毕业设计（论文）-基于Labview虚拟示波器的设计.doc

题 目： 基于Labview虚拟示波器的设计 2013 年 5 月1 日基于LabVIEW虚拟示波器的设计摘 要 当今世界信息与计算机技术发展日新月异，软件开发技术更是不可同日而语。美国NI公司率先发起对虚拟仪器的研究与开发，建立了LabVIEW软件开发平台，进一步推动了仪器技术发展。虚拟仪器是利用高性能的模块化硬件结合软件完成各种测试。基于计算机的虚拟仪器技术弥补了传统仪器在工业测量及工业自动化监测的不足，提高了工业测量的精度可靠性。本文首先介绍虚拟仪器，软件开发环境LabVIEW，传统示波器与虚拟示波器的工作原理。基于LabVIEW虚拟仪器开发平台，搭建双通道虚拟示波器界面。分别设计关于虚拟示波器的数据采集、滤波处理、时域分析、频域分析、波形存储与读取模块。最终程序调试，实现波形显示、处理及波形存储和再现。关键词 虚拟仪器，虚拟示波器，滤波处理，频域分析ABSTRACTIn the contemporary world, information and computer technology develop rapidly with each passing day. US NI firm took the lead in the research and development of virtual instrument, built LabVIEW software development platform to further promote the development of instrument technology. Virtual instrument finish kinds of tests through modular hardware of high performance combining with software. Virtual instrument technology, based on the computer, meets the shortfall of traditional instrument in industrial measurement and industrial automation detection. And improve the accuracy and reliability of industrial automation. This paper introduces virtual instrument, LabVIEW-software development environment of virtual instrument, and the working principle of traditional oscilloscope and virtual oscilloscope. Based on LabVIEW software development environment platform, sets up Dual-channel virtual oscilloscope interface. And separately design modules such as Data Acquisition on virtual oscilloscope, filtering process, time domain analysis, frequency domain analysis, waveform storage and recall. Finally debug the program, realize waveform display and processing, waveform storage and recall.Key Words: Virtual instrument, Virtual oscilloscope, Filtering process, Frequency domain analysis目 录1绪论11.1前言11.2设计背景与意义11.3国内外现状11.4设计研究方案22.