基于Labview的虚拟示波器设计

摘要
随着电子计算机技术和软件开发技术的日新月异，电子计算机在数据的实时分析和处理，显示，存贮等方面的优势与传统的仪器相比越来越明显。

与此同时，随着计算机性价比的不断提升，传统仪器的价格又长期居高不下，再加上传统仪器的功能单一，发展虚拟仪器已经成为一个不可阻挡的历史潮流。

美国NI公司在这种大环境下，率先发起了对虚拟仪器的研究开发，推出了Labview软件开发平台。

本课题在掌握了虚拟仪器的基本结构及信号处理的相关知识基础之上，设计了一套虚拟示波器。

对虚拟仪器的概念，结构，发展趋势进行了相关分析。

介绍了与信号处理相关的基础知识，主要是傅里叶变换。

虚拟仪器主要由硬件和软件两个部分构成。

本文对虚拟示波器的硬件即数据采集卡进行了初略的介绍，对其软件部分进行了详细研究。

在此基础上完成了频谱分析模块，存储模块，显示模块，滤波模块，测量模块的设计。

关键词：虚拟仪器虚拟示波器频谱分析数据采集
Abstract
Along with the computer technology and software technology is developing rapidly, and the electronic computer in real-time data analysis and processing, storage, show，the advantages of the compared with traditional instruments is more and more obvious. Meanwhile, along with the computer cost-effective rising, the price of traditional instruments, plus high and long-term single function of traditional instruments, development virtual instrument has become an irreversible historical trend. The United States in this kind of environment in NI, pioneered the research and development of virtual instrument, he launched a Labview software development platform.
This topic on the concept of virtual instrument, the structure, the development trend for the correlation analysis. Introduces and signal processing related basic knowledge, mainly Fourier transformation. Virtual instrument mainly by the hardware and software two parts. In this paper the hardware that virtual oscilloscope data acquisition card of initial slightly, and discusses its software as part of a deep analysis. Virtual oscilloscope software is divided into several relatively independent modules, such as spectrum analysis module, storage module, display module, filter modules etc.
Key words: virtual instrument；virtual oscilloscope；Spectrum analysis；data collection
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章绪论 (1)
1.1虚拟仪器的基本概念 (1)
1.2虚拟仪器的构成 (1)
1.3虚拟仪器的较传统仪器的优势 (1)
1.4虚拟仪器的现状及发展方向 (1)
1.5本论文的主要工作 (2)
第2章系统软件的开发平台Labview简介 (3)
2.1 labview的基本概述 (3)
2.2 labview的模板分析 (4)
2.2.1工具模板 (5)
2.2.2 控件选板 (6)
2.2.3函数选板 (6)
第3章系统硬件设计 (8)
3.1数据采集技术 (8)
3.1.1数据采集系统信号分类 (8)
3.1.2基于计算机的数据采集系统各部分的作用 (8)
3.2数据采集系统的设计 (10)
3.2.1采样/保持器的工作原理 (11)
3.2.2多路转换模拟开关 (12)
第4章虚拟示波器的软件设计 (14)
4.1系统总体构成 (15)
4.2滤波器 (16)
4.3存储与回放模块 (17)
4.4频谱分析模块 (19)
4.5参数测量模块 (22)
第5章虚拟示波器的调试 (24)
5.1波形显示 (24)
5.2频谱分析 (24)
5.3参数测量 (25)
第6章结论和展望 (26)
参考文献 (27)
第1章绪论
1.1虚拟仪器的基本概念
电子测量仪器发展到今天，总体上经过了四个历程，按出现的时间顺序依次为;模拟仪器，数字仪器，智能仪器，虚拟仪器。

