基于LabVIEW的虛擬示波器設計
虛擬儀器是一種基于計算機的自動化測試儀器系統(tǒng),。虛擬儀器的突出優(yōu)點在于能夠與計算機技術結合，將計算機資源與儀器硬件,，數(shù)字信號處理技術與不同功能的軟件模塊結合,，組成不同的儀器功能。用戶可根據(jù)測試的需要,，自己設計所需要的儀器系統(tǒng),，即利用數(shù)據(jù)采集卡及計算機外圍硬件進行信號的采集與檢測，然后用計算機所編的軟件來實現(xiàn)對信號的處理,、計算和分析以及對測試結果進行顯示,。
波形分析是信號處理中重要的分析手段。虛擬示波器的出現(xiàn)改變了原有示波器的整體設計思路,，用軟件代替了硬件,。將傳統(tǒng)儀器由硬件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析與顯示功能，改由功能強大的計算機及其顯示器來完成,，使工程技術人員可以用一部筆記本電腦到現(xiàn)場就可輕松完成信號的采集、處理及頻譜分析和波形分析,。 LabVIEW(實驗室虛擬儀器集成環(huán)境)是NI公司(美國國家儀器公司)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品,，也是目前應用最廣、發(fā)展最快,、功能最強的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境,，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儀器控制,、過程監(jiān)控和自動測試等實驗室研究和工業(yè)自動化領域的實際任務,。LabVIEW從基本的數(shù)學函數(shù)、字符串處理函數(shù),、數(shù)據(jù)運算函數(shù),、文件I／O函數(shù)到高級分析庫，包括了信號處理,、窗函數(shù),、濾波器設計、線性代數(shù),、概率論與數(shù)理統(tǒng)計,、曲線擬合等，涵蓋了儀器設計中幾乎所有需要的函數(shù),。LabVIEW的功能模塊包括數(shù)據(jù)采集,、通用接口總線和儀表的實時控制,、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)的存儲,。擁有大量數(shù)據(jù)采集和儀表控制的功能模塊和開發(fā)工具,，因此，LabVIEW可以編出外觀和功能都與真實儀表很相似的程序,。
虛擬示波器是虛擬儀器平臺測控系統(tǒng)輸出部分中常用的電子測試儀器之一,，是一種分析和比較信號的綜合性儀器，能在熒光屏上將電壓或電流以時間函數(shù)的形式描繪出來,，是電信號的時域測量和顯示儀器,。它的主要功能是精確復現(xiàn)作為時間函數(shù)的電壓波形，顯示的波形用來確定數(shù)量的信息(如幅度,、頻率),，也可用來獲得其質(zhì)量的信息(如波形)；還可用來比較兩個不同的波形,，并測量它們的時間和相位關系,。本文介紹利用NI公司數(shù)據(jù)采集卡PCI-6014及LabVIEW應用開發(fā)環(huán)境，開發(fā)基于PCI總線的虛擬示波器,。
本虛擬示波器的主要功能包括：3種通道信號輸入,、觸發(fā)控制、通道控制,、時基調(diào)整控制,、幅度調(diào)整控制、波形顯示,、參數(shù)自動測量等,。基本性能如下：數(shù)據(jù)采樣速率為100KSPS(千次采樣每秒),，分辨率為12 bit,；波形顯示模式為通道A或B或A&B；電壓參數(shù)測量為Vrms和Vpp波形類型為雙蹤示波,；通道選擇為通道0或1,。
虛擬示波器主要由軟件控制完成信號的采集、處理和顯示,。其功能結構如圖1所示,。最終能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理,、顯示等功能,。
虛擬示波器由一塊基于PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡和相應的軟件組成，將它們安裝在一臺PC機上，采集卡選用NI公司的PCI-6041,，系統(tǒng)的軟件采用模塊化的思想編寫,，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成，然后由主控模塊調(diào)用各個于模塊,，即可構成一個功能強大的數(shù)字虛擬示波器,。實際測量是輸入信號通過BNC接頭從輸入端子進人數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集，同時用NI公司提供的Measurement Automation進行簡單的設置,，便可完成系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)采集卡之間的通信,。軟件采用模塊化設計思想編寫，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成,，軟件總體上包括程序控制,、波形顯示、通道選擇,、位置調(diào)整,、觸發(fā)控制等模塊組成，最終能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,、調(diào)節(jié),、處理、顯示等功能,。 程序控制模塊是虛擬雙蹤示波器軟件的主要部分,，完成提供本示波器的操作以及停止按鈕。在運行次程序之后,，點擊其幫助信息可以出現(xiàn)簡單的操作說明對話框,，還設置了其相應的鍵盤快捷鍵。
軟件提供的波形顯示方式是通過顯示通道選擇按鈕"A",、"B"和"A&B",，可以任意顯示某一通道或同時顯示兩個通道輸入信號的波形,，當選擇通道"A",、"B"時分別是"A"、"B"的波形,，采集外部數(shù)據(jù),；當選擇"A&B"時，同時顯示兩個通道輸入信號的波形,，此時實現(xiàn)了外部數(shù)據(jù)的采集,，可以根據(jù)需要來采集顯示外部信號，也可任意選擇波形(方波,、正弦波,、三角波等)。排序如圖2所示。
軟件還提供兩個調(diào)節(jié)按鈕,，分別是時基調(diào)整和幅度調(diào)整,。時基調(diào)整可以調(diào)節(jié)顯示屏橫坐標的分度值(5 ms／div～20 ms／div)，幅度調(diào)整可以調(diào)節(jié)顯示屏縱坐標的分度值(0.5 V／div～2 V／div),。也可以設為自行調(diào)節(jié),。圖3是時基調(diào)整和幅度調(diào)整代碼圖的局部。
本示波器提供3種觸發(fā)方式,，分別為電源觸發(fā),、斜坡觸發(fā)和電平出發(fā)。
將上述功能模塊依一定的邏輯組合,，即可實現(xiàn)預定的功能,。
3系統(tǒng)調(diào)試
根據(jù)對虛擬示波器設汁要求和設計思想，開發(fā)出相應的應用程序,。本系統(tǒng)軟件的主操作界面如圖4所示,。
虛擬雙蹤示波器模塊可以對信號波形進行采樣、采樣值數(shù)字化并存儲,，然后可從存儲器中讀出,，重建波形，并用清晰,、均勻的軌跡顯示在屏幕上,。實驗中選用EM系列函數(shù)發(fā)生器作為信號源對虛擬示波器的性能進行檢測，該信號源可以自由調(diào)節(jié)輸入信號的波形類型,、頻率及幅值,。同時，觀察軟面板上虛擬示波器波形窗口和通用示波器上的波形顯示,，以此來驗證虛擬示波器模塊波形顯示的精度,。
將信號源的信號輸出與連接器的A／D輸入引腳用雙線電纜連接，設置波形為正弦波,，選擇不同頻率,、不同幅值，通過真實通用示波器的測試和運行虛擬示波器程序的比較,，町以看到,，所設計的虛擬示波器的精度高于通用示波器。
4結束語
利用NI公司數(shù)據(jù)采集卡PCI-6014及LabVIEW應用開發(fā)環(huán)境,，開發(fā)的基于PCI總線的虛擬數(shù)字示波器基本實現(xiàn)了傳統(tǒng)示波器的數(shù)據(jù)采集,、調(diào)節(jié)、處理,、顯示等功能,，并實現(xiàn)波形存儲,，具有較高的測試精度和友好的人機界面。