虚拟仪器概述22.1虚拟仪器系统的组成32.2虚拟仪器的构成32.2.1虚拟仪器的硬件系32.2.2虚拟仪器的软件系统42.3虚拟仪器与传统仪器优缺点对比43.LabVIEW的软件概述53.1LabVIEW软件的特点53.2 LabVIEW程序的构成63.3 LabVIEW的操作选板74传统示波器与虚拟示波器94.1传统示波器94.1.1传统示波器工作原理104.1.2传统示波器的分类114.2虚拟示波器114.2.1虚拟示波器的组成结构124.2.2虚拟示波器的性能指标124.2.3传统示波器与虚拟示波器对比135.虚拟示波器的软件设计135.1数据采集模块145.1.1数据采集系统的构成145.1.2采样原理165.2用户登陆界面165.3虚拟示波器主界面185.4滤波模块215.4时域分析与参数测量模块225.5频谱分析模块235.6 波形存储和回放246.虚拟示波器的调试及分析266.1程序调试266.2虚拟示波器数据显示266.3噪声干扰的防止方法317总结与展望317.1总结317.2展望32参考文献33致 谢34 1绪论1.1前言虚拟仪器是计算机技术与仪器技术完美结合的产物，实质是一个按照仪器需求构成的的数据采集系统。目前这一领域，使用较为广泛的计算机语言和开发环境是美国NI公司的LabVIEW，LabVIEW与虚拟仪器成为测控领域关注的热点技术，它在数据采集（DAQ）、虚拟仪器软件框图（VISA）、通用接口总线（GPIB）及串口仪器控制、图像处理、运动控制、数据分析和图标显示等方面具有强大优势1。1.2设计背景与意义示波器是工程测量中重要测量工具之一，由于大型数字示波器加工工艺复杂、制造水平要求高，目前我国大部分数字示波器主要依赖进口。若用户能够将先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器中，通过软件设计出多功能集成度高的仪器，不但满足传统台式仪器所具备的功能，而且能够满足工业测试的速度、精度、实时性等要求，能够给用户带来巨大的经济效益。因此，研究一种易于操作、结构简单、成本低廉的虚拟示波器是非常必要的。1.3国内外现状随着计算机技术突飞猛进的发展，虚拟仪器技术被广泛应用于数据采集与仪器控制等领域。其中以美国NI公司开发的LabVIEW的软件平台上设计的虚拟示波器较为先进。例如该公司利用LabVIEW的软件设计的多功能虚拟示波器主要由参数测量、频谱分析、加窗和波形显示等模块组成，具有实时采集、波形显示、测量参数、存储、打印的功能。我国在虚拟仪器技术研究方面起步较为缓慢。虚拟仪器系统只是部分院校实验室引进用作教学研究。因此，从引进的先进虚拟仪器技术或产品入手，大力发展虚拟仪器技术，设计具有我国自主知识产权的产品，无疑对我国加快发展仪器工业和提高工业测试水平都是大有裨益的。1.4设计研究方案通过查阅资料，分析LabView软件在虚拟示波器系统中的运用及其实现方法，分析虚拟示波器系统的工作原理，以及选取合适的控制算法并绘制硬件电路图和程序的编制，提高实践能力，拓展知识面，进一步巩固专业知识。虚拟示波器系统可以从虚拟硬件和软件两方面考虑：（1）虚拟硬件设计：主要利用数据采集系统（DAQ）。它包括：传感器和变换器、信号调理设备、数据采集卡、驱动程序、硬件配置管理软件。 （2）软件设计：主要采用LabVIEW设计，虚拟仪器的界面开发主要由LabVIEW软件完成，其实现数据的采集、处理、分析等人机交互的界面设计。2.虚拟仪器概述虚拟仪器（VI，Virtual Instrumentation）就是通过应用软件将通用计算机与各种功能的硬件设备（例如数据采集卡、运动控制卡，GPIB控制线缆等）结合起来，用户可通过丰富和易操作的图形界面来操作计算机，对被测试设备进行各种物理量的采集、分析、判断、显示和数据存储等2。 2.1虚拟仪器系统的组成虚拟仪器系统由数据采集、数据分析处理、数据结果显示三大功能模块组成，如图2-1所示。插入式DAQGPIB仪器VIX仪器RS-232 信号处理数字滤波统 计分 析网络传输硬复制文件I/O图形用户接口数据采集数据处理分析数据结果显示 图2-1虚拟仪器的内部功能 图2-1中数据采集模块主要完成数据的采集调理。数据分析处理模块是对采集的数据进行放大、滤波、数学分析等。数据结果显示则是将采集和处理分析后的结果通过波形图显示出来。2.2虚拟仪器的构成虚拟仪器通常由硬件和软件两部分组成。