基于labview的虚拟示波器的设计_毕业论文(编辑修改稿)

基于labview的虚拟示波器的设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

、控制栅极、第一阳极和第二阳极共五部分组成。 灯丝通电后加热表面涂有氧化物的金属圆筒（即阴极），使之发射电子。 控制栅极是一个套在阴极外面的金属圆筒，其顶端有一小孔，它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起减速作用，只有初速度较大的电子才可能 8 穿过栅极顶端的小孔，进入加速区的阳极。 因此控制栅极实际上起控制电子流密度的作用。 调整示波器面板上 的“亮度”旋纽，其实就是调节栅极电位改变飞出栅极的电子数目，飞出的电子数目越多，荧光屏上亮斑就越亮。 从栅极飞出来的电子再经过第一阳极和第二阳极的加速与聚焦后打到荧光屏上形成一个明亮清晰的小圆点。 偏转系统是由两对相互垂直的电极板组成。 电子束通过偏转系统时，同时受到两个相互垂直方向的电场的作用，荧光屏上小亮点的运动轨迹就是电子束在这两个方向运动的叠加。 偏转系统 Y X 灯丝 栅极 第一 第二 阳极 阳极 阴极 图 22 示波管结构图 、 Y 轴电压放大器和衰 减器 由于示波管本身的 X 及 Y 偏转板的灵敏度不高（约 ~1mm/V），当加在偏转板上的信号电压较小时，电子束不能发生足够的偏转，屏上的光点位移较小，不便观测。 这就需要预先将该小电压通过电压放大器进行放大。 衰减器的作用是使过大的电压信号衰减变小，以适应轴放大器的要求，否则放大器不能正常工作，甚至受损。 （扫描信号）发生器 锯齿波信号发生器的作用就是产生周期性锯齿波信号（图 23）。 将锯齿波信号加在 X 偏转板上，可以证明，此时电子束打在荧光屏上的亮点将向一个方向作匀速直线运动。 经过一个周期后，荧光 屏上的亮点又回到左侧，重复运动。 如果锯齿波的频率较大，由于荧光材料具有一定的余辉时间，在荧光屏上能看到一条水平亮线。 图 23 锯齿波信号 T 2 T 3 T 4 T t V x 9 示波器的扫描原理 将一正弦电压信号加到 Y 轴偏转板上，即 Uy≠ 0，若 X 轴偏转板上为零电压信号，则荧光屏上的光点将随着正弦电压信号作正弦振荡。 若 Y 轴上的电压信号频率较快，则屏上只出现一条亮线。 要直观地看到正弦波信号随时间的变化波形，必须将屏上光点在 X 方向（即时间方向）上“拉开”，这就要借助与锯齿波信号的作 用。 将锯齿波信号加到 X 偏转板上，此时示波器内的电子束将既要在 y 方向按正弦电压信号的规律作正弦振荡，又要在 x 方向作匀速直线运动， y 方向的正弦振荡被“展开”，屏上光点留下的轨迹是一正弦曲线。 锯齿波信号完成一个周期变化后，屏上光点又回到屏幕的左侧，又准备重复以前的运动。 这一过程称为扫描过程，图24 是这一过程的图解原理。 图中假设加在 Y 偏转板上的电压信号为待测正弦电压信号，其频率与加在 X 偏转板上的锯齿波信号的频率相同，并将一个周期分为相同的四个时间间隔， Uy 和 Ux 的值分别对应光点在 y 轴和x 轴偏离的位置。 将 Uy 和 Ux 各自对应的投影交汇点连接起来，即得被测电压波形。 完成一个波形后的瞬间，屏上光点立刻反跳回原点，并在荧光屏上留下一条“反跳线”，称为回归线。 因这段时间很短，线条比较暗，有的示波器采用措施将其消除。 上面所讨论的波形因 Uy 和 Ux 的周期相等，荧光屏上出现一个正弦波。 当 fy = nfx， n=1,2,3,„时，荧光屏上将出现 1 个、 2 个、 3 个、„稳定的波形。 图 24 扫描过程 10 数字示波器 数字示波器是数据采集， A/D 转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。 数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种 选择，多种分析功能。 还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。 数字示波器的基本原理 数字示波器是由取样储存、读出显示和系统控制三大部分组成，它们之间通过数据总线、地址总线和控制总线相互联系和交换信息，以完成各种测量功能。 