【正文】 emory channel can display 16 Group signal data, Bchannel memory can only show 1 signal data). In practice, memory display the main signal used to measure jitter or a parative analysis of two or more of the signal waveform. This article describes a virtual digital oscilloscope desktop not only has the general function of digital storage oscilloscope, and give full play to a powerful puter and software design flexibility, the main technical characteristics of the performance in the following: oriented programming techniques, software development, high efficiency, good operability and maintainability。 rease of frequency domain analysis functions。 waveforms can be directly or through printouts work sharing。 re to improve its performance。 to form a new device features. Virtual instrument design has bee a test and instrument technology as an important direction of development. With highspeed A / D chip and further integrated circuit, could be envisaged in the near future, a virtual instrument software installed on a standard PC into a multifunctional measuring instrument station, fundamentally changing the current development of special equipment and production, has broad application prospects and huge potential economic benefits. 虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 楊樂平 呂英軍 [摘 要 ] 結(jié)合一個(gè)虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)開發(fā)，介紹了虛擬儀器的基本組成，并重點(diǎn)介紹了基于圖形化編程語言 LabVIEW 的虛 擬儀器編程方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 [關(guān)鍵詞 ] 虛擬儀器 。數(shù)字示波器 。LabVIEW。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)儀器開始向計(jì)算機(jī)化的方向發(fā)展。虛擬儀器是９０年代提出的新概念。虛擬儀器技術(shù)的提出與發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動(dòng)測試與電子測量儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。所謂虛擬儀器，就是在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的測試功能，使用者操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就象是在使用一臺(tái)專門設(shè)計(jì)的電子儀器。 傳統(tǒng)臺(tái)式儀器是由儀器廠家設(shè)計(jì)并定義好功能的一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，它有固定的輸入／輸出接口和儀器操作面板，每種儀器實(shí)現(xiàn)一類特定的測量功能 ，并以確定的方式提供給用戶。從一般的儀器設(shè)計(jì)模型看，一種儀器無非是由數(shù)據(jù)采集、分析處理、人機(jī)交互和顯示等幾部分功能模塊組成的整體。因此，我們可以設(shè)想在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用計(jì)算機(jī)支持下，通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)儀器的全部功能，這就是虛擬儀器設(shè)計(jì)的核心。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器除了在性能、易用性、用戶可定制性等方面具有更多優(yōu)點(diǎn)外，在工程應(yīng)用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益方面也具有突出優(yōu)勢。一方面，目前我國高檔臺(tái)式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進(jìn)口，這些儀器加工工藝復(fù)雜、對制造水平要求高，生產(chǎn)突破有困難，采用虛 擬儀器技術(shù)可以通過只采購必要的通用數(shù)據(jù)采集硬件來設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)；另一方面，用戶可以將一些先進(jìn)的數(shù)字信號處理算法應(yīng)用于虛擬儀器設(shè)計(jì)，提供傳統(tǒng)臺(tái)式儀器不具備的功能，而且完全可以通過軟件配置實(shí)現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計(jì)。