虚拟示波器的设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
设计的系统包括了27个控件，其中输入控件12个，显示控件15个。通过信号类型选择器可以从信号发生器中选择不同类型的波形，如正弦波形，方波波形，三角波波形，锯齿波形等。
保存是将当前波形及其分析储存起来，以待后来查看；数据回放是输入已经存储的波形信号；频谱分析是对输入的波形进行分析，并给出参数显示，包括有波形的频率，峰峰值，占空比等。
故
因而
给定通带波纹值 后，就能求得 。
阶数N对滤波器特性有极大的影响，N越大，逼近特性越好，但是相应的滤波器结构也越复杂。若要求阻带边界频率处的衰减越大，也就是过渡带内幅频特性越陡，则需用的阶数N越高。
在这个示波器中，采用二阶无限增益多路反馈切比雪夫低通滤波器电路
电路图如下
而滤波器模块在labview里面有相应的滤波模块子VI，可以直接调用
在这里使用的是东莞汉尔电子科技有限公司的10V220V400w小型电源变压器。
图二、10V220V400w小型电源变压器
电压测量采用静电电压表直接测量获得；
电流测量用在被测电路中直接串入电阻的方法获得。
取样电压采取变压器输出的电压提供，串入的电阻有以下要求：R的数值要选择合理，一般使电阻上的电压在40-100mv；选择热稳定性好的电阻；交流下采用无感电阻。
这次报告，从一开始的查找资料确定实现方法一直到最后撰写报告，都学到了很多，无论是硬件设施的集成化，还是软件部分的全面智能化都让我认识到我们平时学到的东西很少，所有的功能几乎都能在labview中用相应模块实现，而不是一开始所想的自己设计电路图和测量方法，所以完成这次报告让我觉得更新了自己的对知识的认识。
通过查找资料确立了主要用数据采集卡和labview编程实现的虚拟示波器，参考了很多已经完成的虚拟示波器设计，明确了完成设计要求所需要的模块及功能实现方法。发现几乎都是书本和课堂上讲过的，做的过程类似堆积木，把已知的东西结合起来就能做出更加完善的东西。
◆模拟量输入方式：单端模拟输入
◆采集方式(ADMode)：连续（异步）采集
◆触发模式(TriggerMode)：软件触发(内触发)
◆模拟输入阻抗：10MΩ
图一、USB2852数据采集卡
由于USB2852的输入量程默认为±10v，而本示波器是用于市电测量，故需要将测量的信号降压处理。这里的降压电路选择采用小型变压器降压。小型变压器具有体积小，原副线圈不共地，降压比精确，设置方便等优势。市电为220v，而输入量程为10v，故需要一个变比大于62的变压器。
3、频谱分析功能设计
要用计算机完成频谱分析和其它方面的工作，通常的处理方法是模拟信号x(t)进入数字计算机前先经过数据采集卡(DAQ)中的采样器，将连续时间信号变为离散时间信号，成为采样信号而后再经A/D转换器在幅值上量化变为离散的数字信号。
（1）香农采样定理说明采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。取样定理论述了在一定条件下，一个连续时间信号完全可以用该信号在等时间间隔上的瞬时值（或称样本值）表示。
该数据采集卡可直接通过usb接口和电脑连接，无需额外的辅助接口，数据传输快。通过usb连接电脑后，可自动装载驱动程序，方便我们配置数据采集卡。，在驱动程序还需设置如下
◆采样速率(Frequency)：31Hz～250KHz
◆物理通道数：32 通道(单端 SE)，16 通道(双端 DI)
◆采样通道数：设置首末通道实现
因为原来的信号是周期信号，它的频谱本身是离散的，有DFT求取的就是其离散谱，故不会产生栅栏效应，故信号不需要再有额外的补零处理。为了防止频谱信号产生泄漏，在对信号采样是选择的采样频率和截取的信号长度要合适，应使窗的宽度 为信号周期的整数倍。
4、参数测量功能设计
该部分主要对采集信号各种参数测试包含信号的频率、周期、最大值、最小值、占空比、周期均方根。测试模块调用 LABVIEW 中自带的提取单频信息模块、脉冲参数测量模块、周期平均值和均方根测量模块对波形进行测量。用到的节点有：幅值和电平测量，信号的时间与瞬态特性测量参数测量模块程序前面板
