示波器是生產實踐和科學研究中應用十分廣泛的電子測量儀器。目前常用的模擬示波器，外型笨重，功能單一；數字示波器雖然有一定的功能擴展，但價格昂貴，維護升級成本高，短時間內難以普及應用。隨著計算機技術、信息處理技術和電子技術的發展，近年來，出現了一種基于計算機和軟件的新型儀器——虛擬儀器。虛擬儀器以計算機為核心，功能由用戶定義和設計，具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實現。虛擬儀器的關鍵是用軟件來實現硬件的功能，實現“軟件即儀器”。本文應用虛擬儀器開發平臺LabVIEW開發了一種多功能虛擬示波器，不僅擴展了示波器的分析和計算能力，而且降低了儀器的價格，增強了儀器的通用性，實現了波形顯示、存儲、打印和讀取以及多個測量參數自動顯示、相位差自動計算等功能。 1 系統硬件設計 圖1 多功能虛擬示波器結構框圖 虛擬儀器由通用儀器硬件平臺和應用軟件兩大部分構成。硬件平臺完成被測信號調理與信號采集，即獲取被測信號。目前較常用的虛擬儀器系統是數據采集系統（PC-DAQ系統）、GPIB儀器測試系統、VXI儀器測試系統。 1.1 儀器的結構框圖 多功能虛擬示波器的結構框圖如圖1所示。儀器由調理電路、數據采集、計算機等部分組成。調理電路將被測信號調理成-5~5V輸入信號，送數據采集卡，轉換成為相應的數字信號，再由計算機進行相關分析、計算、輸出處理，顯示、打印、保存觀測結果。 1.2 數據采集卡
1.3 多功能虛擬示波器功能設計 多功能虛擬示波器的設計參考了傳統示波器的功能，并結合虛擬儀器的特點與計算機*的信息處理能力，在功能上進行了擴展，實現了波形顯示、存儲、打印和時域、頻域參數自動測量、顯示、查詢以及相位差的自動計算功能。 多功能虛擬示波器的主要技術指標： 采樣速率：200kb／s 采樣位數：12bits 波形顯示模式：雙通道X-Y mode 定位標尺：兩個 數據存儲：硬盤或軟盤 2 儀器軟件設計 2.1 虛擬儀器軟件開發工具 虛擬示波器軟件設計采用的NI公司的虛擬儀器開發工具LabVIEW。LabVIEW是根據G編程語言,為數據采集與控制、數據分析與顯示而設計的一種圖形編程開發環境。它用圖標代碼代替編程語言創建應用程序，用數據流編程方法描述程序的執行，用圖標和連線代替文本的形式編寫程序，為虛擬儀器設計者提供了便捷輕松的設計環境，設計者利用它可以像搭積木一樣，輕松組建一個測試系統以及構造自己的儀器面板，而無需進行任何煩瑣的程序代碼編寫。 使用LabVIEW開發平臺編制的虛擬儀器程序VI包括三個部分：程序前面板、框圖程序和圖標/連接器。程序前面板用于設置輸入數值和觀察輸出量，生成模仿傳統儀器的控制面板[1]。每一個程序前面板都對應著一段框圖程序。框圖程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，類似傳統程序的源代碼。圖標/連接器是子程序SubVI被其它VI調用的接口。LabVIEW采用的是自上向下的模塊化編程方法，所生成的各個子程序有利于主程序的設計與實現[2]。這種設計方法可大大減小虛擬儀器開發的難度，利于儀器開發人員之間的分工協作。 多功能虛擬示波器的主要技術指標： 采樣速率：200kb／s 采樣位數：12bits 波形顯示模式：雙通道X-Y mode 定位標尺：兩個 數據存儲：硬盤或軟盤 2 多功能虛擬示波器的軟件結構 多功能虛擬示波器主要由軟件來完成信號的采集、處理和輸出。系統軟件包括前面板生成、數據采集、數據處理、波形顯示、參數測量、相位差計算、打印、記錄等模塊。主程序結構框圖如圖2所示。 2.3 數據采集模塊設計 NI公司提供了*的數據采集卡設置軟件Measurement & Automation，用于連接數據采集卡硬件和計算機軟件[3]。虛擬示波器采用了工具DAQ節點（Utility Vis）。在Data Acquisition子模板中選Analog Input中的Analog Input Utilities->AI Waveform Scan.vi節點[4]，能夠滿足虛擬示波器對數據采集和顯示結果控制方面的眾多要求。該數據采集節點可以設置設備號、通道、掃描次數、采樣點、掃描速率；在觸發方面，它有*的設置功能：5種觸發方式、2個觸發源可選；可輸出所采集數據的掃描周期。數據采集模塊框圖程序如圖3所示。 圖3 數據采集模塊框圖程序 2.4 數據處理模塊設計 本文設計的虛擬示波器數據處理模塊具有數據讀寫、波形顯示、波形打印、波形存儲、時域參數測量、頻域參數測量等功能。數據采集后，需進行數字濾波、參數計算、頻譜分析等數據處理。根據LabVIEW軟件的特點，在編寫程序時每一項功能對應一個子程序（SubVI），通過各子程序的調用與連接來完成數據處理任務。時域參數測量子程序的框圖程序如圖4所示。 圖4 時域參數測量模塊框圖程序 2.5 前面板設計 多功能虛擬示波器的前面板設計模仿傳統示波器形式，利用軟件生成了顯示窗、調節旋鈕、開關鍵等部件，但儀器的操作、調節均由鼠標操作完成。儀器的前面板如圖5所示。 圖5 多功能虛擬示波器前面板圖 3 結束語 本文設計的多功能虛擬示波器實現了參數的自動測量、分析、處理功能，節省了測量時間，提高了參數測量的精度，實現了波形、數據的存儲和顯示，具有相位差的自動計算與顯示功能。多功能虛擬示波器的波形打印、暫停等功能也為儀器的使用帶來了方便。實際應用表明，該虛擬示波器具有集成度高、功能強、操作簡單、使用方便等優點。在實現傳統示波器功能的基礎上增加軟件設計，還實現了頻譜分析、萬用表、頻率計等功能，實現儀器的一機多用。 本文作者創新點在于以虛擬儀器開發平臺LabVIEW為基礎，設計、開發了具有波形檢測、分析、存儲、打印功能的集示波器、頻譜分析儀、萬用表、頻率計為一體的多功能測量儀器，可望使測量人員從眾多操作復雜的儀器中解脫出來，實現“測量室拎著走”。 |