其中，为了与虚拟仪器区别开来，我们又把前三种称为传统仪器。

虚拟仪器是电子计算机技术与现代测量技术深层次结合的产物，是用户在普通PC机上，应用各种软件平台，根据自身的需要，设计和定义的软硬件相结合的一种测量仪器。

利用计算机强大的图形显示功能，建立虚拟仪器的控制面板，用户通过对面板的操作实现对虚拟仪器的操作，就像操作一台普通的测量仪器一样。

1.2虚拟仪器的构成
从构成要素上讲，虚拟仪器主要由计算机，仪器硬件（如数据采集卡）和应用软件构成；从总线标注上讲，包括有PC-DAQ系统，GPIB系统,VXI系统等。

1.3虚拟仪器的较传统仪器的优势
（1）传统仪器的控制面板只有一个，在这个操作面板上，需要放置各种按钮，容易导致混乱和混淆。

而虚拟仪器可以有多个控制面板，各个面板之间的切换十分方便，使每个面板变得简单，从而提高了操作的正确性和方便性。

（2）虚拟仪器大量用应用软件来替代传统仪器中的硬件，从而使仪器的硬件变得简单。

（3）虚拟仪器使仪器的功能可以有用户自定义，而不是只能由厂家来定义，从而使得仪器更加好用，方便。

（4）由于用软件替代硬件，仪器的更新升级大都只要更新软件，从而使得仪器的升级换代更加迅速，研发周期缩短。

（5）虚拟仪器的发展可与计算机的发展同步，与网络及周边设备同步。

1.4虚拟仪器的现状及发展方向
虚拟仪器的概念最初是由美国国家仪器公司（National Instruments Corp，简称NI）于1986年提出，NI公司在80年代研制和推出了许多总线系统的虚拟仪器，后来，美国HP公司，Tektronic公司，Racal公司也在此方面有了很多进展。

虚拟仪器在国外发展很快，以NI公司为首的很多公司已经在市场上推出了大量基于虚拟仪器技术的电子仪器产品。

据“世界仪表及自动化”杂志预测，虚拟仪器在21世纪中期将占到仪器市场50%左右的份额。

虚拟仪器在本世纪发展很快，大有取代传统仪器的趋势。

近年来，世界很多公司推出了不少虚拟仪器软件开发平台，使仪器的使用者可以开发组建自己需要的虚拟仪器。

其中，比较具有代表性的是NI公司Labview 平台和Labwindows/CVI平台。

相比而言，Labwindows是为熟悉C语言的传统
软件开发人员所设计的。

作为一本新兴技术，虚拟仪器在国内尚属于起步阶段，但也初步取得了一些成果。

国内已有几家厂家在开发研制虚拟仪器，在数据处理软件方面做出了一些成就。

比如测量结果的频谱分析，快速傅里叶变换，各种数字滤波器，卷积分析，微积分等。

1.5本论文的主要工作
我国在科学技术方面与世界顶级国家还有一定距离，我国的高档仪器大部分还要依赖进口，这种仪器往往价格昂贵，使用面窄，花很多的外汇只能起到有限的作用，因此，研究虚拟仪器对我国来说具有很重要的意义。

开发虚拟仪器不仅可以实现仪器的自我生产，而且虚拟仪器易于改进，提升性能，通过软件和硬件的更换，还可以实现多方面的用途，大大提高了仪器的性价比。

本论文主要介绍虚拟示波器硬件和软件的开发过程，以及相关数据处理的基础知识。

虚拟示波器主要有硬件和软件两部分构成。

硬件部分主要是普通PC机和数据采集卡；软件部分则包括了前面板，采集卡驱动程序及相关的应用软件（主要有频谱分析，数字滤波，数据存储和读取，波形显示等）
本论文主要分为以下几个部分：
第1章绪论
第2章软件开发平台Labview的有关介绍
第3章系统硬件部分
第4章系统软件部分
第5章系统调试
第6章结论和展望
第2章系统软件的开发平台Labview简介
2.1 labview的基本概述
Labview是美国国家仪器公司开发的，基于G语言（Graphics Language）的虚拟仪器开发工具。

