畢業(yè)設計（論文）虛擬示波器設計

1、虛擬示波器設計摘 要隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，儀器工業(yè)正在經(jīng)歷一場巨變。計算機強大的處理和顯示能力，使它可以在數(shù)據(jù)采集、分析和表達中的任意一個方面提升儀器的性能。以虛擬儀器為代表的新型儀器改變了傳統(tǒng)儀器的思想，它們充分利用了計算機強大的軟硬件資源，把計算機技術(shù)和測量技術(shù)緊密結(jié)合起來，是融合了電子測量、信號處理、計算機和網(wǎng)絡技術(shù)的新型測量儀器，由于成本低、使用方便等優(yōu)點得到了廣泛的應用。本文介紹了虛擬儀器的基本框架和總體設計思想。在此基礎上，提出了了基于pc聲卡的虛擬示波器的系統(tǒng)設計方案。文中重點講解了該簡易虛擬示波器各模塊的詳細設計，包括數(shù)據(jù)采集和處理、觸發(fā)控制、波形顯示、參數(shù)測量、頻譜分析、波形

2、存儲以及坐標轉(zhuǎn)換等模塊，并給出了具體的設計方法和實驗結(jié)果。論文最后對虛擬示波器進行了系統(tǒng)測試和性能分析，達到了預先的設計要求。本設計的最大特點是成本低。該簡易示波器的y軸通道采用計算機中的聲卡，它具有16位的轉(zhuǎn)換精度和44.1khz的采樣頻率，致使本虛擬示波器可以達到20k左右的模擬帶寬，適合低頻(020khz)數(shù)據(jù)采集應用場合。關鍵詞：虛擬儀器；虛擬示波器；聲卡；波形顯示design of virtual oscilloscopeabstract the instrumentation industry is undergoing a variety of exciting changes

3、as a result of the development of pc, the pc revolution has equipped users with powerful processing and display capabilities of their own. the computer can enhance instrument functionality in any of the three areas-data acquisition, analysis, and presentation. virtual instrument (vi) changed the ide

4、as of traditional instrument and made full use of the powerful resources of computer. it is a new-style instrument that combines the technologies of electronic measurement, signal processing, computer and network. it has been used widely because of lower cost and convenient application. this thesis

5、introduces the basic framework and design ideas of virtual machines. on this basis, present a virtual oscilloscope-based pc sound card in the system design. the article focuses on the simple virtual oscilloscope modules of the detailed design, including data collection and processing, trigger contro

6、l, waveform display, measuring parameters, spectrum analysis, waveform storage and coordinates conversion modules, and given specific design methodology and experimental results. finally this paper tests system and analyses performance to the virtual oscilloscope, meet pre-design requirements. the m

7、ost important feature of this design is low cost. easy access of the oscilloscope y axis uses the computer card, which has 16 spaces and the conversion accuracy of the sampling frequency of 44.1khz, has resulted in the virtual oscilloscope can reach around 20k analog bandwidth, suitable for low freq

8、uency (020khz) data collection application occasions.keywords: virtual instruments; virtual oscilloscope; sound card; waveform display目 錄摘 要iabstractii目 錄iv第1章 緒 論11.1 虛擬儀器11.1.1 虛擬儀器的概述11.1.2 虛擬儀器的概念21.1.3 虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)和類型31.2 虛擬儀器的發(fā)展51.3 本文的研究內(nèi)容8第2章 虛擬示波器的基本原理102.1 示波器的基本原理102.1.1 示波器波形顯示原理102.1.2 通用示

9、波器的組成部分112.2 數(shù)字示波器的基本原理122.2.1 數(shù)字示波器基本原理122.2.2 數(shù)字示波器基本方框圖132.3 虛擬示波器的工作原理14第3章 虛擬示波器的設計173.1 虛擬儀器的創(chuàng)建過程173.2 設計方案的比較183.2.1 軟件比較183.2.2 聲卡采集數(shù)據(jù)的特點203.3 labview中有關聲卡函數(shù)簡介26第4章 軟件模塊設計284.1 labview簡介294.1.1 g語言簡介294.1.2 labview程序組成304.2 數(shù)據(jù)采集與處理模塊314.3 觸發(fā)控制模塊344.3.1 觸發(fā)控制模塊354.3.2 子程序模塊364.3.3 子子程序模塊374.4

10、波形顯示模塊394.5 測量模塊414.6 頻譜分析模塊424.7 波形暫停與存儲模塊434.8 坐標移動功能模塊444.9 小結(jié)45第5章 性能測試與分析475.1 控制面板475.2 示波器的性能指標475.3 波形顯示實驗485.4 小結(jié)51第6章 結(jié)束語52參考文獻54致 謝5658第1章 緒 論1.1 虛擬儀器由于電子技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的高速發(fā)展及其在電子技術(shù)與儀器領域中的應用，新的測試理論、方法、領域以及新的儀器結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，電子測量儀器的功能和作用也發(fā)生了質(zhì)的變化1。在這種背景下，20世紀80年代末，美國成功研制了虛擬儀器。本章將重點介紹虛擬儀器的概念和其結(jié)構(gòu)、發(fā)展以及

11、開發(fā)虛擬儀器所需的軟硬件選擇和本文的主要內(nèi)容2。1.1.1 虛擬儀器的概述 虛擬儀器是隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、現(xiàn)代測量技術(shù)、電子儀器技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型儀器，它經(jīng)歷了電磁指針式儀器、分立元件式儀器、數(shù)字式儀器、智能式儀器發(fā)展的一步步進程。特別是20世紀80年代末以來，新的測試理論，新的測試方法以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化，一種全新的虛擬儀器觀念出現(xiàn)在人類面前，它從根本上更新了測量儀器的概念3。虛擬儀器的出現(xiàn)是測量儀器領域的一個突破，它徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀，代表著測量儀器發(fā)展的最新方向和潮流，開辟了測量

