基于LabVIEW的虚拟双踪示波器的设计.doc

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1、摘 要示波器是科学研究与工程设计中广泛应用一种通用仪器。虚拟数字存储示波器是虚拟仪器技术一种具体应用，主要由数据采集、数据处理与结果显示三大部分组成。其中，数据处理与结果显示由计算机软件系统来完成，只有数据采集是在软件控制下由硬件来完成。本文主要利用功能强大图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW，完成虚拟双踪示波器设计。本设计采用模块化设计思想，将每个功能均由一个模块来完成。其中主要包括由信号发生、触发控制与采样控制组成数据采集模块，由滤波、频谱分析、加窗处理与波形存储及回放组成信号分析及处理模块，时基控制波形显示模块。数据处理与结果显示都是由计算机软件系统来实现，而数据采集则是在软件控制下由硬

2、件来完成。本文所设计虚拟示波器除具有通用功能外，又优于普通示波器，具有自身优点，如滤波、频谱分析、波形存储与调用，其成本低廉，功能可根据应用需要不断地扩展。最后对虚拟示波器进行了系统测试与性能分析，实验结果达到了预先设计要求。关键词：虚拟仪器，虚拟双踪示波器，LabVIEW第 48 页ABSTRACTScope of scientific research and engineering design is a widely used general-purpose equipment. Virtual Digital Storage Oscilloscope is a kind of vir

3、tual instrument technology specific application, mainly by the data acquisition, data processing and the results showed three major components. Among them, the data processing and results accomplished by the computer software system, only the data acquisition is under the control of the software fro

4、m the hardware to complete.This paper mainly using powerful graphical LabVIEW virtual instrument development platform, completed the design of virtual oscilloscope double steps.This design USES the modular design thought, will each function all by a module to complete. Include the signal happen and

5、trigger the control and sampling control the data acquisition module, composed by filtering, spectrum analysis, add window treatment and waveform storage and playback of signal analysis and processing module, the time base control of the waveform display module. Data processing and the results showe

6、d that are made by computer software system to achieve, and the data acquisition is under the control of the software by the hardware to finish. In this paper, the design of virtual oscilloscope is in addition to the general function, and better than the ordinary oscilloscope, which has its own adva

7、ntages, such as filtering, spectrum analysis, waveform, the storage and call low cost, according to the needs of the function can be used continuously expanded. At last the virtual oscilloscope system test and performance analysis, the experimental results to advance design requirements. KEY WORDS:

8、Virtual instrument, Virtual oscilloscope.Were double, LabVIEW 目 录1 绪 论111.2 虚拟仪器概述21.3 虚拟仪器现状71.4 本研究内容92 虚拟示波器基本原理111112143 系统设计173.1 硬件设计183.2 软件设计193.2.1 LabVIEW编程环境介绍193.2.2 软件编程223.3 信号分析及处理设计2529293.3.3 数据回放303.3.4 显示控制314 虚拟示波器调试及测试结果3333333335365结论及展望37参考文献391 绪 论随着电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术高度发展，其

9、在仪器技术与测量技术上应用也越来越广，仪器仪表结构在许多方面都较传统仪器有很大突破，在功能与作用上发生了质变化，由此产生了许多新测试仪器、测试理论、测试方法。同时越来越复杂测试条件，高度自动化工业化大生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活新一代测试仪器。随着科技发展，虽然传统仪器也得到迅猛发展，仪器精度越来越高，功能越来越强，性能越来越好，但传统仪器基本上没有摆脱单独使用、手动操作局限。在工业自动化测试及测量领域，传统测量方法使用起来很不便利，其局限性非常明显，显然已经不能适应时代发展需要了。传统台式仪器主要结构由硬件构成,是由厂家设计并定义好功能一个封闭结构，形式相对固定，所能实现测

