【導(dǎo)讀】但現(xiàn)有的虛擬示波器價(jià)格普遍偏高，使其應(yīng)用受到一定限制。充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)。求，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹了虛擬儀器的研究背景和意義以及國內(nèi)外的一些研究進(jìn)展。的基本框架,在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了虛擬示波器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。完成了虛擬示波器各模塊的。塊、波形顯示模塊和參數(shù)計(jì)算模塊的設(shè)計(jì)，還討論了軟件設(shè)計(jì)中的技術(shù)問題。試和示波器的主要控鍵。設(shè)計(jì)中我們通過模擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的多通道信號(hào)對多種控。另外在程序的繁瑣程度，資源的利用率方面仍有改進(jìn)的需要。

　　

【正文】 構(gòu)框圖如圖 5 所示 圖 5 虛擬示 波器 軟件 結(jié)構(gòu)圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁 19 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本 虛擬數(shù)字示波器軟件采用了先進(jìn)的圖形化編程語言工具 LabVIEW 進(jìn)行編程的，LabVIEW 編程的主 要特點(diǎn)就是將虛擬儀器拆分為若干個(gè)基本的功能模塊，各個(gè)模塊的引腳代表了各種輸入 /輸出接口．程 序編譯人員可以通過相互交換的方式，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)．簡單地說，就是將整個(gè)框圖程序分解成若干個(gè)小的程序圖，實(shí)行分步分塊獨(dú)立而又最終統(tǒng)一的設(shè)計(jì)原理．這一點(diǎn)同一般的硬件設(shè)計(jì)是非常相似的． LabVIEW 編程的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是能將軟件的界面設(shè)計(jì) 與功能設(shè)計(jì)分開，修改人機(jī)交互界面時(shí)不需要對整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)試，這種設(shè)計(jì)操作面板對于復(fù)雜的人機(jī)界 面來說是十分方便的． 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)用像 c 語言那樣傳統(tǒng)的編程語言來寫程序代碼；同時(shí)利用 LabVIEW 中的 Call Library Function，可以調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)鏈接庫 (DLL)．總之， LabVIEW 作為圖形化編程語言環(huán)境，為虛擬儀器開發(fā)提供可一種快捷、方便和功能強(qiáng)大的軟件工具 。 前面板功能設(shè)計(jì) 前面板用來提供用戶與虛擬示波器的接口，通過一個(gè)友好的圖形界面，模擬傳統(tǒng)儀器操作，實(shí)現(xiàn)對虛擬儀器的控制，顯示處理結(jié)果。根據(jù)儀器的功能，在虛擬示波器前面板上設(shè)置實(shí)時(shí)波形顯示窗口、數(shù)據(jù)采集配置、觸發(fā)控制、通道選擇、信號(hào)發(fā)生、模式選擇和數(shù)據(jù)處理等控制窗口。與傳統(tǒng)示波器相比，虛擬示波器利用 LabVIEW 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和文件處理功能對所選通道采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和保存。 虛擬數(shù)字示波器的前面板如圖 6 所示 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁 20 圖 6 虛擬示波器前面板 圖 7 虛擬示波器完整的程序框圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁 21 觸發(fā)、通道選擇程序設(shè)計(jì) 1 通道選擇 模塊 ：輸入通道的選擇有三種方式，即 A 通道、 B 通道和 Aamp。B 通道。 在此模塊中，還可對采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以達(dá)到理想的信號(hào)采集效果。 該模塊與觸發(fā)控制合為一個(gè)子 VI，用了兩個(gè)布爾型 Case 結(jié)構(gòu) ，當(dāng) A、 B 通道同時(shí)選通時(shí) （均為1）信號(hào)直接輸出，當(dāng) A、 B 通道非同時(shí)選通時(shí)將數(shù)組抽取為一維數(shù)組分出 A、 B 信號(hào)輸出 。 