12、測試技術(shù)的新紀元。虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展使現(xiàn)代測量技術(shù)和計算機技術(shù)真正結(jié)合在一起，是計算機技術(shù)和現(xiàn)代測量技術(shù)的高速發(fā)展和共同孕育出的一項革命性新技術(shù)。虛擬儀器廣泛應用于工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)、圖象的采集和分析處理、系統(tǒng)仿真、運動控制、遠程監(jiān)控、物礦勘探、醫(yī)療、振動分析、聲學分析、故障診斷、電子工程、電力工程及教學科研等諸多領域。它的出現(xiàn)對科學技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)將產(chǎn)生不可估量的影響2,4,5,6。 虛擬儀器的概念首先由美國國家儀器公司ni（national instruments）提出，并在1986年推出的labview1.0虛擬儀器軟件平臺，由此開創(chuàng)了虛擬儀器發(fā)展的新紀元，自1986年ni 公司推

13、出1.0版本以來，2004年5月相繼有ni labview7.1版本面世。由labview開發(fā)的程序稱為虛擬儀器(virtual instrument)，簡稱vi3,7。1.1.2 虛擬儀器的概念虛擬儀器（virtual instrument，簡稱vi）是虛擬技術(shù)在儀器儀表領域中的一個重要應用，它是現(xiàn)代計算機技術(shù)（硬件、軟件和總線技術(shù)）和虛擬儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是當今計算機輔助測試（cat）領域的一項重要技術(shù)7。即虛擬儀器就是計算機技術(shù)介入儀器領域所形成的一種新型儀器，它是利用計算機強大的圖形環(huán)境，組合相應的硬件，編制不同的測試軟件，建立界面友好的虛擬儀器面板（即軟面板），通過友好的圖形

14、界面及圖形化編程語言控制儀器運行，構(gòu)成多種儀器，完成對被測量的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成的儀器9。也就是說，虛擬儀器是：利用計算機顯示器模擬傳統(tǒng)儀器控制面板，以多種形式輸出和顯示結(jié)果；利用計算機軟件實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理；利用i/o接口設備完成信號的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。vi以透明的方式將計算機資源（如微處理器、內(nèi)存、顯示器等）和儀器硬件（如a/d、d/a、數(shù)字i/o、定時器、信號調(diào)理等）的測量與控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理與表達，如圖1.1所示8。而軟件就成為了虛擬儀器的關鍵，任何一個使用者都可以通過修改虛擬儀器的

15、軟件來改變它的功能，這就是美國ni公司“軟件就是儀器”（the software is the instrument）一說的來歷10。acquisition and control(采集與控制)plug-in data acquisition(插入式數(shù)據(jù)采集板)gpib(ieee-488)(gpib儀器)vxi（vxi儀器）rs-232（rs232儀器）data analysis（數(shù)據(jù)分析）digital signal processing board （數(shù)字信號處理）digital filtering（數(shù)字濾波）statistics（統(tǒng)計）numerical analysis（數(shù)字分析）da

16、ta presentation（數(shù)據(jù)表達）networking（網(wǎng)絡）hardcopy output（硬拷貝輸出）file i/o（文件i/o）graphical user interface（圖形用戶接口）圖1.1 虛擬儀器內(nèi)部功能的劃分1.1.3 虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)和類型數(shù)據(jù)采集卡信號調(diào)理其他計算機硬件現(xiàn)場總線設備vxi儀器串行接口儀器/plcgpib接口卡測控對象 gpib接口儀器labviewlabwindows/cvi圖1.2 虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成框圖虛擬儀器系統(tǒng)的基本框圖如圖1.2所示。把plc、現(xiàn)場總線設備也放入這個框圖，是因為如果按構(gòu)成儀器的三大功能部件來看，所有的過程控制系統(tǒng)、工

17、業(yè)自動化系統(tǒng)均可歸納到虛擬儀器系統(tǒng)的框架上來。目前較常用的虛擬儀器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、gpib控制系統(tǒng)、vxi儀器系統(tǒng)以及這三者之間的任意組合4,11。(1) gpib儀器控制系統(tǒng)的構(gòu)成方法gpib技術(shù)可以說是虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的第一階段。gpib（通用接口總線）猶如一座橋梁，把可編程儀器和計算機緊密地結(jié)合起來，從此電子測量由獨立手工操作的單臺儀器向組成大規(guī)模測試系統(tǒng)方向邁進。一個典型的gpib測試系統(tǒng)由一臺計算機、一塊gpib接口板和若干gpib儀器通過標準gpib電纜連接而成。gpib自動測試系統(tǒng)的規(guī)?？梢赃M一步擴展。利用gpib技術(shù)，可以通過計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式

18、，排除人為因素造成的測量、測試誤差。同時，由于可以用預先編制好的測試程序，實現(xiàn)自動測試提高系統(tǒng)測量的可靠性和效率。(2) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成方法一個典型的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)由四部分組成，如圖1.3所示。現(xiàn)場信號、傳感器執(zhí)行機構(gòu)信號調(diào)理（放大、過濾等）數(shù)據(jù)采集板、卡或盒數(shù)據(jù)采集控制軟件 圖1.3 典型的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)框圖一個好的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品不僅包括高性能、高可靠性，還應該提供高性能的驅(qū)動程序、簡單易用的高層語言接口。只有這樣才能為用戶快速建立高可靠性的應用系統(tǒng)提供最大方便。目前，由于多層印制電路板技術(shù)、可編程儀器放大技術(shù)、即插即用技術(shù)、系統(tǒng)定時器技術(shù)、多數(shù)據(jù)采集實時系統(tǒng)繼承總線技術(shù)、高速數(shù)據(jù)采集