10、试功能单一，每种仪器只能实现一类测量功能，用户在使用过程中难以对其功能进行改变，并只能以确定方式提供给用户。因此人们对测试仪器提出了更高要求:例如测试精度高，可靠性好，功能强，仪器体积小，测试全程自动化，智能化，使用灵活方便，升级便利, 同时还能进行测量数据存储、处理与显示,具有与其他仪器设备(如计算机等) 进行数据通讯等功能。今后电子测试仪器发展方向，是从模拟技术转向数字技术，从单台仪器转向多种功能组合仪器，从硬件实现仪器功能转向软硬件结合使用，从简单功能组合转向以一个人计算机为核心测试平台，从硬件模块转向软件包形式。基于计算机测试仪器思想逐渐形成，美国国家仪器公司首先提出了“软件即是仪器”

11、口号，虚拟仪器应运而生。虚拟仪器核心思想是利用计算机强大资资源，使本来需要硬件实现技术软件化，以便最大程度地降低系统成本，增强系统灵活性。在现代电子测量、仪器仪表等领域，示波器是电子信号测量行业最常用仪器之一，主要用来测量并显示被测信号参数与波形，在科学试验及现场检测等许多领域被广泛应用。目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破度难。计算机技术进步为新型测控仪器产生提供了技术基础、功能更强应用软件提供了方便。虚拟仪器诞生，使用户可以将一些先进数字信号处理算法应用于虚拟仪器设计，增加传统台式仪器所不具备功能，还能利

12、用先进计算机技术提高效率，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成仪器设计。因此，目前研制一种结构简单、操作方便、生产技术要求不高、成本低数字示波器是非常必要。1.2 虚拟仪器概述信号调理器D/A转换器信号调理器信号调理器数据发生器A/D转换器人机接口信号分析及处理器各类接口显示器虚拟仪器 (Virtual Instrument)是基于计算机仪器。计算机与仪器密切结合是目前仪器发展一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型例子就是所谓智能化仪器。随着计算机功能日益强大及其体积日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统仪器。另一种方式是将仪器装入计算

13、机。以通用计算机硬件及操作系统为依托实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。所谓虚拟仪器就是在通用计算机上选用一组软件与硬件，使得在操作这台仪器时就像使用一台自己设计专用传统仪器，操作人员可以通过友好用户界面来控制仪器启动、运行与结束，只需要向仪器发布一个测试指令，就可以获得最终测试结果与信息。完成对被测信号数据采集、信号分析、波形显示、故障诊断、数据存储以及控制输出等功能。虚拟仪器构成如图1-1所示：图1-1 虚拟仪器结构测量仪器发展，一种较普遍地说法是分为五个阶段，如图1-2所示数字仪器智能仪器虚拟仪器电子仪器模拟仪器七十年代五十年代20世纪19世纪九十年代图1-2 测量仪器发展模拟仪

14、器主要有模拟式电压表、电流表等，这些仪表解决了当时对某些量测量需求。从二十世纪初到五十年代左右，测量理论、方法及电子技术、控制技术相结合，出现了以记录仪与示波器为代表电子仪表。五十年代以后，随着晶体管与集成电路出现以及应用电子技术发展，数字技术成功地应用到测量仪器。七十年代初，出现了智能仪器。智能仪器是将微机置于仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力及解决测量技术问题深度与广度等方面都有明显进步。这种内置微处理器仪器，既能进行自动测试又能完成数据处理，可取代部分脑力劳动。但在数字化仪器与智能仪器阶段基本上没有摆脱

15、传统仪器那种独立使用、手动操作模式，难以胜任更复杂、多任务测量需求。为解决这样问题，总线式仪器及系统应运而生。人们发明制造出CAMAC、RS232与GPIB(即IEEE-488)等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能仪器连在一起，以构成更复杂测试系统。但在复杂总线式仪器系统中还有许多重复部件或功能单元，如键盘、CRT、存储器等。1987年，美国惠普与泰克等5家公司在VME总线基础上，联合提出了一种新型总线系统VXI总线。由于它标准基于开放性原则，又具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时与同步精确、模块可重复利用，很快得到了广泛应用。尤其是在组建中、大规模自动测量测试系统，以及对速度、准确度要求较高

