【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 是創(chuàng)建程序框圖時(shí)用到的對(duì)象集合，它包含“編程”、“測(cè)量 I/O”、“儀器 I/O”、 11 “數(shù)學(xué)”、“信號(hào)處理 ”、“互連接口”等眾多子面板。 函數(shù)選板提供的不同信號(hào)處理函數(shù)可以很方便的拖放到程序框圖設(shè)計(jì)區(qū)，這些函數(shù)被稱作為節(jié)點(diǎn)。用戶在調(diào)用這些函數(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)候只需要對(duì)這些函數(shù)節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，可以滿足用戶信號(hào)處理得大部分要求。在后面板程序窗口菜單中，執(zhí)行 “查看” |“函數(shù)選板”命令，即可打開函數(shù)選板，如圖 34(a)所示；或者在后面板鼠標(biāo)右鍵單擊即可獲得函數(shù)選板，如圖 34(b)所示。 圖 34(a)菜單打開函數(shù)選板 圖 34(b)右鍵單擊打開函數(shù)選板 (3)控件 (Controls)選板 控件選板只能通過前面板才能打開，控件選板包括創(chuàng)建前面板所需的輸入控件和 顯示控件， LabVIEW 將所有控件 分為 “ 新式 ” 、 “ 系統(tǒng) ” 、 “ 經(jīng)典 ” 、 “ Express”等類型，各個(gè)類型中包含著眾多的子模塊。用戶可以將設(shè)計(jì)所需的 控件放置到前面板上， 類似于實(shí)際儀表面板上的各種 輸入 /輸出口、按鍵、旋鈕、顯示屏等，通過合理布局就能設(shè)計(jì)出滿意的虛擬儀器操作前面板 。 在前面板 菜單 中， 執(zhí)行“查看 ”|“ 控 12 件選板 ” 命令， 即可 打開 LabVIEW 的控件選板，如圖 35(a)所示，或者 在前面板的設(shè)計(jì)窗口中鼠標(biāo)右鍵單擊， 即可 彈出控件選板，如圖35(b)所示， 圖 35(a)菜單打開控件選板 圖 35(b)右鍵單擊打開控件選板 4 傳統(tǒng)示波器與虛擬示波器 傳統(tǒng)示波器 示波器是一種能夠反映任何兩個(gè)參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的 XY 坐標(biāo)的顯示儀器。它可以將被測(cè)信號(hào) (電量、非電量轉(zhuǎn)化成的電信號(hào) )隨時(shí)間的變化規(guī)律，直觀形象地用圖形表示出來。也可以定量地測(cè)量被測(cè)信號(hào)的一系列參數(shù)，如信號(hào)的電壓、電流、周期、頻率、相位、幅度、上升或下降時(shí)間、重復(fù)周期等。 13 傳統(tǒng)示波器工作原理 在示波器的熒光屏上，顯示電壓波形的原理如下：被測(cè)電壓是時(shí)間的函數(shù)，在直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，可以用 ()xu f t? 的曲線表示； 示波器的兩副偏轉(zhuǎn)板使電子束在兩個(gè)互相垂直的方向偏轉(zhuǎn)，這兩個(gè)方向可以看成是坐標(biāo)軸； 因此，要在管子的熒光屏上顯示被測(cè)電壓的波形，就必須使射線沿水平方 向的偏轉(zhuǎn)同時(shí)間成正比，而在垂直方向 同被測(cè)電壓成正比（每一瞬間）； 所以，鋸齒波電壓 加到水平偏轉(zhuǎn)板上，它迫使射線以恒定的速度從左向右沿水平方向偏轉(zhuǎn)； 并且很快的返回到起始位置； 射線沿水平軸經(jīng)過的距離跟時(shí)間成正比 ； 被測(cè)電壓加到垂直偏轉(zhuǎn)板上，因而，每一瞬間射線的位置單值的對(duì)應(yīng)于 這一瞬間被測(cè)信號(hào)的值； 在鋸齒波電壓作用期間，射線就繪出了被測(cè)信號(hào)的曲線，示波器波形顯示原理如圖 41 所示， 圖 41 示波器波形顯示原理 圖 以上圖形是鋸齒波的重復(fù)周期等于輸入信號(hào) 周期整數(shù)倍的情況（一倍），熒光屏上顯示出的信號(hào)圖形 是穩(wěn)定不動(dòng)的， 如果不是整數(shù)倍，則每次出現(xiàn)的信號(hào)波形就不會(huì)重合，圖形將不斷移動(dòng)，不利于觀 14 測(cè)， 為了保證鋸齒波的周期等于輸入信號(hào)的整數(shù)倍，示波器必須具有同步或觸發(fā)電路 [7]。 傳統(tǒng)示波器的分類 傳統(tǒng)示波器大致可以分為模擬示波器和數(shù)字示波器兩大類。 (1)模擬示波器 模擬示波器 一直是測(cè)量波形 的 工具 之一 ，它 可以 把各種抽象的 電信號(hào) 較為 直觀地顯示 出來 ， 易于 對(duì)信號(hào)進(jìn)行定性的分析。 