19、的雙緩沖區(qū)技術(shù)以及數(shù)據(jù)高速傳送中斷、dma等技術(shù)的應用，使得最新的數(shù)據(jù)采集卡能保證儀器級的性能、精度與可靠性，為用戶建立功能靈活，性能價格比高的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)提供了很好的解決方案12,13。(3) vxi儀器系統(tǒng)構(gòu)成方法vxi總線是一種高速計算機總線vme總線在儀器領域的擴展。由于它的標準開放、結(jié)構(gòu)緊湊、具有數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠商支持等優(yōu)點，因此很快得到了廣泛的應用。在近10年時間內(nèi)，隨著vxi總線規(guī)范的不斷完善和發(fā)展，vxi即插即用系統(tǒng)聯(lián)盟的不懈努力，vxi系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，其應用面也越來越廣，尤其是在組建大、中規(guī)模自動測量測試系統(tǒng)以及對速度

20、、精度要求高的場合有著其他儀器系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢9。一個基本的vxi儀器系統(tǒng)可以有三種不同的配置方法18： gpib控制方案； 嵌入式計算機控制方案； mxi總線控制方案。1.2 虛擬儀器的發(fā)展虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體，從而把計算機強大的計算機處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示，存儲以及分析處理。從發(fā)展史來看，電子測量儀器經(jīng)歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器10。當硬件平臺i/o接口設備與計算機確定后，編制某種測量功能的軟件就成為該種功能的測量儀器。因為虛擬儀器可以與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡及

21、其他周邊設備互聯(lián)，用戶只需改變軟件程序就可以不斷賦予它或擴展增強它的測量功能。這就是說，儀器的設計制造不在是廠家的專利。虛擬儀器開創(chuàng)了儀器使用者可以成為儀器設計者的時代，這將給儀器使用者帶來無盡的收益15。虛擬儀器從概念的提出到目前技術(shù)發(fā)展已日趨成熟，體現(xiàn)了計算機技術(shù)對傳統(tǒng)工業(yè)的革命。大致說來，虛擬儀器發(fā)展至今，可以分為三個階段，而這三個階段又是同步進行的11。第一階段，利用計算機增強傳統(tǒng)儀器的功能。由于gpib總線標準的確立，計算機與外界通信成為可能，只需要把傳統(tǒng)儀器通過gpib和rs-232同計算機連接起來，用戶就可以用計算機控制儀器。隨著計算機系統(tǒng)性價比的不斷上升，用計算機控制測控儀器成

22、為一種趨勢。這一階段虛擬儀器的發(fā)展幾乎是直線前進。第二階段，開放式的儀器構(gòu)成。儀器硬件上出現(xiàn)了兩大技術(shù)進步：一是插入式計算機數(shù)據(jù)處理卡（plug-in pc-daq）；二是vxi儀器總線標準的確立。這些新的技術(shù)使儀器的構(gòu)成得以開放，消除了第一階段內(nèi)在的由用戶定義和供應商定義儀器功能的區(qū)別。第三階段，虛擬儀器框架得到了廣泛認同和采用。軟件領域面向?qū)ο蠹夹g(shù)把任何用戶構(gòu)建虛擬儀器需要的東西封裝起來。許多行業(yè)標準在硬件和軟件領域已產(chǎn)生，幾個虛擬儀器平臺已經(jīng)得到認可并逐漸成為虛擬儀器行業(yè)的標準工具。發(fā)展到這一階段，人們也認識到了虛擬儀器軟件框架才是數(shù)據(jù)采集和儀器控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化的關鍵2。目前，虛擬儀器

23、的發(fā)展過程有兩條主線：一是gpibvxipxi總線方式（適合大型高精度集成系統(tǒng)）；二是pc插卡式lpt并行口式串口usb方式ieee標準的1394口方式（適合于普及型的廉價系統(tǒng)，有廣闊的應用發(fā)展前景）16。隨著計算機、通信和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以及網(wǎng)絡時代的到來和信息化要求的不斷提高，網(wǎng)絡技術(shù)應用到虛擬儀器領域中是虛擬儀器發(fā)展的重要趨勢。21世紀的虛擬儀器主要發(fā)展方向是網(wǎng)絡化虛擬儀器，它是將由單臺虛擬儀器實現(xiàn)的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析及圖形化顯示三大功能分開處理，分別使用獨立的基本硬件模塊實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的三大功能，進而實現(xiàn)信息資源的共享7。也就是將虛擬儀器、外部設備、被測試點以及數(shù)據(jù)庫資源納入網(wǎng)絡，

24、實現(xiàn)資源共享，共同完成測試任務。使用網(wǎng)絡化虛擬儀器可在任何地點、任意時刻都能獲取測量數(shù)據(jù)，也適合異地或遠程控制、數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測、報警等。不久的將來，還可以把數(shù)碼發(fā)布到web網(wǎng)頁上甚至把數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C上，實現(xiàn)在不同地點、不同國家的同行合作處理同一個項目。虛擬儀器的核心是軟件，而虛擬儀器軟件構(gòu)架的精髓是虛擬儀器庫技術(shù)。傳統(tǒng)的vi方式為一個儀器功能開發(fā)一個軟件，每個軟件都獨立具有數(shù)據(jù)采集功能，但多個軟件不能同時使用。虛擬儀器庫技術(shù)解決了這個矛盾，如dasp2003標準版和專業(yè)版內(nèi)的虛擬儀器庫模塊就是由“平臺軟件+虛擬儀器庫”組成，多個軟件共享虛擬儀器的硬件資源17。它由一個平臺軟件實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)