16、场合，有着其它仪器系统无法比拟优势。1997年Nl公司推出了一种新仪器总线标准PXI总线标准。相对VXI仪器，PXI仪器具有成本低、便于组成便携式测试系统等优点。这些以PC为核心、由测量功能软件支持，具有虚拟控制面板、必要仪器硬件与通信能力PC仪器或VXI仪器就是虚拟仪器。电测量理论与技术不断发展、测量领域与测量观念不断拓展，给测量仪器仪表提出了更高要求。仪器是测量工具，测量本质是利用仪器仪表获得定量认知过程，测量实现离不开仪器仪表，测量技术发展过程，也就是仪器仪表发展过程。因而，为适应测量技术发展需要，仪器仪表技术也不断地进步与提高，虚拟仪器就是为了适应测量技术发展需要而产生并发展起来。虚拟

17、仪器利用PC机显示器显示功能模拟传统仪器功能面板，以多种形式表达输出检测结果，利用PC机强大软件功能实现信号数据运算、分析、处理，由FO接口设备完成信号采集、调理与测量，从而完成各种测试功能。虚拟仪器以透明方式，通过软件对数据分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源(如微处理器、显示器等)与仪器硬件(如A/D、D/A、数字FO、定时器、信号调理等)测量能力、控制能力结合在一起。虚拟仪器突破了传统仪器以硬件为主体模式。实际上使用者是在操作具有测试软件电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设电子仪器。虚拟仪器“虚拟”两字主要包含以下两个方面含义：（1）虚拟仪器面板是虚拟虚拟仪器面板上各种“图标”

18、及传统仪器面板上各种“器件”所完成功能是相同。由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源“通”、“断”，实现被测信号“输入通道”、“放大倍数”等参数设置，以及实现测量结果“数值显示”、“波形显示”等。传统仪器面板上器件都是“实物”，而且是由“手动”与“触摸”进行操作。虚拟仪器前面板是外形及实物相像“图标”，每个图标“通”、“断”、“放大”等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需要图标，然后对图标属性进行设置。(2)虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图编程来实现虚拟仪器是在以PC为核心组成硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器功能。当基

19、本硬件确定以后，就可以通过不同软件实现不同功能。用户可以根据自己需要，设计自己仪器系统，满足多种多样应用要求。利用计算机丰富软硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据分析、处理、表达、传递、存储等方面限制，达到传统仪器无法比拟效果。它不仅可以用于电子测量、分析、处理等领域，而且还可以用于进行设备监控及工业过程自动化。虚拟仪器系统可以广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药、与工业生产等各种领域电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。现有虚拟仪器系统按硬件工作平台主要可有以DAQ板卡与信号调理为仪器硬件而组成PC总线PC-DAQ测试系统，或以G

20、PD3，VXI，Serial与 Field bus等标准总线为仪器硬件组成GPIB系统、VXI系统、串口系统与现场总线系统等多种形式。常见虚拟仪器组建方案如图1-3所示:信号调理器数据、图像采集卡GPIB接口卡GPIB接口仪器串行口仪器计算机（装有虚拟仪器开发软件）被测对象并行口仪器VXI仪器现场总线（field，CANbus）设备其它计算机硬件板卡图1-3 常见虚拟仪器组建方案(l)PC-DAQ插卡式VI这种方式用数据采集卡配以计算机平台与虚拟仪器软件，便可构成数据采集与虚拟仪器系统。它充分利用了计算机总线、机箱、电源以及软件便利，其关键在于A/D转换技术。这种方式受PC机机箱、总线限制，存

21、在电源功率不足、机箱内噪声电平较高、无屏蔽、插槽数目不多、尺寸较小等缺点。但因插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适合于工业测控现场、各种实验室与教学部门使用。(2)并行口式VI最新发展可连接到计算机并行口测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种VI功能。它最大好处是可以及笔记本计算机相连，方便野外作业，又可及台式PC相连，实现台式与便携式两用，非常方便。(3)GPIB总线方式VIGPIB(General Porpose Interface Bus)技术出现使电子测量由独立单台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型GPIB系统由一台PC机，一块GPIB接口