它包括计算机、应用软件和仪器硬件。计算机及其测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器硬件平台的基础。2.2.1虚拟仪器的硬件系虚拟仪器的硬件系统通常包括通用计算机和外围硬件设备。硬件结构的基本框图如图2-2所示，测控对象信号调理数据采集卡GPIB接口仪器GPIB接口卡VXI总线仪器串行接口仪器/PLC现场总线设备其他计算机硬件计算机 图2-2硬件结构的基本框图2.2.2虚拟仪器的软件系统虚拟仪器的软件系统从底层到顶层共包括三部分，即VISA（I/O）库、仪器驱动程序与应用软件。（1）VISA库VISA实质是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。VISA库用来连接计算机与仪器，实现对仪器的控制。（2）仪器驱动程序仪器驱动程序是指实现仪器系统控制与通信的软件程序集。它通过调用VISA库函数对仪器进行操作与管理。（3）应用软件应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户。虚拟仪器应用软件的编写大致有两类：一类是文本式编程语言，如Visual、Basic、Visual C+、Delphi等，另一类是图形化编程语言，具有代表性的有LabVIEW、HP VEE等3。2.3虚拟仪器与传统仪器优缺点对比虚拟仪器与传统仪器相比有着明显优点，具体差异表格-1所示：虚拟仪器传统仪器开发与维护费用低开发与维护开销高技术更新周期短技术更新周期长软件是关键硬件是关键价格低，可重配置性强价格昂贵仪器功能由用户定义仪器功能由厂商定义开放灵活、同计算机技术发展同步封闭固定与网络及其他设备互联方便仪器系统功能单一，互联有限独立设备技术更新周期短技术更新周期长数据可编辑、存储及打印数据无法编辑 表格-1虚拟仪器与传统仪器对比3.LabVIEW的软件概述LabVIEW（Laboratory VirtualInstrument Engineering Work Bench）是美国国家仪器公司（National Instruments，NI）开发的应用于工业测试测量的集成开发环境，也是工业上广泛使用的一种功能强大的图形化系统设计编程软件4。LabVIEW不仅提供了与遵从GPIB，VXI，RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的功能，还内置支持TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数，而且其图形化的界面使得设计编程过程变得生动有趣5。3.1LabVIEW软件的特点归纳起来LabVIEW软件开发平台具有以下特点：（1）图形化的编程语言，适合无编程经验者使用；（2）提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数；（3）程序的调试和开发便捷；（4）集成的测量和精确控制能力；（5）能够与外部代码或软件连接；（6）支持常用网络协议。3.2 LabVIEW程序的构成LabVIEW软件开发平台包括两个部分：前面板和后面板；其中前面板用来显示图形用户界面，而后面板用来实现程序框图。（1）前面板前面板是VI的面板，这一界面有输入型控件和输出型控件。输入型控件用来模拟仪器的输入装置。它一般包括数值输入控件和字符输入控件，为VI程序框图提供数据输入。输出型控件用来模拟仪器的输出装置。它一般包括图表、指示灯、数组以及簇等，为VI子程序框图获取或者生成数据。LabVIEW的前面板如图3-1所示，图3-1前面板窗口（2）后面板（即程序框图）用户在前面板正确的设计出虚拟仪器的界面，还是不能按照预计的要求实现其相应的功能操作，还需要与之配套的程序框图，以完成与前面板上控件间的数据传递和交换、数据信号的处理、显示及分析等任务。程序框图中利用函数、各种结构和连线对VI进行编程，来实现定义在前面板的输入/输出功能。编写程序时运用快捷键Ctrl+E即可在前面板和后面板之间轮流切换。LabVIEW的后面板窗口如图3-2所示，图3-2 后面板窗口3.3 LabVIEW的操作选板LabVIEW用户界面主要提供了工具（Tools）选板、函数（Functions）选板、控件（Controls）选板三大类选板，以供用户通过该软件完成前面板和程序框图的设计，最终实现虚拟仪器的设计。 (1)工具（Tools）选板 工具选板提供了各种用于创建、修改、调试VI的工具。在前面板设计窗口或者后面板程序设计窗口菜单中，执行“查看”|“工具选板”命令，即可打开工具选板，工具选板中的每个工具图标都有不同的功能，在操作过程中，用户可以选择合适的工具图标，鼠标单击该工具图标即可对前面板或者程序框图中的对象进行相应的操作和修改。LabVIEW编程过程中正是引用函数节点的大量引用，充分体现了它图形化编程的优越性。LabVIEW的工具（Tools）选板如图3-3所示 图3-3工具选板(2)函数（Functions）选板函数选板只能在后面板程序框图才能打开，函数选板是创建程序框图时用到的对象集合，它包含“编程”、“测量I/O”、“仪器I/O”、“数学”、“信号处理”、“互连接口”等众多子面板。函数选板提供的不同信号处理函数可以很方便的拖放到程序框图设计区，这些函数被称作为节点。用户在调用这些函数节点时候只需要对这些函数节点参数进行简单的设计，可以满足用户信号处理得大部分要求。在后面板程序窗口中，执行“查看”|“函数选板”命令，即可打开函数选板，如图3-4（a）所示；或者在后面板鼠标右键单击即可获得函数选板，如图3-4（b）所示。图3-4（a）菜单打开函数选板 图3-4（b）右键单击打开函数选板(3)控件（Controls）选板控件选板包括输入控件和显示控件。LabVIEW将所有控件分为“新式”、“经典”、“Express”等类型，各个类型中包含着众多的子模块。用户可以将设计所需的控件放置到前面板上，类似于实际仪表面板上的各种输入/输出口、按键、旋钮、显示屏等，通过合理布局就能设计出满意的虚拟仪器操作前面板。在前面板中，执行“查看”|“控件选板”命令，即可打开LabVIEW的控件选板，如图3-5（a）所示，或者在前面板的设计窗口中鼠标右键单击，即可弹出控件选板，如图3-5（b）所示，图3-5（a）菜单打开控件选板 图3-5（b）右键单击打开控件选板4传统示波器与虚拟示波器4.1传统示波器示波器是一种能够反映任何两个参数互相关联的X-Y坐标的显示仪器。它将被测信号随时间的变化规律，用图形形象地表示出来。并且定量地测量被测信号的参数，如幅度、相位、周期、占空比等。4.1.1传统示波器工作原理在示波器的荧光屏上，显示电压波形的原理如下：被测电压是时间的函数，在直角坐标系统中，可以用的曲线表示。示波器的两副偏转板使电子束在两个互相垂直的方向偏转，这两个方向可以看成是坐标轴。因此，要在管子的荧光屏上显示被测电压的波形，就必须使射线沿水平方向的偏转同时间成正比，而在垂直方向同被测电压成正比（每一瞬间）。所以，锯齿波电压加到水平偏转板上，它迫使射线以恒定的速度从左向右沿水平方向偏转；并且很快的返回到起始位置；射线沿水平轴经过的距离跟时间成正比；被测电压加到垂直偏转板上，因而，每一瞬间射线的位置单值的对应于这一瞬间被测信号的值。在锯齿波电压作用期间，射线就绘出了被测信号的曲线，示波器波形显示原理如图4-1所示， 图4-1示波器波形显示原理图以上图形是锯齿波的重复周期等于输入信号周期整数倍的情况（一倍），荧光屏上显示出的信号图形是稳定不动的，如果不是整数倍，则每次出现的信号波形就不会重合，图形将不断移动，不利于观测，为了保证锯齿波的周期等于输入信号的整数倍，示波器必须具有同步或触发电路6。4.1.2传统示波器的分类传统示波器大致分为模拟示波器和数字示波器两大类：（1）模拟示波器模拟示波器是把各种抽象的电信号较为直观地显示在屏幕上，便于对信号进行分析。这种示波器通常由垂直偏转系统(主要包括垂直放大)、水平偏转系统(主要包括扫描和水平放大)和显示电路组成.模拟示波器只能用来观察和分析重复的周期信号，对于慢速信号、单次或偶尔出现的高频信号，是难以观察和分析的，模拟带宽可以做到很高是其突出的优点所在7。（2）数字示波器数字示波器是将被测连续模拟信号用A/D转换器变换成离散数字信号，存储于存储器中。最后在示波管上或直接显示在LCD上将模拟波形显示。数字示波器的核心内容是将模拟连续被测信号转换为数字信号，即采样,采样方式可分为实时采样和非实时采样,根据采样的方法不同，数字示波器可以分为实时采样数字存储示波器、随机采样数字存储示波器，顺序采样数字示波器8。