25、采集和頻譜分析。多個模塊化的儀器軟件基于平臺軟件上運行，共用平臺軟件提供的數(shù)據(jù)和頻譜值，分別實現(xiàn)各自儀器的不同功能（如頻率計、阻尼計、轉(zhuǎn)速表、失真度計、索力計、聲級計、壓力計、溫度計、應變計、應力計、示波器、頻譜儀、波譜雙顯儀、混疊演示儀、泄露顯示儀、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)多用表等）。它的特點是在一個平臺軟件上，多個模塊化儀器軟件共享a/d采集數(shù)據(jù)資源及信號處理的數(shù)據(jù)資源，多臺儀器可以高速實時運行，操作應用非常方便。就像pc與windows、office的發(fā)展依存關系一樣，虛擬儀器正在向綜合性、多功能、多用途、快捷的多畫面的虛擬儀器庫方向發(fā)展。此外，手持式、更輕便的小型化的嵌入式pc（如pc104）

26、及掌上電腦與dsp、ad/da、lcd、調(diào)理放大、電子盤加軟件相結(jié)合的一體機也是一個未來發(fā)展方向，它使虛擬儀器更方便地深入到測試現(xiàn)場。虛擬儀器向節(jié)能、省電、輕便、小型化發(fā)展也是一個方向23。1.3 本文的研究內(nèi)容虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(簡稱硬件平臺)和應用軟件兩大部分構(gòu)成。硬件平臺主要完成對被測信號進行調(diào)理和采集。儀器硬件可以是插入式數(shù)據(jù)采集卡及必要的外圍電路(含信號調(diào)理電路、a/d轉(zhuǎn)換器、數(shù)字i/o、定時器、d/a轉(zhuǎn)換器等)，或者是帶標準總線接口的儀器，如gpib, vxi, pxi, std, pci總線儀器和網(wǎng)絡化儀器等16。目前市場上的a/d采集卡和數(shù)據(jù)采集卡以及帶標準總線接口的儀

27、器等，其價格均不菲，以畢業(yè)設計的實驗目的來說，性價比以及實用程度顯得不高。進而考慮計算機中的聲卡本身就是一個a/d,d/a的轉(zhuǎn)化裝置，具有16位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率是44.1khz，完全可以滿足特定應用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，個別性能指標還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡，而價格卻為商用數(shù)據(jù)采集卡的十幾分之一甚至幾十分之一，在設計試驗中完全可以滿足要求14。因此在本設計中，虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集裝置主要基于聲卡。作者就是基于聲卡制作了一個簡易虛擬示波器，不僅具有通用示波器的功能(如測量實驗電路對激勵信號的響應)，還可暫停波形掃描，以便能更清楚地觀察波形的變化，所存儲的曲線可以在任何時間打印輸出，使用者可以及

28、時進行數(shù)據(jù)處理，觀察和分析實驗結(jié)果。虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)具有20多年的歷史，虛擬示波器作為虛擬儀器中的一種典型儀器，是儀器儀表、無線電通信、雷達系統(tǒng)等領域不可缺少的一部分。本論文開發(fā)了一臺虛擬示波器。本論文具體內(nèi)容安排如下：第一章，緒論：介紹虛擬儀器的概念、構(gòu)成及其發(fā)展的現(xiàn)狀，和本文的研究內(nèi)容。第二章，虛擬示波器的基本原理：首先講述通用示波器的原理，過渡到數(shù)字示波器的原理，進而講述了基于聲卡的虛擬示波器原理。第三章，虛擬示波器的設計：本章講解了軟、硬件的選取方案，詳細陳述了軟件選擇labview、硬件選擇聲卡的理由。第四章，軟件模塊設計與測試：本章是重點，詳細講述了各個功能模塊具體的實現(xiàn)過程，包

29、括數(shù)據(jù)采集和處理、觸發(fā)控制、波形顯示、參數(shù)測量、頻譜分析、波形存儲、坐標移動等模塊。進行了系統(tǒng)調(diào)試，驗證了虛擬示波器的實用性和優(yōu)越性。第五章，結(jié)束語：對設計的虛擬示波器進行了總結(jié)，并對將來的發(fā)展趨勢給出了展望。第2章 虛擬示波器的基本原理2.1 示波器的基本原理示波器是利用電子射線的偏轉(zhuǎn)，來復現(xiàn)電信號瞬時值圖像(常成為時間波形)的一種儀器。它能快速的把肉眼不能直接看見的電信號的時變規(guī)律，以可見的形式形象的顯示出來17。目前，示波器在信號測試、信號比較、邏輯分析等領域得到了廣泛應用。2.1.1 示波器波形顯示原理在示波器的熒光屏上，顯示電壓波形的原理如下：被測電壓是時間的函數(shù)，在直角坐標系統(tǒng)中，

30、可以用ux=f(t)的曲線表示。示波器的兩副偏轉(zhuǎn)板使電子束在兩個互相垂直的方向偏轉(zhuǎn)，這兩個方向可以看成是坐標軸。因此，要在管子的熒光屏上顯示被測電壓的波形，就必須使射線沿水平方向的偏轉(zhuǎn)同時間成正比，而在垂直方向同被測電壓成正比(每一瞬間)。所以，鋸齒波電壓加到水平偏轉(zhuǎn)板上，它迫使射線以恒定的速度從左向右沿水平方向偏轉(zhuǎn)。并且很快的返回到起始位置。射線沿水平軸經(jīng)過的距離跟時間成正比。被測電壓加到垂直偏轉(zhuǎn)板上，因而，每一瞬間射線的位置單值的對應于這一瞬間被測信號的值。在鋸齒波電壓作用期間，射線就繪出了被測信號的曲線17,18，如圖2-l。圖2-1 示波器波形顯示原理以上圖形是鋸齒波的重復周期等于輸入

