一种虚拟示波器的设计

Ａｂｓ咖ｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｌｌｅ ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎｖｅｎｅｒ ｉｎ ６０ｋＷ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ，ａ ｖｉｒｔｕａｌ ｏｓ—
ｃｉＵｏｓｃｏｐｅ ｉｓ ｒｅｑｕｉｌｌｅｄ ｔｏ ｓａｔｉｓｆｙ ｉｔｓ Ｖ撕ｏｕｓ ｔｅｓｔｉｎｇ ｄｅｍａｎｄ．Ｔｈｉｓ ｐ印ｅｒ ｃｏｍｐａｒｅ８ Ｖｉｒｔｕａｌ ｏｓｃｉⅡｏｓｃ叩ｅ ｗｉｔ｜ｌ ｃｏｎＶｅｎ— ｔｉｏｎａｌ ｏｎｅｓ ｃｏｎｃｅｍｉｎｇ ｓａＩｌ叩ｌｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｗａ、ｒｅｆｏｍＩ ａＪｌａｌｙｓｉｓ，ｗａ．Ｖｅｆｏｍ ｓｔｏｒａｇｅ，ｔｒｉｇｇｅｒ ｔｙｐｅ ａＩｌｄ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒ＿０１ ｅｔｃ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｍａｋｉｎｇ ａ ｖｉｒｔｕａｌ ｏｓｃｉｕｏｓｃｏｐｅ跚ｄ ｉｎｔｌＤｄｕ．ｃｅｓ ｔｌｌｅ ｄｅｖｅｌ叩ｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｏｓｃｉⅡｏｓｃｏｐｅ．Ｗｉｎｌ ｔｌｌｉｓ ｖｉｎｕａｌ ｏｓｃｉⅡｏｓｃ叩ｅ，ｎｅｘｉｂｌｅ ＩＩｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｇｅｎｅｒａｌ ｕｓａｇｅ蚰ｄ ｅｘｐａＩｌｄａｂｉｌｉｔｙ ａｒｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｉｎ— ｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ鲫ｔｏｍａｔｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｌｌｅ ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎＶｅｒｔｅｒ ｉｎ ｆｈｅＩ ｃｅＵ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ．’ｎｌｅ Ｖｉｒｔｕａｌ ｏｓｃｉｌｌｏ— ｓｃｏｐｅ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｅｘｐｅｃｔａｎｔ ｇｏａｋ ａｌｌｄ ａｃｑｕｉｒｅｓ ｇｏｏｄ ｅ珏＆ｔｓ．
单点触发是数字示波器各种触发方式的基础， 即只有采集信号到达某个特定点时，信号才触发显 示。许多触发方式，如上升（下降）沿触发、越限触 发、毛刺触发等等，都是以单点触发方式为基础扩展 而成的。
内触发方式是传统示波器最主要的触发方式， 即通过一个内部触发信号源（参考信号）驱动各种 信号进行触发显示。这种触发方式对于触发点的精 度要求没有单点触发高，适用于对未知周期信号进 行采集显示与测量，是示波器最重要的触发方式。
号进入虚拟测试仪器后，经过一系列变换转变为输 出信号，同时还包含了２方面的误差：一是输入信号
的误差经系统传递函数转换而来；另一个就是引入 了虚拟测试仪器本身的误差。这两方面的误差都与
虚拟测试仪器相关，因此都属于虚拟测试仪器的误
差。
图２列出了虚拟测试仪器中存在的一系列误
差，这些误差均是影响虚拟测试仪器误差的元素。
虚拟示波器制作完成后，要对其进行校正。校正的 范围最好涵盖示波器的整个量程，而且校正的点数
越多越密集，该示波器的精度就越高。
对于虚拟示波测试系统，它的误差主要在信号 采样和Ａ／Ｄ转换环节，所以应选择高分辨率低噪声
的数据采集卡。对于ＤＣ／Ｄｃ变换器的测试工作来
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电子测量与仪器学报
对于该虚拟示波器的测试对象——ＤＣ／Ｄｃ变 换器来说，它的测试工作大体可以分为两个方面：电 参数测试，主要测试不同工况下ＤＣ／ＤＣ变换器的 输入输出电压、输入输出电流、功率、效率的静态和 动态特性，以及各个开关管在开关过程中的电压电 流波形；非电参数测试，主要测试变换器表面、冷却 板、内部电感和周围环境温度，以及水循环系统的压 力，在抗震测试过程中振动强弱程度的分布，正常工 作时对外辐射的电磁场强度等参数。传统示波器虽 然在电参数的测量方面有着强大的功能，但对于非 电参数的测量却是有所欠缺的，而虚拟示波器，通过 更换不同的探头，可以很方便地完成电参数与非电 参数测量的转换，并且它在一些重要的性能参数上 都占有很大的优势。 １．１采样精度
