【文章內容簡介】 第 7 頁 7 虛擬 示波器 (DSO)基于取樣原理，利用 A/D轉換技術和 虛擬 技術，能迅速捕捉瞬變信號并長期保存。它首先對模擬信號進行高速采樣獲得相應的數字數據并存儲，存儲器中貯存的數據用來在示波器的屏幕上重建信號波形；它然后利用數字信號處理技術對采樣得到的數字信號進行相關處理與運算，從而獲得所需的各種信號參數 (包括可能需要使用萬用表測試的一些元器件電氣參數 )。最后，它根據得到的信號參數繪制信號波形，并可對被測信號進行實時的、瞬態(tài)的分析，以方便用戶了解信號質量，快速準確地進行故障的診斷。 虛擬 示波器克服了傳統(tǒng)模擬示波器無法完成對單次信號和低 重 復 頻率信號進行測試的缺點，同時它還具有如下的特點： 1．可以顯示大量的預觸發(fā)信息。 2．可以長期貯存波形。 3． 波形信息可用數學進行處理：如平均、迭加、頻譜分析、 FFT 分析等。 4．可以進行全自動的參數測量：使用模擬示波器時，用戶只能進行手動測量，例如對屏幕上顯示的波形曲線進行解釋分析、在屏幕上計算格數以求出波形幅度和時間間隔。而使用 DSO 時，只要示波器已經采集了信號波形，就獲得了所有的波形信息數據，根據這些數據就能自動計算出要測量的參數，得到更加準確可靠的結果，整個過程極為迅速簡便。 5．可以采用多種觸發(fā)方 式： DSO 的存貯功能使它成為捕捉十分罕見、甚至于只發(fā)生一次的信號，例如單次事件的極為有用的工具。為捕捉這些信號就要求示波器具有各種各樣的觸發(fā)方式去探測這些特殊的條件，以便啟動波形采集。為實現(xiàn)這一目的，只有邊緣觸發(fā)方式往往是不夠的，為此又 開發(fā)了若干附加的觸發(fā)能力，如狀態(tài)觸發(fā)、毛刺觸發(fā)、時間限定觸發(fā)等 。 虛擬 示波器的分類 數字示波器的核心內容是將模擬連續(xù)被測信號轉換為數字信號，即取樣。從連續(xù)模擬被測信號中離散 (時間上 )地取樣轉換成數字數據作為“樣品”，用來表達原信號的部分特性或全部特性。保證轉換的數字 數據與被測信號的關系是線性的；取樣時可以一個被測信號周期內取許多點或者多個被測信號周期內采集一個點；取樣間隔可以相等，也可以不等。取樣方式大致有兩種：實時取樣、非實時取樣。 實時取樣：取樣脈沖頻率高于信號頻率，在信號的一個周期內采集多次被測信號 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 8 的瞬時值，用其包絡反映原波形。為了比較真實地再現(xiàn)被測信號原貌，實時取樣時，一個被測信號周期內要求取樣點數 N大于或等于 5，當 N=1 0 時，波形完全再現(xiàn)信號；當 N=5 時，波形微顯失真；當 N=3 時，波形呈明顯失真。 非實時取樣又分為順序取樣和隨機取樣。非實時順序取樣：一個或 多個被測信號周期內取樣一次，取樣信號每次延遲△ t+NT(T 為被測信號的周期， N 等于 1， 2，3? )，取樣后的離散數字信號構成的包絡反映原信號的波形情況，但這個包絡的周期與原信號的周期相比低得多，相當于將被測信號在時間軸拉伸了。非實時隨機取樣：一個或多個被測信號周期內取樣一次，但每次取樣相對于原信號不是固定△ t+N T 時間，而具有一定的隨機性 (相對于被測信號某 一 固定相位一參考點 )，以取樣時刻相對于參考點的△ t 時間段為“尺度”在時間軸排序取樣點，由此形成的包絡再現(xiàn)了被測信號的信息。 根據取樣的方法不同，數字示波器 可以分為實時取樣 虛擬 示波器、隨機取樣 虛擬示波器、順序取樣 虛擬 示波器。以上三種示波器各有優(yōu)缺點，實時取樣示波器可以觀測非周期信號，非實時取樣示波器可以比較容易地做到觀測高頻信號的能力。 虛擬 示波器用實時取樣方式觀察重復信號時，由于觸發(fā)信號與取樣時鐘是不同步的，它們之間無固定的時間關系，故觸發(fā)信號與其后第一個取樣時鐘間的時間間隔是隨機的，其值在 0 到 t 個取樣周期內變化。所以在觀察重復信號時，波形晃動與一個被測信號周期中的取樣點數成反比，隨著被測信號頻率增高，晃動變大。 在隨機取樣方式工作時，每個捕獲周期取得一組取 樣數據。第一個捕獲周期獲得一組取樣數據，第二個捕獲周期又獲得一組取樣數據，依次類推，第 N 個獲取周期又獲得一組數據。每組數據內相鄰兩個取樣點的時間間隔是固定的 (采樣周期 )，而各組數據頭一個取樣點相對于觸發(fā)信號是隨機的。利用該隨機時間間隔 △ t 依次在時間軸上排序各組捕獲數據，從而重現(xiàn)被測信號波形。 虛擬 示波器工作原理 虛擬 示波器有實時取樣和非實時取樣兩種。這里介紹屬于實時取樣的 虛擬 示波器虛擬 示波器包括取樣通道、 X 通道、 Y 通道、 CRT，微型計算機、 GPIB 等部分。在微型計算機的控制下完成取樣、存儲、讀出、 顯示和程控等任務?？