基于LabVIEW虚拟示波器的设计 毕业设计说明书.doc

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1、1 绪论1.1 引言由于微电子技术、计算机技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术上的应用，新的测试理论、测试方法、测试领域和新的仪器结构的出现，电子测量仪器的功能和作用发生了非常大的变化.虚拟仪器就是利用现有的计算机，加上特殊设计的硬件和软件，形成既有普通通用仪器的功能和界面,又具有强大的数据分析、处理、存储、控制等强大功能的高档低价新型仪器。它代表了当前电子测试仪器发展的新方向。示波器在电子测量、测试仪器中有着很广泛的应用，是观察模拟电路和数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。根据示波器组成原理的不同，可分为模拟示波器和数字示波器。模拟示波器具有分辨率高、响

2、应快、价格低廉等优点，在电子测量技术领域中曾得到广泛的应用。但是由于模拟示波器所采用的模拟技术的局限性，其缺点也是非常的明显的，如：体积庞大，只能观察和分析重复的周期性信号，对慢速信号、单次或偶尔出现的高速、高频信号，难以观察和分析，而且不能用来观察触发前的信号的波形等。并且在很多测量场合下，不仅要对被测信号进行定性分析，还要进行定量的分析，如需要测量信号的周期、频率、峰峰值等。模拟示波器要完成这些功能，就需要增加专用的电路，而使得价格大大增加。随着数字电路、大规模集成电路和微处理器技术的快速发展，尤其是高速模/数（A/D）转换器及存储器（RAM）技术的高速发展，出现了数字示波器。它把模拟信号

3、数字化，存储于半导体存储器中，主要是用于捕获和存储单次或瞬变信号。这种数字存储示波器有着许多独特的优点和功能，能够采集、观测、处理、存贮信号。与传统模拟示波器相比，数字示波器有以下两个突出的优点：（1）尤其适合用来捕获、观测非重复性的瞬态单次脉冲信号、随机信号或变化缓慢的信号，并能将被测信号长久的保存下来；（2）具有负延迟触发这是数字示波器所具有的独特的功能，可以观测触发信号到来之前的一段信号波形，这种功能在电路的故障诊断和电子器件的性能检测中是很有必要的，在电气、电子、机械、试验分析、生物医学、国防科研和生产过程等各个科研生产领域中，虚拟数字示波器有着广泛的应用，并成为了近年来发展速度最快的

4、新型仪器之一。虚拟数字示波器是虚拟仪器的一种，同时它也是数字示波器的一个特例，它是在以通用计算机为核心的硬件平台上，将计算机和数据采集系统结合在一起，由用户自己定义，具有虚拟面板，由测试软件实现测试功能的一种计算机系统。虚拟示波器不仅体积小、耗电少，而且能充分利用现有的计算机，实现如数据存储、数据分析、数据处理等在传统通用示波器上很难实现的特殊功能。所以，基于虚拟数字示波器的这些优点，本文所设计的示波器也应运而生，以满足现在电子测量技术的需要。1.2 课题背景和意义随着计算机技术和现代测试技术的飞速发展，现代测试系统越来越复杂，需要测试的数据量也越来越大，对测试的速度、精度、实时性、数据可信度

5、、完整性以及测试系统的可靠性、智能化、开放性等要求也越来越高。针对这些要求，如何利用基于计算机的虚拟仪器技术，快速高效的提出测试系统的构建方案，成为测试系统的首要问题和迫切的需要。虚拟仪器发展很快，从20世纪80年代NI(National Instruments)公司提出虚拟仪器的概念至今只有短短的二十多年时间，但虚拟仪器产品已经占有了仪器市场很大的份额。从事仪器仪表研究的科学家和工程师们清楚的认识到虚拟仪器不仅是21世纪仪器发展的主要方向，而且必将逐步取代传统的硬件化电子仪器，使成千上万种传统仪器都融入计算机中。虚拟仪器在很多发达国家应用十分广泛，如电子测量、过程控制、电信、医学等领域。对虚

