基于LabVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì)

　　0引言

　　虛擬儀器是一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測(cè)試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的突出優(yōu)點(diǎn)在于能夠與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，將計(jì)算機(jī)資源與儀器硬件，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與不同功能的軟件模塊結(jié)合，組成不同的儀器功能。用戶可根據(jù)測(cè)試的需要，自己設(shè)計(jì)所需要的儀器系統(tǒng)，即利用數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)外圍硬件進(jìn)行信號(hào)的采集與檢測(cè)，然后用計(jì)算機(jī)所編的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理、計(jì)算和分析以及對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行顯示。

　　波形分析是信號(hào)處理中重要的分析手段。虛擬示波器的出現(xiàn)改變了原有示波器的整體設(shè)計(jì)思路，用軟件代替了硬件。將傳統(tǒng)儀器由硬件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析與顯示功能，改由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)及其顯示器來(lái)完成，使工程技術(shù)人員可以用一部筆記本電腦到現(xiàn)場(chǎng)就可輕松完成信號(hào)的采集、處理及頻譜分析和波形分析。 LabVIEW(實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境)是NI公司(美國(guó)國(guó)家儀器公司)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過(guò)程監(jiān)控和自動(dòng)測(cè)試等實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的實(shí)際任務(wù)。LabVIEW從基本的數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算函數(shù)、文件I／O函數(shù)到高級(jí)分析庫(kù)，包括了信號(hào)處理、窗函數(shù)、濾波器設(shè)計(jì)、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、曲線擬合等，涵蓋了儀器設(shè)計(jì)中幾乎所有需要的函數(shù)。LabVIEW的功能模塊包括數(shù)據(jù)采集、通用接口總線和儀表的實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。擁有大量數(shù)據(jù)采集和儀表控制的功能模塊和開發(fā)工具，因此，LabVIEW可以編出外觀和功能都與真實(shí)儀表很相似的程序。

　　1虛擬示波器的方案設(shè)計(jì)

　　虛擬示波器是虛擬儀器平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)輸出部分中常用的電子測(cè)試儀器之一，是一種分析和比較信號(hào)的綜合性儀器，能在熒光屏上將電壓或電流以時(shí)間函數(shù)的形式描繪出來(lái)，是電信號(hào)的時(shí)域測(cè)量和顯示儀器。它的主要功能是精確復(fù)現(xiàn)作為時(shí)間函數(shù)的電壓波形，顯示的波形用來(lái)確定數(shù)量的信息(如幅度、頻率)，也可用來(lái)獲得其質(zhì)量的信息(如波形)；還可用來(lái)比較兩個(gè)不同的波形，并測(cè)量它們的時(shí)間和相位關(guān)系。本文介紹利用NI公司數(shù)據(jù)采集卡PCI-6014及LabVIEW應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，開發(fā)基于PCI總線的虛擬示波器。

　　本虛擬示波器的主要功能包括：3種通道信號(hào)輸入、觸發(fā)控制、通道控制、時(shí)基調(diào)整控制、幅度調(diào)整控制、波形顯示、參數(shù)自動(dòng)測(cè)量等?；拘阅苋缦拢簲?shù)據(jù)采樣速率為100KSPS(千次采樣每秒)，分辨率為12 bit；波形顯示模式為通道A或B或A&B；電壓參數(shù)測(cè)量為Vrms和Vpp波形類型為雙蹤示波；通道選擇為通道0或1。

　　虛擬示波器主要由軟件控制完成信號(hào)的采集、處理和顯示。其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。最終能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等功能。

　　2虛擬示波器模塊的設(shè)計(jì)