其特点是用图形化的符号来代替传统的文本语言，从而达到直观，简洁，易懂的目的。

1992年8月labVIEW2.5实现了从MaCintosh平台到Windows又砰台的移植，从LabVIEW3.0版本开始，LabVIEW作为一个完整优异的图形化软件开发环境得到了工业界和学术界的认可，并开始迅速占领市场，赢得了广大用户的青睐。

它的基本特点是
(1)具有良好的用户接口其用户接口类似于传统仪器的面板，包括按钮、旋钮、图形显示组件、控制组件等。

通过鼠标和键盘向程序输入数据，操作结果由软件在计算机屏幕上生成。

(2)编程方式简单、直观采用图形语一言(G语言)、图标和联机代替文本形式编写程序，是对具体编程问题的图形化解决方案。

(3)具有层次结构和模块化的特点每一个VI可以作为顶层程序，也可以作为其它程序的子程序。

(4)提供程序调试功能程序调试工具包括在源代码中可以设置断点，可以单步执行，也可以启动。

LabVIEW创建虚拟仪器过程
创建虚拟仪器的过程分为四步:
(1)创建前面板。

前面板是图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。

它模仿了实际仪器的面板。

前面板包含了旋钮、按钮、图形和其他控制与显示对象。

通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，也可在计算机显示器上直接观看结果。

若想要在数字控制中输入或修改数值，只需要用操作工具(见工具模板)点击控制部件和增减按钮，或者用操作工具或标签工具双击数值栏进行输入数值修改。

(2)创建框图程序。

在前面板窗口的主菜单windows中选择ShowDiagram将前面板窗口切换到框图程序窗口，此时会看到与前面板对象对应的端口。

根据需要在功能模板中找到所需的节点，并将节点图标放置到框图程序窗口。

用数据连线将这些端口和节点的图标连接起来，形成一个完整的框图程序。

(3)创建图标。

一个虚拟仪器的图标/连接端口就像一个图形(表示某一虚拟仪器)的参数列表。

这样，其它的虚拟仪器才能将数据传输给子仪器。

图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其它程序或子程序的子程序。

运行和调试程序。

运行和调试程序是任何一门编程语言编程的最重要的一步。

在
LabVIEW中，用户可以通过两种方式来运行程序:运行和连续运行。

如果一个VI程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮将会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。

这时这个按钮被称作错误列表。

点击它，则LabVIEW弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用Find功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。

调试程序时可以利用单步执行、设置断点、设置探针来显示数据流动方向。

图2-1 Labview前面板
图2-2 Labview程序框图
2.2 labview的模板分析
labVIEW是一种图形化设计语言，在一个虚拟仪器VI的开发过程中，主要利用模板创建和运行程序。

这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。

操纵模板共有三类:工具(Too1s)选板、控制(Controls)
选板和功能(Functions)选板或称函数选板。

图2-3 工具选版
2.2.1工具模板
工具选板为编程者提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具(如图所示)。

该模板可以在windows菜单下选择ShowToolsPalette命令以显示该模板。

当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状，它包括了以下工具包。

操作工具:使用该工具来操作前面板的控制和显示。

使用它向数字或字符串控制中键入值时，工具会变成标签工具的形状。

选择工具，用于选择、移动或改变对象的大小当它用于改变对象的连框大小时，会变成相应形状。

标签工具:用于输入标签文本或者创建自由标签。

当创建自由标签时它会变成相应形状。

连线工具:用于在框图程序上连接对象。

如果联机帮助的窗口被打开时，把该工具放在任一条连线上，就会显示相应的数据类型。

对象弹出菜单工具:用左鼠标键可以弹出对象的弹出式菜单。

漫游工具:使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游
断点工具:使用该工具在VI的框图对象上设置断点。