4.2虚拟示波器虚拟示波器利用LabVIEW软件设计出形象逼真的仪器面板，通过计算机来实现信号的处理、加工、分析及波形的显示。虚拟示波器的功能可以由用户自己定义，但其所能达到的性能指标与采集模块及体系结构有关。目前，虚拟仪器的四种体系结构中，在虚拟示波器中应用最多的是PC-DAQ体系。DAQ（Data Acquisition），即数据采集仪器，它的出现和发展与微型计算机密切相关，DAQ仪器以微型计算机为平台，配以用于测量和测试的数据采集卡及计算机软件（虚拟示波器应用软件），实现示波器的功能9。4.2.1虚拟示波器的组成结构基于Labview的虚拟示波器主要由支持软件、数据采集卡及PC机构成，其结构如图4-2所示数据采集卡计算机软件程序图4-2虚拟示波器组成结构4.2.2虚拟示波器的性能指标虚拟示波器的性能指标直接关系到示波器的性能好坏，如示波器能测量的频率范围，波形显示的清晰度等，主要由分辨率、精度以及带宽所决定的。（1）分辨率（Resolution）就是屏幕显示图像的精度，即显示器显示图像的像素的多少。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多10。（2）精度 (Accuracy)是观测结果、计算值或估计值与真值之间的接近程度。在测量中，任何一种测量的精密程度高低都只能是相对的，总会存在有各种原因导致的误差。为使测量结果准确可靠，尽量减少误差，提高测量精度。（3）带宽（Bandwidth) 是指在固定的的时间可传输的资料数量。示波器的带宽定义为示波器在屏幕上能以不低于真实信号3dB的幅度来显示信号的最高频率。4.2.3传统示波器与虚拟示波器对比虚拟示波器在使用和功能上具有许多优点与传统示波器比较，如表格4-2所示：虚拟示波器传统示波器波形便于存储及打印波形只能用户自己记录测量精度高，适用性强测量精度不高，适用性弱波形均匀稳定，无闪烁，波形稳定度不高，存在闪烁，多窗口多波形显示波形显示个数有硬件设备决定成本低、体积小、便于携带成本高、体积大、不便携带表格-2传统示波器与虚拟示波器有缺对比5.虚拟示波器的软件设计本文关于虚拟示波器的设计参阅双踪台式数字示波器的功能。基于LabVIEW软件所提供的工具选板、函数选板和控件选板搭建虚拟示波器的主界面和程序框图，用以实现波形显示、滤波分析、时域分析、频谱分析、波形存储和读取等功能。虚拟示波器的总体流程图如图5-1所示 前面板参数赋值 开 始 数据采集开始 数据读取 采集停止 波形存储与再现 结 束波形显示滤波处理频谱分析时域分析YN图5-1虚拟示波器总体流程图5.1数据采集模块对于示波器而言数据采集无疑是重要部分，然而由于相应的硬件设备无法完成数据采集模块的具体设计，本文就数据采集系统及采样原理介绍如下：5.1.1数据采集系统的构成数据采集（Data Acquisition，DAQ）是指从传感器和其他待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集信息的过程，数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统，一个完整的DAQ系统包括传感器或变换器、信号调理设备、数据采集和分析硬件、计算机、驱动程序和应用软件等11。其结构如图5-2所示被测对象传感器信号调理数据采集硬件接口计算机分析软件信号调理数模转换 图5-2数据采集系统的结构（1）传感器传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出的器件或装置，它通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路组成12。常见的传感器有应变式、电感式、电容式传感器等等。对于每种传感器，都是将被监测的物理参数成比例转换成电信号。（2）信号调理信号调理是将外部开关变量信号输入到计算机时经过转换、放大、滤波、保护、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑电平13。通过信号调理之后才能够有效地进行数据采集，以保证测量的精度。