仪器综合课程设计-基于虚拟仪器的示波器和信号发生器.docx

J I A N G S U U N I V E R S I T Y仪器综合课程设计任务书与说明书报告题目：基于虚拟仪器的多功能示波器和信号发生器英文题目：Multi-function oscilloscope and signal generator based on virtual instrument学院名称： 机械工程学院 专业班级： 学生学号： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2018年 1月江苏大学仪器综合课程设计说明书江苏大学仪器综合课程设计任务书题目： 基于虚拟仪器的多功能示波器和信号发生器 专业班级： 学号： 姓名： 指导教师： 一、课程设计目的意义课程设计是工科各专业的主要实践性教学环节之一，是围绕一门或多门主要课程，运用所学课程的知识，结合实际的应用而进行的一次综合分析和设计能力的训练。仪器综合课程设计是测控技术与仪器本科专业学生一次综合性课程设计，将综合应用本专业主要专业核心课程知识，如电子技术、传感器技术、误差理论与数据处理、测控电路、微机系统与接口技术、单片机应用系统设计、C语言、数字信号处理、电路设计软件、虚拟仪器设计、智能仪器设计、微机测控系统设计等课程，结合以上课程的相关实验环节，培养和锻炼学生熟悉和掌握仪器系统设计的整个环节。帮助学生将各专业课程内容综合起来，融会贯通，形成系统的概念，迅速迈过从理论到实践的门槛。本课程设计的任务是通过设计实践训练，使学生掌握解决测控技术与仪器领域实际复杂工程问题时所应具有的查阅资料、综合运用所学知识解决问题能力，培养学生具备应用文字处理软件撰写规范的课程设计说明书的能力，为后续毕业设计以及从事专业工作打下坚实的基础。二、课程设计目标1. 学生能够运用数学、自然科学和工程科学基本原理，识别、表达仪器综合课程设计内容相关的复杂工程问题；(指标点2-4)2. 学生能通过文献综合分析，研究课程设计内容相关的复杂工程问题，以获得有效结论；（指标点2-4）3. 学生能够根据总设计任务要求，完成符合特定功能、性能、成本等需求的机电测控系统或者仪器整体或者部件设计，设计中能够体现创新意识；（指标点3-4）4. 学生能够依据相关标准、规范，综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等制约因素；（指标点3-4）5. 学生能够应用文献检索基本方法，获取设计任务有关背景与现状；（指标点5-1）6. 学生能够选择与使用恰当的技术、资源和信息技术工具，完成课程设计具体设计内容；（指标点5-1）7. 学生能够评价解决复杂工程问题的工程实践活动对环境、社会可持续发展的影响；（指标点7-2）8. 学生能够正确认识团队成员之间的任务关系，明确个体、团队成员以及负责人的角色任务，并在团队中担任好自己的角色；（指标点9-1）9. 学生能够撰写课程设计说明书文稿，格式规范，内容完整，表达清楚；（指标点10-2）10. 学生能够针对设计任务，清晰表达陈述设计背景、技术方法现状、设计主要方案及内容，设计试验结果与结论等，并能够准确回应指令；（指标点10-2）11. 学生能够针对设计任务要求，应用管理与技术经济分析方法，分析设计的测控系统与仪器经济合理性；（指标点11-2）三、课程设计目标与专业毕业要求指标点的对应支撑关系课程设计目标与专业毕业要求指标点的对应支撑关系表毕业要求指标点课程目标目标1目标2目标3目标4目标5目标6目标7目标8目标9目标10目标11毕业要求2-4毕业要求3-4毕业要求5-1毕业要求7-2毕业要求9-1毕业要求10-2毕业要求11-2仪器综合课程设计支撑专业培养计划中毕业要求2、毕业要求3、毕业要求5、毕业要求7、毕业要求9、毕业要求10和毕业要求11：1. 毕业要求2-4：能够运用数学、自然科学和工程科学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析测控系统与仪器领域相关的复杂工程问题，以获得有效结论，占该指标点达成度的20%。2. 毕业要求3-4：能够根据总设计任务要求，完成符合特定功能、性能、成本等需求的机电测控系统、电子仪器设计，依据相关标准、规范，综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等制约因素，并体现创新意识，占该指标点达成度的30%。3. 毕业要求5-1：能够应用文献检索基本方法，选择与使用恰当的技术、资源和信息技术工具，占该指标点达成度的20%。4. 毕业要求7-2：能够理解和评价针对测控系统与仪器中复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响，占该指标点达成度的30%。5. 