǒng)的功能。3 虛擬示波器軟件設(shè)計31西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）324 程序的調(diào)試與測試 虛擬示波器的性能指標(biāo) 虛擬示波器的性能指標(biāo)直接關(guān)系到該示波器到的性能好壞，包括該示波器能測量到的頻率范圍，顯示的是否清晰。其結(jié)果是返回一個幅值或相位值。主要操作說明：在 block diagram：Functions → Signal Processing → Wfm Measure → Extract Single Tone Information 選擇 Extract Single Tone Information 函數(shù)。圖 314 采樣點數(shù)測量模塊程序說明：采樣點數(shù)測量模塊主要用于獲得波形的采樣點數(shù)，其中采用的 Statistics 函數(shù)，它是用來確定波形運行時的采樣點數(shù)，取決于輸入的程序中設(shè)定的值。 Sound → Sound → Input → Read 選擇 read 函數(shù)。 聲音輸入讀取聲音輸入讀取的前面板為聲卡采集時的參數(shù)設(shè)置。 聲音輸入設(shè)置聲音輸入設(shè)置的前面板是對聲卡參數(shù)的一些設(shè)置，這些設(shè)置必須能夠滿足設(shè)計的需要。1） Functions → Structures → While Loop 選擇 While 循環(huán)。另外，用單聲道采樣，左右聲道信號都相同，而且每個聲道的幅值只有原信號幅值的 1/2；采用立體聲采樣，左右聲道互不干擾，可以采兩路不同的信號，而且采樣的信號幅值與原幅值相同。而聲卡的讀取過程是通過一個 While 循環(huán)把這所有的過程連接起來。 程序的流程圖程序流程框圖如圖 32 所示：初始化聲卡信號采集波形顯示參數(shù)顯示LABVIEW 模塊圖 32 虛擬示波器程序流程圖流程圖簡介：首先對設(shè)計中運用到的模塊進(jìn)行初始化，然后通過聲卡對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，把采集到的信號送入 LABVIEW 模塊中，通過 LABVIEW 模塊的程序運行下，把采集到的信號通過圖形的形式，把波形顯示出來。3 虛擬示波器軟件設(shè)計19read該函數(shù)用于等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息。 Sound 的函數(shù)中Sound 函數(shù)中的 Input 這個子模塊。但一個虛擬儀器的圖標(biāo)被放置在另一個虛擬儀器的流程圖中時，它就是一個子儀器。節(jié)點之間、節(jié)點與前面板對象之間是同數(shù)據(jù)端口和數(shù)據(jù)連線來傳遞數(shù)據(jù)的。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，主要用來模擬真實儀器的前面板。LABVIEW 應(yīng)用程序生成器可以創(chuàng)建安裝程序，以便在 Windows 環(huán)境中執(zhí)行可運行程序[12]。LABVIEW 的數(shù)據(jù)采集庫包含了許多有關(guān)采集和生成數(shù)據(jù)的函數(shù)，它們與 NI 的插卡式或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品協(xié)同工作。本文用聲卡代替數(shù)據(jù)采集卡來采集信號的。按圖 25 所示，在“選項”菜單下選“屬性” ，得到圖 25（b）圖所示的對話框，在此對話框上選擇“錄音” ，并配置列表中的選項即可。這是由于對 x86系列處理器來說，在保護(hù)模式（Windows 等系統(tǒng)使用的 CPU 工作方式）下，內(nèi)存以 8KB 為單位被分成很多頁，對內(nèi)存的任何訪問都是按頁進(jìn)行，CPU 保證了讀寫 8KB 長度的內(nèi)存緩沖區(qū)時，速度足夠快，并且一般不會被其他外來事件打斷。（3）緩沖區(qū)與一般數(shù)據(jù)采樣卡不同，聲卡面臨的 D/A 和 A/D 任務(wù)通常是連續(xù)狀態(tài)的。2568?64021?比較之下，一段相同的音樂信息，16 位聲卡能把它分為 64000 個精度單位進(jìn)行處理，而 8 位聲卡只能處理 256 個精度單位，最終采樣效果當(dāng)然是無法相提并論的。L i n e I nM i c I nW a v e O u tS P K O u tM I D I I nA / DD S P D / A波 表M I D I 合 成 器圖 24 聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖輸入接口 Line In 和 Mic In 的區(qū)別在于，后者可以接入較弱的信號，幅值大約為 ，顯然這個信號較易受干擾，因而常使用 Line In，它可以接入幅值約為不超過 的信號。