外触发方式是内触发方式一个扩展，也是传统 示波器的特色功能之一，即通过采集一个外部触发
１虚拟仪器平台下示波器设计
在虚拟仪器平台下设计出的示波器主要由以下
几个部分组成：探头、信号调理与触发电路、数据采 集卡、计算机和虚拟仪器软件等。图１为该示波器 的结构框图。
图１ 虚拟示波器各组成部分
作为一台虚拟仪器，其中最重要的一个组成部 分就是软件。ｈｂＶＩＥｗ是目前应用范围最广、功能 最为强大的虚拟仪器平台，其最大的优势在于测控 系统的开发。因为它不仅提供了几乎所有经典的信 号处理函数和大量现代的高级信号分析工具，而且 它还非常容易和各种数据采集硬件集成，可以和多 种主流的工业现场总线通讯以及与大多数通用标准 的实时数据库链接。国内外在科学研究与工程技术 的各个领域应用ＩＪａｂＶＩＥｗ开发了大量出色的测控 系统，取得了许多重要成果。
借助Ｐｃ机强大的硬件功能，虚拟示波器的存 储深度远远超过了现有的传统示波器。可以说，如 果ＰＣ机硬盘足够大的话，虚拟示波器的存储深度
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可以趋近于无穷大的。只是由于采样速度很快，在 很短的时间内，存储的数据就会占据很大的存储空 间。假设使用１Ｍｓ／ｓ的采样率进行采集，每个数据 点用１６位，即２个字节来表示。这样每秒就记录了 ２ＭＢ的数据，一分钟就会有１２０ＭＢ的数据量。所以 在记录时间较长的情况下，一定要确保目标盘有足 够的空间。
采样精度是示波器最重要的性能指标之一。每 位测试人员都希望采样点的值可以准确地显示在示 波器上。但是由于误差的存在，示波器上显示的值 总会与实际值有所出入。
当测试信号经过测试系统时，会按照系统传递 函数的关系转变为输出信号，与此同时输入信号的 误差也将转变为输出信号的误差。假设测试系统为 理想测试系统，本身无误差，则系统对信号误差的影 响只体现在系统传递函数所引起的传递系数上，根
（１）虽然传统示波器可以清晰地显示出信号的 时域特性，但是如果想看它的频域特性，一般的示波 器很难做到；
（２）传统的示波器或是不能存储采集到的波 形，或是对存储波形的长短有很严格的限制，即使可 以保存下来，复制到电脑里进行分析的过程也是较 为繁琐的；
（３）如果想看多路通道信号相位上的关系，一 般的示波器是做不到的。因为一般的示波器只有
本项目为国家科学技术部“８６３”计划“电动汽车”重大专项课题资助项目（编号：２∞５Ｊ蛆５０１０６０）。 本文于２００６年１１月收到。张逸成：教授，博士生导师；梁海泉：博士研究生；姚勇涛：高级工程师，硕士生导师。
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第２期
一种虚拟示波器的设计
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计算机软件工程和硬件技术研究的重要应用领域。
提高虚拟示波器的精度。首先，要有高精度的 硬件予以保证，比如：使用高分辨率低噪声的数据采
集卡，使用线性度好的传感器探头，在调理电路设计
的过程中，使用高精度的元器件等等。其次，在软件 设计过程中，应充分利用【丑ｂｖｉｅｗ强大的数据处理
功能，对输入信号进行软件滤波以减少信号中的噪
声成分。对于浮点数，应该使其位数尽量长，以减小 虚拟仪器量化、显示和分析过程中的误差。最后，在
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｈｌａｌ ｉｎｓｍｌｍｅｎｔ，ＤＡＱ ｃａｒｄ，ＬａｂＶＩＥＷ，删ｎｏｔｅ ｃｏｎ缸ｄ，ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ
由于示波器可以把信号的幅值同所对应的时间清 晰地显示出来，所以它已经成为每位电子工程师必备 的仪器。在使用传统示波器对燃料电池汽车用ＤＣ／ＤＣ 变换器的测试过程中，通常会碰到如下—些问题：
关键词：虚拟仪器，数据采集卡，Ｉ丑ｂＶＩＥｗ，远程控制，Ｄａｔａｓｏｃｋｅｔ 中图分类号：１１Ｐ２７４ 文献标识码：Ａ
Ｄ髑ｉｇｎ ｏｆ ａⅥｒｔＩｌａｌ ｏｓｃｍ吣ｃｏｐｅ
ｚｈａＩｌｇ Ｙｉｃｈｅｎｇ Ｕ躲ｇ Ｈａｉｑｕ强Ｙ知Ｙ（ｍｇ呦
（７ｒｏｎ萄ｉ ＵＩｌｉｖｅ鹅ｉｔｙ，Ｓｌ姗ｇ Ｈａｉ ２００３３１，ＣｌｌｉＩｌ８）
