【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第 7 頁(yè) 7 虛擬 示波器 (DSO)基于取樣原理，利用 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)和 虛擬 技術(shù)，能迅速捕捉瞬變信號(hào)并長(zhǎng)期保存。它首先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高速采樣獲得相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)，存儲(chǔ)器中貯存的數(shù)據(jù)用來(lái)在示波器的屏幕上重建信號(hào)波形；它然后利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)采樣得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理與運(yùn)算，從而獲得所需的各種信號(hào)參數(shù) (包括可能需要使用萬(wàn)用表測(cè)試的一些元器件電氣參數(shù) )。最后，它根據(jù)得到的信號(hào)參數(shù)繪制信號(hào)波形，并可對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的、瞬態(tài)的分析，以方便用戶了解信號(hào)質(zhì)量，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障的診斷。 虛擬 示波器克服了傳統(tǒng)模擬示波器無(wú)法完成對(duì)單次信號(hào)和低 重 復(fù) 頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)試的缺點(diǎn)，同時(shí)它還具有如下的特點(diǎn)： 1．可以顯示大量的預(yù)觸發(fā)信息。 2．可以長(zhǎng)期貯存波形。 3． 波形信息可用數(shù)學(xué)進(jìn)行處理：如平均、迭加、頻譜分析、 FFT 分析等。 4．可以進(jìn)行全自動(dòng)的參數(shù)測(cè)量：使用模擬示波器時(shí)，用戶只能進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，例如對(duì)屏幕上顯示的波形曲線進(jìn)行解釋分析、在屏幕上計(jì)算格數(shù)以求出波形幅度和時(shí)間間隔。而使用 DSO 時(shí)，只要示波器已經(jīng)采集了信號(hào)波形，就獲得了所有的波形信息數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)就能自動(dòng)計(jì)算出要測(cè)量的參數(shù)，得到更加準(zhǔn)確可靠的結(jié)果，整個(gè)過(guò)程極為迅速簡(jiǎn)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(jiàn)、甚至于只發(fā)生一次的信號(hào)，例如單次事件的極為有用的工具。為捕捉這些信號(hào)就要求示波器具有各種各樣的觸發(fā)方式去探測(cè)這些特殊的條件，以便啟動(dòng)波形采集。為實(shí)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(kāi)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(shí)間限定觸發(fā)等 。 虛擬 示波器的分類 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)，即取樣。從連續(xù)模擬被測(cè)信號(hào)中離散 (時(shí)間上 )地取樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)作為“樣品”，用來(lái)表達(dá)原信號(hào)的部分特性或全部特性。保證轉(zhuǎn)換的數(shù)字 數(shù)據(jù)與被測(cè)信號(hào)的關(guān)系是線性的；取樣時(shí)可以一個(gè)被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)取許多點(diǎn)或者多個(gè)被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)采集一個(gè)點(diǎn)；取樣間隔可以相等，也可以不等。取樣方式大致有兩種：實(shí)時(shí)取樣、非實(shí)時(shí)取樣。 實(shí)時(shí)取樣：取樣脈沖頻率高于信號(hào)頻率，在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)采集多次被測(cè)信號(hào) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 8 的瞬時(shí)值，用其包絡(luò)反映原波形。為了比較真實(shí)地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)原貌，實(shí)時(shí)取樣時(shí)，一個(gè)被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)要求取樣點(diǎn)數(shù) N大于或等于 5，當(dāng) N=1 0 時(shí)，波形完全再現(xiàn)信號(hào)；當(dāng) N=5 時(shí)，波形微顯失真；當(dāng) N=3 時(shí)，波形呈明顯失真。 非實(shí)時(shí)取樣又分為順序取樣和隨機(jī)取樣。