（2）編輯和合成處理通過對聲音文件進(jìn)行多種特技效果的處理，包括加入回聲，倒放，淡入淡出，往返放音以及左右兩個聲道交叉放音等，可以實現(xiàn)對各種聲源音量的控制和混合。虛擬示波器也是由這三大部分組成，但是除了信號采集部分是由硬件實現(xiàn)之外，其它兩部分都是由軟件實現(xiàn)。其功能方框圖如圖 21 所示信號采集通道選擇通道 通道 B 通道 A波形顯示 濾波器 數(shù)據(jù)保存參數(shù)測量 波形顯示 數(shù)據(jù)回放波形顯示圖 21 虛擬示波器功能方框圖 虛擬示波器的 聲卡采集原理模擬信號經(jīng)同軸電纜進(jìn)入采集卡的輸入通道，經(jīng)過前置濾波電路、衰減電路、可變增益的放大電路，將信號處理成 A/D 轉(zhuǎn)換器可以處理的標(biāo)準(zhǔn)電平，經(jīng)過 A/D 采樣量化轉(zhuǎn)化成計算機(jī)可以處理的數(shù)字信號并緩存到卡上的存儲器。第 5 章，總結(jié)與展望：對設(shè)計的虛擬示波器進(jìn)行了總結(jié)，并對將來的發(fā)展趨勢給出了展望。因此在本設(shè)計中，虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集裝置主要基于聲卡。 ”虛擬儀器將會在科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)專家預(yù)測：未來幾年內(nèi)，我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。近一、兩年來這些學(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。西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）4虛擬儀器開發(fā)商不僅注意使虛擬儀器能夠適應(yīng)各種通用計算機(jī)總線系統(tǒng)，使之為虛擬儀器服務(wù)，而且也注意建立各種儀器專用的總線系統(tǒng)。在美國虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語言，已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門必修課程。（2）利用計算機(jī)豐富的軟件資源，一方面，實現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件話，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)的靈活性；一方面，通過軟件技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)值算法、實時、直接的對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和處理；另一方面，通過圖形用戶界面（Graph User Interface）技術(shù)，真正做到界面友好，人機(jī)交互。利用計算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）2的數(shù)據(jù)的分析、處理、表達(dá)、傳遞、存儲等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。它的功能模塊全部都是以硬件或固定軟件的形式存在，無論是開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。本文所設(shè)計的虛擬示波器經(jīng)過測試可以對信號正確的采集和顯示，達(dá)到了本次虛擬示波器的設(shè)計要求。 本文采用計算機(jī)聲卡來代替工業(yè)用的數(shù)據(jù)采集卡。第一代模擬儀器，這類儀器在某些實驗室里還能看到，它是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器，如指針式萬用表、晶體管電壓表、指針式電流表等。虛擬儀器技術(shù)的實質(zhì)是充分利用最新的計算機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。顯示器信號分析及處理器入機(jī)接口 各類接口A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)發(fā)生器信號調(diào)理器信號調(diào)理器輸入信號 D/A 轉(zhuǎn)換器信號調(diào)理器信號輸出圖 11 虛擬儀器的結(jié)構(gòu) 虛擬儀器的優(yōu)點一臺性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的大部分功能，而且在許多方面有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點，如使用靈活方便、功能豐富、價格低廉、可一機(jī)多用、可重復(fù)開發(fā)等。虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點。