它 由垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) (主要包括垂直放大 )、水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) (主要包括掃描和水平放大 )和顯示電路組成 。但是 模擬示波器只能用來 分析 和 觀察 重復(fù) 出現(xiàn) 的周期信號(hào)，對(duì)于 慢速信號(hào) 或偶爾出現(xiàn)的高頻信號(hào)，難以 進(jìn)行 觀察和分析 ，模擬示波器 突出 的 優(yōu)點(diǎn) 是 模擬帶寬可以做到很高。 (2)數(shù)字示波器 數(shù)字示波器是將被測(cè)連續(xù)模擬信號(hào)用 A/D 轉(zhuǎn)換器變換成離散數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中。最后 在示波管上或直接顯示在 LCD 上 將模擬波形顯示 。數(shù)字示波器的核心內(nèi)容是將模擬連續(xù)被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，即采樣。采樣方式可分為實(shí)時(shí)采樣和非實(shí)時(shí)采樣。根據(jù)采樣的方法不同，數(shù)字示波器可以分為實(shí)時(shí)采樣數(shù)字存儲(chǔ)示波器、隨機(jī)采樣數(shù)字存儲(chǔ)示波器，順序采樣數(shù)字示波器。 虛擬示波器 虛擬示波器使用功能強(qiáng)大的微型計(jì) 算機(jī)來完成信號(hào)的處理和波 15 形的顯示，利用軟件技術(shù)在屏幕上設(shè)計(jì)出方便、逼真的儀器面板，進(jìn)行各種信號(hào)的處理、加工和分析，用各種不同的方式 (如數(shù)據(jù)、圖形、圖表等 )表示測(cè)量結(jié)果，完成各種規(guī)模的測(cè)量任務(wù)。虛擬示波器的功能可以由用戶自己定義，但其所能達(dá)到的性能指標(biāo)和系統(tǒng)能力不僅與采集模塊的數(shù)字化能力有關(guān)，而且與其體系結(jié)構(gòu)有關(guān)。目前，虛擬儀器的四種體系結(jié)構(gòu)中，在虛擬示波器中應(yīng)用最多的是 PCDAQ 體系。DAQ(Data Acquisition)，即數(shù)據(jù)采集儀器，它的出現(xiàn)和發(fā)展與微型計(jì)算機(jī)密切相關(guān) ； DAQ 儀器以微型計(jì)算機(jī)為平 臺(tái)，配以用于測(cè)量和測(cè)試的數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)軟件 (虛擬示波器應(yīng)用軟件 )，實(shí)現(xiàn)示波器的功能。本文中研究的虛擬示波器即是基于這種體系結(jié)構(gòu) [8]。 虛擬示波器的 組成結(jié)構(gòu) 基于 Labview 的 虛擬示波器 主要 由支持軟件、數(shù)據(jù)采集卡及 PC機(jī) 構(gòu) 成，其結(jié)構(gòu)如圖 42 所示 圖 42 虛擬示波器組成結(jié)構(gòu) 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)系到示波器的性能好壞，如示波器數(shù)據(jù)采集卡 計(jì)算機(jī) 軟件程序 16 能測(cè)量的頻率范圍，波形顯示的清晰度等，主要由分辨率、精度以及帶寬所決定的。 (1)分辨率（ resolution） 就是屏幕顯示圖像的精度，即顯示器顯示圖像的像素的多少。 由于屏幕上的點(diǎn)、線和面都是由像素組成的，顯示器可顯 示的像素越多，畫面就越精細(xì)，同樣的屏幕區(qū)域內(nèi)能顯示的信息也越多 。 通常情況下，圖像的分辨率越高，所包含的像素就越多，圖像就越清晰，印刷的質(zhì)量也就越好 ， 所以分辨率 決定了顯示圖像的細(xì)節(jié)的精細(xì)程度，是示波器重要的性能指標(biāo)之一 。 (2)精度 (Accuracy)是 觀測(cè)結(jié)果、計(jì)算值或 估計(jì)值與真值之間的接近程度。 在測(cè)量中，任何一種測(cè)量的精密程度高低都只能是相對(duì)的，皆不可能達(dá)到絕對(duì)精 確，總會(huì)存在有各種原因?qū)е碌?誤差， 為使測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠．盡量減少 誤差， 提高測(cè)量精度 。 通常在測(cè)量中有基本誤差、絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、系統(tǒng)誤差等 等 。 (3)帶寬 (Bandwidth) 是指在固定的的時(shí)間可傳輸?shù)馁Y料數(shù)量，亦即在傳輸管道中可以傳遞數(shù)據(jù)的能力。