【正文】 14 第 4 章 虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì) 虛擬示波器是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生并逐步發(fā)展起來(lái)的一種 具有存儲(chǔ)功能的新型儀器，主要用于觀察、分析和測(cè)量非重復(fù)信號(hào)、重復(fù)信號(hào)、單次信號(hào)、沖激信號(hào)等。 傳感器 傳感器 傳感器 多路開(kāi)關(guān) 放大器 采樣保持器 A/D 轉(zhuǎn) 換 器 計(jì)算機(jī) 12 圖 32 采樣 /保持器 多路轉(zhuǎn)換模擬開(kāi)關(guān) 模擬開(kāi)關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中主要部件之一，它的作用是切換各路輸入信號(hào)。 。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如 4 一 2 所示，它由多路開(kāi)關(guān)、采樣 /保持器、放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)等組成。 N 工一 DAQ 就是 N1 公司高性能數(shù)據(jù)采集及驅(qū)動(dòng)程序。計(jì)時(shí)信號(hào)也就是信號(hào)源，它提供了繼續(xù)其操作的時(shí)間基準(zhǔn) 。范圍、增益、分辨率決定了可分辨的最小電壓變化，它表示 ILSB。如果采樣點(diǎn)之間對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必須同時(shí)采樣。 (4) 激勵(lì) 由于電工測(cè)量試驗(yàn)中經(jīng)常要要用到正弦波、方波等信號(hào)，且有時(shí)需要為一些傳感器提供激勵(lì)信號(hào)，故由虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生各種信號(hào)并由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行功率放大后輸出。 2 信號(hào)調(diào)理 信號(hào)調(diào)理器是傳感器和數(shù)據(jù)采集卡之間的橋梁， 負(fù)責(zé)將傳感器的輸出信號(hào)和數(shù)據(jù)采集模塊可以接受的信號(hào)聯(lián)系起來(lái)，從傳感器輸出的信號(hào)必須經(jīng)過(guò)調(diào)理才能夠連入數(shù)據(jù)采集板，信號(hào)調(diào)理包括放大和衰減、隔離、濾波、傳感器激勵(lì)、線性化處理。相反，模擬信號(hào)包括了隨時(shí)間變化的連續(xù)信息。同時(shí)它能夠激發(fā)和線性化某些傳感器及其信號(hào)。它包括結(jié)構(gòu)子模板、數(shù)值運(yùn)算子模板、布爾邏輯子模板、字符串運(yùn)算子模板、數(shù)組子模板、類(lèi)子模板、比較子模板、時(shí)間和對(duì)話框子模板、文件輸入 /輸出子模板、儀器控制子模板、儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)、數(shù)據(jù)采集子模板、信號(hào)處理子模板、數(shù)學(xué)模型子模塊、圖形與聲音子模塊、通訊子模板、應(yīng)用程序控制子模塊、底層接口子模塊、文檔生成子模板、示教課程子模板 、用戶(hù)自定義的子 Vl 模板和選擇? VI 子程序等子模板。每個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè)子模板 (如圖所示 )。 探針工具 :可以在框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流線上設(shè)置探針。 使用它向數(shù)字或字符串控制中鍵入值時(shí)，工具會(huì)變成標(biāo)簽工具的形狀。調(diào)試程序時(shí)可以利用單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)、設(shè)置探針來(lái)顯示數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。這樣，其它的虛擬儀器才能將數(shù)據(jù)傳輸給子儀器。通過(guò)鼠標(biāo)和鍵 盤(pán)輸入數(shù)據(jù)、控制按鈕，也可在計(jì)算機(jī)顯示器上直接觀看結(jié)果。通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)向程序輸入數(shù)據(jù)，操作結(jié)果由軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上生成。 本論文的主要工作 我國(guó) 在科學(xué)技術(shù)方面與世界頂級(jí)國(guó)家還有一定距離，我國(guó)的高檔儀器大部分還要依賴(lài)進(jìn)口，這種儀器往往價(jià)格昂貴，使用面窄，花很多的外匯只能起到有限的作用，因此，研究虛擬儀器對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)具有很重要的意義。據(jù)“世界儀表及自動(dòng)化”雜志預(yù)測(cè)，虛擬儀器在 21 世紀(jì)中期將占到儀器市場(chǎng) 50%左右的份額。 