6、拟仪器的研究，我国从90年代中期开始，至今已有很多新的进展。目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的要求更加强大。虚拟仪器赖以生存的计算机近几年来以迅猛的势头席卷了全国，为虚拟仪器的发展奠定了坚实的基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。一方面，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还是依赖进口。这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求很高，生产突破有困难。另一方面，用户还可以将一些适用的数字信号处理算法应用于虚拟仪器的设计，提供传统仪器不具备的功能，而且完全可以通过软件来实现多功能集成的仪器设计。因此，虚拟示波器的研制是非常有必要的。近年来，数字

7、信号处理技术的高速发展和高速数字信号处理器的广泛采用，极大地增强了仪器的信号分析、处理能力。数字滤波、FFT、相关、卷积等是信号处理的常用方法，其共同的特点是，算法的主要运算都是由迭代式的乘和加组成，这些运算如果在通用微机上用软件完成，运算时间较长，而数字信号处理器通过硬件完成上述的乘、加运算，大大提高了仪器速度和性能，推动了数字信号处理技术在仪器仪表领域的广泛应用。虚拟仪器的开发厂家为了增强虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，研发了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库，使之成为可以组建极为复杂的自动测试系统的仪器系统。例如用在虚拟示波器上的软

8、件功能有：测量结果的频谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积和相关函数处理、峰值和阀值检测、数值运算、时域和频域分析等，这大大超过了通用示波器的功能。总体的上看来，数字示波器的研究开发在国内还处于起步阶段，数字示波器的市场几乎全部由外国占领。很多虚拟仪器实验室都是直接购买国外的现成的虚拟仪器产品来建设实验室。由于厂家不会向用户提供全面开放的软件平台，也不会向用户提交关键技术，用户很难在现有的基础上作二次的开发，不利于实验产品的更新。虚拟仪器实验室的建设使得这种问题得以解决，目前应用虚拟仪器来进行实验教学己经实际启动，一些发达国家的高等学校己将虚拟仪器作为常规的实验仪器在学生实验中应用，我

9、国也已有部分高校的实验室引入了虚拟仪器，虚拟仪器实验室正逐步补充和取代传统的实验室。在国内，大学里做实验的人数增多以及社会对现代测试要求的提高。使得大学里利用现有仪器设备做实验的成本也飞速增长,Internet技术构建的分布式虚拟测试系统可使不同位置的学习者同时进行实验，可用软件仿真来模拟已有的和使用的设备，可使学生在Internet上学习仪器的控制和操作。使学生在实验中将主要精力放在实验数据的分析、实验结果的讨论、测试方案的多种比较、测试方法的多种利用上，而不是实验测试设备的搭建上和操作上，这样可使学生获得更多的知识1。本文的课题正是来源于此，课题的目标是设计一个性能较强、性价比好、操作简单

10、、界面美观，并具有一定通用性的虚拟数字示波器。另外，虽然在国内虚拟示波器的研究进入了一个新的阶段。但从总体上看，现有大多数设计的虚拟示波器功能不够强大，在数据处理上也显得不足。研究更实用的智能型虚拟数字示波器显得极其重要的。因此，为了提高虚拟示波器在数据处理方面的能力以及增强虚拟示波器的功能，本文提出了基于LabVIEW平台的虚拟数字示波器的实现。本论文研究的虚拟数字示波器是一种新型虚拟数字示波器，是电子测量领域里一类新型、实用型仪器。它具有较高的技术含量、很强的实用性和巨大的市场潜力，也代表了当代电子测量仪器的一种发展趋势。它综合利用了当今先进的虚拟仪器技术、计算机技术、软件技术和数字集成电

11、路技术。因而对于虚拟数字示波器的研究，有着较大的科研意义和现实意义。1.3 设计方案的比较在给定计算机必要的仪器硬件之后，构成和使用虚拟仪器的关键在于软件。软件为用户提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。美国国家仪器公司提出的“软件即仪器”（The Software is the Instrument）形象地概括了软件在虚拟仪器技术中的重要作用。所以正确选择软硬件对程序开发和设计起着非常重要的作用。只有选择了合适的软硬件才能快速开发出应用软件，才能事半功倍。对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可以分为两种方式：（1）通用编程软件进行编写。主要有Microsoft公司的Visual B

