【文章內容簡介】 線沿水平方向的偏轉同時間成正比，而在垂直方向同被測電壓成正比（每一瞬間）。所以，鋸齒波電壓加到水平偏轉板上，它迫使射線以恒定的速度從左向右沿水平方向偏轉。并且很快的返回到起始位置。射線沿水平軸經(jīng)過的距離跟時間成正比。被測電壓加到垂直偏轉板上，因而，每一瞬間射線的位置單值的對應于這一瞬間被測信號的值。在鋸齒波電壓作用期間，射線就繪出了被測信號的曲線，示波器波形顯示原理如圖31所示。圖31 示波器波形顯示原理以上圖形是鋸齒波的重復周期等于輸入信號周期整數(shù)倍的情況（一倍），熒光屏上顯示出的信號圖形是穩(wěn)定不動的。如果不是整數(shù)倍，則每次出現(xiàn)的信號波形就不會重合，圖形將不斷移動，不利于觀測。為了保證鋸齒波的周期等于輸入信號的整數(shù)倍，示波器必須具有同步或觸發(fā)電路。 數(shù)字示波器的基本原理數(shù)字示波器用A/D變換器把模擬波形轉換成數(shù)字信號，然后存儲在半導體存儲器RAM中，需要時，將RAM中存儲內容調出，通過相應的D/A轉換器，再恢復成模擬量顯示在示波管屏幕上。在這種示波器中，信號處理功能和信號顯示功能是分開的。其性能，包括精度和速度，完成取決于進行信號處理的A/D、D/A變換器和半導體存儲器。 數(shù)字示波器基本原理在數(shù)字示波器中，把輸入的被測模擬信號先送至A/D轉化器進行采樣，量化和編碼，成為數(shù)字“1”、“0”碼，存儲到RAM中，這個過程稱為存儲器的“寫過程”。然后，再將這些“1”、“0”碼從RAM中依次取出按順序排列起來，經(jīng)過D/A轉換使其包絡重現(xiàn)輸入模擬信號，這就是“讀過程”。在數(shù)字存儲示波器中，采用適時采樣方式，可觀測單次信號；采用順序采樣或者隨即采樣方式，可觀測重復信號。采樣頻率理論分析指出，為了正確的觀測信號波形，只有恰當?shù)倪x擇采樣頻率才能用所得的樣值脈沖序列恢復出原信號波形。采樣頻率過低會產(chǎn)生頻譜重疊效應，造成波形失真，使示波器測量結果出現(xiàn)明顯誤差。采樣定律證明，對于一個最高頻率為的信號，當采樣頻率時，其采樣后所得到的脈沖序列將包括原信號的全部信息。稱為奈奎斯特頻率。當采樣頻率等于輸入信號頻率時，顯示波形的頻率信息還能保留，但是幅度信息將大量損失。通過計算可以得到，當一個周期中采樣點數(shù)N為4時，即采樣頻率時，故數(shù)字示波器的等效帶寬為。若采用正弦內插顯示，等效帶寬可達。 數(shù)字示波器基本方框圖數(shù)字存儲示波器的基本方框圖如圖32所示。圖32 數(shù)字存儲示波器的基本方框圖Y輸入信號經(jīng)衰減放大后送至A/D轉換器，按“t/div”開關設定的采樣頻率下進行變換，從而得到一串數(shù)據(jù)流，在控制邏輯電路的作用下寫入隨即存儲器RAM中。RAM的讀寫操作受R/W控制，當RAM的讀寫控制R/W=0時，RAM進行寫操作；當R/W=1時，RAM進行讀操作。RAM地址選擇器在RAM進行寫操作時，將寫地址輸出選做RAM地址；讀操作時，則將讀地址輸出選做RAM地址?？刂七壿嬰娐芬坏┙邮艿絹碜杂|發(fā)放大器的觸發(fā)信號，就啟動一次數(shù)據(jù)寫入循環(huán)，產(chǎn)生寫功能信號送至RAM讀寫控制，同時使寫地址計數(shù)器計數(shù)。寫地址計數(shù)器將順序遞增的寫地址送至存儲器，確保每組數(shù)據(jù)寫入至相應的存儲單元中去。不管數(shù)據(jù)用何種速度寫入存儲器，存儲器中存儲的各數(shù)據(jù)均不相關的以固定的速度不斷讀出，且顯示時不產(chǎn)生閃爍。讀出數(shù)據(jù)送至垂直D/A變換電路，用做示波器Y顯示。同時一個以讀出速率遞增的計數(shù)器計數(shù)，輸出送至水平D/A轉換器，用做示波器X顯示。晶體振蕩器產(chǎn)生高精度、高穩(wěn)定性的時鐘。該時鐘由分頻電路產(chǎn)生與面板上“t/div”開關設置相對應的采樣時鐘，去控制A/D轉換器和存儲器寫入。時基分頻電路也產(chǎn)生該脈沖，供讀地址計數(shù)器和顯示地址計數(shù)器，以產(chǎn)生穩(wěn)定階梯掃描電壓。 虛擬示波器的工作原理 模擬信號經(jīng)同軸電纜進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轉換器可以處理的標準電平，經(jīng)過A/D采樣量化轉化成計算機可以處理的數(shù)字信號并緩存到卡上的存儲器。其支持軟件通過PC機的PCI總線接口控制模擬通道的阻抗匹配、放大器的增益選擇、啟動A/D轉換及轉換結束的識別，并將采集數(shù)據(jù)以DMA的方式傳輸?shù)接嬎銠C內存，同時對數(shù)據(jù)信號進行分析處理、顯示、存儲及打印傳輸?shù)?。虛擬示波器是采用基于計算機的虛擬技術，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及接口電路來采集現(xiàn)場或實驗室信號，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、調理、分析處理和顯示輸出等功能。我所設計的虛擬示波器，是在數(shù)據(jù)采集硬件的支持下，配備一定功能的軟件，完成波形的存儲、分析、顯示等功能。一般測試儀器由信號采集、信號處理和結果顯示三大部分組成，這三大部分均由硬件構成。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)。我所設計的虛擬示波器總體上包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測量、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)回放等幾大模塊組成。 4 虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW LabVIEW簡介LabVIEW是（實驗室虛擬儀器工作平臺）是一個程序開發(fā)環(huán)境。它類似于Visual Basic，Visual C++。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是一個多線程、最佳化的圖形編譯器，它能在最大程度上優(yōu)化系統(tǒng)的性能。