虚拟示波器设计(编辑修改稿)

虚拟示波器设计(编辑修改稿)内容摘要：

83。 56 1 第 1 章 绪 论 虚拟仪器 由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、方法、领域以及新的仪器结构的不断出现，电子 测量仪器的功能和作用也发生了质的变化 [1]。 在这种背景下， 20世纪 80年代末，美国成功研制了虚拟仪器。 本章将重点介绍虚拟仪器的概念和其结构、发展以及开发虚拟仪器所需的软硬件选择和本文的主要内容 [2]。 虚拟仪器的概述 虚拟仪器是随着微电子技术、计算机技术、软件技术、现代测量技术、电子仪器技术的发展而产生的一种新型仪器，它经历了电磁指针式仪器、分立元件式仪器、数字式仪器、智能式仪器发展的一步步进程。 特别是 20 世纪 80年代末以来，新的测试理论，新的测试方法以及新的仪器结构不断出现，在许多 方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化，一种全新的虚拟仪器观念出现在人类面前，它从根本上更新了测量仪器的概念 [3]。 虚拟仪器的出现是测量仪器领域的一个突破，它彻底改变了传统的仪器观，代表着测量仪器发展的最新方向和潮流，开辟了测量测试技术的新纪元。 虚拟仪器技术的发展使现代测量技术和计算机技术真正结合在一起，是计算机技术和现代测量技术的高速发展和共同孕育出的一项革命性新技术。 虚拟仪器广泛应用于工业自动化和控制系统、图象的采集和分析处理、系统仿真、运动控制、远程监控、物矿勘探、医疗、 振动分析、声学分析、故障诊断、电子工程、电力工程及教学科研等诸多领域。 它的出现对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响 [2,4,5,6]。 2 虚拟仪器的概念首先由美国国家仪器公司 NI（ National Instruments）提出，并在 1986 年推出的 虚拟仪器软件平台，由此开创了虚拟仪器发展的新纪元，自 1986 年 NI 公司推出 版本以来， 2020 年 5 月相继有 NI 版本面世。 由 LabVIEW开发的程序称为虚拟仪器 (Virtual instrument)， 简称 VI[3,7]。 虚拟仪器的概念 虚拟仪器（ Virtual instrument，简称 VI）是虚拟技术在仪器仪表领域中的一个重要应用，它是现代计算机技术（硬件、软件和总线技术）和虚拟仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试（ CAT）领域的一项重要技术 [7]。 即虚拟仪器就是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型仪器，它是利用计算机强大的图形环境，组合相应的硬件，编制不同的测试软件，建立界面友好的虚拟仪器面板（即软面板），通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，构成多种仪器，完成对 被测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成的仪器 [9]。 也就是说，虚拟仪器是：利用计算机显示器模拟传统仪器控制面板，以多种形式输出和显示结果；利用计算机软件实现信号数据的运算、分析和处理；利用 I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。 VI 以透明的方式将计算机资源（如微处理器、内存、显示器等）和仪器硬件（如 A/D、 D/A、数字 I/O、定时器、信号调理等）的测量与控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理与表达，如图 所示 [8]。 而软件就成为了虚拟仪器的关 键，任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能，这就是美国 NI 公司“软件就是仪器”（ The software is the instrument）一说的来历 [10]。 3 图 虚拟仪器内部功能的划分 虚拟仪器的基本结构和类型 图 虚拟仪器系统构成框图 虚拟仪器系统的基本框图如图 所示。 把 PLC、现场总线设备也放入这个框图，是因为如果按构成仪器的三大功能部件来看，所有的过程控制系统、工业自信号调理 数据采集卡 GPIB 接口仪器 GPIB接口卡 串行接口仪器 /PLC VXI 仪器 现场总线设备 其他计算机硬件 测控对象 LabVIEW LabWindows/CVI Acquisition and Control (采集与控制 ) Plugin Data Acquisition (插入式数据采集板 ) GPIB(IEEE488) (GPIB 仪器 ) VXI （ VXI 仪器） RS232 （ RS232 仪器） Data Analysis （数据分析） Digital Signal Processing Board （数字信号处理） Digital Filtering （数字滤波） Statistics （统计） Numerical Analysis （数字分析） Data Presentation （数据表达） Networking （网络） Hardcopy Output （硬拷贝输出） File I/O （文件 I/O） Graphical User Interface （图形用户接口） 4 动化系统均可归纳到虚拟仪器系统的框架上来。 目前较常用的虚拟仪器是数据采集系统、 GPIB 控制系统、 VXI 仪器系统以及这三者之间的任意组合 [4,11]。 (1) GPIB 仪器控制系统的构成方法 GPIB 技术可以说是虚拟仪器技术发展的第一阶段。 GPIB（通用接口总线）犹如一座桥梁，把可编程仪器和计算机紧密 地结合起来，从此电子测量由独立手工操作的单台仪器向组成大规模测试系统方向迈进。 一个典型的 GPIB 测试系统由一台计算机、一块 GPIB 接口板和若干 GPIB 仪器通过标准 GPIB 电缆连接而成。 