12、asic与VisualC+,Borland公司的Delphi,Sybase公司的PowerBuilder。（2）用专业图形化编程软件进行开发。如HP公司的HP-VEE，NI公司的LabVIEW和Labwindows/CVI等。具体选用哪一种软件，应该由编程者根据实际情况选择。设计一个简易虚拟示波仪，在设计中必须考虑以下因素：开发成本低、执行效率佳、程序弹性大、开发性架构易于扩充。LabVIEW是实验室虚拟仪器工程平台（Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench）的简称，是美国国家仪器公司的创新软件产品，也是目前应用最广泛、发展最快、功能

13、最强的图形化软件开发环境。LabVIEW的前面板可以包含旋钮、刻度盘、开关、图表和其他界面工具，允许用户通过键盘或鼠标获取数据并显示结果。LabVIEW具有模块化特性，有利于程序的可重用性。LabVIEW将软件的界面设计与功能设计独立开来，修改人机界面无需对整个程序进行调整，LabVIEW是利用数据流框图接受指令，使程序简单明了，充分发挥了图形化编程环境的优点。这就大大简短了虚拟仪器的开发周期、消除了虚拟仪器编程的复杂过程。而通用的编程软件需利用组件技术实现软面板的设计，这是程序设计变得非常麻烦2。LabVIEW虽然是为计算机测控领域开发的，但它的函数包含了一般高级计算机语言中的绝大多数程序控

14、制功能。LabVIEW作为开发环境所具有的优点总结如下所述3：（1）图形化编程，降低了对使用者编程经验的要求，易于工程师使用；（2）采用面向对象的方法和概念，有利于软件的开发和再利用；（3）对象、框图及其构成的虚拟仪器在Windows,Windows NT、UNIX等多平台之间和各种PC机及工作站间兼容，便于软件移植；（4）支持550多种标准总线设备及数据采集卡，如串行接口、GPIB、VXI等；（5）具有丰富的库函数和例子，对于大多数应用程序，用户可以从例子中取得程序框架，便于提高开发速度；（6）具有比较完备的代码接口，可调用Windows中的动态链接库（DLL）中的函数以及C语言程序，以弥补

15、自身的某些不足；（7）直接支持动态数据交换（DDE）、对象联接与嵌入（OLE）、结构化查询语言(SQL)，便于与其它Windows应用程序和数据库应用程序接口；（8）支持TCP,UDP等网络协议，网络功能强大，可遥控分布在其他微机上的虚拟仪器设备；（9）为加强LabVIEW的功能，适应各种工业应用的需要，NI公司又开发了一系列与LabVIEW配合使用的软件包，如自动测试工具、可连结25种数据库的SQL工具、SPC分析函数工具、信号处理套件、PID控制工具、图形控制工具等。在许多应用程序中，运行速度是至关重要的。LabVIEW是当今唯一带有可以生产最佳编码的编译器的图形化开发环境，运行速度等同于

16、编好的C或C+程序。因此LabVIEW是虚拟示波器设计的最佳选择。1.4 本设计所做的工作首先先学习虚拟仪器以及示波器等相关知识，在了解其工作原理的基础上，通过LABVIEW平台，完成虚拟示波器设计，其功能具有双通道输入显示，且垂直、水平方向大小可调，通道控制、还具有输入信号处理功能、频谱分析等功能。为了更好的验证其功能，本示波器还添加了信号生成模块，能够内部生产幅值、频率可调的各种信号。2 虚拟仪器2.1 虚拟仪器技术概述2.1.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的

17、测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器4。虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户

18、界面）有机的结合起来5。2.1.2 虚拟仪器的特点及优势虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心6。如图2.1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块7。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特

19、点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。图2.1 虚拟仪器开发框图虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据

20、；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程8。2.1.3 虚拟仪器和传统仪器的比较虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势（如表2.1所示）。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。由此导致许多识读和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功

21、能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强

22、大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。表2.1 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器开发维护费用低开发维护费用高技术更新周期短（0.51年）技术更新周期短（510年）软件是关键硬件是关键价格低价格昂贵开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备自动化、智能化、多功能、远距离传输功能单一，操作不便近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。这