探针工具:可以在框图程序内的数据流线上设置探针。

程序调试员可以通过控针窗口来观察该数据流线上的数据变化状况。

颜色提取工具:使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。

颜色工具:用来给对象定义颜色。

它也显示出对象的前景色和背景色。

自动选择工具
2.2.2 控件选板
图2-4 控件选版
控件选板拟仪器的面板是通过软件实现的。

就是LabVIEW将传统仪器上的各种旋纽、开关.、显示屏等所有可能涉及到的操作部件，都做成外形相似的“控件”分类存于控制模板上。

设计仪器模板时，只需根据需要选择合适的“控件”放在面板相应的位置上即可。

每个图标代表一个子模板(如图所示)。

控制模板可以用Wind。

，s菜单的ShowControlsPalette功能打开它，也可以在前面板的空白处,点击鼠标右键，以弹出控制模板。

它只有当打开前面板窗口时才能调用
2.2.3函数选板
图2-5 函数选板
图2-6 函数选板子选板
函数选板编程子选板功能模板就是LabVIEW将传统仪器上的各种测试功能、信号分析文件操作以及输入/输出(1/0)接口设备的驱动做成可供直接调用的库函数。

使用时只需根据预完成的功能与操作，从子模板上选择相应的“图标”放在流程图编辑窗口中相应的位置上即可。

该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板(如图所示)。

它可以用Windows菜单下的Show Funetionspalette功能打开它，也可以在框图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。

而且它只有打开了框图程序窗口后才能出现。

它包括结构子模板、数值运算子模板、布尔逻辑子模板、字符串运算子模板、数组子模板、类子模板、比较子模板、时间和对话框子模板、文件输入/输出子模板、仪器控制子模板、仪器驱动程序库、数据采集子模板、信号处理子模板、数学模型子模块、图形与声音子模块、通讯子模板、应用程序控制子模块、底层接口子模块、文档生成子模板、示教课程子模板、用户自定义的子Vl模板和选择…VI子程序等子模板。

编制软件时通过对控制和功能模块中子模块的灵活调用，选取相应的功能子模块，分别置于前后面板内，使用连线工具即可完成虚拟仪器设计。

本章介绍了当今在测控领域内的虚拟仪器开发软件LabVIEw语言，它满足了实现虚拟测试仪器的条件，是虚拟仪器开发环境中图形化语言的杰出代表之一。

LabvIEW语言是一种面向工程技术人员的图形化编程语言，是一种面向对象的模块化编程语言，使面向对象技术程序的复用性达到最佳，被誉为工程师和科学家的语言。

第3章系统硬件设计
3.1数据采集技术
对计算机进行总线扩展以便将其用于实验室研究、工业控制、测试和测量、这些都要用到基于计算机的数据采集技术。

一个数据采集系统的基本任务是测量和产生现实世界的物理信号。

3.1.1数据采集系统信号分类
传感器把物理信号转化成电信号(电压或电流)，例如热电偶(温度/电压)、RTDs(温度/电阻)、应变片(拉或压/温度)。

信号调理附件能够对微弱信号进行放大、光电隔离、滤波等处理，以便更精确和安全地测量。

同时它能够激发和线性化某些传感器及其信号。

当输入信号被适当调理后，即可输给插入式数据采集卡进行数字化，同时它也能产生控制信号。

数据采集板程序设计依靠驱动软件进行了简化，因而用户能够调用传统的语言和应用软件包来设计高级程序。

当然，计算机的性能决定了整个过程的速度。

在实时系统中，需要高速的处理器，在对数据采集功能模块进行分析之前，我们先对信号进行归类。

归类的标准是信号中有用的不同信息。

总的来说，可以把信号分为模拟信号和数字信号。

一个数字信号只有两个分离的状态:低电平和高电平。

相反，模拟信号包括了随时间变化的连续信息。

数字信号又可以分为开关信号和脉冲序列信号，模拟信号则可以分为直流信号、时域信号、频域信号。

这几种信号分别对应着一种信号信息:状态、变化率、幅值、形状、频率。

3.1.2基于计算机的数据采集系统各部分的作用
要从一个基于计算机的数据采集系统得到合理的结果，依赖于系统的每一个组成部分，即计算机、传感器、信号调理、数据采集硬件和软件。