虛擬儀器的較傳統(tǒng)儀器的優(yōu)勢(shì) （ 1）傳統(tǒng)儀器的控制面板只有一個(gè)，在這個(gè)操作面板上 ，需要放置各種按鈕，容易導(dǎo)致混亂和混淆。本文對(duì)虛擬示波器的硬件即數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行了初略的介紹，對(duì)其軟件部分進(jìn)行了詳細(xì)研究。I 摘要 隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)的日新月異，電子計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和處理，顯示，存貯等方面的優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)的儀器相比越來(lái)越明顯。在此基礎(chǔ)上完成了頻譜分析模塊，存儲(chǔ)模塊，顯示模塊，濾波模塊，測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)。而虛擬儀器可以有多個(gè)控制面板，各個(gè)面板之間的切換十分方便，使每個(gè)面板變得簡(jiǎn)單，從而提高了操作的正確性和方便性。虛擬儀器在本世紀(jì)發(fā)展很快，大有取代傳統(tǒng)儀器的趨 勢(shì)。開(kāi)發(fā)虛擬儀器不僅可以實(shí)現(xiàn)儀器的自我生產(chǎn)，而且虛擬儀器易于改進(jìn)，提升性能，通過(guò)軟件和硬件的更換，還可以實(shí)現(xiàn)多方面的用途，大大提高了儀器的性?xún)r(jià)比。 (2)編程方式簡(jiǎn)單、直觀采用圖形語(yǔ)一言 (G 語(yǔ)言 )、圖標(biāo)和聯(lián)機(jī)代替文本形式編寫(xiě)程序，是對(duì)具體編程問(wèn)題的圖形化解決方案。若想要在數(shù)字控制中輸入或修改數(shù)值，只需要用操作工具 (見(jiàn)工具模板 )點(diǎn)擊控制部件和增減按鈕，或者用操作工具或標(biāo)簽工具雙擊數(shù)值欄進(jìn)行輸入數(shù)值修改。圖標(biāo)和連接允許將此儀器作為最高級(jí)的程序，也可以作為其它程序或子程序的子程序。 圖 21 Labview 前面板 圖 22 Labview 程序框圖 labview 的模板分析 labVIEW 是一種圖形化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，在一個(gè)虛擬儀器 VI 的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主要 利用模板創(chuàng)建和運(yùn)行程序。 選擇工具，用于選擇、移動(dòng)或改變對(duì)象的大小當(dāng)它用于改變對(duì)象的連框大小時(shí)， 會(huì)變成相應(yīng)形狀。程序調(diào)試員可以通過(guò)控針窗口來(lái)觀察該數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù) 變化狀況?？刂颇０蹇梢杂?Wind。 編制軟件時(shí)通過(guò)對(duì)控制和功能模塊中子模塊的靈活調(diào)用，選取相應(yīng)的功能子模塊，分別置于前后面板內(nèi)，使用連線工具即可完成虛擬儀器設(shè)計(jì)。當(dāng)輸入信號(hào)被適當(dāng)調(diào)理后，即可輸給插入式數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)字化，同時(shí)它也能 產(chǎn)生控制信號(hào)。數(shù)字信號(hào)又可以分為開(kāi)關(guān)信號(hào)和脈沖序列信號(hào)，模擬信號(hào)則可以分為直流信號(hào)、時(shí)域信號(hào)、頻域信號(hào)。 (1) 放大和衰減 9 數(shù)據(jù)采集卡接收的信號(hào)是范圍很廣的電壓信號(hào)，如果太強(qiáng)，就需要衰減器把被測(cè)信號(hào)減弱后再輸入給數(shù)據(jù)采集卡，這樣一方面可以保證數(shù)據(jù)采集卡可以順利采數(shù)，另一方面有利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 (5) 線性化 很多傳感器對(duì)被測(cè)量都有非線性響應(yīng)，因而需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行線性化。對(duì)于低頻信號(hào)，可以用間隔掃描辦法來(lái)產(chǎn)生 同時(shí)采10 樣的效果，而不必增加采樣保持電路。例如，某 DAQ 板的分辨率為 16 位，范圍取 0 一 1OV，增益取 100，則有 1LSB=(10/100xZ’ 6)= 協(xié) v，這樣一來(lái)，在數(shù)字化的過(guò)成中，一位的分辨率為。輸出是在輸出線上產(chǎn)生方波和脈沖。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是電子測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)，當(dāng)然也是虛擬儀器的基礎(chǔ)。數(shù) 據(jù)采集要經(jīng)過(guò)采樣和量化兩個(gè)必要步驟。 。在測(cè)控系統(tǒng)中，被測(cè)量經(jīng)常是幾個(gè)或者幾十個(gè)，為了降低成本和減小面積，系統(tǒng)通常使用公共的放大器、采樣 /保持器以及 A/D 轉(zhuǎn)換器，因此需要使用多路開(kāi)關(guān)輪流把各路被測(cè)信號(hào)分時(shí)的與這些公用器件連通。