31、信號周期整數(shù)倍的情況(一倍)，熒光屏上顯示出的信號圖形是穩(wěn)定不動的。如果不是整數(shù)倍，則每次出現(xiàn)的信號波形就不會重合，圖形將不斷移動，不利于觀測。為了保證鋸齒波的周期等于輸入信號的整數(shù)倍，示波器必須具有同步或觸發(fā)電路。2.1.2 通用示波器的組成部分現(xiàn)代示波器主要由主機、y軸系統(tǒng)、x軸系統(tǒng)三個部分組成18。被測信號接到“y”輸入端，經(jīng)y軸衰減器適當衰減后送至y1放大器(前置放大)，推挽輸出信號和。經(jīng)延遲級延遲r1時間，到y(tǒng)2放大器。放大后產(chǎn)生足夠大的信號和，加到示波管的y軸偏轉(zhuǎn)板上。為了在屏幕上顯示出完整的穩(wěn)定波形，將y軸的被測信號引入x軸系統(tǒng)的觸發(fā)電路，在引入信號的正(或者負)極性的某一電平值

32、產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，啟動鋸齒波掃描電路(時基發(fā)生器)，產(chǎn)生掃描電壓。由于從觸發(fā)到啟動掃描有一時間延遲r2，為保證y軸信號到達熒光屏之前x軸開始掃描，y軸的延遲時間r1應稍大于x軸的延遲時間r2。掃描電壓經(jīng)x軸放大器放大，產(chǎn)生推挽輸出和，加到示波管的x軸偏轉(zhuǎn)板上。z軸系統(tǒng)用于放大掃描電壓正程，并且變成正向矩形波，送到示波管柵極。這使得在掃描正程顯示的波形有某一固定輝度，而在掃描回程進行抹跡。其簡化方框圖如圖2-2所示。圖2-2 示波器的簡化方框圖2.2 數(shù)字示波器的基本原理數(shù)字示波器用a/d變換器把模擬波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后存儲在半導體存儲器ram中，需要時，將ram中存儲內(nèi)容調(diào)出，通過相應的d/a

33、變換器，再恢復為模擬量顯示在示波管屏幕上。在這種示波器中，信號處理功能和信號顯示功能是分開的。其性能，包括速度和精度，完全取決于進行信號處理的a/d、d/a變換器和半導體存儲器19。2.2.1 數(shù)字示波器基本原理在數(shù)字示波器中，把輸入的被測模擬信號先送至a/d變換器進行取樣、量化和編碼，成為數(shù)字“1”,“0”碼，存儲到ram中，這個過程稱為存儲器的“寫過程”。然后，再將這些“1”、“0”碼從ram中依次取出按順序排列起來，經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換使其包絡重現(xiàn)輸入模擬信號，這就是“讀過程”。在數(shù)字存儲示波器中，采用適時取樣方式，可觀測單次信號；采用順序取樣或隨機取樣方式，可觀測重復信號20,21。理論分析指

34、出，為了正確的觀測信號波形，只有恰當?shù)倪x擇取樣頻率才能用所得的樣值脈沖序列恢復出原信號波形。取樣頻率過低會產(chǎn)生頻譜重疊效應，造成波形失真，使示波器測量結(jié)果出現(xiàn)明顯誤差。取樣定理證明，對于一個最高頻率為f0的信號，當取樣頻率fs2f0時，其取樣后所得的脈沖系列將包括原信號的全部信息。fs稱為奈奎斯特頻率。當取樣頻率fs等于輸入信號頻率f0時，顯示波形的頻率信息還能保留，但是幅度信息將大量損失。通過計算可以得出，當一個周期中取樣點數(shù)n為4時，即取樣頻率fs=4f0時，失真波形的最大值是波形幅值的0.707，故數(shù)字示波器的等效帶寬為fs/4。若采用正弦內(nèi)插顯示，等效帶寬可達fs/2.518。2.2.

35、2 數(shù)字示波器基本方框圖圖2-5 數(shù)字存儲示波器的方框圖數(shù)字示波器的基本方框圖如圖2-5。y輸入信號經(jīng)衰減放大后送至a/d變換器，按“t/div"開關設定的取樣頻率下進行變換，從而得到一串數(shù)據(jù)流，在控制邏輯電路的作用下寫入隨機存儲器ram中。ram的讀寫操作受r/w控制，當ram的讀寫控制r/w=0時，ram進行寫操作；r/w=1時，ram進行讀操作。ram地址選擇器在ram進行寫操作時，將寫地址輸出選做ram地址；讀操作時，則將讀地址輸出選做ram地址?？刂七壿嬰娐芬坏┙邮艿絹碜杂|發(fā)放大器的觸發(fā)信號，就啟動一次數(shù)據(jù)寫入循環(huán)，產(chǎn)生寫功能信號送至ram讀寫控制，同時使寫地址計數(shù)器計數(shù)。

36、寫地址計數(shù)器將順序遞增的寫地址送至存儲器，確保每組數(shù)據(jù)寫入至相應的存儲單元中去。不管數(shù)據(jù)用何種速度寫入存儲器，存儲器中存儲的各數(shù)據(jù)均不相關地以固定的速度不斷讀出，且顯示時不產(chǎn)生閃爍。讀出數(shù)據(jù)送至垂直d/a變換電路，用做示波器y顯示。同時一個以讀出速率遞增的計數(shù)器計數(shù)，輸出送至水平d/a變換器，用做示波器x顯示。晶體振蕩器產(chǎn)生高精度、高穩(wěn)定性的時鐘。該時鐘由分頻電路產(chǎn)生與面板上“t/div”開關設置相對應的取樣時鐘，去控制a/d變換器和存儲器寫入。時基分頻電路也產(chǎn)生該脈沖，供讀地址計數(shù)器和顯示地址計數(shù)器，以產(chǎn)生穩(wěn)定的階梯掃描電壓24。2.3 虛擬示波器的工作原理模擬信號經(jīng)同軸電纜進入采集卡的輸入

