基于labview的虚拟示波器的设计和实现

基于labview的虚拟示波器的设计和实现内容摘要：

第 7 页 7 虚拟 示波器 (DSO)基于取样原理，利用 A/D转换技术和 虚拟 技术，能迅速捕捉瞬变信号并长期保存。 它首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据并存储，存储器中贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形；它然后利用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需的各种信号参数 (包括可能需要使用万用表测试的一些元器件电气参数 )。 最后，它根据得到的信号参数绘制信号波形，并可对被测信号进行实时的、瞬态的分析，以方便用户了解信号质量，快速准确地进行故障的诊断。 虚拟 示波器克服了传统模拟示波器无法完成对单次信号和低 重 复 频率信号进行测试的缺点，同时它还具有如下的特点： 1．可以显示大量的预触发信息。 2．可以长期贮存波形。 3． 波形信息可用数学进行处理：如平均、迭加、频谱分析、 FFT 分析等。 4．可以进行全自动的参数测量：使用模拟示波器时，用户只能进行手动测量，例如对屏幕上显示的波形曲线进行解释分析、在屏幕上计算格数以求出波形幅度和时间间隔。 而使用 DSO 时，只要示波器已经采集了信号波形，就获得了所有的波形信息数据，根据这些数据就能自动计算出要测量的参数，得到更加准确可靠的结果，整个过程极为迅速简便。 5．可以采用多种触发方 式： DSO 的存贮功能使它成为捕捉十分罕见、甚至于只发生一次的信号，例如单次事件的极为有用的工具。 为捕捉这些信号就要求示波器具有各种各样的触发方式去探测这些特殊的条件，以便启动波形采集。 为实现这一目的，只有边缘触发方式往往是不够的，为此又 开发了若干附加的触发能力，如状态触发、毛刺触发、时间限定触发等。 虚拟 示波器的分类 数字示波器的核心内容是将模拟连续被测信号转换为数字信号，即取样。 从连续模拟被测信号中离散 (时间上 )地取样转换成数字数据作为“样品”，用来表达原信号的部分特性或全部特性。 保证转换的数字 数据与被测信号的关系是线性的；取样时可以一个被测信号周期内取许多点或者多个被测信号周期内采集一个点；取样间隔可以相等，也可以不等。 取样方式大致有两种：实时取样、非实时取样。 实时取样：取样脉冲频率高于信号频率，在信号的一个周期内采集多次被测信号 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页 8 的瞬时值，用其包络反映原波形。 为了比较真实地再现被测信号原貌，实时取样时，一个被测信号周期内要求取样点数 N大于或等于 5，当 N=1 0 时，波形完全再现信号；当 N=5 时，波形微显失真；当 N=3 时，波形呈明显失真。 非实时取样又分为顺序取样和随机取样。 非实时顺序取样：一个或 多个被测信号周期内取样一次，取样信号每次延迟△ t+NT(T 为被测信号的周期， N 等于 1， 2，3„ )，取样后的离散数字信号构成的包络反映原信号的波形情况，但这个包络的周期与原信号的周期相比低得多，相当于将被测信号在时间轴拉伸了。 非实时随机取样：一个或多个被测信号周期内取样一次，但每次取样相对于原信号不是固定△ t+N T 时间，而具有一定的随机性 (相对于被测信号某 一 固定相位一参考点 )，以取样时刻相对于参考点的△ t 时间段为“尺度”在时间轴排序取样点，由此形成的包络再现了被测信号的信息。 根据取样的方法不同，数字示波器 可以分为实时取样 虚拟 示波器、随机取样 虚拟示波器、顺序取样 虚拟 示波器。 以上三种示波器各有优缺点，实时取样示波器可以观测非周期信号，非实时取样示波器可以比较容易地做到观测高频信号的能力。 虚拟 示波器用实时取样方式观察重复信号时，由于触发信号与取样时钟是不同步的，它们之间无固定的时间关系，故触发信号与其后第一个取样时钟间的时间间隔是随机的，其值在 0 到 t 个取样周期内变化。 所以在观察重复信号时，波形晃动与一个被测信号周期中的取样点数成反比，随着被测信号频率增高，晃动变大。 在随机取样方式工作时，每个捕获周期取得一组取 样数据。 第一个捕获周期获得一组取样数据，第二个捕获周期又获得一组取样数据，依次类推，第 N 个获取周期又获得一组数据。 每组数据内相邻两个取样点的时间间隔是固定的 (采样周期 )，而各组数据头一个取样点相对于触发信号是随机的。 利用该随机时间间隔 △ t 依次在时间轴上排序各组捕获数据，从而重现被测信号波形。 