数字示波器的基本组成框图如图 25所示。 输 入 通 道电 源 电 路触 发 源 选 择时 钟 振 荡 器S / H 电 路取 样 脉 冲 形成 电 路触 发 电 路X 放 大 器Y 放 大 器示 波 管C P UA / D 转 换 器面 板 键 盘通 信 接 口扫 描 电 压 发生 器D / A 转 换 器工 作 程 序 R O M测 量 数 据 R A M信 号 数 据 R A M参 考 波 形 R A M显 示 缓 冲 R A M字 符 库 R O M信 号 输 入至 各 功 能 电路触 发 信 号 图 25 数字示波器的基本组成框 系统控制部分 系统控制部分由键盘、只读储存器 （ ROM）、 CPU 及 I/O 接口等组成。 在 ROM 内写有仪器的管理程序，在管理程序的控制下，对键盘进行扫描产生扫描码，接受使用者的操作，以便设定输入灵敏度、扫描速度、读写速度等参数和各种测试功能。 取样储存部分 取样储存部分主要由输入通道、取样保持电路、取样脉冲形成电路、A/D 转换器、信号数据储存器等组成。 取样保持电路在取样脉冲的控制 11 下，对被测信号进行取样，经 A/D 转换器变成数字信号，然后存入信号数据存储器中。 取样脉冲的形成受触发信号的控制，同时也受到 CPU 控制。 取样和储存过程如图 26所示。 读出显示部分 读出显示部分由显示缓冲存储器、 D/A 转换器、扫描发生器、 X 放大器、 Y 放大器和示波管电路组成。 它在接到 读命令后，先将储存在显示缓冲储存器中的数字信号送 D/A 转换器，将其重新恢复成模拟信号，然后经放大后送示波管，同时扫描发生器产生的扫描阶梯波电压把被测信号在水平方向展开，从而将信号波形显示在屏幕上，读出和显示过程如图 27 所示。 图 26 取样和储存过程 图 27 读出和显示过程 数字示波器的特点 一般可以将数字示波器分为数字存储示波器（ DSO）、 数字荧光示波器（ DPO）和采 样示波器。 数字示波器的特点大致归纳为以下 11点： 1 数字示波 器通过模数转换器（ ADC）把被测电压转换为数字信息。 它捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。 随后，数字示波器重构波形。 2 可以 稳定、明亮和清晰地显示任何频率的波形。 3 对重复的信号而言，数字示波器的带宽是指示波器的前端部件的模拟带宽，一般称之为 3dB 点。 对于单脉冲和瞬态事件，例如脉冲和阶跃 12 波，带宽局限于示波器采样率之内。 4 数字存储示波器能够持久地保留信号，可以扩展波形处理方式。 5 信 号实时在离散点采样，采样位置的信号电压转换为数字值，这些数字值 称为采样点。 样值每秒（ S/s)。 6 DSO 使用串行 处理的体协结构来捕获、显示和分析信号；相对而言， DPO 为完成这些功能采纳的是并行的体系结构，提供了高速率的波形采集率，它增加了证明数字系统中的瞬态事件的可能性。 7 DSO 显示部分更多基于光栅屏幕而不是基于荧光。 模拟示波器依靠化学荧光物质。 DPO 使用完全的 电子数字荧光，其实质是不断更新的数据库。 8 如果需要正确采集 频率远远高于示波器采样频率的信号，那么数字采样示波器是一个不错的选择。 这种示波器采集测量信号的能力要比其他类型的示波器高一个数量级。 9 采 样示波器在采样门电路之前没有衰减器 / 放大器，所以不能 对输入信号进行缩放。 所有时刻的输入信号都不能超过采样桥满动态范围。 因此，大多数采样示波器的动态范围都限制在 1V 的峰 值 峰 值。 而数字存储和数字荧光示波器却能够处理 50 到 100 伏特的 输入。 10 采 样示波器的安全输入电压大约只有 3V，相 对而言，其他示波器可以高达 500V 录。 虚拟示波器 模拟信号经同轴电缆进入采集卡的输入通道，经过前置滤波电路、衰减电路、可变增益的放大电路，将信号处理成 A/D 转换器可以处理的标准电平，经过 A/D 采样量化转化成计算机可以 处理的数字信号并缓存到卡上的存储器。 其支持软件通过 PC 机的 PCI 总线接口控制模拟通道的阻抗匹配、放大器的增益选择、启动 A/D 转换及转换结束的识别，并将采集数据以 DMA 的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、存储及打印传输等。 