毕业要求9-1：正确认识团队成员之间的任务关系，理解个体、团队成员以及负责人的角色，并在团队中担任好自己的角色，占该指标点达成度的40%。6. 毕业要求10-2：能够撰写调查分析报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，占该指标点达成度的30%。7. 毕业要求11-2：具备在测控系统与仪器工程实践中应用管理与经济决策知识的能力，占该指标点达成度的30%。四、课程设计工作要求1. 课程设计工作总体要求通过布置具有一定难度的设计题目，利用所学的智能仪器和微机测控系统知识，要求学生按照小组独立完成所布置设计任务。在分析与设计过程中，要求学生养成良好的设计习惯，学会分析实际问题，并能利用所学的知识建立系统结构，学会软硬件设计、调试技巧和方法。根据题目任务的具体要求，提出以下总体要求：（1）要充分认识课程设计对培养自己的重要性，认真做好设计前的各项准备工作。（2）既要虚心接受老师的指导，又要充分发挥主观能动性。结合题目任务，独立思考，努力钻研，勤于实践，勇于创新。（3）按规定的时间独立完成规定的工作任务，不得弄虚作假，不准抄袭他人内容，否则成绩以不及格计。（4）要严格遵守学校的纪律和规章制度，学生有事离校必须请假。课程设计期间，无故缺席按旷课处理；缺席时间达四分之一以上者，其成绩按不及格处理。（5）在设计过程中，要严格要求自己，树立工程实践意识，严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风，必须按时、按质、按量完成课程设计。（6）小组成员之间，分工明确具体，各负其责，要保持联系畅通，密切合作，培养良好的互相帮助和团队协作精神。每位学生能够明确团队成员之间的任务关系，并在团队中担任好自己的角色。（7）能独立查阅资料，了解专业前沿发展现状和趋势，设计方案经过小组讨论论证，确保正确可行，正确划分系统功能模块，系统设计要尽量实用，数据与功能分析要详细。（8）实验仪器在使用前一定要仔细阅读使用说明书，严格按要求使用仪器设备，由于操作不当造成损坏学生负责。（9）学生所在组选出小组负责人，负责仪器及元器件的保管工作。（10）根据江苏大学课程设计说明书写作规范的格式要求，认真撰写课程设计说明书，说明书以个人为单位，并装入课程设计资料袋提交，设计的仪器或者系统以组为单位提交，答辩以组为单位。2. 课程设计具体内容要求（1）分析设计任务，明确设计指标和功能要求。（2）收集相关资料，进行背景及现状综述与分析，提出总体方案，进行技术可行性、环境与社会影响可行性、技术经济可行性等分析论证，并进行具体方案设计工作，画出总体功能框图或者部件功能框图。具体要求包括：能够依据设计任务性能指标要求，能够运用数学、自然科学和工程科学基本原理，识别与提炼、定义与表达，通过文献研究分析设计内容相关的复杂工程问题，获得有效检测与控制数学模型等结论；能够设计复杂工程问题的解决方案，设计满足特定功能、性能、成本等需求的测控系统、仪器或者部件，在设计环节中能够体现创新意识，并考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素；能够理解和评价针对测控系统与仪器中复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响；理解工程实践活动中管理与经济决策基本知识，并能应用在多学科环境工程实践中，进行必要技术经济分析。（3）各单元电路设计，包括详细的电路原理图，各元器件及芯片功能引脚图。包括电路设计必要计算分析。（4）设计方案交由指导老师审查，领取元器件及仪器设备，缺少的自己购买。（5）硬件电路安装与调试。（6）程序设计，并调试通过。（7）撰写课程设计说明书。（8）提交仪器，现场测试，并提交设计说明书，参加答辩。要求能够就测控系统与仪器中复杂工程问题与老师、同学进行有效沟通和交流，包括撰写调查分析报告或者设计文稿PPT、陈述发言、清晰表达或回应指令。（9）做好元器件及仪器设备归还、工作室卫生打扫等善后工作。五、课程设计说明书的内容要求课程设计说明书是课程设计工作的总结和提高，课程设计说明书应反映出作者在课程设计过程中所做的主要工作及主要成果，以及作者在课程设计过程中的经验教训。必须同时提供纸质文档和电子文档。