非實(shí)時(shí)順序取樣：一個(gè)或 多個(gè)被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)取樣一次，取樣信號(hào)每次延遲△ t+NT(T 為被測(cè)信號(hào)的周期， N 等于 1， 2，3? )，取樣后的離散數(shù)字信號(hào)構(gòu)成的包絡(luò)反映原信號(hào)的波形情況，但這個(gè)包絡(luò)的周期與原信號(hào)的周期相比低得多，相當(dāng)于將被測(cè)信號(hào)在時(shí)間軸拉伸了。非實(shí)時(shí)隨機(jī)取樣：一個(gè)或多個(gè)被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)取樣一次，但每次取樣相對(duì)于原信號(hào)不是固定△ t+N T 時(shí)間，而具有一定的隨機(jī)性 (相對(duì)于被測(cè)信號(hào)某 一 固定相位一參考點(diǎn) )，以取樣時(shí)刻相對(duì)于參考點(diǎn)的△ t 時(shí)間段為“尺度”在時(shí)間軸排序取樣點(diǎn)，由此形成的包絡(luò)再現(xiàn)了被測(cè)信號(hào)的信息。 根據(jù)取樣的方法不同，數(shù)字示波器 可以分為實(shí)時(shí)取樣 虛擬 示波器、隨機(jī)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(diǎn)，實(shí)時(shí)取樣示波器可以觀測(cè)非周期信號(hào)，非實(shí)時(shí)取樣示波器可以比較容易地做到觀測(cè)高頻信號(hào)的能力。 虛擬 示波器用實(shí)時(shí)取樣方式觀察重復(fù)信號(hào)時(shí)，由于觸發(fā)信號(hào)與取樣時(shí)鐘是不同步的，它們之間無(wú)固定的時(shí)間關(guān)系，故觸發(fā)信號(hào)與其后第一個(gè)取樣時(shí)鐘間的時(shí)間間隔是隨機(jī)的，其值在 0 到 t 個(gè)取樣周期內(nèi)變化。所以在觀察重復(fù)信號(hào)時(shí)，波形晃動(dòng)與一個(gè)被測(cè)信號(hào)周期中的取樣點(diǎn)數(shù)成反比，隨著被測(cè)信號(hào)頻率增高，晃動(dòng)變大。 在隨機(jī)取樣方式工作時(shí)，每個(gè)捕獲周期取得一組取 樣數(shù)據(jù)。第一個(gè)捕獲周期獲得一組取樣數(shù)據(jù)，第二個(gè)捕獲周期又獲得一組取樣數(shù)據(jù)，依次類推，第 N 個(gè)獲取周期又獲得一組數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)內(nèi)相鄰兩個(gè)取樣點(diǎn)的時(shí)間間隔是固定的 (采樣周期 )，而各組數(shù)據(jù)頭一個(gè)取樣點(diǎn)相對(duì)于觸發(fā)信號(hào)是隨機(jī)的。利用該隨機(jī)時(shí)間間隔 △ t 依次在時(shí)間軸上排序各組捕獲數(shù)據(jù)，從而重現(xiàn)被測(cè)信號(hào)波形。 虛擬 示波器工作原理 虛擬 示波器有實(shí)時(shí)取樣和非實(shí)時(shí)取樣兩種。這里介紹屬于實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)、 GPIB 等部分。在微型計(jì)算機(jī)的控制下完成取樣、存儲(chǔ)、讀出、 顯示和程控等任務(wù)?？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(shù) 據(jù)總線的使用。在 ROM內(nèi)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(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 9 過(guò)它可以程控 虛擬 示波器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部存儲(chǔ)器與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)的功能。圖中觸發(fā)電路、控制電路等部分決定了模擬信號(hào)的取樣、存儲(chǔ)和讀出。輸入信號(hào)經(jīng)取樣和 A/D轉(zhuǎn)換后寫入 RAM中，在顯示時(shí)，從存儲(chǔ)器 (RAM)讀出數(shù)據(jù)，經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換器恢復(fù)成模擬信號(hào) (階梯波 )，并送到 cRT 的垂直偏轉(zhuǎn)板；同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行地址掃描，經(jīng)D/A 變換成上升的掃描電壓，以便供顯示波形時(shí)使用，這個(gè)波形是由連續(xù)光點(diǎn)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(jì)算機(jī)直接提供取樣的控制信號(hào)。為了同步并顯示穩(wěn)定的信號(hào)，每次時(shí)基掃描都是由一個(gè)觸發(fā)事件啟動(dòng)的。 虛擬 示波器的工作原理主要包括取樣原理、時(shí)基設(shè)置、觸發(fā)機(jī)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(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展 ，現(xiàn)代數(shù)字化存儲(chǔ)示波器的研究與開(kāi)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(shù)字示波器展現(xiàn)了更強(qiáng)大的智能捕獲、參數(shù)分析、時(shí)頻變換、超大規(guī)模數(shù)據(jù)波形存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)上網(wǎng)共享等功能。