（3）数据采集硬件数据采集硬件的功能包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输出、定时I/O和触发采集。（4）软件软件分为驱动程序和应用程序。前者直接对数据采集硬件的寄存器编程，后者则完成数据的分析、存储与显示。5.1.2采样原理数据采集主要是将外部模拟信号转化为离散信号并传递到计算机中，该过程被称为采样。采样频率，即每秒采集所得数据个数，对采样过程是一个重要的参数，确定了合适的采样频率，才可能在采集设备允许的性能范围和硬件设备成本下进行正确而可靠的采样；过高的采样频率会增加采样设备的工作负担及软件计算的工作量；而过低的采样频率不足以正确恢复原始信号；采样定理指出，采样频率必须至少是原始信号中所包含最高频率的两倍时，所得的采样信号才能包含原始信号所有频率分量的全部信息，否则从采用信号恢复到原始信号时会发生畸变14。过高的采样频率和过低的采样频率下所得的采样结果如图5-3所示，图5-3过高的采样频率和过低的采样频率的结果5.2用户登陆界面虚拟仪器是一个面向用户的、图形化、易操作的仪器技术，设计者可以灵活的设置仪器系统的界面，以供用户使用，为了使得用户使用时能够安全的保存自己的数据，用户登录界面自然必不可少的。（1）虚拟示波器的登录界面的前面板,如图5-4所示，图5-4虚拟示波器登陆界面如上图所示，主要有两个字符输入控件和一个字符显示控件，两个布尔控件，分别为确认按钮和取消按钮。当输入的姓名和密码均正确时，登录状态显示控件显示为“恭喜你！登录成功”，并且自动跳入主界面；如果输入密码错误，登录状态显示控件则显示为“密码错误，请重新输入”；如果输入用户姓名有误，登录状态显示控件则显示为“用户名输入有误，请重新输入”。若单击“取消”按钮，就会自动退出登录系统。（1）框.图程.序可以分.为两.部分，结.构主.要为.条件.结构即条件，当输入条件为布尔值时，有“真”，或者“假”两种情况；当输入条件为多个变化的值时类似于case结构。当程.序运.行时，在前面板单击.确定或取.消按钮，来控制程序面板的条件结构，便.能够进.入系.统或者退.出系.统。虚拟示波器的登录界面的程序面板如图5-5（a）、5-5(b)、5-5(c)所示，图5-5（a）图5-5（b）图5-5（c）5.3虚拟示波器主界面 Labview前面板用于模拟真实示波器的控制面板。因此虚拟示波器主界面是虚拟示波器控制软件的核心。设计前面板时，主要考虑界面布局合理美观，易于操作。用户能够通过前面板中的旋钮和开关来模拟传统示波器的操作，通过鼠标和键盘来控制虚拟示波器。本设计前面板通过选项卡将示波器主界面、滤波处理、时域分析、频谱分析、波形存储与回放等子模块放入其中，各个功能模块设有启动按钮，当按下相应按钮时，即可调用该子程序。虚拟示波器主界面主要通过波形显示控件、布尔控件、枚举输入控件、滑动杆控件、数值输入控件(如旋钮)、数值显示控件、字符串显示控件等控件，完成波形的显示、通道的选择、典型输入波形的选择、参数的控制。滑动杆控件用来控制通道1或者通道2的选择，通道1和通道2 枚举输入控件中包含正弦波、三角波、矩形波、锯齿波可供选择，可以单通道选择不同输入信号，也可以同时打开两个通道，同时显示两个通道的波形，通过参数旋钮可以控制改变波形的幅值、频率、相角；数值显示控件显示波形的频率、幅值、相角等。（1）虚拟示波器的主界面前面板如图5-6（a）所示图5-6（a）虚拟示波器的主界面前面板（2）示波器的主界面程序面板，主要有While循环结构和条件结构组成的，通过前面板操作控制就可以实现控制目的。while循环结构主要由循环框架，条件端口，以及重复端口构成。重复端口初始值为0，每循环一次的递增步长为1。但在LabVIEW中，重复端口的步长和初始值是不会改变的，假如要运用不同的步长和初始值，即可使重复端口显示的数据进行数据运算。 本设计通过滑动杆控件控制通道的选择，条件端口为“0，默认”、“1”、“2”，滑动杆滑到靠左时，打开通道1，靠左时通道1和通道2同时打开，居中时打开通道2，如图5-6（b）、5-6（c）、5-6（d）所示图5-6（b）示波器的通道1打开图5-6（c）示波器的通道2打开图5-6（d）示波器的通道1和通道2同时打开5.4滤波模块一般在工程测量中采集的信号或多或少都有噪声或者其他不需要的信号参杂在其中，需要经过信号滤波才能够在被噪声淹没的信号中提取真正所需要的信号，抑制不需要的干扰信号。