1、 课程设计说明书内容课程设计说明书包括以下几个主要部分：（1）课程设计封面（统一）（2）课程设计任务书（包括题目、设计任务技术性能及功能要求，设计小组分工等，依据提供任务书补充，修改更具体）；（3）课程设计中英文摘要；（4）目录（课程设计大纲）；（5）引言（题目背景及设计目的意义）（6）现状综述分析（对参考文献综述，分析技术发展水平、特点及趋势）（7）设计方案论证及关键技术方法介绍（包括对关键技术应用原理分析，设计总体功能框图、电路的总体结构框图，总体设计方案的比较选择等）（8）硬件电路设计调试（包括电路参数必要设计计算、元器件型号的选择确定等，硬件电路调试工具、硬件电路制作、连接、安装、调试等步骤）（9）软件系统设计调试（包括设计手段、设计过程、设计步骤，软件系统调试工具、方法及步骤等）； （10）性能试验结果分析（性能功能测试实验，测试数据和误差结果分析等）；（11）结论及展望（12）设计小结与体会（13）参考文献（14）附录（其他图表）2、课程设计说明书编写基本要求（1）每个学生必须独立完成课程设计说明书；（2）课程设计说明书写规范、文字通顺、图表清晰、数据完整、结论明确；（3）课程设计说明书后应附近期参考文献，以期刊为主，至少10篇以上；（4）要求课程设计说明书用A4纸打印装订成册；（5）电路图用Protel绘制。（6）署名设计学生和指导教师姓名；（7）课程设计电子文件存档，保管齐全。具体格式参看江苏大学课程设计说明书写作规范。六、课程设计题目及任务要求设计任务7：设计基于虚拟仪器的多功能示波器和信号发生器。要求选择合适的硬件板卡，设计一基于虚拟仪器的多功能示波器和信号发生器，具备数字存储示波器、信号发生器和信号分析仪三个主要功能模块。具体要求如下：可以通过前面板交互界面实现示波器与信号发生器功能切换；数字存储示波器可以实现双通道信号采集，而且采集的数据可以进行存储，同时可以将已存数据重新载入进行分析观察；信号发生器可直接数字合成（DDS），能够产生正弦波、方波、锯齿波及三角波信号，精度高，相关参数可程控，便于与其他设备接口构成各种系统。另外，根据要求可以叠加各种噪声，同时能够实现两个及以上信号叠加输出，具有较高性价比和一定市场竞争力。最多设置2组，2人一组。项目分工：个人独立完成基于虚拟仪器的多功能示波器和信号发生器柳子越（江苏大学机械工程学院仪器科学与工程系，江苏，镇江，212013）摘要： 本文提出了一种基于Labview虚拟仪器平台和NI myDAQ 设备的多功能示波器及信号发生器设计。由myDAQ输出和采集信号,由软件编程来实现示波器的显示及测量等功能。与传统的示波器相比,除具有信号的测量和显示功能外,还可以实现对信号的滤波、频谱分析、参数测量、数据的存储和导出等功能。本文的主要工作包括:(1)介绍了虚拟仪器的研究目的、意义以及国内外现状;(2)介绍了虚拟仪器的概念、特点、组成和实现技术;(3)对虚拟示波器和信号发生器系统进行了设计,利用高速数据采集技术采集数据、利用信号处理算法处理数据;(4)利用Labview图形化编程语言进行了软件编程。此外,本文还使用myDAQ多功能卡实现了一个波形发生器,可以生成标准波形、绘制任意波形。将此波形发生器系统作为虚拟示波器系统的信号源,对整个虚拟示波器系统进行了验证。结果表明:该系统更加灵活、高效、经济、可扩展性强等优势。关键词：虚拟仪器 示波器 信号发生器IXMulti-function oscilloscope and signal generatorbased on virtual instrumentAbstract: This paper presents the design of a multifunctional oscilloscope and signal generator based on Labview virtual instrument platform and NI myDAQ equipment. The signal is output and collected by myDAQ. Compared with the traditional oscilloscope, it not only has signal measurement and display function, but also can realize signal filtering, spectrum analysis and parameter measurement. The main work of this paper is to introduce the research purpose, significance and current situation of virtual instrument at home and abroad. The concept, characteristics, composition and composition of virtual instrument are introduced.Realization technology; The virtual oscilloscope and signal generator system are designed. The data are collected by high-speed data acquisition technology and processed by signal processing algorithm. In addition, a