37、通道，經(jīng)過前置濾波電路、衰減電路、可變增益的放大電路，將信號處理成a/d轉(zhuǎn)換器可以處理的標準電平，經(jīng)過a/d采樣量化轉(zhuǎn)化成計算機可以處理的數(shù)字信號并緩存到卡上的存儲器。其支持軟件通過pc機的pci總線接口控制模擬通道的阻抗匹配、放大器的增益選擇、啟動a/d轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換結(jié)束的識別，并將采集數(shù)據(jù)以dma方式傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)存，同時對數(shù)據(jù)信號進行分析處理、顯示、存儲及打印輸出等22,23,24。使用labview構(gòu)建基于聲卡的虛擬示波器的思路是很清晰的。實際的數(shù)據(jù)采集流程是：(1)初始化：對聲卡中與數(shù)據(jù)采集相關的一些硬件參數(shù)進行設置；(2)然后，聲卡開始采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)暫存在先進先出的緩沖區(qū)中

38、：(3)當緩沖區(qū)存滿數(shù)據(jù)后，一方面將數(shù)據(jù)讀取到用戶程序的數(shù)組中，產(chǎn)生一個采樣數(shù)據(jù)集合，并在程序中對數(shù)據(jù)進行各種處理；(4)另一方面，得到緩沖區(qū)滿的消息后，通知聲卡暫時停止采集外部數(shù)據(jù)，并進一步清空緩存里的內(nèi)容。如圖2-6所示，這個流程與一般數(shù)據(jù)采集卡并無多大差別，這也是本設計的最基本的骨干。圖2-6 聲卡數(shù)據(jù)采集流程虛擬示波器是采用基于計算機的虛擬技術(shù)，用以模擬通用示波器的面板操作和處理功能，也就是使用個人計算機及其接口電路來采集現(xiàn)場或?qū)嶒炇倚盘?，并通過圖形用戶界面(gui)來模仿示波器的操作面板，完成信號采集、調(diào)理、分析處理和顯示輸出等功能12,23。我所開發(fā)的虛擬示波器，是在數(shù)據(jù)采集硬件的

39、支持下，配備一定功能的軟件，完成波形的存儲、分析、顯示等功能。一般測試儀器由信號采集、信號處理和結(jié)果顯示三大部分組成，這三部分均由硬件構(gòu)成。虛擬示波器也是由這三大部分組成，但是除了信號采集部分是由硬件實現(xiàn)之外，其它兩部分都是由軟件實現(xiàn)12。我所設計的虛擬示波器總體上包括數(shù)據(jù)采集、觸發(fā)控制、波形顯示、參數(shù)測量、頻譜分析、波形存儲以及坐標移動模塊等七大模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如下所示。觸發(fā)控制時基控制通道控制波形顯示幅值測量頻率測量頻譜分析坐標移動數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)存儲圖2-7 虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖第3章 虛擬示波器的設計虛擬儀器由儀器硬件和功能模塊軟件兩部分組成。本章將詳細討論對虛擬示波器設計時幾

40、種方案的比較，并詳細介紹聲卡采集的特點。3.1 虛擬儀器的創(chuàng)建過程創(chuàng)建虛擬儀器的大體過程分為以下五部3,6,7,8,9,25。(1) 需求分析。需求分析是借用軟件工程中的概念，其含義包括創(chuàng)建開發(fā)原型(明確實際要解決的問題)、分析程序的可行性(包括成本、性能、風險和技術(shù)障礙)等。在創(chuàng)建開發(fā)原型的過程當中，開發(fā)人員要于程序的最終使用人員進行充分的交流。在此基礎上，程序開發(fā)人員對所要解決的問題有了大致的了解，甚至可以畫出一個系統(tǒng)的框圖，之后還要進行程序的可行性分析，考慮選用器件的性價比、開發(fā)風險等。(2) 軟、硬件的選擇。程序開發(fā)人員不必擔心操作系統(tǒng)的問題，目前的labview是一個支持多個系統(tǒng)平臺

41、的軟件，windows、power macintosh、sun sparca工作站、hp工作站、linux上都可以運行。針對一些特殊的任務，labview還提供了一些附加的工具包，非常方便。選擇適當?shù)墓ぞ甙鼘_到事半功倍的效果。另外，在labview的設備驅(qū)動程序庫中已經(jīng)包含了上千個免費的驅(qū)動程序(這些驅(qū)動程序支持ni公司的硬件產(chǎn)品)，還包括了世界上各大儀器廠商的大部分儀器的labview驅(qū)動程序。如果沒有現(xiàn)成的驅(qū)動程序，用戶也可以自己編寫。(3) 設計用戶界面。用戶界面也稱gui，即graphical user interface。前面板必須簡潔、易懂，設計時應該滿足復雜工作要求。前面板上

42、使用的顏色方案，要兼顧一致和鮮明。一致性包括：一個vi程序的gui之間要保持一致；vi的gui要與平時大家用的應用程序的色調(diào)一致，鮮明。就是說：需要強調(diào)的部分一定要用顏色加以突出，體現(xiàn)測控系統(tǒng)程序的特點，減少用戶操作過程中犯錯誤的機會。(4) 程序設計。拿到一個設計任務后，首先要分解任務，把待設計任務分割成幾個大的模塊，然后把大的模塊再分解為一系列的功能，甚至分解到要用哪些函數(shù)的程度；然后是尋找例程，參考例程可以避免重復前人做過的工作；接下來就是根據(jù)項目的特點選擇程序設計方法，自上而下或是自下而上。(5) 程序測試。測試過程是程序開發(fā)的重要組成部分。測試應該是從底層的vi開始，然后再測試較大的