23、是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet/Intranet的一部分，实现现场监控和管理。在当前流行的C/S/D网络模式下，利用嵌入式技术（包括数据库嵌入和网络模块的嵌入）可以充分利用有效资源，提高测试效率。2.2 虚拟仪器的开发软件2.2.1 虚拟仪器的开发语言虚拟仪器系统的开发语言有：标准C，Visual C+ ，Visual Basic等通用程序开发语言。但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。除了要花大量时间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。这些工作对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员来说，要花费大量时间和

24、精力，这样直接影响了系统开发的周期和性能。除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有：NI公司的LabVIEW，LabWindows/CVI。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的，是在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。除此以外还有HP公司的HP-VEE ，HP-TIG开发平台，美国Tektronix公司的Ez-Test ，Tek-TNS平台软件，这些都是国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台11。2.2.2 图形化虚拟仪器开发平台LabVIEWLabVIEW(L

25、aboratory Virtual Instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/PI、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，设计者必须写出执行的语句。而LabVIEW是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，

26、这使得设计者不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统19。目前，在以PC机为基础的测试和工控软件中，LabVIEW的市场普及率仅次于C+/C语言。LabVIEW具有一系列无与伦比的优点：首先，LabVIEW作为图形化语言编程，采用流程图式的编程，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似；同时，LabVIEW提供了丰富的VI库和仪器面板素材库，近600种设备的驱动程序(可扩充)如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储；并且LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调

27、试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。因此，LabVIEW受到越来越多工程师、科学家的普遍青睐26。利用LabVIEW ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32编译器。像许多通用的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多种版本12。2.2.3 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程图(Block Diagram)以及图标/连结器(Icon/Connector)三部分12。1）前面板：前面板是图形

28、用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。2）流程图：流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用VI可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出

29、现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几。这种设计思想的优点体现在两方面：类似流程图的设计思想，很容易被工程人员接受和掌握，特别是那些没有很多程序设计经验的工程人员。设计的思路和运行过程清晰而且直观。如通过使用数据探针、高亮执行调试等多种方法，程序以较慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰色，执行后的代码会高亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪数据流的运行。这为程序的调试和参数的设定带来诸多的方便。3）图标/连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在设计大型自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。而在LabVIEW中提供的

30、图标/连接工具正是为实现模块化设计而准备的。设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。这样设计的优点体现在如下几方面：把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。同时也对于将来系统的维护提供了便利。一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的功能模块，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期，提高系统设计的可靠性。便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提。3 示波器概述3.1 传统示波器的分类示波器是以短暂扫迹的形式显示一个量的瞬时值的仪器，

31、也是一种测量、观察、记录的仪器。可以直观表示二个、三个及多个变量之间的瞬态或稳态函数关系、逻辑关系、以及实现对某些物理量的变换或存储22。传统示波器大致可以分为模拟示波器和数字示波器两大类。随着数字技术的飞速发展，数字示波器的综合技术指标和性能已赶上并超过模拟示波器，价格也不断在降低，成为现代示波器的主流24。数字示波器是将被测连续模拟信号用AD转换器变换成离散数字信号，存储于存储器中。最后可将模拟波形显示在示波管上或直接显示在LCD上。数字存储示波器既适用于重复信号的检测，也适用于单次瞬态信号的测量。数字存储的方法不仅克服了模拟示波器的所有缺点，并且还带来了很多突出特点和功能，比如：可以显示

32、大量的预触发信息；可通过使用或不使用光标的方法进行全自动的测量；可以长期储存波形；可以在打印机或绘图仪上制作硬拷贝以供编制文件之用；可以按照通过或不通过的原则进行判断；波形信息可用数学进行处理等25。近年来国内数字存储示波器技术研究也取得了很大成果。但由于我国研制示波器起步晚，资金投入有限，当前国内高端示波器市场仍然是由国外产品主导。打破技术垄断，开创新的技术领域，为国防军用领域高新技术的研究与开发提供现代化的检测、分析、处理的强有力工具。3.2 示波器的基本原理示波器是利用电子射线的偏转，来复现电信号瞬时值图象(常成为时间波形)的一种仪器。它能快速的把肉眼不能直接看见的电信号的时变规律，以可