虚拟 示波器工作原理 虚拟 示波器有实时取样和非实时取样两种。 这里介绍属于实时取样的 虚拟 示波器虚拟 示波器包括取样通道、 X 通道、 Y 通道、 CRT，微型计算机、 GPIB 等部分。 在微型计算机的控制下完成取样、存储、读出、 显示和程控等任务。 控制部分 I 拍 CPU、ROM、 RAM 等组成。 CPU控制所有的 I/O 口、 RAM 的读，写操作，以及地址总线和数 据总线的使用。 在 ROM内固化 (写入 )有仪器的监控程序。 GPIB是通用接口总线，通 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页 9 过它可以程控 虚拟 示波器的工作状态，实现内部存储器与外部设备交换数据的功能。 图中触发电路、控制电路等部分决定了模拟信号的取样、存储和读出。 输入信号经取样和 A/D转换后写入 RAM中，在显示时，从存储器 (RAM)读出数据，经 D/A转换器恢复成模拟信号 (阶梯波 )，并送到 cRT 的垂直偏转板；同时对存储器进行地址扫描，经D/A 变换成上升的扫描电压，以便供显示波形时使用，这个波形是由连续光点合成的。 其中， X 通道在写入阶段用于控制取样脉冲的形成。 它也可以只用于在显示阶段提供 X 通道扫描电压，由微计算机直接提供取样的控制信号。 为了同步并显示稳定的信号，每次时基扫描都是由一个触发事件启动的。 虚拟 示波器的工作原理主要包括取样原理、时基设置、触发机制、波形插值处理、工作模式等。 虚拟 示波器的研究现状与发展 随 着微电子集成技术、微计算机技术、数字技术的飞速发展 ，现代数字化存储示波器的研究与开发也有了更快的发展，是近年发展最快 的仪器。 现代数字示波器展现了更强大的智能捕获、参数分析、时频变换、超大规模数据波形存储和数据上网共享等功能。 各大公司 (如 HP， TEK 等 )相继投入巨资来研究开发该类仪器以图率先占领此技术领域。 虚拟 示波器的发展依赖于 新的数据采样技术的发展。 实时采样技术由一般数字电路构成的 A/D 变换器发展到使用 CCD(Charge Coupled Devices)技术变换速率大大提高。 与此同时，非实时采样技术也逐步得到发展。 近来，有两种重复取样技术：顺序取样(Sequential sampling)和随机取样 (Random sampling)获得广泛应用。 非实时采样技术对观测和存储重复性的周期信号是极为有利的，可大大提高其频带宽度。 美国 Tek 公司的2430 型数宁存储示渡器，采用“实时取样”和“顺序取样”相结合的方法，达到 150MHz的带宽和 100Msa/s 的采样速度。 Philips 公司研制出新型的 P4CCD(电荷祸合器件 )，提高了变换速率，可存储 30MHz 的单次瞬变信号 (PM3311 型 )。 HP 公司的 54100 型采用了“随机取样”技术，使有效带宽达 lGHz。 上世纪 90 年代以来，基于实时取样 /量化技术的高速瞬态存储示波器的研制与生 产得到飞速的发展，各大公司不断推出采样率高、宽带的产品。 例如： TEK 公司的 TDS680B/684B数字示波器，数字化率达 5Gsa/S，带宽 1GHz，量化分辨率 8bit， HP 公司的 HPS4722A数字示波器数字化速率高达 8Gsa/s，带宽 2GHz，量化分辨率 8bit。 TEK 公司推出的TDS784 数字示波器能同时在 4 个通道上实现数字化速率 10Gsa/S，带宽 1GHz。 同时， 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页 10 便携式测试仪器也取得了飞速发展。 其中，万用示波表获得了示波器技术的一个突破。 通过大规模集成电路技术和使用液晶显示器， FLUKE 公司的万用示波 表把一个全功能的 2 通道 50MHz 虚拟 示波器和一个数字万用表组合在一个重量只有 1． 8kg 的手持式体内。 近十年来，国内 虚拟 示波器技术研究及发展也取得了相当的成果。 虚拟 示波器采用微处理器进行测量和数据处理及波形分析，其精度和处理速度大大提高。 电子科技大学进行的“八五”预研项目实时数字化速率可达 1GSa/S，采集存储速率已达。 “九五”的研究与开发使 虚拟 示波器数字化速率高达 2Gsa/S，打破国外在高速数字化存储示波器技术上的垄断，为我国电子仪器与测试的发展开创了新的技术领域，为国防军用领域高新技术的 研究与开发提供现代化的检测、分析、处理的强有力工具。 但是，对于实际千差万别的测量系统来说，这类示波器仪表功能固定，可扩展性差，加之价格比较昂贵，因此应用的深度和广度也受到一定的限制。 