基于labview虚拟示波器的设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于labview虚拟示波器的设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

入最高频率的两倍，才可能不产生失真。 (2) 采样方法 要从多个通道得到数据，通常使用多路开关把每个信号端连接到 A/D 转化器(ADC)。 采用 连续扫描方法，要比给每个通道一个放大器和 ADC 要经济得多，但这仅仅实用于在采样点之间对时间不是很重要的场合。 如果采样点之间对时间要求严格，则必须同时采样。 对于低频信号，可以用间隔扫描办法来产生同时采样的效果，而不必增加采样保持电路。 这种方法一定时间间隔扫描输入通道，用脉 9 冲来计算各通道两次扫描的时间间隔。 (3) 分辨率 ADC 的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。 例如，三位转化器把模拟电压分成 2’ (8位 )段，每段用二进制代码在 000 到 In之间表示，因而数字并不能真实反映原始信号，因为一部分信息被漏掉 了。 如果增加到 16 位，代码增加到 655536，这样就可以得到较为精确地反映原始信号的数字信号。 (4) 电压范围 电压范围指 ADC 能扫描到最高和最低电压。 一般情况下，由于 DAQ 卡的电压范围可以调节，所以将信号电压范围调到与微机相匹配以便利用其可靠的分辨率范围。 范围、增益、分辨率决定了可分辨的最小电压变化，它表示 ILSB。 例如，某 DAQ 板的分辨率为 16 位，范围取 0 一 1OV，增益取 100，则有 1LSB=(10/100xZ’ 6)= 协 v，这样一来，在数字化的过成中，一位的分辨率为。 (5) 模拟输出 模拟输出电路通常是为 DAQ 板的系统提供激励电压或电流。 DAQ 输出信号由停滞、转换率、分辨率等构成。 停滞时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。 (6) 定时 I/0 许多场合都要用到定时器，如数字脉冲定时、产生方波等。 定时器包括三个重要信息 :门限信号、计时信号、输出。 门限信号实际上是触发信号一使它工作或不工作。 计时信号也就是信号源，它提供了继续其操作的时间基准。 输出是在输出线上产生方波和脉冲。 他们最重要的参数是分辨率和时钟频率。 高分辨率意味着计数器可以计更多的数，时钟频率决定了产生数据信号输入的快 慢，频率越高，计数增长得越快，因而输入端的信号频率高，就可以产生高频的脉冲波和方波。 4 驱动软件 没有软件，甚至没有好的软件，数据采集硬件系 统不可能发挥很大的作用。 数据系统一个主要方面是驱动软件的使用。 驱动软件是直接对数据采集硬件系统来进行设计的软件层，管理着系统的操作以及和计算机资源的组合，比如 CPU中断、 DMA 传送、存储器等。 驱动软件在保持高性能、提高给用户易于理解的基础的同时，隐藏了复杂、详细的硬件及程序设计。 N 工一 DAQ 就是 N1 公司高性能数据采集及驱动程序。 数据采集技术是电子测量仪器的基础，当然也是虚拟仪器的基础。 只有当数据采集部分正确工作，整个虚拟仪器系统才能正确工作。 数据采集系统简称 DAS(DataAequisitionSyst。 m)是信息科学的重要分支，它不仅应用在现代智能检测系统中，而且在现代工业生产、国防军事及科学研究等方面都得到广泛应用，无论是过程控制状态检测、还是故障诊断、质量检测，都离不开数据采集系统。 数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。 其核心是计算机，它对整个系统进行控制和数据处理。 它所处理的是数字信号，因此输入的模拟信号必须进行模数 (A/D)转换，将模拟信号量化 :，变成数字信号。 数据采集系统的原理框图如 4一 2 所示，它由多路开关、采样 /保持器、放大 器、 A/D 转换器、计算机等组成。 数据采集要经过采样和量化两个必要步骤。 采样过程是将被测的连续信号离散化，从连续信号中抽取采样时刻的信号值，由多路开关、采样 /保持器完成。 如果被测信号变化缓慢，也可以不用采样 /保持器。 