　　虛擬示波器由一塊基于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)PC機(jī)上，采集卡選用NI公司的PCI-6041，系統(tǒng)的軟件采用模塊化的思想編寫，每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)由一個(gè)模塊完成，然后由主控模塊調(diào)用各個(gè)于模塊，即可構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)字虛擬示波器。實(shí)際測(cè)量是輸入信號(hào)通過(guò)BNC接頭從輸入端子進(jìn)人數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)用NI公司提供的Measurement Automation進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置，便可完成系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)采集卡之間的通信。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想編寫，每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)由一個(gè)模塊完成，軟件總體上包括程序控制、波形顯示、通道選擇、位置調(diào)整、觸發(fā)控制等模塊組成，最終能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)、處理、顯示等功能。 程序控制模塊是虛擬雙蹤示波器軟件的主要部分，完成提供本示波器的操作以及停止按鈕。在運(yùn)行次程序之后，點(diǎn)擊其幫助信息可以出現(xiàn)簡(jiǎn)單的操作說(shuō)明對(duì)話框，還設(shè)置了其相應(yīng)的鍵盤快捷鍵。

　　軟件提供的波形顯示方式是通過(guò)顯示通道選擇按鈕"A"、"B"和"A&B"，可以任意顯示某一通道或同時(shí)顯示兩個(gè)通道輸入信號(hào)的波形，當(dāng)選擇通道"A"、"B"時(shí)分別是"A"、"B"的波形，采集外部數(shù)據(jù)；當(dāng)選擇"A&B"時(shí)，同時(shí)顯示兩個(gè)通道輸入信號(hào)的波形，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了外部數(shù)據(jù)的采集，可以根據(jù)需要來(lái)采集顯示外部信號(hào)，也可任意選擇波形(方波、正弦波、三角波等)。排序如圖2所示。

　　軟件還提供兩個(gè)調(diào)節(jié)按鈕，分別是時(shí)基調(diào)整和幅度調(diào)整。時(shí)基調(diào)整可以調(diào)節(jié)顯示屏橫坐標(biāo)的分度值(5 ms／div～20 ms／div)，幅度調(diào)整可以調(diào)節(jié)顯示屏縱坐標(biāo)的分度值(0.5 V／div～2 V／div)。也可以設(shè)為自行調(diào)節(jié)。圖3是時(shí)基調(diào)整和幅度調(diào)整代碼圖的局部。

　　本示波器提供3種觸發(fā)方式，分別為電源觸發(fā)、斜坡觸發(fā)和電平出發(fā)。

　　將上述功能模塊依一定的邏輯組合，即可實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。

　　3系統(tǒng)調(diào)試

　　根據(jù)對(duì)虛擬示波器設(shè)汁要求和設(shè)計(jì)思想，開發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)用程序。本系統(tǒng)軟件的主操作界面如圖4所示。

　　虛擬雙蹤示波器模塊可以對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行采樣、采樣值數(shù)字化并存儲(chǔ)，然后可從存儲(chǔ)器中讀出，重建波形，并用清晰、均勻的軌跡顯示在屏幕上。實(shí)驗(yàn)中選用EM系列函數(shù)發(fā)生器作為信號(hào)源對(duì)虛擬示波器的性能進(jìn)行檢測(cè)，該信號(hào)源可以自由調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的波形類型、頻率及幅值。同時(shí)，觀察軟面板上虛擬示波器波形窗口和通用示波器上的波形顯示，以此來(lái)驗(yàn)證虛擬示波器模塊波形顯示的精度。

　　將信號(hào)源的信號(hào)輸出與連接器的A／D輸入引腳用雙線電纜連接，設(shè)置波形為正弦波，選擇不同頻率、不同幅值，通過(guò)真實(shí)通用示波器的測(cè)試和運(yùn)行虛擬示波器程序的比較，町以看到，所設(shè)計(jì)的虛擬示波器的精度高于通用示波器。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　利用NI公司數(shù)據(jù)采集卡PCI-6014及LabVIEW應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，開發(fā)的基于PCI總線的虛擬數(shù)字示波器基本實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)示波器的數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)、處理、顯示等功能，并實(shí)現(xiàn)波形存儲(chǔ)，具有較高的測(cè)試精度和友好的人機(jī)界面。