基于LabVIEW虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器設(shè)計(jì)

1、基于LabVIEW虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器設(shè)計(jì)張偉軍 （學(xué)號(hào)：002004101751）虛擬示波器相比傳統(tǒng)示波器具有價(jià)格低廉、功能豐富、可編程性以及顯示直觀等眾多優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)不僅僅具有示波器基本功能，更依據(jù)LabVIEW語(yǔ)言的特點(diǎn)豐富了數(shù)字濾波、信號(hào)保存以及回顯等功能。不僅具有了價(jià)格低廉、界面美觀等特點(diǎn)，而且具有傳統(tǒng)示波器中比較高端的存儲(chǔ)、回顯以及數(shù)字濾波等功能，更可以根據(jù)需要隨時(shí)靈活修改程序，增加功能以滿足更個(gè)性化的要求。一、具備功能實(shí)時(shí)顯示：通過(guò)采集卡采集信號(hào)并能對(duì)輸入信號(hào)實(shí)時(shí)顯示在PC機(jī)終端上。數(shù)字濾波：采用數(shù)字IIR濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理并實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)可以任意設(shè)置濾波器的最佳逼近函數(shù)類(lèi)型

2、、濾波器類(lèi)型、階次、上下截止頻率等參數(shù)。截波顯示：即可滿足波形的瞬態(tài)顯示，同時(shí)也可以將瞬態(tài)波形進(jìn)行保存。波形存儲(chǔ)：可隨時(shí)將原始信號(hào)或處理后信號(hào)以LabVIEW特有的LVM文件格式存儲(chǔ)在本地硬盤(pán)上，便于日后分析或處理。其中瞬態(tài)信號(hào)在截波后以BMP圖片格式存儲(chǔ)在本地硬盤(pán)上供日后查看以及分析。波形回顯：隨時(shí)將存儲(chǔ)的LVM格式波形文件重新讀取然后顯示在PC機(jī)端。頻譜分析：對(duì)濾波后信號(hào)分別進(jìn)行幅頻相應(yīng)分析以及相頻響應(yīng)分析并同時(shí)采取波形與表格方式實(shí)時(shí)顯示。二、基本原理硬件上利用采集卡采集信號(hào)，軟件上利用NI提供的DAQmx READ采集信號(hào)，然后通過(guò)Waveform Graphs進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。這就實(shí)現(xiàn)了一

3、個(gè)最基本的示波器，信號(hào)顯示后又利用Write To Measurement File將波形保存為L(zhǎng)VM文件。這就實(shí)現(xiàn)了基本的“存儲(chǔ)”功能，反之通過(guò)Read To Measurement File可以將LVM讀取顯示，從而完成“回顯”功能。由于在硬件上是以PC機(jī)以及采集卡為基礎(chǔ)的，所以本示波器在采樣極限速率，帶寬，分辨力等參數(shù)上受到限制。而程序響應(yīng)時(shí)間上則依賴于PC的配置以及程序的執(zhí)行效率。三、主要的函數(shù)DAQmx Read、Digital IIR Filter、Waveform Graphs、Write To Measurement File、Read To Measurement File等

4、主要函數(shù)四、前面板介紹1、完整界面（截圖）左邊為設(shè)置濾波器，左下為IIR濾波器的部分參數(shù)設(shè)置，正中為顯示區(qū)域，最上面為各種顯示界面的切換按鈕，下方為濾波器的相關(guān)信息顯示以及通道選擇和時(shí)間、幅度軸控制，右邊自上而下分別為采樣模式選擇、采樣速率以及采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置、STOP按鈕以及文件保存選擇按鈕。圖一是從函數(shù)發(fā)生器接收的原始三角波信號(hào)；圖一：從函數(shù)發(fā)生器接收的原始三角波信號(hào)圖二：三角波經(jīng)過(guò)濾波器后的信號(hào)（類(lèi)正弦）2、圖二：三角波經(jīng)過(guò)濾波器后的信號(hào)（類(lèi)正弦）3、截波波形：截取經(jīng)過(guò)濾波器后的一部分靜止（瞬態(tài)）波形，這里就不進(jìn)行截圖。4、圖三：幅頻響應(yīng)，濾波后進(jìn)行的幅頻分析圖三：幅頻響應(yīng)，濾波后進(jìn)行的幅