GPIB 自动测试系统的规模可以进一步扩展。 利用 GPIB 技术，可以通过计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测量、测试误差。 同时，由于可以用预先编制好的测试程序，实现自动测试提高系统测量的可靠性和效率。 (2) 数据采集系统的构成方法 一个典型的数据采集控制系统由四部分组成，如图。 图 典型的数据采集控制系统框图 一个好的数据采集产品不仅包括高性能、高可靠性，还应该 提供高性能的驱动程序、简单易用的高层语言接口。 只有这样才能为用户快速建立高可靠性的应用系统提供最大方便。 目前，由于多层印制电路板技术、可编程仪器放大技术、即插即用技术、系现场信号、传感器执行机构 信号调理（放大、过滤等） 数据采集板、卡或盒 数据采集控制软件 5 统定时器技术、多数据采集实时系统继承总线技术、高速数据采集的双缓冲区技术以及数据高速传送中断、 DMA 等技术的应用，使得最新的数据采集卡能保证仪器级的性能、精度与可靠性，为用户建立功能灵活，性能价格比高的数据采集控制系统提供了很好的解决方案 [12,13]。 (3) VXI 仪器系统构成方法 VXI总线是一种高速计算机总线 — VME 总线在仪器领域 的扩展。 由于它的标准开放、结构紧凑、具有数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂商支持等优点，因此很快得到了广泛的应用。 在近 10 年时间内，随着 VXI总线规范的不断完善和发展， VXI 即插即用系统联盟的不懈努力， VXI 系统的组建和使用越来越方便，其应用面也越来越广，尤其是在组建大、中规模自动测量测试系统以及对速度、精度要求高的场合有着其他仪器系统无法比拟的优势 [9]。 一个基本的 VXI 仪器系统可以有三种不同的配置方法 [18]： ① GPIB 控制方案； ② 嵌入式计算机控制方案； ③ MXI 总线 控制方案。 虚拟仪器的发展 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算机处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示，存储以及分析处理。 从发展史来看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器 [10]。 当硬件平台 I/O 接口设备与计算机确定后，编制某种测量功能的软件就成为该种功能 6 的测量仪器。 因为虚拟仪器可以与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联，用户只需改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它 的测量功能。 这就是说，仪器的设计制造不在是厂家的专利。 虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代，这将给仪器使用者带来无尽的收益 [15]。 虚拟仪器从概念的提出到目前技术发展已日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的革命。 大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又是同步进行的 [11]。 第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能。 由于 GPIB 总线标准的确立，计算机与外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过 GPIB 和 RS232 同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。 随着计算机系统性价比 的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。 这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。 第二阶段，开放式的仪器构成。 仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡（ plugin PCDAQ）；二是 VXI仪器总线标准的确立。 这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。 第三阶段，虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。 软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要的东西封装起来。 许多行业标准在硬件和软件领域已产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟 仪器行业的标准工具。 发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键 [2]。 目前，虚拟仪器的发展过程有两条主线：一是 GPIB→ VXI→ PXI 总线方式（适 7 合大型高精度集成系统）；二是 PC 插卡式→ LPT 并行口式→串口 USB 方式→ IEEE标准的 1394 口方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景 ） [16]。 随着计算机、通信和微电子技术的不断发展，以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟仪器发展的重要趋势。 21 世纪的虚拟仪器主要 发展方向是网络化虚拟仪器，它是将由单台虚拟仪器实现的数据获取、数据分析及图形化显示三大功能分开处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的三大功能，进而实现信息资源的共享 [7]。 