無論是使用基于計算機的插入式儀器設備，還是使用GPIB，VXI，Ethernet 接口或是串口的獨立儀器設備，LabVIEW內置的驅動程序庫和具有工業(yè)標準的設備驅動軟件都可以對儀器系統(tǒng)進行全面的控制。LABVIEW的數(shù)據(jù)采集庫包含了許多有關采集和生成數(shù)據(jù)的函數(shù)，它們與NI的插卡式或遠程數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品協(xié)同工作。數(shù)據(jù)采集卡是進行高速直接控制以及低速控制的理想設備。它能夠為集成式測量方案提供功能強大且完備的測量分析庫，這些軟件庫可以完成極限測試、頻率分析、濾波及信號生成等任務。LabVIEW具有許多特性，能使測量和自動化應用方案完成適用于用戶企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營，能將應用方案以網(wǎng)頁的形式發(fā)表，或在互聯(lián)網(wǎng)的應用程序間進行數(shù)據(jù)傳遞。LabVIEW擁有完整的Web服務器，可以隨時發(fā)布測量結果。LabVIEW專業(yè)版開發(fā)系統(tǒng)包括應用程序生成器（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）。使用共享庫可以使開發(fā)的應用程序代碼進行重新使用。DLL提供最大的靈活性，可以將LabVIEW與其他開發(fā)工具如VB，VC和NI的Measurement Studio結合起來。LabVIEW應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。 LabVIEW主要窗口所有的LabVIEW應用程序，即虛擬儀器（VI），它包括前面板（front panel）、流程圖（block diagram）以及圖標/連結器(icon/connector)三部分。前面板前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，如圖41所示。這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關、旋鈕、圖形以及其他控制（control）和顯示對象（indicator）。圖1所示是一個隨機信號發(fā)生和顯示的簡單VI是它的前面板，上面有一個顯示對象，以曲線的方式顯示了所產(chǎn)生的一系列隨機數(shù)。還有一個控制對象——開關，可以啟動和停止工作。顯然，并非簡單地畫兩個控件就可以運行，在前面板后還有一個與之配套的流程圖。圖41　隨機信號發(fā)生器的前面板流程圖流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件的連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結構和連線等。圖42是與圖41對應的流程圖。我們可以看到流程圖中包括了前面板上的開關和隨機數(shù)顯示器的連線端子，還有一個隨機數(shù)發(fā)生器的函數(shù)及程序的循環(huán)結構。隨機數(shù)發(fā)生器通過連線將產(chǎn)生的隨機信號送到顯示控件，為了使它持續(xù)工作下去，設置了一個While Loop循環(huán)，由開關控制這一循環(huán)的結束。圖42　隨機信號發(fā)生器的流程圖如果將VI與標準儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當于儀器箱內的東西。在許多情況下，使用VI可以仿真標準儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個惟妙惟肖的標準儀器面板，而且其功能也與標準儀器相差無幾。圖標/連接器VI具有層次化和結構化的特征。一個VI可以作為子程序，這里稱為子VI（subVI），被其他VI調用。圖標與連接器在這里相當于圖形化的參數(shù)。LabVIEW 具有三個可移動的圖形化工具模板:工具模板( Tools Palette) 、控件模板(Controls Palette) 和功能模板(Function Palette) 。工具模板提供了用于圖形操作的各種工具,比如定位、標注、斷點、連線、文字注釋等?？丶０逄峁┝饲懊姘寰庉嬎璧膱D像圖標、一些特殊的圖形功能模板則提供了一些基本的數(shù)學函數(shù)和其他功能函數(shù)。這三個模板是LabVIEW 編程的主要工具。工具模板（Tools Palette）圖43工具模板工具模版如圖43，該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調試VI程序的工具。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在Windows菜單下選擇Show Tools Palette命令以顯示該模板。當從模板內選擇了任一種工具后，鼠標箭頭就會變成該工具相應的形狀。當從Windows菜單下選擇了Show Help Window功能后，把工具模板內選定的任一種工具光標放在流程圖程序的子程序（Sub VI）或圖標上，就會顯示相應的幫助信息?？刂颇０澹–ontrol Palette）圖44控制模板控制模版如圖42，該模板用來給前面板設置各種所需的輸出顯示對象和輸入控制對象。每個圖標代表一類子模板。如果控制模板不顯示，可以用Windows菜單的Show Controls Palette功能打開它，也可以在前面板的空白處，點擊鼠標右鍵，以彈出控制模板。功能模板(Functions Palette) 圖45功能模板功能模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具，如圖45。該模板上的每一個頂層圖標都表示一個子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用Windows菜單下的Show Functions Palette功能打開它，也可以在流程圖程序窗口的空白處