22、卡与若干台GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。GPIB测试系统结构与命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求与总线控制实时性要求不高场合。(4)VXI总线方式VIVXI总线是高速计算机总线VME在VI领域扩展，有稳定电源，强有力冷却能力与严格RFI/EMI屏蔽。由于它标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时与同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持等优点，得到了广泛应用。它适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高场合，但VXI总线要求有专用机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。(5)PXI总线方式VIPXI总线是PCI在V

23、I领域扩展。这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟技术规范与要求形成，具有多板同步触发、精确定时星形触发、相邻模块间高速通讯局部总线以及高度可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。(6)网络接口方式VI 尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司己经开发了通过web浏览器观测这些嵌入式仪器设备产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备。根据虚拟仪器特性，能够方便将虚拟仪器组成计算机网络，利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能设备联系在一起，使昂贵硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。(7)USB接口方式VI

24、USB因其在PC机上广泛使用、即插即用特性与USB2.0高达480Mbits/s传输速率，使其逐渐成为仪器控制主流总线技术。USB接口被广泛应用，也使得工程师可以很方便将基于USB测量仪器连接到整个系统中。但是USB在仪器控制方面亦有一些缺点，比如USB传输线没有工业标准规格，在恶劣环境下，可能造成数据丢失，此外，USB对传输线距离也有一定限制。无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式微机或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成。一台性能优良虚拟仪器不仅可以实现传统仪器所有功能，而且在许多方面还有传统仪器无法比拟优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可一机多用、可重复开发等

25、。及传统仪器相比虚拟仪器主要有以下优点：表1-1 虚拟仪器及传统仪器比较虚拟仪器传统仪器开放、灵活，可及计算机保持同步发展封闭仪器间相互配合较差核心是软件，系统升级方便核心是硬件，升级成本较高价格低廉，仪器间投资可以重复利用价格昂贵，仪器间无法相互利用用户可自定义仪器功能仪器功能在出厂前有厂家定义好可以及周边设备方便互联及其它仪器设备连接十分有限软件使得开发及维护费用低开发及维护开销高技术更新周期短（1-2年）技术更新周期长（5-10年）数据可编辑、储存、打印数据无法编辑1）融合了计算机强大硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面限制，大大增强了传统仪器功能。而且高性能处理器、高分

26、辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器标准配置。2）利用了计算机丰富软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件软件化，节省了物质资源，增加了系统灵活性;另一方面，通过软件技术与相应数值算法，实时、直接地对测量数据进行各种分析及处理另，通过图形用户界面技术，真正做到界面友好、人机交互。3）基于计算机总线与模块化仪器总线，使仪器硬件实现了模块化、系列化，大大缩小了系统尺寸，可方便地构建模块化仪器 (Instrument on a Card)。4）基于计算机网络技术与接口技术，使系统具有方便、灵活互联能力，广泛支持诸如CAN， Field Bus，PROFIBUS，USB、PCI等各种工业总线标准。因此，

27、利用VI技术可方便地构建自动测试系统(ATS，Automatic Test System)，实现测量、控制过程网络化。5）基于计算机开放式标准体系结构。虚拟仪器硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己需要选用不同厂家产品，使仪器系统开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建与维护时间。表1-1是虚拟仪器与传统仪器比较。1.3 虚拟仪器现状1. 国外研究现状虚拟仪器技术在国外一直发展很快，以美国国家仪器公司为代表一批厂商己经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计商品化仪器产品。在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，己作为各大学理工科学生一门必修课程。近年来，世界各国虚

28、拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些公司提供开发平台软件组建自己虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早与最具影响力开发软件，是Nl公司LabVIEW软件与Labwindows/CVI开发软件。LabVIEW采用图形化编程语言，是非常实用开发软件。另外还有美国HP公司HP-VEE与HPTIG平台软件，美国Tektronix公司Ez-Test与介Tek-TNS软件，以及美国HEM Data公司Snap-Master平台软件，都是国际上公认好虚拟仪器开发平台软件。世界各国公司为使虚拟仪器能够适应各种总线标准配置，开发了大量软件及适应要求硬件插件，可以灵活地组建不同复杂程度虚