也就是将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及数据库资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。 使用网络化虚拟仪器可在任何地点、任意时刻都能获取测量数据，也适合异地或远程控制、数据采集、故障监测、报警等。 不久的将来，还可以把数码发布到 WEB 网页上甚至把数据传输到手机上，实现在不同地点、不同国家的同行合作处理同一个项目。 虚拟仪器的核心是 软件，而虚拟仪器软件构架的精髓是虚拟仪器库技术。 传统的 VI 方式为一个仪器功能开发一个软件，每个软件都独立具有数据采集功能，但多个软件不能同时使用。 虚拟仪器库技术解决了这个矛盾，如DASP2020 标准版和专业版内的虚拟仪器库模块就是由“平台软件 +虚拟仪器库”组成，多个软件共享虚拟仪器的硬件资源 [17]。 它由一个平台软件实现基本的数据采集和频谱分析。 多个模块化的仪器软件基于平台软件上运行，共用平台软件提供的数据和频谱值，分别实现各自仪器的不同功能（如频率计、阻尼计、转速表、失真度计、索力计、声级计、压力计、温度 计、应变计、应力计、示波器、频谱仪、波谱双显仪、混叠演示仪、泄露显示仪、信号发生器、数据多用表等）。 它的特点是在一个平台软件上，多个模块化仪器软件共享 A/D 采集数据资源及信号处 8 理的数据资源，多台仪器可以高速实时运行，操作应用非常方便。 就像 PC 与Windows、 Office 的发展依存关系一样，虚拟仪器正在向综合性、多功能、多用途、快捷的多画面的虚拟仪器库方向发展。 此外，手持式、更轻便的小型化的嵌入式PC（如 PC104）及掌上电脑与 DSP、 AD/DA、 LCD、调理放大、电子盘加软件相结合的一体机也是一个未来发展 方向，它使虚拟仪器更方便地深入到测试现场。 虚拟仪器向节能、省电、轻便、小型化发展也是一个方向 [23]。 本文的研究内容 虚拟仪器由通用仪器硬件平台 (简称硬件平台 )和应用软件两大部分构成。 硬件 平台主要完成对被测信号进行调理和采集。 仪器硬件可以是插入式数据采集卡及必 要的外围电路 (含信号调理电路、 A/D转换器、数字 I/O、定时器、 D/A转换器等 )， 或者是带标准总线接口的仪器，如 GPIB, VXI, PXI, STD, PCI总线仪器和网络化仪器等 [16]。 目前市场上的 A/D采集卡和数据采集卡以及带标准总 线接口的仪器等，其价格均不菲，以毕业设计的实验目的来说，性价比以及实用程度显得不高。 进而考虑计算机中的声卡本身就是一个 A/D,D/A的转化装置，具有 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，个别性能指标还优于商用数据采集卡，而价格却为商用数据采集卡的十几分之一甚至几十分之一，在设计试验中完全可以满足要求 [14]。 因此在本设计中，虚拟示波器的数据采集装置主要基于声卡。 作者就是基于声卡制作了一个简易虚拟示波器，不仅具有通用示波器的功能 (如测量实验电路对激励信号的 响应 )，还可暂停波形扫描，以便能更清楚地观察波形的变化，所存储 9 的曲线可以在任何时间打印输出，使用者可以及时进行数据处理，观察和分析实验结果。 虚拟仪器的发展已经具有 20多年的历史，虚拟示波器作为虚拟仪器中的一种典型仪器，是仪器仪表、无线电通信、雷达系统等领域不可缺少的一部分。 本论文开发了一台虚拟示波器。 本论文具体内容安排如下： 第一章，绪论：介绍虚拟仪器的概念、构成及其发展的现状，和本文的研究内容。 第二章，虚拟示波器的基本原理：首先讲述通用示波器的原理，过渡到数字示波器的原理，进而讲述了基于声卡的虚拟示波 器原理。 第三章，虚拟示波器的设计：本章讲解了软、硬件的选取方案，详细陈述了软件选择 LabVIEW、硬件选择声卡的理由。 第四章，软件模块设计与测试：本章是重点，详细讲述了各个功能模块具体的实现 过 程，包括数据采集和处理、触发控制、波形显示、参数测量、频谱分析、波形存储、坐标移动等模块。 进行了系统调试，验证了虚拟示波器的实用性和优越性。 第五章，结束语：对设计的虚拟示波器进行了总结，并对将来的发展趋势给出了展望。 10 第 2 章 虚拟示波器的基本原理 示波器的基本原理 示波器是利用电子射线的偏转，来复 现电信号瞬时值图像 (常成为时间波形 )的一种仪器。 它能快速的把肉眼不能直接看见的电信号的时变规律，以可见的形式形象的显示出来 [17]。 目前，示波器在信号测试、信号比较、逻辑分析等领域得到了广泛应用。 示波器波形显示原理 在示波器的荧光屏上，显示电压波形的原理如下：被测电压是时间的函数，在直角坐标系统中，可以用 ux=f(t)的曲线表示。 示波器的两副偏转板使电子束在两个互相垂直的方向偏转，这两个方向可以看成是坐标轴。 因此，要在管子的荧光屏上显示被测电压的波形，就必须使射线沿水平方向的偏转同时间成正比， 而在垂直方向同被测电压成正比 (每一瞬间 )。 所以，锯齿波电压加到水平偏转板上，它迫使射线以恒定的速度从左向右沿水平方向偏转。 并且很快的返回到起始位置。 射线沿水平轴经过的距离跟时间成正比。 被测电压加到垂直偏转板上，因而，每一瞬间射线的位置单值的对应于这一瞬间被测信号的值。 在锯齿波电压作用期间，射线就绘出了被测信号的曲线 [17,18]，如图 2l。 11 图 21 示波器波形显示原理 以上图形是锯齿波的重复周期等于输入信号周期整数倍的情况 (一倍 )，荧光屏上显示出的信号图形是稳定不动的。 如果不 是整数倍，则每次出现的信号波形就不会重合，图形将不断移动，不利于观测。 为了保证锯齿波的周期等于输入信号的整数倍，示波器必须具有同步或触发电路。 通用示波器的组成部分 现代示波器主要由主机、 Y轴系统、 X轴系统三个部分组成 [18]。 被测信号①接到“ Y”输入端，经 Y轴衰减器适当衰减后送至 Y1放大器 (前置放大 )，推挽输出信号②和③。 经延迟级延迟 r1时间，到 Y2放大器。 放大后产生足够大的。