下面逐一予以讨论说明。

1 传感器
传感器将被测试的物理量转化成电信号的最基本的环节。

例如，热电偶、热敏电阻、集成电路传感器、应变片等，都可以将温度转化成电压和电阻。

对于每一种传感器，电信号的大小都与被监测信号的物理参数成正比。

2 信号调理
信号调理器是传感器和数据采集卡之间的桥梁，负责将传感器的输出信号和数据采集模块可以接受的信号联系起来，从传感器输出的信号必须经过调理才能够连入数据采集板，信号调理包括放大和衰减、隔离、滤波、传感器激励、线性化处理。

(1) 放大和衰减
数据采集卡接收的信号是范围很广的电压信号，如果太强，就需要衰减器把被测信号减弱后再输入给数据采集卡，这样一方面可以保证数据采集卡可以顺利采数，另一方面有利于系统的安全运行。

而对于微弱信号要进行放大，以提高分辨率和降低噪音，也使调理后信号的最大电压值和ADC最大输入值相等，这样可以提高精度。

在设定调理电路的放大或衰减倍数时，一般应满足这样一个条件:经调理后的信号其最大值应尽可能地达到数据采集卡可以接受的电压范围，最大限度地提高数据的准确度。

(2) 隔离
隔离是指使用变压器、光或电容祸合等方法阻碍被测系统和测试系统之间传递信号，避免发生直接连接，使用祸合主要有两个方面原因:一是从安全的角度把传感器信号同计算机隔离，因为被监测系统可能产生瞬时高压，另一个原因是隔离可以使从数据采集卡出来的数据不受地电位和输入模式的影响，减少误差。

(3) 滤波
滤波的目的是消除噪音信号，提高输入信号的信噪比。

噪音滤波器通常用于直流信号;交流信号通常需要抗失真的低通滤波器，因为这样的滤波器有一陡峭的截止频率，因而几乎能够完全消除高频干扰信号。

(4) 激励
由于电工测量试验中经常要要用到正弦波、方波等信号，且有时需要为一些传感器提供激励信号，故由虚拟信号发生器产生各种信号并由信号调理电路进行功率放大后输出。

(5) 线性化
很多传感器对被测量都有非线性响应，因而需要对输出信号进行线性化。

3 数据采集硬件
数据采集硬件与众多因素有关，要根据具体情况进行分析，下面是通用的特征:
(1) 采样频率
采样频率高，就能在一定时间内获得更多的原始信息，见图4一1(a)所示。

为了再现原始信号，必须有足够高的采样频率。

显然，如果信号变化比采样板的数字化要快，或采样太慢，就会产生波形失真，见图4一1(b)。

根据采样定理，采样频率至少是输入最高频率的两倍，才可能不产生失真。

(2) 采样方法
要从多个通道得到数据，通常使用多路开关把每个信号端连接到A/D转化器(ADC)。

采用连续扫描方法，要比给每个通道一个放大器和ADC要经济得多，但这仅仅实用于在采样点之间对时间不是很重要的场合。

如果采样点之间对时间要求严格，则必须同时采样。

对于低频信号，可以用间隔扫描办法来产生同时采
样的效果，而不必增加采样保持电路。

这种方法一定时间间隔扫描输入通道，用脉冲来计算各通道两次扫描的时间间隔。

(3) 分辨率
ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。

例如，三位转化器把模拟电压分成2’(8位)段，每段用二进制代码在000到In之间表示，因而数字并不能真实反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。