2 觸發(fā)控制 模塊 ：觸發(fā)功能代表著對信號(hào)的捕捉能力。 為了使掃描信號(hào)與被測信號(hào)同步，可以設(shè)定一些條件，將被測信號(hào)不斷地與這些條件相 比較，只有當(dāng)被測信號(hào)滿足這些條件時(shí)才啟動(dòng)掃描，使得掃描的頻率與被測信號(hào)相同或存在整數(shù)倍的關(guān)系，從而達(dá)到同步。觸發(fā)控制包括觸發(fā)源，觸發(fā)電平控制。此模塊用了兩個(gè)布爾型 Case 結(jié)構(gòu)完成，其中核心為電平比較部分，將其做成子 VI 在此塊中調(diào)用，有利于框圖程序的簡化。 觸發(fā)控制是根據(jù)觸發(fā)電平的大小和觸發(fā)極性進(jìn)行觸發(fā)。 首先判斷用戶設(shè)置的觸發(fā)電平是否在波峰或波谷的范圍內(nèi) , 然后判斷信號(hào)的極性是否與用戶設(shè)定的極性相同 , 相同則觸發(fā)。在模塊中 , 我們用 Comparison Functions 面板中的 In Range and Coerce 函數(shù)來判斷當(dāng)前信號(hào)值是否滿足設(shè)定的觸發(fā)范圍 , 用移位寄存器來保存前一個(gè)信號(hào)值用來和觸發(fā)電平進(jìn)行比較 , 子模塊輸出觸發(fā)的信號(hào)序列。該模塊程序框圖如圖 8 圖 8 觸發(fā)、通道選擇程序 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁 22 時(shí)基、幅值控制 模塊 設(shè)計(jì) 時(shí)基控制、幅值控制是指根據(jù)需要調(diào)整顯示波形的時(shí)基、幅值范圍，以便更清晰的觀看波形。 將要顯示的信號(hào)數(shù)據(jù)我們通過 Subarray 數(shù)組提取 , 提取時(shí)先通過觸發(fā)控制使各個(gè)通道的信號(hào)數(shù)組的起始位置一樣 , 再對不同通道信號(hào)的 Subarray 數(shù)組的 length 屬性設(shè)置相同的值 , 以便實(shí)現(xiàn)對不同通道信號(hào)的同步控制。幅值控制是采用不同檔位時(shí)對顯示屏 Waveform graph 的兩個(gè)屬性節(jié)點(diǎn) 賦不同值的方法。時(shí)基幅值控制框圖程序如圖 2 所示 , 在波形顯示前 , 將處理后的和回放的起始位置x0 和步長 x 與將要輸出的二維數(shù)組按順序經(jīng)節(jié)點(diǎn) Bundle 打包 , 組合為簇 Cluster, 再送入波形顯示控件 , 實(shí)現(xiàn)根據(jù)各個(gè)旋鈕和開關(guān)的位置顯示波形。該功能的程序框圖 如圖 9 圖 9 時(shí)基幅值控制程序 數(shù)據(jù) 存 儲(chǔ) 模塊 設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的示波器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)一般是易失性的存儲(chǔ)器，但這樣保存的數(shù)據(jù)容易丟失，而該虛擬示波器使用的存儲(chǔ)工具是軟盤或硬盤，數(shù)據(jù)不易丟失且攜帶方便，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的保存和讀取，對波形的事后分析有很大的意義。 在 Labview工作平臺(tái)下通過自定義的指定路徑以文本文件的格式進(jìn)行保存和讀取，該功能主要由函數(shù)選板中的位置為編程｜文件 I/O｜寫入電子表格文件和讀取電子表格文件完成。 該模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。輸入量為一維數(shù)組、保存路徑文件名稱和是否存盤，詳細(xì)程序流程如 下：當(dāng)存盤的 Boolean variable 量為 False 的時(shí)候， Case Structure 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁 23 內(nèi)的程序框圖為空，此時(shí)，本程序不進(jìn)行任何操作，如果為 True 的時(shí)候，本程序使用了 Write to Spreadsheet (記錄電子數(shù)據(jù)表 .vi)程序組件。組件的輸入輸出入下，這個(gè)單次存盤程序主要使用該程序的 format． filepath． ID data． Append to file選項(xiàng)來完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 如圖 10 存盤為真，彈出詢問窗口是否代替已經(jīng)存在的 ，選是該程序會(huì)擦除文件已 經(jīng)存在的數(shù) 據(jù)，如果路徑上不存在目標(biāo)文件， VI 會(huì)忽略這個(gè)選項(xiàng)，直接創(chuàng)建 — 個(gè)新 文件。本程序設(shè)置的默認(rèn)路徑為 E： \lunwen\。 圖 10 圖形存儲(chǔ)程序 數(shù)據(jù)讀取模塊設(shè)計(jì) 程序中， wave in 懸空，無輸入數(shù)據(jù)，下面 wave out 為上面 wave out 所指的局部變量。