刂撇糠?I 拍 CPU、ROM、 RAM 等組成。 CPU控制所有的 I/O 口、 RAM 的讀，寫操作，以及地址總線和數 據總線的使用。在 ROM內固化 (寫入 )有儀器的監(jiān)控程序。 GPIB是通用接口總線，通 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 9 過它可以程控 虛擬 示波器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)內部存儲器與外部設備交換數據的功能。圖中觸發(fā)電路、控制電路等部分決定了模擬信號的取樣、存儲和讀出。輸入信號經取樣和 A/D轉換后寫入 RAM中，在顯示時，從存儲器 (RAM)讀出數據，經 D/A轉換器恢復成模擬信號 (階梯波 )，并送到 cRT 的垂直偏轉板；同時對存儲器進行地址掃描，經D/A 變換成上升的掃描電壓，以便供顯示波形時使用，這個波形是由連續(xù)光點合成的。其中， X 通道在寫入階段用于控制取樣脈沖的形成。它也可以只用于在顯示階段提供 X 通道掃描電壓，由微計算機直接提供取樣的控制信號。為了同步并顯示穩(wěn)定的信號，每次時基掃描都是由一個觸發(fā)事件啟動的。 虛擬 示波器的工作原理主要包括取樣原理、時基設置、觸發(fā)機制、波形插值處理、工作模式等。 虛擬 示波器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展 隨 著微電子集成技術、微計算機技術、數字技術的飛速發(fā)展 ，現(xiàn)代數字化存儲示波器的研究與開發(fā)也有了更快的發(fā)展，是近年發(fā)展最快 的儀器?，F(xiàn)代數字示波器展現(xiàn)了更強大的智能捕獲、參數分析、時頻變換、超大規(guī)模數據波形存儲和數據上網共享等功能。各大公司 (如 HP， TEK 等 )相繼投入巨資來研究開發(fā)該類儀器以圖率先占領此技術領域。 虛擬 示波器的發(fā)展依賴于 新的數據采樣技術的發(fā)展 。實時采樣技術由一般數字電路構成的 A/D 變換器發(fā)展到使用 CCD(Charge Coupled Devices)技術變換速率大大提高。與此同時，非實時采樣技術也逐步得到發(fā)展。近來，有兩種重復取樣技術：順序取樣(Sequential sampling)和隨機取樣 (Random sampling)獲得廣泛應用。非實時采樣技術對觀測和存儲重復性的周期信號是極為有利的，可大大提高其頻帶寬度。美國 Tek 公司的2430 型數寧存儲示渡器，采用“實時取樣”和“順序取樣”相結合的方法，達到 150MHz的帶寬和 100Msa/s 的采樣速度。 Philips 公司研制出新型的 P4CCD(電荷禍合器件 )，提高了變換速率，可存儲 30MHz 的單次瞬變信號 (PM3311 型 )。 HP 公司的 54100 型采用了“隨機取樣”技術，使有效帶寬達 lGHz。 上世紀 90 年代以來，基于實時取樣 /量化技術的高速瞬態(tài)存儲示波器的研制與生 產得到飛速的發(fā)展，各大公司不斷推出采樣率高、寬帶的產品。例如： TEK 公司的 TDS680B/684B數字示波器，數字化率達 5Gsa/S，帶寬 1GHz，量化分辨率 8bit， HP 公司的 HPS4722A數字示波器數字化速率高達 8Gsa/s，帶寬 2GHz，量化分辨率 8bit。 TEK 公司推出的TDS784 數字示波器能同時在 4 個通道上實現(xiàn)數字化速率 10Gsa/S，帶寬 1GHz。同時， 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 10 便攜式測試儀器也取得了飛速發(fā)展。其中，萬用示波表獲得了示波器技術的一個突破。通過大規(guī)模集成電路技術和使用液晶顯示器， FLUKE 公司的萬用示波 表把一個全功能的 2 通道 50MHz 虛擬 示波器和一個數字萬用表組合在一個重量只有 1． 8kg 的手持式體內。 近十年來，國內 虛擬 示波器技術研究及發(fā)展也取得了相當的成果。 虛擬 示波器采用微處理器進行測量和數據處理及波形分析，其精度和處理速度大大提高。電子科技大學進行的“八五”預研項目實時數字化速率可達 1GSa/S，采集存儲速率已達 ?！熬盼濉钡难芯颗c開發(fā)使 虛擬 示波器數字化速率高達 2Gsa/S，打破國外在高速數字化存儲示波器技術上的壟斷，為我國電子儀器與測試的發(fā)展開創(chuàng)了新的技術領域，為國防軍用領域高新技術的 研究與開發(fā)提供現(xiàn)代化的檢測、分析、處理的強有力工具。 但是，對于實際千差萬別的測量系統(tǒng)來說，這類示波器儀表功能固定，可擴展性差，加之價格比較昂貴，因此應用的深度和廣度也受到一定的限制。虛擬儀器技術的出現(xiàn)使得軟件實現(xiàn)數字示波器成為現(xiàn)實。