33、见的形式，形象的显示出来27。现代示波器主要由主机、Y轴系统、X轴系统三个部分组成28。目前，示波器在信号测试、信号比较、逻辑分析等领域得到了广泛应用。3.3 传统示波器的不足传统示波器是电子工业、科学研究和教学实验领域中一种必备仪器，曾经而且正在上述领域占有重要的地位。但是，高速发展的现代科技对测控仪器设备提出了新的要求，主要表现在以下几个方面：（1）现代测控任务不仅要求仪器设备能够测量某个量，而且更希望能够实现测量过程的智能化、自动化；（2）仪器设备规模应容易扩展，测量功能应能够实现多样化；（3）多个测量设备应能通过互相通信实现信息数据共享，从而显示对被测系统的综合分析、评估和测定。而传统

34、示波器和其它传统仪器设备一样，却越来越不能满足上述要求，造成对于规模较大的复杂系统的测量，需要使用不同厂家的包括示波器在内的数目众多的不同测试仪器设备。一方面，使用者需要较多的知识，负担沉重；另一方面，这些仪器设备不仅使用效率低，而且硬件冗余严重。3.4 传统数字示波器的原理数字示波器不仅可以方便地实现对模拟信号波形进行长期的储存而且可以利用机内微处理器对存储的信号进行处理，如对被测波形的幅值、频率、平均值、前后沿时间等参数的自动测量及多种复杂处理29。数字存储示波器的原理框图如图3.1所示。其工作过程一般可分为存储和显示两个阶段。在存储阶段，输入的被测模拟信号先经过适当的放大或者衰减，然后送

35、至A/D变换器进行取样、量化，转换为数字量“O“l”的编码30。这些数字量在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM中。上述取样，量化以及写入过程都是在同一频率下进行的。在显示工作阶段，采用了较低的时钟频率从存储器中依次把数字信号读出，并经DA转换器转换为模拟信号，经垂直放大器放大加到CRT的Y偏转板31。同时，存储器的读地址加至DA转换器，得到一个扫描电压，加到水平放大器，驱动CRT的X偏转板，从而实现在CRT上以稠密光点的形式包络重现模拟输入信号。显示屏上显示的每一个点都代表数字存储示波器捕获的一个数据，点的垂直位置由对应存储单元中的数据给出，点的水平位置由对应存储单元的地址给出。图3.1数字

36、存储示波器原理框图 数字示波器的核心内容是将模拟连续被测信号转换为数字信号，即采样。示波器常使用的数字化采样方法有两种，即实时采样和等效时间采样。实时采样指的是所有的采样点都是按照一个固定的次序来采集的。此时波形采样的次序和采样点在示波器屏幕上出现的次序是相同的。只要一个触发事件就可以启动全部的采集动作。这种采样方式适合任何形式的信号波形。等效时间采样的方法采用从重复性信号的不同的周期取得采样点来重建这个重复性信号的波形，这样就可以提高示波器的时间分辨率。等效时间采样可以采用两种不同的方法，即顺序等效采样和随机等效采样。4 虚拟示波器的信号采集信号探头捕捉到模拟信号后，由量程选择电路根据对电压

37、幅值的判断选择合适量程，放大电路对此信号进行放大，再经过A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，并且在时钟作用下同步地把数据存入存储器。再把数据上传到计算机，继而由LabVIEW应用程序对数据进行分析处理，把波形从计算机显示器上显示出来。4.1 数据采集该部分主要包括数据采集技术概述，传感器，输入信号的分析、调理以及测量系统的选择，下面分别予以说明。4.1.1 数据采集技术概论在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决

38、。1）采样频率采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要510倍。2）采样方法采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和A/D转换器，要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。如果采样系统对时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和A/D转换器。但是处于成本的考虑，现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和A/D转换器。3）分辨率ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分

39、的电压就越小。例如，三位的A/D转换把模拟电压范围分成23=8段，每段用二进制代码在000到111之间表示。因而，数字信号不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。如果增加到十二位，代码数从8增加到212=4096，这样就可以获得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。4）电压动态范围电压范围指ADC能扫描到的最高和最低电压。一般最好能够使进入采集卡的电压范围刚好与其符合，以便利用其可靠的分辨率范围。例如，一个12位多功能DAQ卡，其可选的范围从0到10V，或5到5V，其可选增益有1，2，5，10，20，50或100。电压取值范围从0到10V，增益为50，则理想分辩电压是：假设现在对一个模

