【正文】 2021,28(1):211~213 [12] 任重 .虛擬示波器的研究與設(shè)計 . 中國科技論文在線， 20210816 [13] 陳曉明，師學(xué)明，劉迎 . 基于 LabVIEW 的聲卡虛擬儀器性能測試與實驗 . 實驗室研究與探索， 2021,29(1):25~28 [14] NESIMI ERTUGRUL. Towards Virtual Laboratories: a Survey of LabVIEWbased 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 。 綜上所述，信號的最小頻率為 22050247。 10=，偏差非常的小，完全可以達(dá)到要求，所以不改變兩點之間距離的精度，繼續(xù)使用。 本章小結(jié) 本章是論文中最主要的部分，利用模塊化的 設(shè)計方法， 將信號的采集、分析和處理更加詳細(xì)地進(jìn)行分析 。 在程序執(zhí)行的情況下， 可以設(shè)置觸發(fā)通道（包括通道 1 和通道 2） 、 設(shè)置觸發(fā)電平（限定在 1V 以內(nèi)） 、設(shè)置觸發(fā)模式 ，設(shè)置完成后，點擊開始觸發(fā)，則會執(zhí)行 trigger()函數(shù)，獲取當(dāng)前值：如果 獲取值 為 1， 刪除目前 顯示 的波形， 將其它控件都激活 ，設(shè)置目前中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20 頁 共 38 頁 事件為 1；如果為 獲取值為 0，則停止觸發(fā)相關(guān)控件的激活狀態(tài)。為了顯示當(dāng)前坐標(biāo)值以及差值，在面板上添加 6 個 Numeric 控件，分別用來代表光標(biāo) 1 和 2 的 X、 Y以及 ΔX和 ΔY，并用 text 控件來修飾它們 ，但這些控件都只是顯示作用（ Control mode 都選擇 Indicator，精度是 double），沒有回調(diào)函數(shù) ，實現(xiàn)光標(biāo)定位功能的代碼設(shè)置在 Graph 中，通過回調(diào)函數(shù) show()實現(xiàn)，只要在程序執(zhí)行時點擊顯示屏，光標(biāo) 功能就生效了， 首先通過GetGraphCursor()函數(shù)分別獲取 x y x y2 的坐標(biāo)，再通過公式換算出實際的時間大小，顯示在下邊的 Numeric 上。 獲 取 當(dāng) 前 旋 鈕 位 置當(dāng) 前 位 置 在標(biāo) 準(zhǔn) 位 置 右 側(cè)波 形 右 移波 形 左 移將 當(dāng) 前 位 置作 為 標(biāo) 準(zhǔn) 位 置真假 圖 移動波形流程圖 在編制程序時，要設(shè)定一個臨時值 tmp，用于獲取當(dāng)前控件的 Value 大小，使用GetCtrlVal()語句；然后將這個值與 cur_horizon_move_index（確切地說是上一次旋鈕停在的位置值大小，初始值是 5）進(jìn)行比較：如果 tmpcur_horizon_move_index，則說明旋鈕向右旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)了，表示將圖像向右移動（或者向上移動）為了實現(xiàn)這個功能，將坐標(biāo)的值最中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 13 頁 共 38 頁 大值和最小值都減小，利用 cur_x_min=STEP_X 來實現(xiàn)，通過 SetAxisRange()語句實現(xiàn)；同樣，如果 tmpcur_horizon_move_index，則說明旋鈕向左旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)了，表示將圖像向左移動（或者向下移動），實現(xiàn)的方法類似。 其算法的原理是通過許多小的更加容易進(jìn)行的變換去實現(xiàn)大規(guī)模的變換，降低了運(yùn)算要求，提高了運(yùn)算速度。 Line in端口 也就是 線形輸入接口，將品質(zhì)較好的聲音、音樂信號輸入 ； Mic in 端口用于連接麥克風(fēng)（話筒），也就是錄制聲音。 從用戶圖形界面窗口中選擇： CodeGenerateAll Code， 如圖 ， 并且會選擇需要程序停止時使用哪個控件，非常的方便和人性化 。其中包括：信號采集模塊、波形顯示模塊、頻譜分析模塊、波形調(diào)節(jié)模塊、信號存儲模塊等。而且我國的計算機(jī)技術(shù)通信電子等產(chǎn)業(yè)的起步比較晚，相對滯后與歐美國家，因此我國對虛擬儀器的研究起步也比較晚，發(fā)展比較緩慢。示波器是科研機(jī)關(guān)、企業(yè)研發(fā)實驗室、大專院所的必備測量設(shè)備，傳統(tǒng)示波器缺乏相應(yīng)的計算機(jī)接口配合數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理比較困難。 