2、滤波功能设计
滤波器是指允许某一特定频带内的游泳信号通过而滤除无用信号的系统
考虑到这次试验的设计要求，有以下几个方面
（1）测量信号是50Hz市电下，有用信号频率较低，故采用低通滤波器
（2）阿尔泰公司的USB2852数据采集卡采集到的是模拟信号，故需要模拟滤波器来滤除无用信号
考虑到以前两点，我们较为熟悉的切比雪夫I型低通滤波器和巴特沃斯低通滤波器均可满足以上要求。但由于巴特沃斯低通滤波器在通带范围内的幅度是单调下降的，为了在通带范围内和阻带截止频率上的衰减满足指标要求,往往需要使用较高阶次的滤波器，这样给设计和实现带来很多不便。
（2）频谱分析采用快速傅立叶FFT算法，完成频域信号分析，可以获得对应的频谱图。Labview提供了与信号分析有关的大量函数可以直接使用，在本文中采用FFT PowersPectrum作为主要数据处理子Vl进行功率谱分析。
按照傅里叶级数的定义，凡是满足狄利克雷条件的周期函数都能写成傅里叶级数的形式，函数的周期为T1，各次谐波成分的幅度值按以下各式计算：
三、系统的软硬件选择
软件部分研究了可视化编程语言c/c++和图形化编程环境LabVIEW加文本变成环境LabWindows。考虑到对软件编程了解较少，软件功能需要面向仪器，故选择了LabView。LabVIEW的优势在于程序是框图的形式，用框图代替了传统的程序代码。因而可在很短的时间内被掌握并应用，而且labview具有成熟的波形分析处理模块，可以直接使用。
直流分量
（4-1）
余弦分量的幅度
（4-2）
正弦分量的幅度
（4-3）
其中n=1,2,.....。
以上为三角函数的形式，或者转换成复指数形式：
（4-4）
根据实际分析的需要，选择合适的 ，由此可以确定采样点数N= / ，虽然 选取的越小越好，但随着 的减小N在增大，相对的计算量和对计算机系用的要求也迅速增加，所以 要选择合适。为了用快速傅立叶变化FFT对采样信号进行分析，选取N为2的整数次幂，由 和N，就可以确定采样信号的长度T=N/ 。
虚拟示波器的设计
一、设计目的
设计示波器系统，该系统具有以下功能：
1.测量交流电压和电流的瞬时值、显示波形并实现动态刷新；
2测量交流电压和电流的频率和有效值；
3.对电压电流信号进行频谱分析。
二、总体思路
查阅了众多资料和结合书本知识后，了解到虚拟示波器是现代示波器发展的主流方向，考虑到现在软件的开放性和编程语言的丰富多样化，已经硬件设备的成本较高，硬件集成配置较麻烦，故采用了以虚拟示波器为主的示波器系统设计。该虚拟示波器软件部分直接在pc机windows系统上运行，基于软件实现设计目的；而数据的采集则由硬件——高速数据采集卡完成，数据采集卡将采集到的信号传入pc机的虚拟示波器分析后直接在虚拟示波器的图形界面给出相应的参数和波形。
综合以上分析，所以选择切比雪夫I型低通滤波器。
切比雪夫I型低通滤波器可以满足在较低阶次实现滤波指标要求，便于设计和实现。该示波器在课本上也有较为详细的介绍，可以作为参见。
以下是切比雪夫I型低通滤波器的确定方法
预先给定通带边界频率 。 是与通带波动有关的一个参数，通带波动 表示成
式中， ，表示通带幅度响应的最大值，而
硬件部分pc机市面上大部分电脑均可。数据采集卡考虑到数据传递的实时性以及数据接口的方便性，在查阅了大量资料后选择北京阿尔泰科技有限公司的USB2852数据采集卡。USB2852 卡是一种基于 USB 总线的数据采集卡，可直接和计算机的 USB 接口相连，使用便捷、性能稳定、
四、系统硬件设计
硬件包括pc机和数据采集硬件，pc机就不在此介绍，主要介绍数据采集硬件。数据采集硬件使用的是北京阿尔泰科技有限公司的USB2852数据采集卡，该数据采集卡除满足这是设计的要求外，还具有经济实惠，方便易用的特点。
最大值：ຫໍສະໝຸດ Baidu
最小值
峰峰值
均方根值
测频率模块vi
频率是单位时间内被测信号重复出现的次数。
以上为计数法测频原理图，下面为labview中计数法测频的实现
而占空比，相位等参数测量，在labview中也有成熟的VI模块，可直接调用在这里不一一列举
