虚拟示波器的研究与设计

虚拟示波器的研究与设计

任重

江西科技师范学院，江西省光电子与通信重点实验室，江西南昌（330013）

E-mail：renzhong81@

摘要：本文首先介绍了虚拟仪器技术,高校实验室仪器的现状和解决方法，然后从总体的角度提出了虚拟示波器的设计方案,另外介绍了DAQ卡Kpci-3100，然后比较详细地从功能的角度用LabVIEW语言分别设计了虚拟示波器的功能模块。最后，整个系统经过调试和实验表明，该虚拟示波器具有传统示波器无法比拟的诸多优势。

关键词:虚拟仪器，虚拟示波器，DAQ卡，LabVIEW

中图分类号：TP216+.1 文献标识码：A

1.引言

虚拟仪器是由美国国家仪器公司（National Instrument）首先提出来的，虚拟仪器（Virtual instrument）的核心是：以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，并结合相应的I/O接口设备，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统[1]。

目前，在多数院校的电子学实验教学中，常用的仍然是功能固定的台式仪器，主要有示波器、函数发生器、实验箱和电源等。对于一所高等院校而言，进行电子类实验教学至少需要配备30套设备，每一套近万元，在经费紧张的情况下，很难满足教学的需要。另外，台式机操作复杂，功能单一、调试困难，学生不易掌握其使用方法，测定结果也不精确。而采用虚拟仪器实验系统，可以解决上述问题：（1）虚拟仪器可以由用户自定义其功能，并可以把几种仪器集成在一个系统中，运用不同切换过程，实现同样的教学目的。这样，一台计算机就是一个实验平台。（2）由于虚拟仪器的内容丰富，人机界面好，可以减轻教师的教学负担，加深学生对知识的理解。（3）提高实验效率，降低教学成本，参数输入简便，结果显示明确，实验设备如有更新，只需更新一下软件。（4）借助虚拟技术把仪器与计算机相连接，可以充分利用实验资源。

2.虚拟示波器的总体设计

本虚拟示波器[2]主要由硬件和软件两部分组成。其中硬件是以PC机为基础，加上一块基于PCI总线的多功能数据采集卡;软件是以WIN98/2000/XP为操作系统的基础上的一个应用程序，如：VC++，VB，Dephi，Labwindows/c及LabVIEW[3][4][5]以及仪器驱动程序。虚拟示波器的结构如图1所示。

图1 虚拟示波器的组成结构

被检测信号通过信号检测电路，从混合信号中提取出待测的微弱信号，输出的信号是已经放大和滤波后的标准信号，然后送入数据采集板卡采集信号并进行A/D 转换后，通过系统总线送入计算机进行处理。

3. 数据采集卡[6]（DAQ ）

本虚拟示波器采用DAQ 卡和应用软件LabVIEW 相结合的方式来实现的。

本设计所使用的数据采集卡由美国Keithley 公司提供的kpci-3110，此卡设计基于PCI 总线，由于PCI 总线传输速率高，数据采集卡设计的主流，它是一块性价比较好的产品，主要性能如下：

(1)该数据采集卡的分辨率为16bit ，存储容量为4K ，输入采样频率为1.5MHZ ；

(2)它支持单极性和双极性模拟信号输入，信号输入范围分别为-10V~+10V ；

(3)提供32路/16路双端差动模拟输入通道；

(4)具有2个独立的D/A 输出通道，24线型I/O ，4个定时/计数器；

(5)支持DMA 方式及双缓冲模式，保证实时的信号不间断采集与存储；

数据采集卡的内部原理框图如图2所示。

图2数据采集卡的内部原理框图

4.虚拟示波器软件系统设计

虚拟示波器软件系统主要由设备驱动程序、分析处理程序两部分组成。

4.1设备驱动程序

设备驱动程序是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。通常一些虚拟仪器开发软件，如LabVIEW和HPVEE，不但提供世界各地主要厂家生产的多种仪器驱动程序，为用户程序设计节约了时间和精力，而且为用户提供了重要的模块化代码，使用户很方便地进行仪器驱动程序的开发设计[6]。

本设计是使用的设备驱动程序是由Keithley公司提供的数据采集卡KPCI-3110自带的DriverLINX，它提供了相关的VIs模块，可供LabVIEW直接调用。

4.2前面板设计

笔者设计的虚拟示波器前面板如图3所示。

图3虚拟示波器面板

前面板主要分为显示区及操作控制区。显示区主要完成信号的动态显示和分析处理后的信号波形显示。操作控制区主要完成示波器信号输入通道、触发形式的选择及扫描速度、通道的输入电平范围及信号的处理等控制。其中信号的处理控制包括：参数测量，可测得电压、周期、频率、均方值等20多个参数；窗函数、滤波函数的选择；存储和停止按扭。所有这些按钮都用鼠标来控制，简单方便。

4.3数据分析处理软件设计

笔者设计的虚拟示波器是采用模块化的软件设计思想来编写的，虚拟示波器模块功能总体上包括数据采集模块、时基控制模块，幅值控制模块，波形显示、参数测量模块、频谱分析模块、功率谱分析模块、加窗及滤波和数据存储等模块组成。最终能实现数据采集、处理、测量、显示、数据存储等功能。

4.3.1数据采集模块

数据采集模块是虚拟示波器的软件的核心，主要完成数据采集的控制，包括触发控制、通道控制、时基控制等。笔者设计的虚拟示波器的采集模块采用了功能模块→Data Aquisition 子模块→Analog Input 子模块Analog Input Utilities 子模块中的AIWaveform scan .vi 控制数据采集卡进行数据采集，数据采集模块程序如图4所示。

图4 数据采集模块程序

4.3.2参数测量模块

参数测量模块主要模拟台式数字存储示波器的参数测量功能，可以完成包括AC （V ）、DC （V ）等12个电压参数，f （HZ ）、T （ms ）、Duty （%）、w i d t h T

（ms ）、r i s e t （ms ）、f a l l t

（ms ）等7个时间参数的测量并显示其测量结果。该模块采用了AC&DC estimator.vi 、RMS.vi 、Mean.vi 、extract signal tone information.vi 和pulse parameters.vi 来设计

。

4.3.3频谱分析模块

频谱分析模块采用快速FFT 算法，完成频域信号分析。

实现的频谱分析控制是：Windows 选择，提供了9种频谱分析窗口；Log Linear 选择，提供了2种坐标显示模式；Display Unit 选择，提供了8种单位。

这部分模块主要用到了windows constants. vi ,Amplitude& phase spectrum .vi 及scale units conversion. vi 三个subVI 。信号经过频谱分析可以分别得到幅度谱和相位谱。

4.3.4功率谱模块

在模块程序的设计过程中，调用子Function 模板→Analyze 子模板→Signal Processing 子模板→Frequency Domain 子模板→Auto Power Spectrum. vi 节点来对信号进行功率谱分析处理，Spectrum Unit Conversion. Vi 节点进行显示单位的转换，Power &Frequency Estimate .vi 节点来计算出信号的基频。

4.3.5存储模块

本模块化程序设计按照case 结构，需要有存储条件时，通过按下前面板中的存储按键，即可实现波形数据的存储，并同时弹出一个对话框，供用予输入需保存数据文件的文件名