因此，可以說虛擬儀器代表了未來測量儀器設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。 虛擬儀器技術(shù)目前在國外發(fā)展很快，以美國國家儀器公司（ NI 公司）為代表的一批廠商已經(jīng)在市場上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。數(shù)字示波器是在科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。下面結(jié)合一個(gè)虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)開發(fā)具體介紹虛 擬儀器的基本組成和基于圖形化編程語言 LabVIEW 的虛擬儀器編程方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 １ 虛擬示波器的結(jié)構(gòu)與組成 本虛擬數(shù)字示波器主要由一塊 PCI 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的軟件組成。將它們安裝在一臺(tái)運(yùn)行 Windows95/98/NT 的 PC 機(jī)上（建議配置在 PENTIUMⅡ ／ 233 以上），即構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大的可存儲(chǔ)數(shù)字示波器。 數(shù)據(jù)采 集卡 PCI 總線傳輸速率高 數(shù)據(jù)吞吐量大 是今后數(shù)據(jù)采集板卡設(shè)計(jì)的主流。本設(shè)計(jì)采用的PCI－ 1200 數(shù)據(jù)采集卡是一塊性價(jià)比較好的產(chǎn)品，支持 DMA 方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實(shí)時(shí)信號不間斷采集與存儲(chǔ)。它支持單極和雙極性模擬信號輸入，信號輸入范圍分別為－ 5～＋ 5V 和 0～ 10V。提供 16 路單端／ 8 路差動(dòng)模擬輸入通道、 2 路獨(dú)立的 DA 輸出通道、 24線的 TTL 型數(shù)字 I／ O、 3 個(gè) 16 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能。這些功能使得我們不僅可以用該卡設(shè)計(jì)虛擬示波器，也可以設(shè)計(jì)虛擬函數(shù)發(fā)生器或虛擬計(jì)數(shù)器，做到一卡多用。當(dāng)然，限于經(jīng)費(fèi)條 件，我們選擇的 PCI－ 1200 卡的采樣速率只能達(dá)到 100kS／ s，對實(shí)際示波器而言，這遠(yuǎn)不能滿足信號帶寬的要求。目前市場上采樣速率達(dá) 200MS／ s 的 PCI 數(shù)據(jù)采集卡已有成熟產(chǎn)品，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)高帶寬的虛擬示波器不存在問題。實(shí)際測量時(shí)輸入信號通過 BNC 接頭從輸入端子進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。 儀器功能 本虛擬數(shù)字示波器設(shè)計(jì)參考了 HP 公司的雙通道臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器 HP54603B 的功能，并在儀器分析和處理功能上有所擴(kuò)展。儀器主要功能包括：雙通道信號輸入、觸發(fā)控制、通道控制、時(shí)基控制、波形顯示、參數(shù)自動(dòng)測量 、頻譜分析、波形存儲(chǔ)和回放等。本虛擬數(shù)字示波器還提供網(wǎng)絡(luò)接口，允許通過 TCP／ IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)儀器共享或遠(yuǎn)程控制。表 1 是本虛擬數(shù)字示波器與 HP54603B 的功能對照表。 除了由于經(jīng)費(fèi)原因使得所選數(shù)據(jù)采集卡采樣速率低于 HP54603B 外，本虛擬示波器在顯示、測量、分析、存儲(chǔ)和外部連接等方面的功能都不低于甚至高于 HP54603B ２ 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 軟件開發(fā)環(huán)境 虛擬數(shù)字示波器軟件設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的圖形化編程語言工具 LabVIEW for Windows98／ NT。 LabVIEW 編程的主 要特點(diǎn)就是將虛擬儀器分解為若干基本的功能模塊（相當(dāng)于硬件設(shè)計(jì)中的集成電路），模塊的引腳代表輸入／輸出接口。編程者可以通過交互式手段，采用圖形化框圖設(shè)計(jì)的方法，完成虛擬儀器的邏輯和測量分析功能設(shè)計(jì)。 LabVIEW 程序設(shè)計(jì)過程與人們設(shè)計(jì)儀器的思維過程十分相近，程序框圖就實(shí)現(xiàn)了程序代碼功能，避免了一般程序設(shè)計(jì)從框圖構(gòu)思到程序表示的繁瑣。 LabVIEW 編程的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將軟件的界面設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)獨(dú)立開來，修改人機(jī)交互界面無需對整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)試，這對設(shè)計(jì)像儀器操作面板這樣復(fù)雜的人機(jī)界面而言是十分方便的。 