4、波形储存回放功能设计
波形存储和回放波形主要适用于因特殊原因不能实时处理数据，或者是数据有重要的参考价值，我们需要先把数据保存下来，日后再读取出来，此时读出的数据就和实时采集的数据一样，也能进行自动参数测量，频谱分析等。在本文用Labview实现的虚拟示波器中，当用软件完成数据采集、处理等工作后，可以将采集到数据以及处理后的数据回放出来，以便继续研究。这样的功能就依靠波形存储回放显示模块来实现。
选择100Ω和1Ω串联，可以在1Ω上得到小于100mv的电压，然后测量1Ω上的电压值，即可计算得到电流值。
五、系统的软件设计
该软件部分基于LabVIEW设计，需要实现的功能有：数字滤波、频谱分析、参数计算、波形显示。
1、主面板设计：
Labview主面板用于设置输入数值和观察输出值，用于模拟真实示波器的前面板。
理想低通信道的最高码元传输速率W=2B (其中W是理想)理想信道的极限信息速率（信道容量）
C = B * log2 N ( bps )
在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>=2fmax)，理论上能不失真的再现原信号，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍。
该系统主要部分为pc端软件分析模块，这个模块实现的功能为：数字滤波、频谱分析、参数计算、波形显示。是整个系统的核心部分。
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，在这里选择的是北京阿尔泰科技有限公司的USB2852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）
六、结论和总结
本次设计是一个基于labview的虚拟示波器，其优点在于硬件设施简单，软件部分有成熟的labview子模块可以调用，这就给设计减少了很多的麻烦。通过查阅课本和资料，确定了一个示波器所需要的器件及软件功能。硬件部分的高速数据采集卡和小型变压器也均采用已经做好的器件直接使用，软件部分是依托labview的强大界面功能和模块设计，只需要输入一定的参数并将各个模块组合起来实现设计目的即可。
保存是将当前波形及其分析储存起来，以待后来查看；数据回放是输入已经存储的波形信号；频谱分析是对输入的波形进行分析，并给出参数显示，包括有波形的频率，峰峰值，占空比等。
故
因而
给定通带波纹值 后，就能求得 。
阶数N对滤波器特性有极大的影响，N越大，逼近特性越好，但是相应的滤波器结构也越复杂。若要求阻带边界频率处的衰减越大，也就是过渡带内幅频特性越陡，则需用的阶数N越高。
在这个示波器中，采用二阶无限增益多路反馈切比雪夫低通滤波器电路
电路图如下
而滤波器模块在labview里面有相应的滤波模块子VI，可以直接调用
在这里使用的是东莞汉尔电子科技有限公司的10V220V400w小型电源变压器。
图二、10V220V400w小型电源变压器
电压测量采用静电电压表直接测量获得；
电流测量用在被测电路中直接串入电阻的方法获得。
取样电压采取变压器输出的电压提供，串入的电阻有以下要求：R的数值要选择合理，一般使电阻上的电压在40-100mv；选择热稳定性好的电阻；交流下采用无感电阻。
这次报告，从一开始的查找资料确定实现方法一直到最后撰写报告，都学到了很多，无论是硬件设施的集成化，还是软件部分的全面智能化都让我认识到我们平时学到的东西很少，所有的功能几乎都能在labview中用相应模块实现，而不是一开始所想的自己设计电路图和测量方法，所以完成这次报告让我觉得更新了自己的对知识的认识。
通过查找资料确立了主要用数据采集卡和labview编程实现的虚拟示波器，参考了很多已经完成的虚拟示波器设计，明确了完成设计要求所需要的模块及功能实现方法。发现几乎都是书本和课堂上讲过的，做的过程类似堆积木，把已知的东西结合起来就能做出更加完善的东西。
◆模拟量输入方式：单端模拟输入
◆采集方式(ADMode)：连续（异步）采集
◆触发模式(TriggerMode)：软件触发(内触发)
◆模拟输入阻抗：10MΩ