5、頻分析5、圖四：相頻響應(yīng)，濾波后進(jìn)行的相頻分析圖四：相頻響應(yīng)，濾波后進(jìn)行的相頻分析圖五：波形回顯6、波形回顯：之前有一個(gè)保存操作，將波形保存在里面，然后回顯即為讀取文件。由圖五可見(jiàn)，正是剛才采集的三角波信號(hào)。7、保存操作，可以進(jìn)行類(lèi)型的選擇與保存圖六：保存操作五、后面板介紹1、完整程序流程圖圖過(guò)大省略。2、通道選擇，采樣速率，模式，點(diǎn)數(shù)等參數(shù)設(shè)置圖七：采樣參數(shù)設(shè)置3、采樣、濾波以及截波等部分圖八：采樣、濾波以及截波4、時(shí)間以及幅度控制部分圖九：時(shí)間以及幅度控制5、波形保存部分，一個(gè)case選擇結(jié)構(gòu)，分別選擇保存類(lèi)型圖十：波形保存6、波形回顯部分，按鈕觸發(fā)，實(shí)質(zhì)是一個(gè)獨(dú)立的程序部分。圖十一：波形

6、回顯7、幅頻響應(yīng)，實(shí)質(zhì)是讀取的IIR的響應(yīng)數(shù)據(jù)，另外頻率軸根據(jù)需要由采樣速率控制（采樣速率除以2作為頻率軸的最大值），相頻響應(yīng)同理。圖十二：幅頻響應(yīng)六、小結(jié)本設(shè)計(jì)根據(jù)要求完成了示波器的基本功能，并作了一些擴(kuò)充，在現(xiàn)有條件下應(yīng)該是完成了應(yīng)該達(dá)到的或可以達(dá)到的功能。誠(chéng)然，本設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步豐富功能，但擴(kuò)充需要根據(jù)需求來(lái)添加。還是說(shuō)說(shuō)本設(shè)計(jì)需要改進(jìn)的地方。首先是效率的提高。本設(shè)計(jì)無(wú)論是從設(shè)計(jì)的初衷還是設(shè)計(jì)的結(jié)果來(lái)看，都沒(méi)有充分考慮到程序的效率以及操作的效率來(lái)。僅為功能的實(shí)現(xiàn)以及少量必要的優(yōu)化。本設(shè)計(jì)僅用了不到一天的時(shí)間制作，還加上調(diào)試時(shí)間。效率不夠高體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。一是程序是流水線式設(shè)計(jì)運(yùn)行，具體

7、體現(xiàn)在前面板的幾個(gè)界面切換后后臺(tái)并沒(méi)有停止運(yùn)行，而是一直在運(yùn)行，這樣會(huì)浪費(fèi)不少CPU資源，功能只是簡(jiǎn)單的增加而沒(méi)有進(jìn)行有效的整合。二是文件存儲(chǔ)的效率不高。LabVIEW提供多種文件格式的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，其中效率最高的是二進(jìn)制文件形式，其次是文本形式。而本設(shè)計(jì)采用的是LabVIEW所特有的LVM格式，這樣做的好處是調(diào)用方便，缺點(diǎn)是不具有通用性，其他軟件將無(wú)法讀取這種文件的有效波形信息。用Windows的記事本打開(kāi)LVM文件后發(fā)現(xiàn)，其實(shí)LVM文件本質(zhì)也是一種文本文件，記錄了波形數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，但利用率不夠高。三是有部分調(diào)試測(cè)試過(guò)程中留下的一些函數(shù)在本設(shè)計(jì)中沒(méi)有刪去，只是在前模板作了隱藏處理，實(shí)際上CPU

8、依然在為運(yùn)行這部分函數(shù)消耗資源。四是這里用了六個(gè)Waveform Graphs，只是在前面板上作了疊加處理，看起來(lái)是一個(gè)“屏幕”，實(shí)際上程序作一定的優(yōu)化后可以大量減少Waveform Graphs的使用。因?yàn)槔碚撋现灰皇峭瑫r(shí)顯示的需要就可以公用一個(gè)“屏幕”。其次是人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。操作的方便性有待提高。自我感覺(jué)界面除了必要的按鈕外，按鈕應(yīng)該越少越好。例如界面切換后自動(dòng)觸發(fā)程序，而省去一個(gè)個(gè)的開(kāi)關(guān)按鈕。本設(shè)計(jì)的界面除了圖形顯示外，還有過(guò)多的表格顯示，理想的情況是設(shè)計(jì)成可控制顯隱狀態(tài)的模式。再次是有一個(gè)遺憾。能設(shè)計(jì)成一個(gè)雙蹤或多通道的示波器將更加完美。一臺(tái)高端的示波器通常具備兩個(gè)通道，而一些頻譜儀則有更多的通道。實(shí)際上在通道的增加并不困難，而且可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超