Lab windows/CVI 是為熟悉 C 語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的、在windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSI C 開發(fā)環(huán)境，除了上述優(yōu)秀的開發(fā)軟件之外，美國 HP 公司的 HPVEE 和 HPTIG 平臺軟件，美國 Tektronix 公司的 EzTest 和TekTNS 軟件，以及美國的 HEM Data 公司的 SnapMaster 平臺軟件，也是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺軟件。它們多數(shù)屬于中低頻范圍，主要是工程應(yīng)用類儀器設(shè)備。一臺發(fā)動機(jī)檢測完后，就可打印出完整的檢測報告。它可以取代測量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。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（含信號調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換器、數(shù)字 I/O、定時器、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。第 2 章，虛擬示波器的設(shè)計理論：本章主要講了示波器組成部分、波形顯示原理，工作原理以及虛擬示波器在硬件平臺上的使用，詳細(xì)講述了硬件選擇聲卡的理由。它能快速的把肉眼不能直接看見的電信號的時變規(guī)律，以可見的形式，形象的顯示出來 [7]。2 圖 22 聲卡數(shù)據(jù)采集流程圖虛擬示波器是采用基于計算機(jī)的虛擬技術(shù)，用以模擬通用示波器的面板操作和處理功能，也就是使用個人計算機(jī)及接口電路來采集現(xiàn)場或?qū)嶒炇倚盘?，并通過圖形用戶界面（GUI）來模仿示波器的操作面板，完成信號采集、調(diào)理、分析處理和顯示輸出等功能 [8]。聲卡的主要功能包括錄制與播放、編輯與合成處理、MIDI 接口三個部分。其中，輸出接口有 2 個，分別是 Ware Out 和 SPK Out。這個數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音也就越真實。使用聲卡比較大的局限在于，它不允許用戶在最高采樣頻率之下隨意設(shè)定采樣頻率，而只能分為 4 檔設(shè)定。計算機(jī)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)所用時間極短，不會影響 A/D 變換的連續(xù)性。如果不正常，需要檢查聲卡的設(shè)置。連接時要注意區(qū)分 Mic In 口和 SPK Out 口，不要把它們當(dāng)作Line In 與 Line Out 接入。但是 LABVIEW 的特點在于：它使用圖形化編程語言 G 在流程圖中創(chuàng)建源程序，而沒有使用基于的文本語言來產(chǎn)生源程序代碼。LABVIEW 專業(yè)版開發(fā)系統(tǒng)包括應(yīng)用程序生成器（Application Builder） ，可以創(chuàng)建并發(fā)布獨立的可執(zhí)行程序、共享庫或動態(tài)連接庫（DLL） 。 G 語言與傳統(tǒng)高級編程語言最大的差別在于編程方式一般高級語言采用文本編程，而 G 語言采用圖形化編程語言?？驁D程序由節(jié)點（Node） 、數(shù)據(jù)連線（Wire）構(gòu)成。LABVIEW 采用的一種獲得專利的數(shù)據(jù)流編程模式。 Sound 的函數(shù)中Sound 函數(shù)中的 Input 函數(shù)。緩沖區(qū)長度可選默認(rèn)值。已采集而未被讀出的數(shù)據(jù)會留在緩沖區(qū)中，可以使用 read 函數(shù)一次讀完。 總程序的設(shè)計最終設(shè)計出的程序的總框圖如圖 35：圖 35 程序總框圖總框圖說明：信號通過聲卡采集進(jìn)入虛擬儀器中，通過聲卡的基本設(shè)置，設(shè)置聲卡的一些基本參數(shù)，聲卡的采樣頻率不能太低，如果頻率太低，采集過程中，不能連續(xù)的采集，示波器的輸出就會中斷。 如圖 37 所示，為數(shù)據(jù)采集和處理模塊。這個在后面波形產(chǎn)生模塊中進(jìn)行詳細(xì)解釋。5）Functions → Cluster → Unbundle 選擇 Unbundle 函數(shù)。緩沖區(qū)長度可選默認(rèn)值。若計算機(jī)的速度不夠快，使得緩沖區(qū)內(nèi)容被覆蓋，則會產(chǎn)生一個錯誤信息。主要操作說明：在 block diagram： Functions → Graphics amp。圖 316 頻率測量模塊的后面板程序說明：頻率測試模塊，主要用于測量信號波形的頻率。實現(xiàn)一個 FFT 運算。參數(shù)顯示是以數(shù)字的方式顯示。 采樣精度系統(tǒng)采樣精度與電路所選器件的位數(shù)有關(guān)