在程序運(yùn)行中，選擇讀盤，則 Boolean variable 上面的 CASE 結(jié)構(gòu)為 true。 當(dāng)所要讀取的目的文件不是默認(rèn)的文件時(shí)，使用路徑后面的選取文件的按鍵，則上 CASE 結(jié)構(gòu)為 False，下 CASE 轉(zhuǎn)為 True。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁 24 圖 11 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì) 雙 通道信號(hào)發(fā)生器 用 LabVIEW 中的波形生成 VI 制作的簡單的 雙 通道模擬信號(hào)發(fā)生器 圖 12 單通道信號(hào)發(fā)生器 簡單的利用條件結(jié)構(gòu)控制信號(hào)的發(fā)生與否，可生成正弦波、方波、三角波，并可控制幅值、頻率。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 25 頁 25 信號(hào)測量 模塊 設(shè)計(jì) 信號(hào)測量設(shè)計(jì)包括電壓測量、相位測量和功率測量三部分，此部分設(shè)計(jì)為辟免要求程序不斷監(jiān)控前面板控件的狀態(tài)而浪費(fèi) CPU的時(shí)間，采用用戶事 件結(jié)構(gòu)來承載用戶定義的數(shù)據(jù)與其他部分的聯(lián)絡(luò)，使用事件可以滿足用戶在前面板的操作與程序框圖同時(shí)執(zhí)行的效果，在程序運(yùn)行過程中點(diǎn)擊功率測量、電壓測量或相位測量中的一個(gè)模塊，都會(huì)彈出一個(gè)新的窗口顯示出對應(yīng)的測量信息。 1 電壓測量程序設(shè)計(jì) 利用數(shù)組最大值與最小值（ Array Maxamp。Min）節(jié)點(diǎn)求出最大值、最小值和峰峰值；利用交流和直流分量估計(jì)（ ACamp。DC Estimator）節(jié)點(diǎn)求出直流和交流分量；分別利用均方根節(jié)點(diǎn)（ ）和均值節(jié)點(diǎn)（ ）求均方根值和平均值；利用脈沖參數(shù)節(jié)點(diǎn)（ Pulse ）可以求時(shí)域參數(shù)，如上升時(shí)間、下降時(shí)間、電壓頂部、電壓底部、電壓幅值、延遲時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，并通過對掃描周期的運(yùn)算可求出正寬度、負(fù)寬度和占空比。 圖 13 電壓測量程序 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 26 頁 26 2 功率估計(jì) 程序設(shè)計(jì) 圖 14 功率估計(jì)程序 3 相位分析電路設(shè)計(jì) “李沙育圖形”，即“李薩如圖形”，就是將被測頻率的信號(hào)和頻率已知的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)分別加至示波器的 Y軸輸入端和 x軸輸入端，在示波器顯示屏上將出現(xiàn)一個(gè)合成圖形，這個(gè)圖形就是李 沙育圖形。李沙育圖形隨兩個(gè)輸入信號(hào)的頻率、相位、幅度不同，所呈現(xiàn)的波形也不同。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)相位差為 90 度 時(shí)，合成圖形為正橢圓，此時(shí)若兩個(gè)信號(hào)的振幅相同的話，合成圖形為 圓 ；當(dāng)兩個(gè)信號(hào)相位差為 0 時(shí)，合成圖形為直線，此時(shí)若兩個(gè)信號(hào)振幅相同則為與 x 軸成 45 度 的直線。 用李沙育圖形測頻率 :用示波器測頻率方法很多，如李沙育圖形法、亮度調(diào)制法等。以李沙育圖形法最簡單，最準(zhǔn)確。其方法是：將已知頻率的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)加到 CH1 輸入端，被測信號(hào)加到 CH2 輸入端， TIME/div 置“ XY”位置。根據(jù)兩信號(hào)之比不同，李沙育圖形法的形狀不同 ，可求出被測信號(hào)；若在熒光屏上作互相垂直兩直線 x、 y，且 x、 y 不與圖形相切，也不通過任一交點(diǎn)，則李沙育圖形與 x、 y 交點(diǎn)數(shù) Nx， Ny之比就是兩信號(hào)頻率之比： Fy/Fx=Ny/Nx(6)測量周期法 :此法就是利用上述時(shí)間測量的方法，測出信號(hào)周期 T，按公式 f＝ 1/T，計(jì)算出頻率 f，本法容易引入儀器精度何讀數(shù)誤差，適宜大致估測頻率情況，雖然精度不如其他方法，但因其簡便實(shí)用，在測量中經(jīng)常采用。 本示波器相位差測量采用相關(guān)函數(shù)法原理如下：設(shè) x(n)為左通道信號(hào)數(shù)據(jù)， y(n)為右通道信號(hào)數(shù)據(jù)， N 為采樣點(diǎn)數(shù)，則有公式 RX(0)= ∑x(n)x(n)/N， TY(0)= ∑y(n) y(n)/N， RXY(0)= ∑x(n) y(n)/N 則相位差等于 arccos(RXY(0)/sqrt(RX(0) RY(0)))。