29、拟仪器自动测试系统。美国NI公司在1997年推出模块化仪器平台PXI传输速率己达到100Mb/s，是目前己经发布最高传输速度。另外虚拟仪器开发厂家在为扩大虚拟仪器功能与测量结果数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，建立了数据处理高级分析库与开发工具库，例如测量结果谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理与相关函数处理、微积分、峰值与阀值检测、波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域与频域分析等，使虚拟仪器发展成为可以组建成极为复杂自动测试系统。2. 国内研究现状我国虚拟仪器发展并不晚，几乎与国外领先企业处于同一时期。但由于众所周知原因，整个仪器行业，包括虚拟仪器发展在过去2

30、0年中，大部分时间处于停滞阶段。好在国内测试测量厂商意识到了这问题，并积极做出反应，使我国仪器仪表行业整体处于回暖状态，虚拟仪器也得到发展，特别是以计算机加A/D转换器及软件应用来实现传统仪器中示波器、频谱分析仪等，有力打破了国外企业垄断市场局面，促进了国内仪器行业全面繁荣。3. 虚拟仪器发展趋势虚拟仪器之所以被称为仪器，就是在于它是面对信号，而不是面对数据。它具有输入输出，不可能只由软件组成，通常需要由硬件平台、软件平台、计算机及数学模型几方面组成。其本质表达是仪器软件化，在可以预见未来，虚拟仪器软件平台将模块化、标准化、专业化、系列化与网络化。测量结果不确定度是仪器行业一个基本问题，虚拟仪

31、器智能化与软件化及模型化特点，可以使给出测量结果同时，给出其不确定度。目前虚拟仪器硬件平台已经有了标准化与通用化趋势，及软件模块标准化发展趋势一样，硬件标准也是其发展一个重要方向。目前一部分虚拟仪器模块及系统，如数据采集系统，早在虚拟仪器概念提出之前就已经存在，所以，虚拟仪器概念建立、提出与发展，一直是围绕着现有仪器设备与功能，逐步强调与加大软件在仪器中地位与作用，并以软件技术代替硬件技术为核心进行，逐渐将非虚拟仪器虚拟化。未来虚拟仪器发展，有必要突破原来非虚拟仪器概念，诞生新型仪器设备，它符合测量对客观世界一种展示这种实质理念。例如，人们已经有可能研制出“统计特性分析仪”，一边测量分析任何一

32、个信号统计特性。除此之外，虚拟仪器发展空间还会更大。1.4 本研究内容结合虚拟仪器技术与软件编程技术，本文以美国国家仪器公司 LabVIEW8.2为软件开发平台，以NI公司数据采集卡USB-6008作为硬件平台，设计并实现了一个虚拟示波器。相比传统示波器，在功能上有很大提高，使用更方便，具有一定实用价值。本课题主要工作是首先进行虚拟双踪示波器(简称虚拟示波器)整体设计，熟悉数据采集卡使用并明确数据采集基本理论，掌握虚拟仪器软件编程环境LabVIEW使用，用图形化编程语言LabVIEW实现虚拟示波器数据采集模块、信号分析处理模块。2 虚拟示波器基本原理示波器是电子信号测量行业最常用仪器之一，它是

33、利用电子射线偏转，来复现电信号瞬时值图象一种仪器。它把肉眼不能直接看见电信号变换成可见波形，形象显示出来，便于人们研究个重点现象变化过程。利用示波器可以观察各种不同信号幅度随时间变化规律，还可以测试各种不同电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等。目前示波器在科学试验及现场检测等许多领域被广泛应用。结构1. 示波管结构示波器基本组成部分包括示波管、竖直放大器（Y轴放大器）、水平放大器（X轴放大器）、扫描发生器、触发同步与直流电源等部分。示波管基本结构如图2-1所示。由于示波管偏转灵敏度很低，其垂直偏转灵敏度也较低，所以一般被测信号电压都要经过放大电路放大，再加到示波管垂直偏转板上，得到垂直方