各大公司 (如 HP， TEK 等 )相繼投入巨資來(lái)研究開(kāi)發(fā)該類儀器以圖率先占領(lǐng)此技術(shù)領(lǐng)域。 虛擬 示波器的發(fā)展依賴于 新的數(shù)據(jù)采樣技術(shù)的發(fā)展 。實(shí)時(shí)采樣技術(shù)由一般數(shù)字電路構(gòu)成的 A/D 變換器發(fā)展到使用 CCD(Charge Coupled Devices)技術(shù)變換速率大大提高。與此同時(shí)，非實(shí)時(shí)采樣技術(shù)也逐步得到發(fā)展。近來(lái)，有兩種重復(fù)取樣技術(shù)：順序取樣(Sequential sampling)和隨機(jī)取樣 (Random sampling)獲得廣泛應(yīng)用。非實(shí)時(shí)采樣技術(shù)對(duì)觀測(cè)和存儲(chǔ)重復(fù)性的周期信號(hào)是極為有利的，可大大提高其頻帶寬度。美國(guó) Tek 公司的2430 型數(shù)寧存儲(chǔ)示渡器，采用“實(shí)時(shí)取樣”和“順序取樣”相結(jié)合的方法，達(dá)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(chǔ) 30MHz 的單次瞬變信號(hào) (PM3311 型 )。 HP 公司的 54100 型采用了“隨機(jī)取樣”技術(shù)，使有效帶寬達(dá) lGHz。 上世紀(jì) 90 年代以來(lái)，基于實(shí)時(shí)取樣 /量化技術(shù)的高速瞬態(tài)存儲(chǔ)示波器的研制與生 產(chǎn)得到飛速的發(fā)展，各大公司不斷推出采樣率高、寬帶的產(chǎn)品。例如： TEK 公司的 TDS680B/684B數(shù)字示波器，數(shù)字化率達(dá) 5Gsa/S，帶寬 1GHz，量化分辨率 8bit， HP 公司的 HPS4722A數(shù)字示波器數(shù)字化速率高達(dá) 8Gsa/s，帶寬 2GHz，量化分辨率 8bit。 TEK 公司推出的TDS784 數(shù)字示波器能同時(shí)在 4 個(gè)通道上實(shí)現(xiàn)數(shù)字化速率 10Gsa/S，帶寬 1GHz。同時(shí)， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 10 便攜式測(cè)試儀器也取得了飛速發(fā)展。其中，萬(wàn)用示波表獲得了示波器技術(shù)的一個(gè)突破。通過(guò)大規(guī)模集成電路技術(shù)和使用液晶顯示器， FLUKE 公司的萬(wàn)用示波 表把一個(gè)全功能的 2 通道 50MHz 虛擬 示波器和一個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表組合在一個(gè)重量只有 1． 8kg 的手持式體內(nèi)。 近十年來(lái)，國(guó)內(nèi) 虛擬 示波器技術(shù)研究及發(fā)展也取得了相當(dāng)?shù)某晒?虛擬 示波器采用微處理器進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)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(xué)進(jìn)行的“八五”預(yù)研項(xiàng)目實(shí)時(shí)數(shù)字化速率可達(dá) 1GSa/S，采集存儲(chǔ)速率已達(dá) ?！熬盼濉钡难芯颗c開(kāi)發(fā)使 虛擬 示波器數(shù)字化速率高達(dá) 2Gsa/S，打破國(guó)外在高速數(shù)字化存儲(chǔ)示波器技術(shù)上的壟斷，為我國(guó)電子儀器與測(cè)試的發(fā)展開(kāi)創(chuàng)了新的技術(shù)領(lǐng)域，為國(guó)防軍用領(lǐng)域高新技術(shù)的 研究與開(kāi)發(fā)提供現(xiàn)代化的檢測(cè)、分析、處理的強(qiáng)有力工具。 但是，對(duì)于實(shí)際千差萬(wàn)別的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這類示波器儀表功能固定，可擴(kuò)展性差，加之價(jià)格比較昂貴，因此應(yīng)用的深度和廣度也受到一定的限制。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)使得軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器成為現(xiàn)實(shí)。虛擬示波器具有人機(jī)交互的虛擬儀器面板和計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，由微型計(jì)算機(jī)、模塊化功能硬件 (主要是數(shù)據(jù)采集卡 )和控制軟件等組成。操作者可以通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕顯示的虛擬示波器面板，來(lái)控制檢測(cè)系統(tǒng)工作，實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的采集、分析處理和圖形顯示、打印輸出等功能，并可以根據(jù)需要做成網(wǎng)絡(luò)化儀器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 程測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。?guó)內(nèi)在虛擬示波器方面也進(jìn)行了大量的研究，其主要集中在對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)模擬示波器或者數(shù)字示波器用虛擬儀器來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。但普遍的虛擬示波器本身的功能并沒(méi)有得到太多的改進(jìn)。