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 27 頁 27 圖 15 相位分析程序 關(guān)于儀器采樣頻率的提高：根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號(hào)頻率的 2倍。反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做恩奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。如果信號(hào)中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號(hào)將在直流和恩奎 斯特頻率之間畸變。 故采樣頻率對于一臺(tái)虛擬示波器的精確度來講是至關(guān)重要的，為此，本儀器中特別添加了 采樣頻率的設(shè)置 ，滿足各種不同條件下對波形的測量要求，當(dāng)然高采樣頻率的實(shí)現(xiàn)也取決于硬件系統(tǒng)的性能指標(biāo) 。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 28 頁 28 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集 是 LabVIEW 的核心技術(shù)之一。 LabVIEW 提供了與 NI 公司的數(shù)據(jù)采集硬件相配合的豐富的軟件資源，使得它能夠方便的將現(xiàn)實(shí)世界中各種物理量數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)中，從而為計(jì)算機(jī)在測量領(lǐng)域發(fā)揮極其強(qiáng)大的功能奠定了基礎(chǔ)。 要將數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)里，并對其進(jìn)行合理的組織，需要構(gòu)建一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集（ DAQ）系統(tǒng)。它包括：傳感器和變換器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動(dòng)程序、硬件配置管理軟件、應(yīng)用軟件和計(jì)算機(jī)等。 本章重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)采集卡與驅(qū)動(dòng)程序。 本虛擬示波器的 數(shù)據(jù)采集卡采用 PCI 數(shù)據(jù)采集卡，它是利用 PCI 總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的． PCI 總線傳輸速率高，數(shù)據(jù)吞吐量大，是 PCI 數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)的主流，本數(shù)據(jù)采集卡確保了實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷的采集于儲(chǔ)存，它支持雙極性的模擬信號(hào)輸入，信號(hào)輸入范圍為 10～ +10 V．提供 l6 路單端模擬輸入通道、 2 路獨(dú)立的模擬輸出通道、 8 路數(shù)字輸入輸出通道， 2 個(gè) 24 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)虛擬信號(hào)發(fā)生器或虛擬計(jì)數(shù)器，做到一卡多用． PCI 據(jù)采集卡利用 Data Acquisition 子模板實(shí)現(xiàn)對它的驅(qū)動(dòng)，在軟件驅(qū)動(dòng)前利用 Measurement and Automation 軟件對它進(jìn)行參數(shù)設(shè)置 . NI 公司對其全部的 DAQ 產(chǎn)品提供了專門的驅(qū)動(dòng)程序庫，因此，在 LabVIEW 下應(yīng)用 NI公司的 DAQ產(chǎn)品無須專門考慮驅(qū)動(dòng)程序的問題。其他數(shù)據(jù)采集卡，需要有針對它的驅(qū)動(dòng)程序。一般我們所買的數(shù)據(jù)采集卡，都帶有驅(qū)動(dòng)程序（ .SYS， .DLL），可以在生產(chǎn)商的網(wǎng)站下載。如 果沒有驅(qū)動(dòng)程序也不要緊，只要知道卡的寄存器在計(jì)算機(jī)中的地址、各位的意義等。我們可以用 LabVIEW的 CIN來編驅(qū)動(dòng)，也可以用 DLL來寫。 DLL一般用 VC 來做（ input,outpu等）。前面所說的是在 WIN9X 下的，對于 WINNT/2020就一定要驅(qū)動(dòng)程序 .SYS，或 .VXD，這是因?yàn)?WINNT/2020 對系統(tǒng)的保護(hù)所引起的，即WINNT/2020 不允許一般的應(yīng)用程序和 DLL 訪問硬件 I/O，它們是運(yùn)行在