图一、USB2852数据采集卡
由于USB2852的输入量程默认为±10v，而本示波器是用于市电测量，故需要将测量的信号降压处理。这里的降压电路选择采用小型变压器降压。小型变压器具有体积小，原副线圈不共地，降压比精确，设置方便等优势。市电为220v，而输入量程为10v，故需要一个变比大于62的变压器。
3、频谱分析功能设计
要用计算机完成频谱分析和其它方面的工作，通常的处理方法是模拟信号x(t)进入数字计算机前先经过数据采集卡(DAQ)中的采样器，将连续时间信号变为离散时间信号，成为采样信号而后再经A/D转换器在幅值上量化变为离散的数字信号。
（1）香农采样定理说明采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。取样定理论述了在一定条件下，一个连续时间信号完全可以用该信号在等时间间隔上的瞬时值（或称样本值）表示。
该数据采集卡可直接通过usb接口和电脑连接，无需额外的辅助接口，数据传输快。通过usb连接电脑后，可自动装载驱动程序，方便我们配置数据采集卡。，在驱动程序还需设置如下
◆采样速率(Frequency)：31Hz～250KHz
◆物理通道数：32 通道(单端 SE)，16 通道(双端 DI)
◆采样通道数：设置首末通道实现
因为原来的信号是周期信号，它的频谱本身是离散的，有DFT求取的就是其离散谱，故不会产生栅栏效应，故信号不需要再有额外的补零处理。为了防止频谱信号产生泄漏，在对信号采样是选择的采样频率和截取的信号长度要合适，应使窗的宽度 为信号周期的整数倍。
4、参数测量功能设计
该部分主要对采集信号各种参数测试包含信号的频率、周期、最大值、最小值、占空比、周期均方根。测试模块调用 LABVIEW 中自带的提取单频信息模块、脉冲参数测量模块、周期平均值和均方根测量模块对波形进行测量。用到的节点有：幅值和电平测量，信号的时间与瞬态特性测量参数测量模块程序前面板
2、滤波功能设计
滤波器是指允许某一特定频带内的游泳信号通过而滤除无用信号的系统
考虑到这次试验的设计要求，有以下几个方面
（1）测量信号是50Hz市电下，有用信号频率较低，故采用低通滤波器
（2）阿尔泰公司的USB2852数据采集卡采集到的是模拟信号，故需要模拟滤波器来滤除无用信号
考虑到以前两点，我们较为熟悉的切比雪夫I型低通滤波器和巴特沃斯低通滤波器均可满足以上要求。但由于巴特沃斯低通滤波器在通带范围内的幅度是单调下降的，为了在通带范围内和阻带截止频率上的衰减满足指标要求,往往需要使用较高阶次的滤波器，这样给设计和实现带来很多不便。
（2）频谱分析采用快速傅立叶FFT算法，完成频域信号分析，可以获得对应的频谱图。Labview提供了与信号分析有关的大量函数可以直接使用，在本文中采用FFT PowersPectrum作为主要数据处理子Vl进行功率谱分析。
按照傅里叶级数的定义，凡是满足狄利克雷条件的周期函数都能写成傅里叶级数的形式，函数的周期为T1，各次谐波成分的幅度值按以下各式计算：
三、系统的软硬件选择
软件部分研究了可视化编程语言c/c++和图形化编程环境LabVIEW加文本变成环境LabWindows。考虑到对软件编程了解较少，软件功能需要面向仪器，故选择了LabView。LabVIEW的优势在于程序是框图的形式，用框图代替了传统的程序代码。因而可在很短的时间内被掌握并应用，而且labview具有成熟的波形分析处理模块，可以直接使用。
直流分量
（4-1）
余弦分量的幅度
（4-2）
正弦分量的幅度
（4-3）
其中n=1,2,.....。
以上为三角函数的形式，或者转换成复指数形式：
（4-4）
根据实际分析的需要，选择合适的 ，由此可以确定采样点数N= / ，虽然 选取的越小越好，但随着 的减小N在增大，相对的计算量和对计算机系用的要求也迅速增加，所以 要选择合适。为了用快速傅立叶变化FFT对采样信号进行分析，选取N为2的整数次幂，由 和N，就可以确定采样信号的长度T=N/ 。
虚拟示波器的设计
一、设计目的
设计示波器系统，该系统具有以下功能：
1.测量交流电压和电流的瞬时值、显示波形并实现动态刷新；
2测量交流电压和电流的频率和有效值；