示波器的帶寬定義為示波器在屏幕上能以不低于真實(shí)信號(hào) 3dB 的幅度來顯示信號(hào)的最高頻率。 傳統(tǒng)示波器與虛擬示波器對(duì)比 虛擬示波器在使用和功能上具有許多優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)示波器比較， 如表格 42 所示： 虛擬示波器 傳統(tǒng)示波器 波形便于存儲(chǔ)及打印 波形只能用戶自己記 錄 17 測(cè)量精度高，適用性強(qiáng) 測(cè)量精度不高，適用性弱 波形均勻穩(wěn)定，無閃爍， 波形穩(wěn)定度不高，存在閃爍， 多窗口多波形顯示 波形顯示個(gè)數(shù)有硬件設(shè)備決定 成本低、體積小、便于攜帶 成本高、體積大、不便攜帶 表格 2 傳統(tǒng)示波器與虛擬示波器有缺對(duì)比 本文關(guān)于虛擬示波器的設(shè)計(jì)參閱 雙 蹤臺(tái)式數(shù)字示波器的功能 。 基于 LabVIEW 軟件所提供的工具選板、函數(shù)選板和控件選板搭建虛擬示波器的主界面和程序框圖，用以實(shí)現(xiàn) 波形顯示、 濾波分析、時(shí)域分析、 頻譜分析、波形存儲(chǔ)和讀取等功能。 運(yùn)用虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn) 生不同頻率、 幅值 和相角的典型波形：正弦波、三角波、鋸齒波、矩形波等 。通過虛擬示波器來顯示、測(cè)量、處理和分析這些波形，來檢測(cè)虛擬示波器的性能。 虛擬示波器的總體流程圖如圖 51 所示 18 圖 51 虛擬示波器總體流程圖 數(shù)據(jù)采集模塊 對(duì)于示波器而言數(shù)據(jù)采集無疑是重要部分，然而由于相應(yīng)的硬件設(shè)備無法完成數(shù)據(jù)采集模塊的具體設(shè)計(jì)，本文就數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及采樣原理介紹如下： 前面板參數(shù)賦值 開 始 數(shù)據(jù)采集開始 數(shù)據(jù)讀取 采集停止 波形存儲(chǔ)與回放 結(jié) 束 波形顯示 濾波處理 頻譜分析 時(shí)域分析 Y N 19 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào) 理、數(shù)據(jù)采集 (DAQ)硬件、個(gè)人計(jì)算機(jī)、軟件等基本要素構(gòu)成。 其結(jié)構(gòu)如圖 52 所示 圖 52 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) (1)傳感器 傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出的器件或裝置，它通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成[9]。常見的傳感器有應(yīng)變式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器以及光電式傳感器等等。 對(duì)于每種傳感器， 都是將 被監(jiān)測(cè)的物理參數(shù)成比例 轉(zhuǎn)換成 電信號(hào) 。 (2)信號(hào)調(diào)理 信號(hào)調(diào)理是將外部開關(guān)變量信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)時(shí)經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大、濾波、保護(hù)、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯電平 [10]。通過信號(hào)調(diào)理之后才能夠有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以保證測(cè)量的精度。信號(hào)調(diào)理中主要就是放大器 ，它可以 將弱小的電信號(hào)放大后提高分辨率和減小噪聲。對(duì)于常見的測(cè)試系統(tǒng)，一般 都 混入 有 高頻噪聲，所以測(cè)試系統(tǒng)中一般采用低通濾波器，用于直流、低頻交流信號(hào)。 通過 濾 被測(cè)對(duì)象 傳感器 信號(hào)調(diào)理 數(shù)據(jù)采集硬件 接 口 計(jì)算機(jī) 分析軟件 信號(hào)調(diào)理 數(shù)模轉(zhuǎn)換 20 波可以去掉被測(cè)信號(hào)中的 噪聲 信號(hào)。被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬時(shí)高電壓損壞計(jì)算機(jī) ，因此應(yīng)采用變壓器隔離或者光電隔離將 傳感器信號(hào)同計(jì)算機(jī)隔離開。 (3)數(shù)據(jù)采集硬件 數(shù)據(jù)采 集硬件部分 的功能包括模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸出、定時(shí) I/O 和觸發(fā)等。模擬量輸入通道 分為 單端和差分兩種。單端輸入通道 有 公共信號(hào)地，常用于輸入信號(hào)幅度較大的場(chǎng)合 ，而 差分輸入通道，各路輸入信號(hào) 都 有自己的參考地電位，有利于消除共模噪聲干擾的影響。模擬量輸入通道的分辨率是指 ADC 用于表示模擬信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)。 ADC 的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。數(shù)字量 I/O 常用于實(shí)現(xiàn)過程控制、測(cè)試系列的生成、與外設(shè)進(jìn)行通信等功能。 采樣原理 數(shù)據(jù)采集最主要的功能之一是將外部模擬信號(hào) 轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)中 ，這一過程被稱為采樣。采樣頻率，即每秒采集所得數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，對(duì)采樣過程是一個(gè)重要 的 參數(shù) ，確定了合適的采樣頻率，才可能在采集設(shè)備允許的性能范圍和硬件設(shè)備成本下進(jìn)行正確 而 可靠的采樣 ； 過高的采樣頻率會(huì)增加采樣設(shè)備的工作負(fù)擔(dān)及軟件計(jì)算的工作量；而過低的采樣頻率不足以 正確 恢復(fù)原始信號(hào) ； 采樣定理指出，采樣頻率必須至少是原始信號(hào)中 所包含最高頻率的兩倍時(shí)，所得的采樣信號(hào)才能包含原始信號(hào)所有 頻率分量的全部信息 ， 否則從采用信號(hào) 21 恢復(fù)到原始信號(hào)時(shí)會(huì)發(fā)生畸變 [11]。 過高的采樣 頻率和過低的采樣頻率下所得的采樣 結(jié)果 如圖 53 所示 ， 足夠采樣頻率下的采樣結(jié)果過低采樣頻率下的采樣結(jié)果模擬信號(hào)的采樣點(diǎn) 圖 53 過高的采樣頻率和過低的采樣頻率的結(jié)果 用戶登陸界面 虛擬儀器是一個(gè)面向用戶的、圖形化、易操作的儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)者可以靈活的設(shè)置儀器系統(tǒng)的界面，以供用戶使用，為了使得用戶使用時(shí)能夠安全的保存自己的數(shù)據(jù)，用戶登錄界面自然必不可少的。 (1)虛擬示波器的登錄界面的前面板 ,如圖 54 所示， 圖 54 虛擬示波器登陸界面 如上圖所示，主要有兩個(gè)字符輸入控件和一個(gè)字符顯示控件，兩 22 個(gè)布爾控件，分別為確認(rèn)按鈕和取消按鈕。當(dāng)輸入的姓名和密碼均正確時(shí)，登錄狀態(tài)顯示控件顯示為“恭喜你！登錄 成功”，并且自動(dòng)跳入主界面；如果輸入密碼錯(cuò)誤，登錄狀態(tài)顯示控件則顯示為“密碼錯(cuò)誤，請(qǐng)重新輸入”；如果輸入用戶姓名有誤，登錄狀態(tài)顯示控件則顯示為“用戶名輸入有誤，請(qǐng)重新輸入”。 若單擊“取消”按鈕，就會(huì)自動(dòng)退出登錄系統(tǒng)。 (2)框 .圖程 .序可以分 .為兩 .部分，結(jié) .構(gòu)主 .要為 .條件 .結(jié)構(gòu)即條件，當(dāng)輸入條件為布爾值時(shí)，有“真”，或者“假”兩種情況；當(dāng)輸入條件為多個(gè)變化的值時(shí)類似于 case 結(jié)構(gòu)。當(dāng)程 .序運(yùn) .行時(shí)，在前面板單擊 .確定或取 .消按鈕，來控制程序面板的條件結(jié)構(gòu)，便 .能夠進(jìn) .入系 .統(tǒng)或者退 .出系 .統(tǒng)。虛擬示波器 的登錄界面的程序面板如圖 55(a)、 55(b)、55(c)所示， 圖 55(a) 23 圖 55(b) 圖 55(c) 虛擬示波器主界面 Labview 前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察 波形的顯示以及參數(shù)輸出 ，用于模擬真實(shí)示波器的前面板。 因此 虛擬 示波器主界面 是虛擬示波器控制軟件的核心。設(shè)計(jì)前面板時(shí)，主要考慮界面 布局合理美觀，操作方便，用戶能夠簡(jiǎn)潔的 通過前面板中的 旋鈕 和 開關(guān) 來 模擬傳統(tǒng) 示波器的操作