LabVIEW中列有各种数字滤波器，如巴特沃斯滤波器、贝塞尔滤波器、等波纹低通滤波器、等波纹高通滤波器、FIR数字滤波器、IIR数字滤波器等，而这些数字滤波器都可以直接调用而不用考虑它的内部设计。IIR数字滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈回路；但是相位特性不好控制。而FIR数字滤波器是有限的单位响应也有利于对数字信号的处理，便于编程。在本设计中采用FIR加窗滤波器，该节点可设置参数是采样频率低通截止频率、高通截止频率、滤波器阶数以及4种滤波器类型(低通、高通、带通和带阻)的选择15。（1）本设计是将两个通道采集的信号，与高斯白噪声叠加之后，通过FIR加窗滤波器，选择不同滤波类型，观察滤波效果。滤波模块的前面板如图5-7（a）如图所示， 图5-7（a）滤波模块的前面板（2）滤波模块的程序面板如图5-7（b）所示图5-7（b）滤波模块的程序面板5.4时域分析与参数测量模块信号的时域分析是指在时间域下对信号进行波形变换、缩放、数值微分、积分等各类分析运算，通过对信号按不同时间段进行分析，得出各个阶段的最佳运行状态。自相关函数可以检测信号中是否含有周期成分。若信号含有周期部分，则自相关函数在很大时都不衰减并具有明显的周期性，相反的若不含周期成分的随机信号在稍大时自相关函数就趋近于零16。 本设计时域分析做了自相关系数的测量及信号的参数测量。（1）虚拟示波器的时域分析及参数测量前面板，如图5-8（a）所示。该面板主要有3个波形图表控件，用来显示原始信号，原始信号与噪声信号的叠加后的波形显示以及作自相关运算之后的波形显示。10个数值显示控件，用来显示波形的参数，如直流分量、交流分量、直流平均值、峰峰值、频率、占空比等参数。图5-8（a）时域分析及参数测量前面板（2）虚拟示波器的时域分析及参数测量程序面板如图5-8（b）所示。 图5-8（b）时域分析及参数测量程序面板5.5频谱分析模块单独对信号进行时域分析有时候不能反映信号的全部特征，因此需要对信号进行频域分析。信号的频域分析是对信号按频率进行分析。频域分析的关键是对数据进行相关的变换。LabVEW的频域分析模板提供了丰富频域分析的子VI，如傅里叶变换、功率谱分析、谐波分析等等。本设计调用了实数快速傅立叶变换（FFT）作为信号频谱分析的子VI。（1）输入波形频谱分析模块前面板如图4-9（a）所示，该面板主要有3个波形显示控件用来显示原始信号波形、频域相角及频域幅值。一个布尔控件，用来控制该面板的开始。图4-9（a）频谱分析模块前面板（2）输入波形的频谱分析模块程序面板如图5-9（b）所示 图5-9（b） 频谱分析模块程序面板5.6 波形存储和回放传统的示波器的数据一般无波形存储功能，而本设计的虚拟示波器使用的软盘或硬盘对波形及相应的数据进行存储，数据不易丢失且携带方便，实现了波形和数据的保存和读取，对波形的事后分析有很大的意义。本设计中的波形存储与读取模块中，按键“存储”控制是否进行波形和数据存储，当按下存储时将会将LabVIE中的数据流存储在Excel表格中；按键“读取”控制是否从数据表格文件中读取波形和数据。枚举型输入控件用来选择典型输入波形，两个文件名输入框，提供存储和读取波形和数据的路径。（1）波形存储和读取模块的前面板设计如图5-10（a）所示。图5-10（a） 波形存储和读取模块的前面板（2）波形存储和读取模块的程序框图设计如图5-10（b）所示。 图5-10（b）波形存储和读取模块的程序框图6.虚拟示波器的调试及分析6.1程序调试程序调试就是要快速定位问题之所在，而探针和断点是LabVIEW中最常用的两个程序调试工具。具体程序调试方法如下：（1）查看错误列表点击单步运行按钮，若子VI程序中存在连接松弛或者语法错误，该运行按钮变成一个折断的箭头，说明程序不能被执行。单击清单中的错误，错误的对象或端口将会变成高亮即可查找出错误所在。（2）程序高亮执行单击的工具条上灯泡型的按钮后该按钮闪烁，再点击运行按钮，此时程序以较慢的速度运行，执行后的代码高亮显示，未被执行的代码灰色显示。使用户能够清晰的直观的观察数据流动状态，跟踪程序的执行。