虛擬示波器具有人機交互的虛擬儀器面板和計算機測試系統(tǒng)，由微型計算機、模塊化功能硬件 (主要是數據采集卡 )和控制軟件等組成。操作者可以通過計算機屏幕顯示的虛擬示波器面板，來控制檢測系統(tǒng)工作，實現(xiàn)被測信號的采集、分析處理和圖形顯示、打印輸出等功能，并可以根據需要做成網絡化儀器，實現(xiàn)遠 程測量和數據傳輸等。國內在虛擬示波器方面也進行了大量的研究，其主要集中在對現(xiàn)有傳統(tǒng)模擬示波器或者數字示波器用虛擬儀器來得以實現(xiàn)。但普遍的虛擬示波器本身的功能并沒有得到太多的改進。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 11 2 虛擬示波器方案設計 軟件 及 硬件的選擇 虛擬儀器由儀器硬件和功能模塊軟件兩部分組成。虛擬儀器的硬件主體是電子計算機，通常是個人計算機，也可以是任何通用計算機。所設計的虛擬 虛擬 示波器主要是有一塊 PCI 總線的 采集 卡和用 開發(fā)的功能模塊軟件組成。 軟件的選擇 在給定計算機必要的儀器硬件之后，構成和使用虛 擬儀器的關鍵在于軟件。軟件為用戶提供了集成開發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。美國國家儀器公司提出的“軟件即儀器” (The Software is the Instrument)形象地概括了軟件在虛擬儀器技術中的重要作用。所以正確選擇軟硬件對程序開發(fā)和設計起著非常重要的作用。只有選擇了合適的軟硬件才能快速開發(fā)出應用軟件，才能事半功倍。對于虛擬儀器應用軟件的編寫，大致可分為兩種方式： 一是 通用編程軟件進行編寫。主要有 Microsoft 公司的 Visual Basic 與 VisualC++， Borland 公司的 Delphi． Sybase 公司的 Power Builder；二是 用專業(yè)圖形化編程軟件進行開發(fā)。如 HP 公司的 VEE、 NI 公司的 LabVIEW 和 Lab windows/CVl 等 。 LabVIEW 是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡稱，是美國國家儀器公司 (NI)的創(chuàng)新軟件產品，也是目前應用最廣泛、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。 LabvIEW 的前面板可以包含旋鈕、刻度盤、開關、圖表和其他界面工具，允許用戶通過 鍵盤或鼠標獲取數據并顯示結果。LabvIEW 具有模塊化的特性，有利于程序的可重用性。 LabVIEW 將軟件的界面設計與功能設計獨立開來，修改人機界面無需對整個程序進行調整， LabVIEW 是利用數據流框圖接收指令，使程序簡單明了，充分發(fā)揮了圖形化編程環(huán)境的優(yōu)點。這就大大簡短了虛擬儀器的開發(fā)周期、消除了虛擬儀器編程的復雜過程。而通用的編程軟件需利用組件技術實現(xiàn)軟面板的設計，這使程序設計變得非常麻煩。 LabVIEW 雖然是為計算機測控領域開發(fā)的，但它的函數包含了一般高級計算機語言中的絕大多數程序控制功能。 LabVIEW 作為開發(fā)壞境所具有的優(yōu)點總結如下所述： 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 12 頁 12 （ 1） 圖形化編程，降低了對使用者編程經驗的要求，易于工程師使用： （ 2） 采用面向對象的方法和概念，有利于軟件的開發(fā)和再利用 （ 3） 對象、框圖及其構成的虛擬儀器在 Windows， WindowNT， UNIX 等多平臺之間和各種 Pc 機及工作站問兼容，便于軟件移植； （ 4） 支持 550 多種標準總線設備及數據采集卡，如串行接口、 GPIB。 VXI 等； （ 5） 具有豐富的庫函數和例子，對于大多數應用程序，用戶可以從例子中取得程序框架，便于提高開發(fā)速度； （ 6） 具有比較完備的代碼接口，可 調用 Windows 中的動態(tài)鏈接庫 (DLL)中的函數以及 C 語言程序，以彌補自身的某些不足： （ 7） 直接支持動態(tài)數據交換 (DDE)、對象聯(lián)接與嵌入 (OLE)、結構化查詢語言(SQL)，便于與其它 Windows 應用程序和數據庫應用程序接口 f （ 8） 支持 TCP， UDP 等網絡協(xié)議，網絡功能強大，可遙控分布在其他微機上的虛擬儀器設備； （ 9） 為加強 LabVIEW 的功能，適應各種工業(yè)應用的需要， NI 公司又開發(fā)了一系列與 LabvIEW配合使用的軟件包，如自動測試工具、可連結 25種數據