LabVIEW 還為用戶提供了函數(shù)擴(kuò)展功能，利用 LabVIEW 中的 Code Interface Node（ CIN），可以調(diào)用用 C 等傳統(tǒng)編程語言寫的程序代碼；利用 LabVIEW 中的 Call Library Function 可以調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)鏈接庫（ .DLL）?？傊?， LabVIEW 作為圖形化編程語言環(huán)境，為虛擬儀器開發(fā)提供了一種快捷、方便和功能強(qiáng)大的軟件工具。 主要功能模塊 概括地講，虛擬示波器主要由軟件控制完成信號的采集、處理和顯示。系統(tǒng)軟件總體上包括數(shù)據(jù)采集 、波形顯示、參數(shù)測量、頻譜分析及波形存儲(chǔ)和回放等五 大模塊 . 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，包括觸發(fā)控制、通道選擇控制、時(shí)基控制等。其中： 觸發(fā)控制包括觸發(fā)模式、觸發(fā)斜坡、觸發(fā)電平控制； 通道選擇主要控制單通道或雙通道測量； 時(shí)基控制主要控制采集卡掃描率、每一通道掃描次數(shù)（取樣數(shù)）。 波形顯示模塊 軟件提供了三種波形顯示模式： A B A＆ B 模式：通過顯示通道選擇按鍵摚翑和摚聰，可以任意顯示某一通道或兩通道輸入信號的波形； X Y 模式：當(dāng)兩通道都處于選通狀態(tài)時(shí)，使用此模式來顯示李沙育（ Lissajous）圖形、測量相位差或頻率； A ＋ B A－ B 模式：當(dāng)兩通道都處于選通狀態(tài)時(shí)，使用此模式來顯示兩通道信號代數(shù)相加、相減后的波形。 參數(shù)測量模塊 參數(shù)測量模塊主要模擬 HP54603B 的參數(shù)測量功能，完成包括 Vrms 等 12 個(gè)電壓參數(shù)和頻率、周期等 7 個(gè)時(shí)間參數(shù)的測量并顯示其測量結(jié)果。 頻譜分析模塊 頻譜分析模塊采用快速 FFT 算法，完成頻域信號分析?？蓪?shí)現(xiàn)的頻譜分析控制包括： Windows 選擇，提供了 9 種頻譜分析窗口； Log／ Linear 選擇，提供了 2 種坐 標(biāo)顯示模式； Display Unit 選擇，提供了 8 種單位。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放模塊 按鍵撔磁虜控制是否進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 按鍵摱僚虜控制是否從數(shù)據(jù)文件中讀取數(shù)據(jù)。主面板提供了兩個(gè)文件名輸入框，前一個(gè)為信號波形數(shù)據(jù)文件名輸入框，后一個(gè)為采樣周期文件名輸入框，這兩個(gè)文件由寫盤功能和讀盤功能共用。從軟盤或硬盤上讀取的數(shù)據(jù)同實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)一樣，能夠進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)測量以及顯示波形并保留在顯示窗口（顯示模式可以設(shè)置為三種模式中的任意一種），還可以根據(jù)需要設(shè)置進(jìn)行頻譜分析。 主要控制結(jié)構(gòu) 測量控制結(jié)構(gòu) 通過邏輯按鍵 “測量 ”控制是否進(jìn)行測量；通過邏輯按鍵 “通道 ”控制通道選擇。 自動(dòng)調(diào)整掃描率控制結(jié)構(gòu) 由邏輯按鍵組 “自動(dòng) ”、 “手動(dòng) ”來控制是自動(dòng)調(diào)整掃描率還是手動(dòng)調(diào)整掃描率。 正常顯示、記憶顯示控制結(jié)構(gòu) 由雙功能邏輯驅(qū)動(dòng)鍵 “正常 /記憶 ”控制，缺省為正常顯示。處于正常狀態(tài)時(shí)，最多只能顯示 A、 B 兩通道輸入的 2 個(gè)信號的波形；處于記憶狀態(tài)時(shí)，最多可以記憶顯示 A、 B 兩通 道輸入的 17 個(gè)信號的波形（ A 通道可記憶顯示 16 組信號數(shù)據(jù)， B 通道只能記憶顯示１組信號數(shù)據(jù)）。在實(shí)際應(yīng)用中， 記憶顯示功能主要用于測量信號的抖動(dòng)情況或比較分析兩個(gè)以上的信號波形。 本文介紹的虛擬數(shù)字示波器不僅具有一般臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能，而且充分發(fā)揮了微機(jī)強(qiáng)大的功能和軟件設(shè)計(jì)的靈活性，主要技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)在： （ 1）采用圖形化編程語言 LabVIEW 和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，軟件開發(fā)效率高，可操作性和可維護(hù)性好； （ 2）為數(shù)字存儲(chǔ)示波器增加了頻域分析功能； （ 3）充分利用了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)與外設(shè)連接的能力，測量結(jié)果和波形可直接打印輸出或通過網(wǎng)絡(luò)共享； （ 4）硬件具有開放性，允許通過升級硬件來提高其性能； （ 5）在相同硬件條件下，可以通過修改或增加軟件模塊，形成新的儀器功能。 虛擬儀器設(shè)計(jì)已經(jīng)成為測試與儀器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著高速 A／ D 芯片和電路的進(jìn)一步集成化，可以設(shè)想在不遠(yuǎn)的將來，一臺(tái)安裝有虛擬儀器軟件的標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)成為一個(gè)多功能的測量儀器站，從根本上改變目前專用儀器的研制和生產(chǎn)方式，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益。