声卡数据采集流程如图 28所示：。 13 图 28 声卡数据采集流程图 该实验中设计的虚拟示波器是基于美国国家仪器公司（ NI）生产的labVIEW 软件，在 PC 机上，将声卡作为数据采集卡，利用 LabVIEW 中的声音处理函数和信号处理和分析函数，对声卡中的输入信号进行采 集，波形显示，参数测量和频谱分析，实现示波器的基本功能。 14 第 3章 系统的硬件设计 声卡 该仪器设计中，我选用 PC 机上的声卡（ sound card） 作为数据采集卡，声卡也叫音频卡 ,PC 机上的声卡具有 A/D 转换和 D/A 转换功能，多数为 16 位的量化精度、数据采集频率是 ，完全可以满足特定应用范围内数据采集的需要，而且价格便宜，对该虚拟示波器的设计来说，性价比高 声卡的工作原理 麦克风和喇叭所用的都是模拟信号，而电脑所能处理的都是数字信号，两者不能混用，声卡的作用就是实现两者的转换。 从结构上分，声卡可分为模数转 换电路和数模转换电路两部分，模数转换电路负责将麦克风等声音 输入设备 采到的模拟声音信号转换为电脑能处理的数字信号；而数模转换电路负责将电脑使用的数字声音信号转换为喇叭等设备能使用的模拟信号。 声卡的基本结构 现将声卡主要部分介绍如下： 1. 线路板 线路板是声卡的基础，线路板质量的好坏一定程度上影响声卡的品质。 声卡的线路板多为四层板也有少数六层板的。 而在设计方面，很多中低档声卡普遍采 用芯片厂家提供的公版 PCB 结构。 另外在线路板上我们可以看见声卡的 “ 金手指 ” ， 它为声卡和主板连接提供了总线接口，如今主流的声卡接口为 PCI 接口，另外市面上还可见少量的 ISA 接口或 AMR等接口的声卡。 声卡上都有一块主音效处理芯片，它主要用来完成 WAVE 波形的采样与合成， MIDI 音乐的合成，同时混音器 /效果器也在其内部实现。 常见的主芯片有 CREATIVE 创新 137X 系列（ ES137X）， CT2518/CT5507 和 CT5880 及 EMU 10K1 系列； ESS MAESTROI （ 1948 ），ESS MAESTROII（ 1968 ）， ESS Canyon3D（ MAESTRO2E 197OS） 系列； YMF724 和 YMF740/YMF744 系列； Aureal 的 Vortex AU8820，Vortex2 AU8830 系列； S3 Sonic Vibes 系列； CMI8338/8738 系列； 15 Trident 4D Wave DX/NX 系列； VLSI Qsound Thunderbird 128 系列；Fortemedia FM801AS 系列等等。 声卡上还有很 多集成电路块，主要有稳压电路块及主芯片外围控制芯片等。 另外常见的芯片还有运算放大器（运放），运放的作用是将低电平做适当放大来相关设备使用，常见的运放芯片主要有 PHILIPS 的 TDA 系列和国家半导体的 LM 系列。 电容是声卡上的重要部件，而且电容质量的优劣也会直接关系到整块声卡品质的优劣。 特别是直流电源输出端的耦合电容，其做用与品质都非常重要。 耦合电容容量过小，电脑开机时音箱中常会有爆破声出现，而且一些耐压系统低的耦合电容还可能自身出现爆裂造成声卡的损坏。 另外，声卡上还 有电阻及晶振等必不可少的元器件。 声卡上有很多接口，下面我们就对其进行一下简单介绍。 /MIDI 插口：用于连接游戏杆 /手柄 /方向盘等外界游戏控制器或 MIDI 键盘 /电子琴，你也可先购买一个光纤 MIDI 套件再来插入上述设备。 ：将音频信号输出到有源音箱或功率放大器。 （ LINE OUT）： 将音频信号输出到有源音箱 /耳机或功率放大器。 （ MIC IN）： 用于连接话筒，主要用来语音输入。 （ LINE IN）： 用于将随身听或影碟机等外部设备的声音信号输入电脑。 （ TAD， Telephone Answering Device）： 用来提供标准语音 MODEM 的连接并向 MODEM 传送话筒信号，所以配合MODEM 卡和软件，可使电脑具备电话自动应答功能。 CD 音频输入接口（ CD－ IN）： 使用 CD 音源线将来自CD/DVD 光驱的模拟音频信号接入。 （ AUX－ IN）： 用于将电视卡，解压卡等设备的声音信号输入。