虚拟示波器的设计报告

基于LabVIEW 的虚拟示波器的设计

The Design of Oscillograph

1设计目的与内容

1、掌握利用A/D转换和计算机资源实现示波器的设计方法。

2、设计虚拟示波器。

3、建立NI-DAQmx仿真设备，选择E系列中的NI PCI-6071E数据采集卡的仿真模块，通过DAQmx物理通道识别，产生模拟信号，然后基于LabVIEW开发平台设计实现虚拟示波器。基本可以实现仪器的性能与可靠性，可以方便的对其编程, 实现对数据的采集、实时显示、数字滤波、截波显示、波形存储、波形回显、频谱分析等多种功能。

2虚拟示波器的软件设计

虚拟仪器的软件设计由两部分组成：前面板和流程图。在前面板，输入用输入控件(Control)来实现，程序运行的结果由输出控件(Indicator)来完成。流程图是完成程序功能的图形化源代码，通过它对信号数据的输入和输出进行指定，完成对信号采集及分析处理功能的控制。

2.1虚拟示波器的原理及功能

虚拟示波器是在传统示波器体系结构的基础上，借鉴其功能原理设计的。基本原理为：硬件上利用采集卡采集信号，软件上利用NI提供的DAQmx READ采集信号，然后通过‘波形图’进行实时显示。这就实现了一个最基本的示波器，信号显示后又利用‘写入测量文件’将波形保存为LVM文件。这就实现了基本的“存储”功能，反之通过‘读取测量文件’可以将LVM读取显示，从而完成“回显”功能。由于在硬件上是以PC机以及采集卡为基础的，所以本示波器在采样极限速率，带宽，分辨力等参数上受到限制。而程序响应时间上则依赖于PC的配置以及程序的执行效率。

本次设计的虚拟示波器所包含的功能主要有以下几个方面。

实时显示：通过采集卡采集信号并能对输入信号实时显示在PC机终端上。

数字滤波：采用数字IIR滤波器对信号进行滤波处理并实时显示，同时可以任意设置滤波器的最佳逼近函数类型、滤波器类型、阶次、上下截止频率等参数。

截波显示：即可满足波形的瞬态显示，同时也可以将瞬态波形进行保存。

波形存储：可随时将原始信号或处理后信号以LabVIEW特有的LVM文件格式存储在本地硬盘上，便于日后分析或处理。其中瞬态信号在截波后以BMP图片格式存储在本地硬

盘上供日后查看以及分析。

波形回显：随时将存储的LVM格式波形文件重新读取然后显示在PC机端。

频谱分析：对滤波后信号分别进行幅频相应分析以及相频响应分析并同时采取波形与表格方式实时显示。

2.2程序前面板设计

虚拟示波器的控制界面如下图所示。

图1 虚拟数字示波器的控制界面

其中左边为滤波器设置，左中为可选IIR滤波器参数设置，左下为滤波器的相关信息显示，正中为显示区域（这里用到了‘容器’里的‘选项卡控件’），最上面为各种显示界面的切换按钮。右下分别有物理通道的选择，时间、幅度轴控制，采样模式选择，采样速率，采样点数的设置，文件保存选择按钮以及停止按钮。

前面板中的滤波器设置、可选IIR滤波器参数设置和滤波器信息显示是三个簇组件。簇是LabVIEW中比较独特的一个概念，但实际上它就对应于C语言等文本编程语言中的结构体变量。它能够包含任意数目任意类型的元素，包括数组和簇。很多情况下当显示控件繁多而又单一的时候，若用簇来排版界面而用数组来编程会是程序非常简洁漂亮。在本次前面板的设计中，就利用了簇控件，是前面板更简洁漂亮。

2.3虚拟示波器的程序框图设计

程序由一个大的while循环构成,主要包括7个主要的部分，分别为：

①通道选择、采样速率、模式、点数等参数设置部分；

②数据采集模块；

③数字滤波器设置模块；

④波形显示、滤波以及截波等部分；

⑤时间以及幅度控制部分；

⑥波形保存部分；

⑦波形回显部分；

⑧幅频响应以及相频响应部分。下面介绍各部分的框图设计。

2.3.1通道选择、采样速率、模式、点数等参数设置部分

图2 采样参数设置

2.3.2 数据采集模块

数据采集模块是动态测试中的重要部分，可以进行采集方式相关参数的设置，它直接影响到后面数分析的结果及其他功能的实现。该模块工作状态的好快直接影响到整个系统工作的正常与否，主要完成数据采集的控制，通道控制和时基控制等。LABVIEW集成了功能强大的数据采集函数库Data Acquisition。在本模块选用DAQmx-Data Acquisition函数库来实现数据采集程序的设计。

我们也可以通过DAQ Assistant函数来实现对采集卡输入输出类型、采集数据类型以及聚集所用通道选择等进行设置，也可以通过DAQmx Task Name Constant函数和DAQmx Global Channel Constant函数来实现。通过DAQmx Create Virtual Channel.Vi创建虚拟物理通道：通过DAQmx Read villtllDAQmx write.Vi来执行数据的读写操作；通过DAQmx Start.Vi 和DAQmx Stop.Vi执行数据采集的开始与结束；通过DAQmx Advanced Task Options函数库中的DAQmx Configure Input Buffer.Vi和DAQmx Configure Output Buffer.Vi来配置采集过程中计算机缓存。对于模拟信号的输入部分，设计的流程图如图3所示。

数据采集模块如图4所示。

图3 数据采集模块流程图

图4 数据采集模块

2.3.3数字滤波器设置模块

在测试领域中，信号的频域处理主要指滤波，即把信号中感兴趣的部分(有效信号)提取出来，抑制(削弱或滤除)不感兴趣的部分(干扰或噪声)的一种处理。滤波器分为模拟滤波器

和数字滤波器，分别处理模拟信号和数字信号，本系统使用数字滤波器，数字滤波器的基本工作原理是利用离散系统特性去改变输入数字信号的波形或频谱，使有用信号频率分量通过，抑制无用信号分量输出。

数字滤波的优点是：

①数字滤波只是一个计算过程，无需硬件，因此可靠性高，并且不存在阻抗匹配问题，尤其是对频率很高或很低的信号进行滤波，这是模拟滤波器所不能比的。

②数字滤波是用软件算法实现的，因此，在多个输入通道的应用场合可以避免使用多个硬件滤波器，从而降低硬件成本；

③只要适当改变软件滤波的滤波程序或运算参数，就能方便地改变滤波特性，这对于抑制低频干扰、脉冲干扰、随机噪声等特别有效。

本设计中的IIR滤波器设置模块如图5所示。

图5 IIR滤波器设置

2.3.4波形显示、滤波以及截波等部分

下图包含波形显示、滤波以及截波部分。

图6 波形显示、滤波以及截波

2.3.5时间以及幅度控制部分

下图为通过幅度以及时间转轴控制显示的时间以及幅度。