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 11 2 虛擬示波器方案設(shè)計(jì) 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(jì)算機(jī)，通常是個(gè)人計(jì)算機(jī)，也可以是任何通用計(jì)算機(jī)。所設(shè)計(jì)的虛擬 虛擬 示波器主要是有一塊 PCI 總線的 采集 卡和用 開(kāi)發(fā)的功能模塊軟件組成。 軟件的選擇 在給定計(jì)算機(jī)必要的儀器硬件之后，構(gòu)成和使用虛 擬儀器的關(guān)鍵在于軟件。軟件為用戶提供了集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。美國(guó)國(guó)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(shù)中的重要作用。所以正確選擇軟硬件對(duì)程序開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)出應(yīng)用軟件，才能事半功倍。對(duì)于虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫，大致可分為兩種方式： 一是 通用編程軟件進(jìn)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(jìn)行開(kāi)發(fā)。如 HP 公司的 VEE、 NI 公司的 LabVIEW 和 Lab windows/CVl 等 。 LabVIEW 是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)家儀器公司 (NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。 LabvIEW 的前面板可以包含旋鈕、刻度盤、開(kāi)關(guān)、圖表和其他界面工具，允許用戶通過(guò) 鍵盤或鼠標(biāo)獲取數(shù)據(jù)并顯示結(jié)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(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)獨(dú)立開(kāi)來(lái)，修改人機(jī)界面無(wú)需對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)整， LabVIEW 是利用數(shù)據(jù)流框圖接收指令，使程序簡(jiǎn)單明了，充分發(fā)揮了圖形化編程環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。這就大大簡(jiǎn)短了虛擬儀器的開(kāi)發(fā)周期、消除了虛擬儀器編程的復(fù)雜過(guò)程。而通用的編程軟件需利用組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟面板的設(shè)計(jì)，這使程序設(shè)計(jì)變得非常麻煩。 LabVIEW 雖然是為計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的，但它的函數(shù)包含了一般高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言中的絕大多數(shù)程序控制功能。 LabVIEW 作為開(kāi)發(fā)壞境所具有的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下所述： 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 12 （ 1） 圖形化編程，降低了對(duì)使用者編程經(jīng)驗(yàn)的要求，易于工程師使用： （ 2） 采用面向?qū)ο蟮姆椒ê透拍?，有利于軟件的開(kāi)發(fā)和再利用 （ 3） 對(duì)象、框圖及其構(gòu)成的虛擬儀器在 Windows， WindowNT， UNIX 等多平臺(tái)之間和各種 Pc 機(jī)及工作站問(wèn)兼容，便于軟件移植； （ 4） 支持 550 多種標(biāo)準(zhǔn)總線設(shè)備及數(shù)據(jù)采集卡，如串行接口、 GPIB。 VXI 等； （ 5） 具有豐富的庫(kù)函數(shù)和例子，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序，用戶可以從例子中取得程序框架，便于提高開(kāi)發(fā)速度； （ 6） 具有比較完備的代碼接口，可 調(diào)用 Windows 中的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) (DLL)中的函數(shù)以及 C 語(yǔ)言程序，以彌補(bǔ)自身的某些不足： （ 7） 直接支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換 (DDE)、對(duì)象聯(lián)接與嵌入 (OLE)、結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言(SQL)，便于與其它 Windows 應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序接口 f （ 8） 支持 TCP， UDP 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，可遙控分布在其他微機(jī)上的虛擬儀器設(shè)備； （ 9） 為加強(qiáng) LabVIEW 的功能，適應(yīng)各種工業(yè)應(yīng)用的需要， NI 公司又開(kāi)發(fā)了一系列與 LabvIEW配合使用的軟件包，如自動(dòng)測(cè)試工具、可連結(jié) 25種數(shù)據(jù)