3.对电压电流信号进行频谱分析。
二、总体思路
查阅了众多资料和结合书本知识后，了解到虚拟示波器是现代示波器发展的主流方向，考虑到现在软件的开放性和编程语言的丰富多样化，已经硬件设备的成本较高，硬件集成配置较麻烦，故采用了以虚拟示波器为主的示波器系统设计。该虚拟示波器软件部分直接在pc机windows系统上运行，基于软件实现设计目的；而数据的采集则由硬件——高速数据采集卡完成，数据采集卡将采集到的信号传入pc机的虚拟示波器分析后直接在虚拟示波器的图形界面给出相应的参数和波形。
综合以上分析，所以选择切比雪夫I型低通滤波器。
切比雪夫I型低通滤波器可以满足在较低阶次实现滤波指标要求，便于设计和实现。该示波器在课本上也有较为详细的介绍，可以作为参见。
以下是切比雪夫I型低通滤波器的确定方法
预先给定通带边界频率 。 是与通带波动有关的一个参数，通带波动 表示成
式中， ，表示通带幅度响应的最大值，而
硬件部分pc机市面上大部分电脑均可。数据采集卡考虑到数据传递的实时性以及数据接口的方便性，在查阅了大量资料后选择北京阿尔泰科技有限公司的USB2852数据采集卡。USB2852 卡是一种基于 USB 总线的数据采集卡，可直接和计算机的 USB 接口相连，使用便捷、性能稳定、
四、系统硬件设计
硬件包括pc机和数据采集硬件，pc机就不在此介绍，主要介绍数据采集硬件。数据采集硬件使用的是北京阿尔泰科技有限公司的USB2852数据采集卡，该数据采集卡除满足这是设计的要求外，还具有经济实惠，方便易用的特点。
最大值：ຫໍສະໝຸດ Baidu
最小值
峰峰值
均方根值
测频率模块vi
频率是单位时间内被测信号重复出现的次数。
以上为计数法测频原理图，下面为labview中计数法测频的实现
而占空比，相位等参数测量，在labview中也有成熟的VI模块，可直接调用在这里不一一列举
4、波形储存回放功能设计
波形存储和回放波形主要适用于因特殊原因不能实时处理数据，或者是数据有重要的参考价值，我们需要先把数据保存下来，日后再读取出来，此时读出的数据就和实时采集的数据一样，也能进行自动参数测量，频谱分析等。在本文用Labview实现的虚拟示波器中，当用软件完成数据采集、处理等工作后，可以将采集到数据以及处理后的数据回放出来，以便继续研究。这样的功能就依靠波形存储回放显示模块来实现。
选择100Ω和1Ω串联，可以在1Ω上得到小于100mv的电压，然后测量1Ω上的电压值，即可计算得到电流值。
五、系统的软件设计
该软件部分基于LabVIEW设计，需要实现的功能有：数字滤波、频谱分析、参数计算、波形显示。
1、主面板设计：
Labview主面板用于设置输入数值和观察输出值，用于模拟真实示波器的前面板。
理想低通信道的最高码元传输速率W=2B (其中W是理想)理想信道的极限信息速率（信道容量）
C = B * log2 N ( bps )
在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>=2fmax)，理论上能不失真的再现原信号，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍。
该系统主要部分为pc端软件分析模块，这个模块实现的功能为：数字滤波、频谱分析、参数计算、波形显示。是整个系统的核心部分。
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，在这里选择的是北京阿尔泰科技有限公司的USB2852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）
六、结论和总结
本次设计是一个基于labview的虚拟示波器，其优点在于硬件设施简单，软件部分有成熟的labview子模块可以调用，这就给设计减少了很多的麻烦。通过查阅课本和资料，确定了一个示波器所需要的器件及软件功能。硬件部分的高速数据采集卡和小型变压器也均采用已经做好的器件直接使用，软件部分是依托labview的强大界面功能和模块设计，只需要输入一定的参数并将各个模块组合起来实现设计目的即可。