34、向适当大小图形，一边分析处理。同理，水平方向电压也要加放大电路。显示电路包括了示波管及其控制部分。扫描电路产生一个锯齿波电压。该锯齿波电压频率能在一定范围内连续可调。锯齿波电压作用是使示波管阴极发出电子束在荧光屏上形成周期性、及时间成正比水平位移，即形成时间基线。这样，才能把加在垂直方向被测信号按时间变化波形展现在荧光屏上。电源供给电路供给垂直及水平放大电路、扫描及同步电路以及示波管及控制电路所需负高压、灯丝电压等。图2-1 示波管基本结构2. 示波器结构现代示波器简化方框图如图2-2所示。它主要由主机、Y轴系统、X轴系统三个部分组成。被测信号接到“Y”输入端，经Y轴衰减器适当衰减后送至放大器

35、(前置放大)，推挽输出信号与。经延迟级延迟Tl时间，到Y2放大器。放大后产生足够大信号5与6，加到示波管Y轴偏转板上。为了在屏幕上显示出完整稳定波形，将Y轴被测信号引入X轴系统触发电路，在引入信号正(或者负)极性某一电平值产生触发脉冲，启动锯齿波扫描电路(时基发生器)，产生扫描电压。由于从触发到启动扫描有一时间延迟T2，为保证轴信号到达荧光屏之前X轴开始扫描，Y轴延迟时间Tl应稍大于X轴延迟时间T2。扫描电压经X轴放大器放大，产生推挽输出与，加到示波管X轴偏转板上。Z轴系统用于放大扫描电压正程，并且变成正向矩形波，送到示波管栅极。这使得在扫描正程显示波形有某一固定辉度，而在扫描回程进行抹迹。图

36、2-5 示波器简化框图 （1）扫描作用如果只在竖直偏转板上加一交变正弦电压，则电子束亮点将随电压变化在竖直方向来回运动，如果电压频率较高，则看到将是一条竖直亮线。如图2-2所示。图2-2 波形扫描垂直显示要显示出波形，必须同时在水平偏转板上加一个扫描电压，使电子束亮点同时沿着水平方向拉开。这种扫描电压特点是电压随时间成线性关系增加到最大值，然后突然回到最小，此后再重复地变化。扫描电压随时间变化关系曲线形同“锯齿”故称“锯齿波电压”，如图2-3所示。当只有锯齿波电压加在水平偏转板上，如果频率足够高，则会在荧光屏上显示一条水平亮线。图2-3 波形扫描水平显示如果在竖直偏转板上（简称Y轴）加正弦电压

37、，同时在水平偏转板上（简称X轴）加锯齿波电压，电子同时受竖直、水平两个方向力作用，则电子运动为两相互垂直运动合成。当锯齿波电压及正弦电压变化周期相等时，在荧光屏上将能显示出一个完整正弦电压波形图（随着时间推移X与Y信号同步周期性地出现），如图2-4所示。图2-4 波形显示原理（2）触发扫描普通示波器扫描电压是采用自激锯齿波振荡器产生连续信号，当Y轴输入信号时，就显示波形，当Y轴未输入信号时，显示为一条水平线，这种扫描方式称为连续扫描，连续扫描对显示正弦波、对称方波、三角波是最合适，但如果用来显示很窄脉冲信号时，就无法得到理想结果，因为难以看清脉冲前后沿等情况，因此必须采用触发扫描方式。所谓触发

38、扫描，就是使扫描电路在被测脉冲信号或及之有一定关系外来脉冲信号触发下，才产生扫描电压，经过一定时间后又自动恢复到起始状态，完成一次扫描，然后等待下一个脉冲到来，再重新进行一次扫描。因为扫描起点由触发信号控制，因此，每次显示波形必定重合，图象就能保持稳定。（3）同步作用 要在示波器荧屏上获得稳定波形，被测信号频率必须为扫描电压（锯齿波）频率整数倍，即有。 如果被测信号及锯齿波两者频率不满足整倍数关系，或两者中任一频率发生变化，每次扫描显示图形就不能重合。而实际电路中由于电源电压不稳定或其他原因，都会引起被测信号与扫描信号频率变化，这种变化随时可能发生，依靠人工手动调节“扫描微调”旋钮，无法始终保