（3）探针LabVIEW的探针是用来查看后面板程序框图中的数据流经某线时的数据值。（3）断点与单步执行断点指的是在程序中设置的中止点。当程序运行到断点处将暂停。因此，使用断点工具可以一步一步执行程序查看数据。6.2虚拟示波器数据显示（1）单通道或者双通道波形显示，如图6-1（a）、6-1（b）、6-2（c）所示，在通道控制面板上，滑动杆滑动，分别依次打开通道1，通道2，通道1和通道2，然后选择要产生的波形信号；再通过调节参数通道控制中调节幅值、频率和相角的按钮产生相应的信号波形。图6-1（a）通道1显示正弦波图6-1（b）通道2显示锯齿波图6-2（c）通道1显示正弦波，通道2显示方波（2）选定示波器主界面的通道1（或者通道2），选择任意波形，打开选项卡中“滤波处理模块”，然后单击“滤波”按钮，以通道1，正弦信号为例，正弦波信号与高斯白噪声叠加之后，通过FIR加窗滤波器，先经过低通滤波，在分别经过高通滤波和带通滤波比较可得，通过带通滤波能够滤除噪声信号达到很好的滤波效果，基本上实现了输入正弦波形的再现。运行结果如图6-2（a）、6-2（b）示，图6-2（a）低通滤波和高通滤波图6-2（b）低通滤波和带通滤波（3）打开选项卡中“时域分析及参数测量”模块，再单击“时域分析”按钮，运行结果如图6-3所示。输入的正弦波与噪声信号叠加波形以及作自相关运算之后的波形显示可知该波形时周期信号。同时显示了正弦波的参数，如直流分量、直流平均值、峰峰值、频率、占空比等参数。根据这些参数能够较为容易的对信号做定性的分析，图6-3时域分析及参数测量（4）打开选项卡中“频域分析”模块，单击“频域分析”按钮，运行结果如图6-4所示，经过实数快速傅立叶变换（FFT）对信号频谱分析，幅值和相角按照频率显示；能够看到不同频率段信号的波形的幅值和相角，根据需要可以选择滤波器对信号进行处理滤除不需要的信号，得到较为纯净的信号。图6-4频域分析模块波形显示（5）打开选项卡中“波形的存储和读取”模块，单击“开始”按钮，选择“波形存储路径”，弹出对话框，择已建立的Excel表格进行数据存储，如图6-5（a）所示；单击数“存储”按钮，进行数据存储，等待一段时间，如图6-5（b）所示;单击“读取按钮”，弹出对话框，选择数据存储的路径, 如图6-5（c）所示,单击确认，波形即可显示，如图6-5（d）所示图6-5（a）选择存储路径图6-5（b）波形数据存储图6-5（c）选择读取路径图6-5（d） 波形的读取6.3噪声干扰的防止方法工业测量的数据通常都会包含着着噪声信号，噪声干扰的存在影响测量的准确度，甚至致使系统无法正常运行。因此对抗干扰的研究是提高测量技术有重要意义。电磁干扰是电子设备噪声干扰中的主要干扰形式。一般解决方法如下所示：（1）布置信号线时，要将信号线与电源线分离。（2）当在电磁噪声强度高的环境下，选择双绞线来屏蔽噪声干扰信号。（3）信号采集结束后设计适合的低通滤波器滤除高频干扰信号。（4）采用合适的隔离技术将干扰源与测试系统隔离开来。常见的隔离技术有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离、7总结与展望7.1总结本文关于虚拟示波器的设计是参阅双踪示波器的功能设计的，整个程序的设计充分发挥了微机强大的功能和LabVIEW软件设计的灵活性，采用模块化的设计思想，再将各子模块按照一定的逻辑关系组合起来，构成完整的虚拟示波器。本设计完成的任务如下所示：（1）本文设计了用户登录系统，用来对操作界面及数据进行保护。（2）利用LabVIEW提供的控件及函数搭建的虚拟示波器的界面设计，能够完成通道的选择，模拟典型信号发生器作为输入信号，显示、滤波处理、时域和频域分析、波形的存储和读取等功能。（3）通过两个月的论文设计，从自行学习LabVIEW软件基本选板的运用以及简单的程序设计到完成毕业论文，当然这个过程中遇到很多问题，在老师的指导和同学的帮助下都逐一得到解决。使得我对你能够更深的掌握LabVIEW软件基本运用方法和设计技巧，如while循环、for循环、条件结构循环的用法，程序调试的方法等。本设计中的不足及后续工作（1）由于没有数据采集卡及数据采集所涉及的硬件设备对于数据采集系统只是用使用LabVIEW中信号发生器设置其参数模拟信号