43、模塊，最后進行整體測試。測試時還要特別關注全局變量對程序的影響。此外，局部變量和屬性節(jié)點也要引起注意。對于高級程序員來說，還要考慮程序的性能如何，能否滿足速度與響應的要求以及內(nèi)存的使用情況。3.2 設計方案的比較3.2.1 軟件比較在給定計算機必要的儀器硬件之后，構(gòu)成和使用虛擬儀器的關鍵在于軟件。軟件為用戶提供了集成開發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。美國國家儀器公司提出的“軟件即儀器”(the software is the instrument)形象的概括了軟件在虛擬儀器技術(shù)中的重要作用。所以正確選擇軟硬件對程序開發(fā)和設計起著非常重要的作用。只有選擇了合適的軟硬件才能快速開發(fā)出應用軟

44、件，才能事半功倍。對于虛擬儀器應用軟件的編寫，大致可分為兩種方式1；(1) 通過編程軟件進行編寫。主要有microsoft公司的visual basic與 visualc+，borland公司的delphi，sybase公司的powerbuilder。(2) 用專業(yè)圖形化編程軟件進行開發(fā)。如hp公司的hp-vee，ni公司的labview和lab windows/cvi等。具體選用哪一種軟件，應該由編程者根據(jù)實際情況選擇。設計一個簡易虛擬示波器，在設計中必須考慮以下因素：開發(fā)成本低、執(zhí)行效率佳、程序彈性大、開放性架構(gòu)易于擴充。labview是實驗室虛擬儀器工程平臺(laboratory vir

45、tual instrument engineering workbench)的簡稱，是美國國家儀器公司(ni)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應用最廣泛、發(fā)展最快功能最強的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境3。labview的前面板可以包含旋鈕、刻度盤、開關、圖表和其他界面工具，允許用戶通過鍵盤和鼠標獲取數(shù)據(jù)或顯示結(jié)果。labview具有模塊化特性，有利于程序的可重用性。labview將軟件的界面設計與功能設計獨立開來，修改人機界面無需對整個程序進行調(diào)整，labview是利用數(shù)據(jù)流框圖接收指令，使程序簡單明了，充分發(fā)揮了圖形化編程環(huán)境的優(yōu)點。這就大大簡短了虛擬儀器的開發(fā)周期、消除了虛擬儀器編程的復雜過程。而通用的編程

46、軟件需利用組件技術(shù)實現(xiàn)軟面板的設計，這使程序設計變的非常麻煩。labview雖然是為計算機測控領域開發(fā)的，但他的函數(shù)包含了一般高級計算機語言中的絕大多數(shù)程序控制功能。labview作為開發(fā)環(huán)境所具有的優(yōu)點總結(jié)如下所述4,21,23,24：(1) 圖形化編程，降低了對使用者編程經(jīng)驗的要求，易于工程師使用；(2) 采用面向?qū)ο蟮姆椒ê透拍?，有利于軟件的開發(fā)和再利用；(3) 對象、框圖及其構(gòu)成的虛擬儀器在windows、windows nt、unix等多平臺之間和各種pc機及工作站間兼容，便于軟件移植；(4) 支持550多種標準總線設備及數(shù)據(jù)采集卡，如串行接口、gpib、vxi等；(5) 具有豐富的

47、庫函數(shù)和例子，對于大多數(shù)應用程序用戶可以從例子總?cè)〉贸绦蚩蚣?，便于提高開發(fā)速度；(6) 具有比較完備的代碼接口，可調(diào)用windows中的動態(tài)連接庫(dll)中的函數(shù)及c語言程序，以彌補自身的某些不足；(7) 直接支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換(dde)、對象連接與嵌入(ole)、結(jié)構(gòu)化查詢語言(sql)，便于與其他windows應用程序和數(shù)據(jù)庫應用程序接口；(8) 支持tcp，udp等網(wǎng)絡協(xié)議，網(wǎng)絡功能強大，可遙控分布在其他機器上的虛擬儀器設備；(9) 為加強labview的功能，適應各種工業(yè)應用的需要，ni公司開發(fā)了一系列與labview配合使用的軟件包，如自動測試工具、可連接25種數(shù)據(jù)庫的sql工具、s

48、pc分析函數(shù)工具、信號處理套件、pid控制工具、圖形控制工具等。在許多應用程序中，運行速度是至關重要的。labview是當今唯一帶有可以生產(chǎn)最佳編碼的編譯器的圖形化開發(fā)環(huán)境，運行速度等同于編好的c或c+程序。因此labview是虛擬示波器設計的最佳選擇。3.2.2 聲卡采集數(shù)據(jù)的特點商用的數(shù)據(jù)采集卡具有較大的通用性，但其價格昂貴，在具體的應用場合，有些功能可能并不實用。普通聲卡，具有16位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率是44.1khz,完全可以滿足特定應用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，個別性能指標還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡，而價格卻為商用數(shù)據(jù)采集卡的十幾分之一甚至幾十分之一11,12。計算機中的聲卡本身就是一個a

49、/d, d/a的轉(zhuǎn)化裝置，并且造價低廉，對于設計者而言，在pc上完成虛擬示波器的設計任務，成本幾乎為0；性能穩(wěn)定，在設計中完全可以滿足要求。因此在本設計中，該虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集裝置主要基于聲卡。一、聲卡的作用從數(shù)據(jù)采集的角度看，聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，是計算機與外部的模擬量環(huán)境聯(lián)系的重要途徑。labview提供了操作聲卡的函數(shù)。聲卡的主要功能包括錄制與播放、編輯與合成處理、midi接口3個部分。(1) 錄制與播放通過聲卡，人們可將來自話筒、收錄機等外部音源的聲音錄入計算機，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字文件進行存儲和編輯等操作；人們也可以將數(shù)字文件還原成聲音信號，通過揚聲器回放，例如為電子游戲配音，