39、持两者整数比关系，所以必须设法使两者频率自动保持整数比，为此，可利用被测信号电压或及此有关电压，去强迫控制锯齿波频率，使之及被测信号频率保持整数比，这就是同步（或称为整步），用来控制锯齿波频率信号则称为同步信号。虚拟示波器整体上包括硬件与软件两部分。其硬件通常包括通用计算机与外围硬件设备。通用计算机可以是笔记本电脑、台式计算机或工作站等。外围设备可以选择GPIB系统、VXI系统、PXI系统、数据采集系统或其他系统，也可以选择有两种或两种以上系统构成混合系统;软件包括操作系统、示波器驱动器与应用软件三个层次。操作系统可以选择Windows9X/NT/2000/XP、SUNOS、Linux等。虚拟

40、示波器驱动程序是处理及特定仪器进行控制通信一种软件。示波器驱动器及通信接口及开发环境相联系，是虚拟示波器核心，可帮助用户完成对示波器硬件控制。目前流行虚拟仪器开发软件不但提供世界各地主要厂家生产多种仪器驱动程序，而且提供重要模块化代码，可以很方便地进行示波器驱动程序开发设计。应用软件通过示波器驱动器实现及外围硬件模块通信连接。应用软件指实现示波器功能与软面板软件程序。利用计算机强大计算能力与虚拟示波器开发软件功能强大函数库极大地提高了虚拟仪器数据分析处理能力。如内置分析能力能对采集到信号进行平滑、数字滤波、频域转换等分析处理。软面板是用户及示波器之间交流信息纽带。虚拟示波器在工作时利用前面板去

41、控制系统。及传统示波器物理面板相比，虚拟示波器软面板最大特点就是用户可自定义软面板，用户可根据自己需要来组成不同虚拟示波器控制面板。对于虚拟示波器来说，精度与准确度以及带宽都是非常重要参数。虚拟示波器将模拟信号数字化过程是利用采样时钟A/D转换器来完成。时钟信号决定A/D转换时间，并把转换后数据存入存储器。完成存储后，虚拟示波器能读出这些数据并将采样点按其时间间隔以一定表示方法显示出来，因此虚拟示波器水平分辨力是由存储器中采样点时间间隔决定。采样频率越高，水平分辨力就越高。（1）虚拟示波器垂直分辨力是由模数转换器位数决定，n位转换器有l/ 分辨力。如果所选用数据采集卡是12位，其在垂直方向上可

42、以分辨出65536个数据点，分辨力为。虚拟示波器垂直精度首先受A/D转换器精度限制，一般要比分辨力低。同时，它还受输入输出放大器线性度与精度影响，因此不能通过垂直分辨力来计算垂直精度。虚拟示波器所采用时钟是由一个具有既定频率晶体振荡器产生，它精确度可以高于，同时数字时钟还提供了良好稳定性，因此采样量值序列有很高线性度。示波器使用者主要依靠眼睛与显示器上刻度来区分信号，由于人为误差，所观察值根本达不到示波器精度与分辨力，浪费了示波器资源。虚拟示波器由于已经将输入信号数字化，因此使用者可以通过它提供光标测试功能来提高测试效果。光标测试功能是数字显示出光标所在位置信号值与时间值，从而可以减少人为误差

43、。（2）示波器用户观测目标就是获得感兴趣信号准确波形，同时具有最小失真。衡量虚拟示波器可靠度一个重要指标就是带宽。模拟示波器带宽是一个固定值，而虚拟示波器有两种带宽：模拟带宽与数字带宽。模拟带宽是指虚拟示波器可以无失真接受最高输入信号频率，它由虚拟示波器信号调理电路决定。虚拟示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到最高带宽为示波器数字带宽，一般并不作为一项指标直接给出。一般厂家指都是模拟带宽，实际数字带宽是要低于这个值。所以在数字带宽低于模拟带宽时，欠采样一个信号，利用示波器观察单次波形就会看到混叠现象。混叠现象危险性在于事实上用户可能不知道信号是欠采样，认为示波器显示是一个正确波形