如果增加到16位，代码增加到655536，这样就可以得到较为精确地反映原始信号的数字信号。

(4) 电压范围
电压范围指ADC能扫描到最高和最低电压。

一般情况下，由于DAQ卡的电压范围可以调节，所以将信号电压范围调到与微机相匹配以便利用其可靠的分辨率范围。

范围、增益、分辨率决定了可分辨的最小电压变化，它表示ILSB。

例如，某DAQ板的分辨率为16位，范围取0一1OV，增益取100，则有1LSB=(10/100xZ’6)=1.5协v，这样一来，在数字化的过成中，一位的分辨率为1.spv。

(5) 模拟输出
模拟输出电路通常是为DAQ板的系统提供激励电压或电流。

DAQ输出信号由停滞、转换率、分辨率等构成。

停滞时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。

(6) 定时I/0
许多场合都要用到定时器，如数字脉冲定时、产生方波等。

定时器包括三个重要信息:门限信号、计时信号、输出。

门限信号实际上是触发信号一使它工作或不工作;计时信号也就是信号源，它提供了继续其操作的时间基准;输出是在输出线上产生方波和脉冲。

他们最重要的参数是分辨率和时钟频率。

高分辨率意味着计数器可以计更多的数，时钟频率决定了产生数据信号输入的快慢，频率越高，计数增长得越快，因而输入端的信号频率高，就可以产生高频的脉冲波和方波。

4 驱动软件
没有软件，甚至没有好的软件，数据采集硬件系统不可能发挥很大的作用。

数据系统一个主要方面是驱动软件的使用。

驱动软件是直接对数据采集硬件系统来进行设计的软件层，管理着系统的操作以及和计算机资源的组合，比如CPU 中断、DMA传送、存储器等。

驱动软件在保持高性能、提高给用户易于理解的基础的同时，隐藏了复杂、详细的硬件及程序设计。

N工一DAQ就是N1公司高性能数据采集及驱动程序。

数据采集技术是电子测量仪器的基础，当然也是虚拟仪器的基础。

只有当数据采集部分正确工作，整个虚拟仪器系统才能正确工作。

3.2数据采集系统的设计
数据采集系统简称DAS(DataAequisitionSyst。

m)是信息科学的重要分支，
它不仅应用在现代智能检测系统中，而且在现代工业生产、国防军事及科学研究等方面都得到广泛应用，无论是过程控制状态检测、还是故障诊断、质量检测，都离不开数据采集系统。

数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。

其核心是计算机，它对整个系统进行控制和数据处理。

它所处理的是数字信号，因此输入的模拟信号必须进行模数(A/D)转换，将模拟信号量化:，变成数字信号。

数据采集系统的原理框图如4一2所示，它由多路开关、采样/保持器、放大器、A/D 转换器、计算机等组成。

数据采集要经过采样和量化两个必要步骤。

采样过程是将被测的连续信号离散化，从连续信号中抽取采样时刻的信号值，由多路开关、采样/保持器完成。

如果被测信号变化缓慢，也可以不用采样/保持器。

多路开关将各路信号轮流切换到输入端，对各路信号分时采样。

A/D 转换器将采样信号量化，将转换成的数字信号输入到计算机中。

放大器、滤波器可根据被测信号的大小及干扰的强弱选用。

有的系统不采用公用放大器，而根据信号特点单独配置。

图3-1 数据采集卡结构图
3.2.1采样/保持器的工作原理
在实际系统中用到A/D 转换时，如果模拟信号变换较快，那么，为了保证转换精度，就要在A/D 转换之前加上采样/保持电路，使得在A/D 转换期间输入的模拟信号保持不变。

采样/保持电路有两种工作方式，即采样方式和保持方式。

在采样方式下，采样/保持器的输出必须跟踪模拟输入电压:在保持方式下，采样/保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，直到保持命令结束为止。

图4一3为采样/保持器的原理电路。

从图中可以看到，采样/保持器由输入缓冲放大器、输出缓冲放大器、保持电容和控制开关组成。

传感器 传感器 传感器
多路开关 放大器 采样保持器 A/D 转 换 器 计算机。