20 世紀(jì) 70 年代，由于個人電腦技術(shù)的出現(xiàn)，人們開始考慮用電腦來處理傳統(tǒng)儀器測試的數(shù)據(jù)； 20 世紀(jì) 80 年代，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，計算機(jī)主板上有了多個擴(kuò)展槽，并出現(xiàn)了插在計算機(jī)里的數(shù)據(jù)采集卡，這樣的系統(tǒng)已經(jīng)可以進(jìn)行一些簡單的數(shù)據(jù)采集工作，將采集到的數(shù)據(jù)直接由計算機(jī)軟 件進(jìn)行處理，這就是虛擬儀器技術(shù)的雛形 [5]。 本文正是利用計算機(jī)所具有的不可代替的邏輯運(yùn)算能力， 使得 實現(xiàn) 虛擬儀器的開發(fā)變?yōu)榭赡埽?理論上可以設(shè)計出 基于聲卡的虛擬示波器。 1 課題研究背景及意義 3 主要章節(jié)安排 8 信號采集模塊 25 移動功能驗證 38 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁 共 38 頁 1 引言 課題研究背景及意義 虛擬儀器技術(shù)是以各專業(yè)學(xué)科知識為應(yīng)用背景，以計算機(jī)軟、硬件技術(shù)為核心，把傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代信號處理技術(shù)、數(shù)值分析技術(shù)有效整合在一起的現(xiàn)代測試技術(shù) ,是目前自動測試與電子測量儀器技術(shù)發(fā)展的重要方向 [1,2]。 目前，在多數(shù)院校的電子學(xué)實驗教學(xué)中，常用的仍然是功能固定的臺式示波器。設(shè)備的各個部分既可以分開工作，又可以協(xié)作，具有很大的靈活性。 2)第二章 介紹如何使用 LabWindows/CVI。 圖 創(chuàng)建工程 圖 創(chuàng)建界面 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁 共 38 頁 面板創(chuàng)建結(jié)束后，就 可以通過右鍵或者點擊工具欄的 Create 按鈕可以在面板上加入需要的控件，比如： Numeric， Text， Command Button 等，如圖 。 由于作者的能力有限，只能實現(xiàn)傳統(tǒng)示波器的基本功能 ，但對于基本信號的測量和觀測，已經(jīng)能夠滿足普通教學(xué)的需要，能為許多需要它的地方節(jié)省開支和資源 。 另外，設(shè)置兩個 圓形開關(guān)控件 ，設(shè)置 為通道 1 和通道 2，默認(rèn)狀態(tài)設(shè)置為 on。 當(dāng)然也 是本文內(nèi)容的重要環(huán)節(jié) ，下面按照設(shè)計的順序逐一敘述。 水平縮放和垂直縮放的原理和計算公式是完全一樣的，只是具體執(zhí)行的控件不同，以區(qū)分他們的不同功能 ，如圖 ,。 圖 觸發(fā)功能實現(xiàn) 觸發(fā)的 原理似乎很簡單 ，但是用代碼來實現(xiàn)還是存在難題的。通過以上步驟，完成了打開存儲文件的功能 ，如圖 。 8=， 根據(jù)算式 得到的結(jié)果，可得 誤差值為%，也就是峰峰值檢測精度。 將信號頻率設(shè)置為采樣頻率的十分之一 ，也就是 ，可以通過 圖 看出。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 35 頁 共 38 頁 5 總結(jié) 本文的主題是基于聲卡的虛擬示波器設(shè)計。 具體的驗證情況如下： 利用信號發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波，如圖 。 然而，這不僅僅是唯一的標(biāo)準(zhǔn)，也不是最準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)，比如： 一個正弦波 信號 ，設(shè)置頻率為 1Hz， 如果僅僅以二倍為標(biāo)準(zhǔn)， 若設(shè)定采樣頻率為 4Hz，則在一個周期內(nèi)只能畫出 四 個點，這樣是根本不可能畫出一個周期內(nèi) 標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號的 。 通過多次測量數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行統(tǒng)計， 然后 求平均值算出平均誤差大概是多少，由此可以判斷出本系統(tǒng)的精度。 在桌面設(shè)置 Ring、 String、 Command Button 和 Tree 四個空間，分別用來作為驅(qū)動器選擇、路徑選擇、中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 21 頁 共 38 頁 打開和瀏覽數(shù)據(jù)，相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)分別是 drive、 path、 open(Tree 沒有回調(diào)函數(shù) )。 