多路开关将各路信号轮流切换到输入端，对 10 各路信号分时采样。 A/D 转换器将采样信号量化，将转换成的数字信号输入到计算机中。 放大器、滤波器可根据被测信号的大小及干扰的强弱选用。 有的系统不采用公用放大器，而根据信号特点单独配置。 图 31 数据采集卡结构图 采样 /保持器的工作原理 在实际系统中用到 A/D 转换时，如果模拟信号变换较快，那么，为了保证转换精度，就要在 A/D 转换之前加上采样 /保持电路，使得在 A/D 转换期间输入的模拟信号保持不变。 采样 /保持电路有两种工作方式，即采样方式和保持方式。 在采样方式下，采样 /保持器的输出必须跟踪模拟输入电压 :在保持方式下，采样/保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，直到保持命令结束为止。 图 4 一 3为采样 /保持器的原理电路。 从图中可以看到，采样 /保持 器由输入缓冲放大器、输出缓冲放大器、保持电容和控制开关组成。 图 32 采样 /保持器 多路转换模拟开关 模拟开关是数据采集系统中主要部件之一，它的作用是切换各路输入信号。 在测控系统中，被测量经常是几个或者几十个，为了降低成本和减小面积，系统通常使用公共的放大器、采样 /保持器以及 A/D 转换器，因此需要使用多路开关轮流把各路被测信号分时的与这些公用器件连通。 传感器 传感器 传感器 多路开关 放大器 采样保持器 A/D 转 换 器 计算机 11 图 33 多路转换模拟开关 为了满足不同需要，现己开发出各种集成模拟开关，按输入信号的连接方式可以分为单端输入和差动输入。 图 4一 4为 LF13508 单端 8 通道多路模拟开关原理框图，它有三个二进制控制输入端口。 三个二进制控制信号经过三八译码器后，选择 5158 个输入通道中的一个通道与输出端 D 接通。 EN为使能端，当 EN=0 时，通道断开，禁止模拟量输入。 当 EN=1 时，通道接通，允许控制输入端选中的模拟量输入，并和输出通道相连。 在实际数据采集系统中，有时采样点数不止八路，因此需要使用多个集成模拟开关进行通到扩展，以满足要求。 图 34 数据采集卡 12 图 35 数据采集卡布局图 第 4 章 虚拟示波器的软件设计 虚拟示波器是随着 电子计算机技术的发展而产生并逐步发展起来的一种具有存储功能的新型仪器，主要用于观察、分析和测量非重复信号、重复信号、单次信号、冲激信号等。 正是由于计算机技术、量化采集和数字信号处理技术的引入，使其对于各类简单信号、复杂信号、单次信号和周期信号波形的测量、记录、存储、分析复现都非常有效，在各行各业中均有广泛的应用。 一般测试仪器由信号采集、信号处理和结果显示三大部分组成，这三部分均由硬件构成。 虚拟仪器也是由这三大部分组成，但是除了信号采集部分可以由硬件或者软件实现之外，其它两部分都是由软件实现的。 根据这一思路， 本文设计的虚拟示波器主要功能是对采集到的数据进行触发、时基控制后，完成对输入信号的电压、频率和周期等参数的测量，同时，利用 FFT 窗口对波形进行频谱分析，可以实现单、双信道显示波形，并可以对波形运算后进行输出显示。 时基控制主要控制采集扫描数据的扫描率、信道扫描次数 (取样数 )。 触发控制包括触发电平控制、触发模式等。 信道控制主要控制单信道或双信道测量。 其中，参数测量模块包括电压参数和频率、周期等时间参数的测量并显示测量结果。 频谱分析模块采用 FFT 算法，完成频域信号分析。 由于 LabVIEW 是基于模块化程序设计思想， 因此在开发过程中也是基本上遵循着这一基本思想，在总体方案确定后，根据所需的不同功能分别组建各种功能模块，最后再集成和调试。 根据虚拟示波器功能的需要，程序至少应包含以下模块 : (1) 数据采集 :主要完成数据采集的控制，包括设备号、通道选择控制、采样速率、采样点数等，另外选择采集的波形类型。 (2) 波形显示 :对采集到的波形进行触发控制和时基控制后再显示波形，可 13 以实现单信道显示和双信道显示，以及对波形运算后的输出显示，有 :A、 B、 A+B、A一 B、 Aamp。 B、 XY、 Aamp。 A 积分以及 Aamp。 A 微分模式。 (3) 参数测量 :完 成电压参数、频率和周期等参数的测量功能。 (4) 频谱分析 :利用 FFT 窗口对波形进行频谱分析。 (5) 结果整形、打印、保存模块 :读取已存在文件中的波形数据，并将当前的波形参数写到文档中，打印波形。 系统总体流程图 图 41 系统总体流程图 Labview 前面板用于设置输入数值和观察输出值，用于模拟真实示波器的前面板。 由于虚拟面板直接面向用户，是虚拟示波器控制软件的核心。 设计前面板时，主要考虑界面美观，操作简洁，用户可以通过前面板中的开关和旋钮模拟传统仪器的操作，通过键盘和鼠标实 现对虚拟示波器的控制。 前面板上设有各个功能模块按钮，当按下相应按钮时，即可调用该子程序。 本系统包括了 27个控件，其中输入控件 12 个，显示控件 15个。 通过信号类型选择器可以从信号发生器中选择不同类型的波形，如正弦波形，方波波形，三角波波形，锯齿波形等。 枚举 1 控制是输入原信号还是输入已经存储的波形信号。 当选择原信号时，由虚拟信号发生器产生波形，此时通过对存储开关的关与开，可以确定是否要记录正在发生的波形。 枚举 2控制着系统的三个不同的功能模块，即实时显示，频谱分析和参数测量模块。 通过在这个枚举的三个选择项之间切 换，可以分别实现对应的功能。 显示控件主要是对所测量的参数进行显示，包括有波形的频率，峰峰值，占空比等。 而显示屏则实现对各种不同信号的显示，是用户对系统结果最直观的观察方式。 14 图 42 系统总体前面板 图 43 系统总体程序框图 利用滤波技术可以在被噪声淹没的信号中提取所需要的信号，抑制不需要的干扰信号。 数字滤波器即是以数值计算的方法来实现对离散化信号的处理，以减少干扰信号在有用信号中所占的比例，从而改变信号的质量，达到滤波或加工信号的目的。 LabVIEW 中列有各种数字滤波器，这些数 字滤波器都可以直接调用而用考虑它的内部设计。 设计中采用巴特沃思滤波器。 该节点可设置参数是采样频率低通截止频率、高通截止频率、滤波器阶数以及 4种滤波器类型 (低通、高通、带通和带阻 )的选择。 其中低通截止频率的设置必须满足采样定理规则，截止频率不能高于采样频率的一半。 滤波模块的前面板如图 15 图 44 滤波器前面板 图 45 滤波器程序框图 波形存储和回放模块波形存储功能主要适用于因特殊原因不能实时处理数据，或者是数据对以后的研究具有重要的参考价值的场合，我们在实际实验中，需要先把数据保 存下来，日后再将原保存的数据文件读取出来，此时读出的数据就和实时采集的数据一样，也能进行自动参数测量，频谱分析等。 在本文用Labview 实现的虚拟示波器中，当用软件完成数据采集、处理等工作后，可以将采集到数据以及处理后的数据回放出来，以便继续研究。 这样的功能就依靠波形存储回放显示模块来实现。 我们之所以将它称作为“模块”，主要是因为它在整个程序中举足轻重，如果没有它，开发出来的程序不能称为“虚拟仪器”，只是一个“信号处理内存”。 16 图 46 存储和回放模块前面板 图 47 a 存储和回放模块程序框 图 图 47 b 存储与回放模块程序框图 17 频谱分析模块采用快速傅立叶 FFT 算法，完成频域信号分析，可以获得对应的频谱图。 Labview 提供了与信号分析有关的大量函数可以直接使用，在本文中采用 FFT PowersPectrum 作为主要数据处理子 Vl 进行功率谱分析。 本文中可以实现的频谱分析控制包括 : (1)窗口选择 :提供多种频谱分析窗口。 (2)单位选择 :有多种单位如 vrms、 vpk、 vrlnS‘ 2等供选择。 (3)坐标模式选择 :Log/Linear 两种坐标显示模式可以选择。 根据用户 选择的不同，该子模块可以在幅值 (Magnitude)和相应 (Phase)之间进行 转换。 可以在不同的纵坐标单位之间进行转换。 还能够根据用户选用的分析功能的不同自动显示适当的横坐标。 傅里叶变换是信号处理中最基本，最重要的变换之一，其本质是建立了信号的以时间为变量的时域分析与以频率为变量的频谱分析之间的映射关系。 一些在时域中难以解决的问题在频域中可以一目了然的观察出来。 按照傅里叶级数的定义，凡是满足狄利克雷条件的周期函数都能写成傅里叶级数的形式，函数的周期为 T1，各次谐波成分的幅度值按以下各式计算： 直流分 量 a0= dtTtt tfT   1001 )(1 （ 41） 余弦分量的幅度 an= dtTtt tntfT   100 11 )c o。