50、以及播放cd, vcd, dvd, mp3和卡拉ok等。注意，在錄制和回放時，不僅要進行周a/d和d/a轉(zhuǎn)換，還要進行壓縮和解壓縮處理。(2) 編輯與合成處理通過對聲音文件進行多種特技效果的處理，包括加入回聲，倒放，淡入淡出，往返放音以及左右兩個聲道交叉放音等，可以實現(xiàn)對各種聲源音量的控制與混合。(3) midi(musical instrument digital interface樂器數(shù)字接口)接口通過midi接口與波表合成，可以記錄和回放各種接近真實樂器原聲的音樂。從一般意義上來看，上述功能主要是數(shù)據(jù)采集和信號處理，很自然地就可以聯(lián)想到用聲卡實現(xiàn)示波器、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等虛擬儀器。

51、二、聲卡的硬件結(jié)構(gòu)圖3-1是一個聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。一般聲卡有4-5個對外接口。其中，輸出接口有2個，分別是wave out和spk outawave out(或line out)給出的信號沒有經(jīng)過放大，需要外接功率放大器，例如可以接到有源音箱；spk out給出的信號是通過功率放大的信號，可以直接接到喇叭上。這些接口可以用來作為雙通道信號發(fā)生器的輸出。a/ddspd/a波表midi合成器line inmic inwave outspk outmidi in圖3-1 聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖輸入接口line in和mic in的區(qū)別在于，后者可以接入較弱的信號，幅值大約為0.02-0.2v，顯然

52、這個信號較易受干擾，因而常使用line in，它可以接入幅值約不超過1.5v的信號。注意，這兩個輸入端口內(nèi)部都有隔直電容，這意味著直流信號不能被聲卡所接受。多數(shù)聲卡的輸入也是雙通道的，但接入插頭線往往將這兩個通道短接成了一個通道。另外這兩個通道是共地的。三、聲卡的主要技術(shù)參數(shù)(1) 采樣的位數(shù)采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度1。這個數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音也就越真實。聲卡的位是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用的數(shù)字聲音信號的二進制位數(shù)，它客觀地反映了數(shù)字聲音信號對輸入聲音信號描述的準確度。例如，8位代表28=256；16位則代表216=64000。比較一下，一段相同的音

53、樂信息，16位聲卡能把它分為64000個精度單位進行處理，而8位聲卡只能處理256個精度單位，最終采樣效果自然是無法相提并論的。(2) 采樣頻率目前，聲卡的最高采樣頻率是44.1khz，少數(shù)達到48khz。對于民用聲卡，一般將采樣頻率設為4檔，分別是44.1khz, 22.05khz,11.025khz和8khz12。 22.05khz只能達到fm廣播的聲音品質(zhì)；44.1khz是理論上的cd音質(zhì)界限，48khz則更好一些。對20khz范圍內(nèi)的音頻信號，最高的采樣頻率才48khz，雖然理論上沒問題，但似乎余量不大。使用聲卡比較大的局限在于，它不允許用戶在最高采樣頻率之下隨意設定采樣頻率，而只能分

54、為4檔設定。這樣雖然可使制造成本降低，但卻不便于使用。用戶基本上不可能控制整周期采樣，只能通過信號處理的方法來彌補非整周期采樣帶來的問題。(3) 緩沖區(qū) 與一般數(shù)據(jù)采集卡不同，聲卡面臨的d/a和a/d任務通常是連續(xù)狀態(tài)的。為了在一個簡易的結(jié)構(gòu)下較好地完成某個任務，聲卡緩沖區(qū)的設計有其獨到之處。為了節(jié)省cpu資源，計算機的cpu并不是每次聲卡a/d或d/a結(jié)束后都要響應一次中斷，而是采用了緩沖區(qū)的工作方式11。在這種工作方式下，聲卡的a/d、d/a都對某一緩沖區(qū)進行操作。以輸入聲音的a/d變換為例，每次轉(zhuǎn)換完畢后，聲卡控制芯片都將數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)，待緩沖區(qū)滿時，發(fā)出中斷給cpu， cpu響應中斷

55、后一次性將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)全部讀走。計算機總線的數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)所用時間極短，不會影響a/d變換的連續(xù)性。緩沖區(qū)的工作方式大大降低了cpu響應中斷的頻度，節(jié)省了系統(tǒng)資源。聲卡輸出聲音時的d/a變換也是類似的。 一般聲卡使用的緩沖區(qū)長度的默認值是8kb(8192字節(jié))。這是由于對x86系列處理器來說，在保護模式(windows等系統(tǒng)使用的cpu工作方式)下，內(nèi)存以8kb為單位被分成很多頁，對內(nèi)存的任何訪問都是按頁進行的，cpu保證了讀寫8kb長度的內(nèi)存緩沖區(qū)時，速度足夠快，并且一般不會被其他外來事件打斷。設置8192字節(jié)或其整數(shù)倍(例如32768字節(jié))大小的緩沖區(qū)，可以較好地保證聲卡與cpu的協(xié)調(diào)工作。(4) 沒有基準電壓 聲卡不提供基準電壓，因此無論是a/d還是d/a在使用時，都需要用戶自己參照基準電壓進行標定。四、聲卡的頻率范圍與頻率響應 人耳對頻率的感覺從20hz到20khz之間，而聲卡的頻率響應上限范圍在2