ii+1 jj+1觸發(fā)電平線 圖 觸發(fā)原理 開 始 觸 發(fā)上 升 沿 觸 發(fā)下 降 沿 觸 發(fā)通 道 1 觸 發(fā)真假通 道 2 觸 發(fā)假重新判斷 圖 觸發(fā)流程圖 觸發(fā)的原理如圖 ，首先設(shè)置一個觸發(fā)電平作為基準(zhǔn)電平，當(dāng)采樣點中有一個點 恰好大于觸發(fā)電平，比如圖中的 i 點，而下一個點又恰好小于觸發(fā)電平，也就是 i+1 點，如果這時設(shè)定的是下降沿觸發(fā)，則觸發(fā)功能生效，顯示當(dāng)前采集到的 1024 個點；如果兩個相鄰的點的狀況類似于圖中的 j 和 j+1，而這時設(shè)置的又是上升沿 觸發(fā) ，則 觸發(fā)功能同樣生中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19 頁 共 38 頁 效，顯示當(dāng)前波形。類似地，也要在這兩個控件上添加標(biāo)簽：編輯 Knob時，點擊 Label/Value Pairs… ：水平移動控件添加 11 個項目，標(biāo)簽設(shè)置為 010，對應(yīng)值是1/32~32，遞增倍數(shù) 是 2，并把默認(rèn)標(biāo)簽設(shè)置為 1(0)（表示不放大的信號狀態(tài)） ，對于 垂直控件同樣 如此。 圖 聲音信號的快速傅立葉變換 波形調(diào)節(jié)模塊 在使用傳統(tǒng)示波器時，很少是只查看原始波形的，大多需要對采集進(jìn)來的波形進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)， 比如移動、放大等，這樣做的目的是能夠?qū)π盘栃畔⒏拥牧私?，便于進(jìn)行分中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12 頁 共 38 頁 析和使用。 在面板上 添加一個用于圖形顯示的控件 ， 這樣就創(chuàng)建了顯示屏 ，雙擊它進(jìn)行屬性修改 ：將 Callback function 設(shè)置為 show（這是回調(diào)函數(shù)的名稱） ， Bottom XAxis 內(nèi)的最小值和最大值分別設(shè)置為 0 和 1023（ 這是由于屏幕顯示的是 1024 個點，每次數(shù)據(jù)更新都是 1024 個點同時更新）， Left YAxis 內(nèi)的最小值和最大值分別設(shè)置為 1 和 +1（聲卡的輸入范圍是固定的，如果超過 1V，可能會燒壞聲卡）。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8 頁 共 38 頁 3 虛擬示波器的模塊化設(shè)計 示波器是生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗等常用的儀器之一，具有不可替代的作用。 創(chuàng)建用戶界面 一個良好的交互界面能夠讓用戶對設(shè)計者開發(fā)的系統(tǒng)產(chǎn)生更大的興趣，提高工作和學(xué)習(xí)的效率，增加了一種美感，所以這對于開發(fā)者來說是必須關(guān)注的。其主要產(chǎn)品有 數(shù)字存儲示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻率計系列、多通道大容量波形記錄儀系列 [25,26]。 1986 年，美國國家儀器公司 (National Instruments Crop.)首先 提出 了 “軟件就是儀器”中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁 共 38 頁 的概念。現(xiàn)在看起來， PC 如果沒有了聲卡，也就沒有了繽紛多彩的多媒體世界 [10]。 33 5 總結(jié) 32 本章小結(jié) 5 創(chuàng)建用戶界面 4 2 LabWindows/CVI 編程環(huán)境的介紹 在這個前提下，本示波器最高可以達(dá)到 的采樣頻率，量化精度是 16 位。 聲卡的性能指標(biāo)已經(jīng)非常成熟， 擁有非常優(yōu)越的 A/D 轉(zhuǎn)換性能，再加上LabWindows/CVI 的 強(qiáng)大的函數(shù)庫和驅(qū)動庫，使得研制虛擬示波器變得更加方便和靈活。這只聲卡在當(dāng)時引起了一場轟動。然后由計算機(jī)來實現(xiàn)對信號的處理、計算和分析以及測試結(jié)果的顯示 [17]。四川聯(lián)合大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計思想，研制了航空電臺二線綜合測試儀將 8 臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。 下一章將對 應(yīng)用軟件LabWindows/C