虚拟仪器技术的出现使得软件实现数字示波器成为现实。 虚拟示波器具有人机交互的虚拟仪器面板和计算机测试系统，由微型计算机、模块化功能硬件 (主要是数据采集卡 )和控制软件等组成。 操作者可以通过计算机屏幕显示的虚拟示波器面板，来控制检测系统工作，实现被测信号的采集、分析处理和图形显示、打印输出等功能，并可以根据需要做成网络化仪器，实现远 程测量和数据传输等。 国内在虚拟示波器方面也进行了大量的研究，其主要集中在对现有传统模拟示波器或者数字示波器用虚拟仪器来得以实现。 但普遍的虚拟示波器本身的功能并没有得到太多的改进。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页 11 2 虚拟示波器方案设计 软件 及 硬件的选择 虚拟仪器由仪器硬件和功能模块软件两部分组成。 虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用计算机。 所设计的虚拟 虚拟 示波器主要是有一块 PCI 总线的 采集 卡和用 开发的功能模块软件组成。 软件的选择 在给定计算机必要的仪器硬件之后，构成和使用虚 拟仪器的关键在于软件。 软件为用户提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。 美国国家仪器公司提出的“软件即仪器” (The Software is the Instrument)形象地概括了软件在虚拟仪器技术中的重要作用。 所以正确选择软硬件对程序开发和设计起着非常重要的作用。 只有选择了合适的软硬件才能快速开发出应用软件，才能事半功倍。 对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式： 一是 通用编程软件进行编写。 主要有 Microsoft 公司的 Visual Basic 与 VisualC++， Borland 公司的 Delphi． Sybase 公司的 Power Builder；二是 用专业图形化编程软件进行开发。 如 HP 公司的 VEE、 NI 公司的 LabVIEW 和 Lab windows/CVl 等。 LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是美国国家仪器公司 (NI)的创新软件产品，也是目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。 LabvIEW 的前面板可以包含旋钮、刻度盘、开关、图表和其他界面工具，允许用户通过 键盘或鼠标获取数据并显示结果。 LabvIEW 具有模块化的特性，有利于程序的可重用性。 LabVIEW 将软件的界面设计与功能设计独立开来，修改人机界面无需对整个程序进行调整， LabVIEW 是利用数据流框图接收指令，使程序简单明了，充分发挥了图形化编程环境的优点。 这就大大简短了虚拟仪器的开发周期、消除了虚拟仪器编程的复杂过程。 而通用的编程软件需利用组件技术实现软面板的设计，这使程序设计变得非常麻烦。 LabVIEW 虽然是为计算机测控领域开发的，但它的函数包含了一般高级计算机语言中的绝大多数程序控制功能。 LabVIEW 作为开发坏境所具有的优点总结如下所述： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页 12 （ 1） 图形化编程，降低了对使用者编程经验的要求，易于工程师使用： （ 2） 采用面向对象的方法和概念，有利于软件的开发和再利用 （ 3） 对象、框图及其构成的虚拟仪器在 Windows， WindowNT， UNIX 等多平台之间和各种 Pc 机及工作站问兼容，便于软件移植； （ 4） 支持 550 多种标准总线设备及数据采集卡，如串行接口、 GPIB。 VXI 等； （ 5） 具有丰富的库函数和例子，对于大多数应用程序，用户可以从例子中取得程序框架，便于提高开发速度； （ 6） 具有比较完备的代码接口，可 调用 Windows 中的动态链接库 (DLL)中的函数以及 C 语言程序，以弥补自身的某些不足： （ 7） 直接支持动态数据交换 (DDE)、对象联接与嵌入 (OLE)、结构化查询语言(SQL)，便于与其它 Windows 应用程序和数据库应用程序接口 f （ 8） 支持 TCP， UDP 等网络协议，网络功能强大，可遥控分布在其他微机上的虚拟仪器设备； （ 9） 为加强 LabVIEW 的功能，适应各种工业应用的需要， NI 公司又开发了一系列与 LabvIEW配合使用的软件包，如自动测试工具、可连结 25种数据。