正是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、量化采集和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的引入，使其對(duì)于各類(lèi)簡(jiǎn)單信號(hào)、復(fù)雜信號(hào)、單次信號(hào)和周期信號(hào)波形的測(cè)量、記錄、存儲(chǔ)、分析復(fù)現(xiàn)都非常有效，在各行各業(yè)中均有廣泛的應(yīng)用。頻譜分析模塊采用 FFT 算法，完成頻域信號(hào)分析。 (4) 頻譜分析 :利用 FFT 窗口對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析。枚舉 1 控制是輸入原信號(hào)還是輸入已經(jīng)存儲(chǔ)的波形信號(hào)。 LabVIEW 中列有各種數(shù)字濾波器，這些數(shù)字濾波器都可以直接調(diào)用而用考慮它的內(nèi)部設(shè) 計(jì)。 圖 46 存儲(chǔ)和回放模塊前面板 圖 47 a 存儲(chǔ)和回放模塊程序框圖 圖 47 b 存儲(chǔ)與回放模塊程序框圖 19 頻譜分析模塊 頻譜分析模塊采用快速傅立葉 FFT 算法，完成頻域信號(hào)分析，可以獲得對(duì)應(yīng)的頻譜圖。 傅里葉變換是信號(hào)處理中最基本，最重要的變換之一，其本質(zhì)是建立了信號(hào)的以時(shí)間為變量的時(shí)域分析與以頻率為變量的頻譜分析之間的映射關(guān)系。采樣信號(hào)的頻譜在幅值上比信號(hào) x(t)的頻譜 X(? )幅值放大了 1/T 倍，并呈現(xiàn) 周期性，周期為 s? ,即在頻率 ? 軸上，每隔 ? S=2? /T，在 ? S， 2? S，?， m? s 處重復(fù)出現(xiàn) X( ? )/T，在 m=o 處的譜線就是原信號(hào) x(t)的頻譜 X( ? )(乘以 1/T，稱(chēng)為主分量 ? =? /T 到 ? /T 為主周期。 S 不滿(mǎn)足采樣定律，即ω S2ω m，在每隔ω S 重復(fù)出現(xiàn) X(ω )/T 譜線時(shí)均出現(xiàn)譜線的重迭。儀器的主要功能包括波形顯示、頻譜分析、波形存儲(chǔ)和讀取等。 論文的主要工作包括以下幾個(gè)方面 : 分析討論了虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)原理，指出傳統(tǒng)測(cè)試儀器存在的缺陷和不足，提出了用虛擬儀器替代傳統(tǒng)儀器是具有現(xiàn)實(shí)意義的。 (3) 在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)多種虛擬儀器產(chǎn)品，如電壓表、虛擬頻率計(jì)等，以求構(gòu)成完善的 虛擬實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)。因此在實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中，應(yīng)用虛擬技術(shù)是一個(gè)很好的選擇。分別從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各部分的作用和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這兩方面研究如何來(lái)構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。用虛擬信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生不同頻率和幅值的波形，通過(guò)虛擬示波器來(lái)顯示、測(cè)量、處理和分析這些波形，來(lái)檢測(cè)虛擬示波器的性能。 (3)離散傅立葉變換 (DFT) 離散傅里葉變換是指用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)式 dtetxwX jwt??????? )()( （ 45） dweXtx jw t?????? )(21)( ?? （ 46） 所表示的傅立葉正反變換的數(shù)值計(jì)算 離散傅里葉變換定義式 : 當(dāng)采樣點(diǎn) i=0,1,2… n,時(shí)，共有 N 個(gè)，即無(wú)限長(zhǎng)信號(hào)截?cái)嗪笞優(yōu)橹芷谛盘?hào)，頻譜由連續(xù)譜變?yōu)殡x散譜 ，即ω =k﹡ 2π /NT,于是有離散傅里葉變換的定義如下： 正變換： 21 ktNt NNttnjk WixeiTxkX ?????? ?? ?? 10102 )()()( ? （ 47） 反變換： ktNNkktnjNk WkXNekXNtx????? ?? ?10210 )(1)(1)( ? （ 48） 算是式中的 NktjN eW ?2?? （ 49） 為復(fù)數(shù)因子。 (2) 采樣定理 信號(hào)采樣是把連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間序列的過(guò)程。 按照傅里葉級(jí)數(shù)的定義，凡是滿(mǎn)足狄利克雷條件的周期函數(shù)都能寫(xiě)成傅里葉級(jí)數(shù)的形式，函數(shù)的周期為 T1，各次諧波成分的幅度值按以下各式計(jì)算： 直流分量 a0= dtTtt tfT ? ? 1001 )(1 （ 41） 余弦分量的幅度 an= dtTtt tntfT ? ? 100 11 )c o s ()(2 ? （ 42）