另外虚拟示波器在存储数据方面，根据软件的 设置，既可以保存波形，还可以记录各个采样点的数 值。通过对程序的设计，可以方便地浏览数据，并且 在输入相关信息后，生成一张完整的实验结果报告。 利用Ａｃｔｉｖｅｘ技术，还可以把实验数据保存成 ｗＯＲＤ，ＥｘｃＥＬ等常用软件的格式，这一点对以后 实验结果的查阅和分析是很有帮助的。 １．４触发类型
由于虚拟示波器具有如此强大的波形分析功 能，所以它在一定程度上，集成了频谱分析仪，电力 谐波分析仪以及逻辑分析仪等仪器的部分功能，而 且这些功能都是通过软件自定义的，只要有新的波 形分析方法的出现，软件也可以随之升级，这恰恰体 现了虚拟仪器的优势所在。
利用软件在波形分析方面具有的强大功能，一 方面，该虚拟示波器在Ｄｃ／Ｄｃ变换器的测试工作 中，实时监控电压、电流波形，并把该波形完整的记 录下来，通过观察频谱，分析其谐波成分，确定干扰 源，这对于顺利通过ＥＭＣ测试是很有帮助的；另一 方面，在控制电路的开发过程中，它可以代替传统示 波器的工作，对于数字信号，还可以起到逻辑分析仪 的作用。在数据采集卡输入通道数目的选择方面， 充分考虑了数字信号的多少，选用了１６路模拟输 入，２４位数字Ｌ／Ｏ的数据采集卡。 １．３波形存储功能
第２ｌ卷第２期
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电子测量与仪器学报
）ｏＵＲＮＡＬ ｏＦ ＥＬＥＣＴＲｏＮｌＣ ＭＥＡｓＵＲＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ｌＮｓＴＲＵＭＥＮＴ
－，０２．２１Ⅳｏ．２
２００７年４月
一种虚拟示波器的设计
张逸成梁海泉姚勇涛
（同济大学电信学院电气工程系，上海２００３３１）
摘要：在６０ｋｗ级燃料电池汽车用ＤＣ／Ｄｃ变换器的开发过程中，需要设计一台虚拟示波器，以满足其多样的测试要求。 本文从采样精度、波形分析、波形存储、触发类型以及远程控制等方面对虚拟示波器与传统示波器进行比较，说明了制作虚拟 示波器的可行性，并介绍了该示波器的设计过程。在ＤＣ／Ｄｃ变换器的测试工作中，该虚拟示波器达到了预期目标，取得了很 好的效果。
传统示波器的触发都是通过硬件触发电路实现 的，而虚拟示波器的触发功能是由软件和硬件共同 完成的。利用软件的强大功能，在实际使用中，触发 方式可以是多种多样的，尤其是在数字示波器广泛 使用的今天，触发方式已较传统示波器的触发方式 有了很多扩展。但从软件实现上看，大致有三种最 基本的触发方式，即单点触发，内触发和外触发。
２００７年
传感器误差ｒ－１ １
温度、非线性、灵敏度误差
虚
一数据采集电路误差Ｈ多路开关、采样保持、Ａ／Ｄ转换误差 拟
测
一 调理电路误差Ｉ——一
试
仪
器
放大器、滤波器误差
的
误
差
—一虚拟仪器软件误差Ｉ
Ｉ计算机运算、显示、理论及算法误差
图２ 虚拟测试仪器的误差构成示意图
说，电参数测量的精度需要达到千分之一，非电参数 测量的精度达到百分之一。在权衡精度和速度等因 素后，选择１６位分辨率的数据采集卡。 １．２波形分析功能
２—４路输入通道； （４）传统示波器的触发类型是有限的，特别是
对信号的触发方式有一些特殊的要求，常用的示波 器是做不到的；
（５）由于传统示波器的颜色单一，而且不具备 打印和远程控制功能等等，所以给测试工作带来了 诸多不便。
基于虚拟仪器平台制作出来的示波器就能够很 好地解决以上这些问题。设计虚拟仪器的核心思想 就是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的 技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系 统功能和灵活性。用虚拟仪器技术来达到传统测量 仪器的功能，是现代仪器设备的一个发展趋势，也是
据测试原理，有
△ｙ＝口×△菇
（１）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
式（１）中△ｙ为输出信号的误差；ｏ为测试系统
的误差传递系数，由系统传递函数确定；缸为输入
信号的误差。 如果测试系统本身有误差ｅ％，则式（１）须改写
为
△ｙ＝ｏ×△菇×（１＋ｅ％）＝口（１＋ｅ％）×△蔗
（２）
式（２）表明，该测试系统的误差传递系数应为
ａ（１＋ｅ％）。 对于虚拟测试仪器来说，测试信号作为输入信
虚拟示波器在波形分析方面具有强大的功能， 在这一点上，它远远超过传统示波器。它对波形的 分析功能，主要是依靠ＬａｂＶＩＥｗ软件的强大支持。 通过对软件的事先设计，虚拟示波器除了可以准确 地显示出信号的时域波形情况，还可以对该信号进 行频域分析、时频联合分析以及多通道联合分析等 等，几乎包含了所有的信号分析功能。一旦遇到波 形分析过程中的特殊要求，还可以自己编程实现。 另外，该虚拟示波器利用Ｐｃ机强大的硬件支持，对 波形分析的速度也要比传统示波器快得多。