40、拟信号x(t)每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数l/t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t0，t，2t，3t等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0)，x(t)，x(2t)都是采样值。这样信号x(t)可以用一组分散的采样值来表示：x(0)，x(t)，x(2t)，x(3t)，x(kt)，图3.1显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是t，注意，采样点在时域上是离散的。图4.1 模拟信号采样图如果对信号x(t)采集N个采样点，那么x(t)就可以用下面这个数列表示：X=x0，xl，x2，x3，xNl这个数列被称为信号x(t)的数字化显示或者采样显示。这

41、个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率(或t)的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x(t)的频率。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做奈奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和奈奎斯特频率之间畸变。图4.2和图4.3显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。图4.2 合适采样率采样波形图4.3 采样率过低采样波形采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这

42、种信号畸变叫做混叠。出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(A/D)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，但实际上工程中选用5-10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。4.1.2 采集系统的一般组成及各部分功能描述图 4.4 数据采集结构图图4.4表示了数据采集的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。需要注意的两个问题是：是否使用缓冲？是否使用外触发启动、停止或同步一个操作？1

43、）缓冲(Buffers)这里的缓冲指的是PC内存的一个区域(不是数据采集卡上的FIFO缓冲)，它用来临时存放数据。例如，你需要采集每秒采集几千个数据，在一秒内显示或图形化所有数据是困难的。但是将采集卡的数据先送到Buffer，你就可以先将它们快速存储起来，稍后再重新找回它们显示或分析。需要注意的是Buffer与采集操作的速度及容量有关。如果你的卡有DMA性能，模拟输入操作就有一个通向计算机内存的高速硬件通道，这就意味着所采集的数据可以直接送到计算机的内存。不使用Buffer意味着对所采集的每一数据你都必须及时处理(图形化、分析等)。2）触发(Triggering)触发涉及初始化、终止或同步采集

44、事件的任何方法。触发器通常是一个数字或模拟信号，其状态可确定动作的发生。软件触发最容易，你可以直接用软件，例如使用布尔面板控制去启动/停止数据采集。硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可进一步分为外部触发和内部触发。4.1.3 传感器传感器部分是跟外界沟通的门户，负责把外界的各种物理信息，如光、压力、温度、声音等物理信号变成电信号。因为被测试对象的信号来源已经是变换好了的电信号，所以传感器部分在设计中没有得到具体体现，但是这部分是设计过程中必需要考虑的。4.1.4 信号调理从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大

45、、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，除了这些通用功能外，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。信号调理的通用功能如下：1）放大：微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。2）隔离：隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因：一是从安全的角度考虑；二是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间

46、有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。3）滤波：滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。另外，某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。4）激励：信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等就需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。5）线性化：许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。目前，数据采集系统也可以利用软件来解决这

47、一问题。6）数字信号调理：即使传感器直接输出数字信号，有时也有必要进行调理，其作用是将传感器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整。大多数数字信号调理模块还提供其他一些电路模块，使得用户可以通过数据采集卡的数字I/O比直接控制电磁阀、电灯、电动机等外部设备。4.1.5 输入信号的类型在进行数据采集前，必须对要采集的信号有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统。任意一个信号是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载信息是很广泛的，比如：状态(State)、速率(Rate)、电平(Level)、形状(Shape)、频率成分(

48、Frequency Content)。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟或数字信号。数字信号又可分为开关信号和脉冲信号。模拟信号则可分为直流、时域、频域信号。4.1.6 输入信号的连接方式一个电压信号可以分为接地和浮动两种类型。1）接地信号接地信号，就是将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。接地最常见的例子是通过墙上的接地引出线，如信号发生器和电源。2）浮动信号一个不与任何地(如大地或建筑物的地)连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。一些常见的浮动信号的例子有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。4.1.7 测量系统分类测量系统可以分为差分(Differential)、参考地单