44、。模拟信号经同轴电缆进入采集卡输入通道，经过前置滤波电路、衰减电路、可变增益放大电路，将信号处理成A/D转换器可以处理标准电平，经过A/D采样量化转化成计算机可以处理数字信号并缓存到存储器里。通过PC机PCI总线接口控制模拟通道阻抗匹配、放大器增益选择、启动A/D转换及转换结束识别，并将采集数据以DMA方式传输到计算机内存，同时对数据信号进行分析处理、显示、存储及打印输出等。数据采集流程如下：(l)对下位机采集卡中及数据采集相关一些硬件参数进行设置；(2)下位机采集卡开始采集数据，并将采集到数据暂存在先进先出缓冲区中；(3)当缓冲区存满数据后，一方面将数据读取到用户程序数组中，产生一个采样数据

45、集合，并在程序中对数据进行各种处理;另一方面，得到缓冲区满消息后，通知采集卡卡暂时停止采集外部数据，并进一步清空缓存里内容。虚拟示波器是采用基于计算机虚拟技术，用以模拟通用示波器面板操作与处理功能，也就是使用个人计算机及其接口电路来采集现场或实验室信号，并通过图形用户界面(GUI)来模仿示波器操作面板，完成信号采集、调理、分析处理与显示输出等功能。3 系统设计本文所开发虚拟示波器，是在数据采集硬件支持下，配备一定功能软件，完成波形数据采集、分析处理、存储回放以及显示控制等功能。一般测试仪器由信号采集、信号处理与结果显示三大部分组成，这三部分均由硬件构成。虚拟示波器也是由这三大部分组成，其中，信

46、号处理与结果显示是由软件系统实现，信号采集部分则是由硬件实现。软件部分程序流程图如图3-1所示。初始化信号采集样值送缓冲触发识别显示缓冲区若干个点有按键按下是否为触发点按键处理仿真信号图3-1 虚拟示波器程序流程图3.1 硬件设计数据采集技术是LabVIEW核心技术之一，也是LabVIEW及其他编程语言相比优势所在。使用LabVIEWDAQ技术，可以编写出强大DAQ应用软件。模拟信号采集是LabVIEWDAQ中一个主要功能，本研究所选用数据采集卡为NIUSB-6008，特性如表3-1所示。硬件框图如图3-2所示。表3-1 数据采集卡USB-6008特性特性USB-6008AI分辨力12位差分，

47、11位单端最大AI采样率，单个通道10KS/s最大AI采样率，多个通道（总计）10KS/sDIO配置集电极开路1.设备表层标签 带引脚排列方式示意 3. 信号标签2. Combicon连接器插座 4. USB线缆图3-2 数据采集卡连接框图图3-3 数据采集程序框图3.2 软件设计 LabVIEW编程环境介绍LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司推出一种基于G语言（Graphics Language，图形化编程语言）虚拟仪器软件开发平台。LabVIEW是目前应用最广泛、发展最

48、快、功能最强虚拟仪器开发环境。它类似于 Visual Basic、Visua1 C+、C语言。但LabVIEW特点在于：它使用图形化编程语言G在流程图中创建源程序，而没有使用基于文本语言来产生源程序代码。LabVIEW是一个多线程、最佳化图形编译器，它能在最大程度上优化系统性能。无论是使用基于计算机插入式仪器设备，还是使用GPIB、VXI、Ethenet接口或是串口独立仪器设备，LabVIEW内置驱动程序库与具有工业标准设备驱动软件都可以对仪器系统进行全面控制。LabVIEW数据采集库包含了许多有关采集与生成数据函数，它们及NI插卡式或远程数据采集产品协同工作。数据采集卡是进行高速直接控制以及低速控制理想设备。它能够为集成式测量方案提供功能强大且完备测量分析库，这些软件库可以完成极限测试、频率分析、滤波及信号生成等任务。LabVIEW具有许多特性，能使测量与自动化应用方案完全适用于用户企业