waveform generator using myDAQ multi-function card is implemented, which can generate standard waveform. The waveform generator system is used as the signal source of the virtual oscilloscope system, and the whole virtual oscilloscope system is verified. The results show that the system is more flexible, efficient and economical. Strong scalability and other advantages.Keywords: Virtual instrument oscilloscope signal generator目录第一章 绪论11.1 引言11.2 国内外现状综述11.3 设计主要内容3第二章 总体方案设计52.1 设计功能和性能指标要求52.2 设计方案52.3 方案技术可行性分析82.4 方案经济可行性分析92.5 方案对社会、健康、安全、法律、文化以及环境等影响分析10第三章 详细设计123.1 硬件电路设计123.2 软件系统设计143.3 实验系统设计26第四章 系统调试与试验结果分析284.1 硬件电路调试284.2 软件系统测试294.3结果分析35第五章 结束语38课程设计工作小结与体会39参考文献40附录41附录一：信号发生器模块程序图41附录二：示波器及程序测量模块程序图42附录三：波形保存和回放程序图43第一章 绪论1.1 引言测量设备是工业生产以及科学研究中至关重要的一环。随着计算机技术，电子测量技术，软件编程技术的发展，测量设备打破了传统测量仪器理论和方式，新的理论、方法、架构不断出现，其中最著名的就是虚拟仪器，它引发了仪器测量领域的重大变革，代表着仪器发展的最新方向和潮流。传统测量仪器的结构固定，功能是由厂家自主设计并制造完成，有固定的输入/输出接口和仪器操作面板，每种仪器通常只能实现一类特定的测量功能，传统仪器在使用上具有一定的局限性，目前常用的数字示波器、数字万用表、信号发生器、信号记录仪以及温度、压力监测仪都是传统仪器的代表。传统仪器与虚拟仪器之间的差异主要是：传统仪器由厂商定义固定的功能，而虚拟仪器则由用户根据实际测量需要定义功能；传统仪器与虚拟仪器组件结构基本相同，但在体系结构原理上完全不同。虚拟仪器系统包括软硬件两部分，用户可以自由选择适合的软硬件，无需使用厂商提供的封装好的设施，从而保证了极大的灵活性【4】。传统仪器软件和测量电路被封装在一起，利用仪器操作面板完成限定的功能；虚拟仪器利用计算机数据处理能力和显示界面，建立图形化的用户操作界面，可以完成仪器控制、数据采集、分析、处理和显示功能。相比于传统仪器，虚拟仪器具有功能自定义、性价比高、开发维护费用低等特点。随着计算机处理能力的提升，设计人员将一些高效的数字信号处理算法应用于虚拟仪器设计领域，充分丰富了传统仪器的功能，而且能够通过软件配置的形式实现多功能集成的仪器设计。最常用的基于PC-DAQ体系的虚拟示波器系统，即就是利用数据采集卡，在PC机上设计与实现一套具有示波器，型号发生器功能的虚拟仪器系统，既可完成示波器的基本功能，还可对被测对象的信息进行各种统计和分析，利用计算机系统的处理能力丰富示波器的功能，具有开发周期短、性价比高、功能全面等优点【1】。1.2 国内外现状综述个人计算机的产生为基于测量仪器的PC机的发明提供了平台。美国国家仪器公司(National Instruments，简称 NI)使整个行业发生了根本性地变化，NI公司的理论和技术变革顺应了时代的潮流，推动了整个测量测控行业的发展。在Microsoft公司的Windows 操作系统诞生之前，NI公司就开始了在虚拟仪器技术领域的研究。在NI 公司的带领下，基于长期、高效、科学系统的对于虚拟仪器和图形化编程语言Lab VIEW研究和实验，1992 年具有跨平台的功能的 Lab VIEW 2.5正式诞生，从此虚拟仪器制造进入了蓬勃发展的时期。随着计算机编程语言、通讯技术、测量技术等各个方面的不断发展，用户对于测量设备的要求不断增多，测量系统的复杂度也在不断提升，基于市场的推动和行业发展，NI公司和国内外的高校、科技公司不断加大对虚拟化设备的探索，基于传统测量设备，成功推出了可应用于工业制造界、学术研究界、科学实验室等领域的虚拟化设备。利用编程软件，虚拟仪器可以实现与满足 GPIB、VXI、RS-232、RS-485 等协议的硬件和数据采集设备通讯的所有功能的集成，并且还内置了各类库函数，便于应用TCP/IP、Active X 等软件标准。以 NI 公司为代表的一大批生产厂商推出了适应市场需求的虚拟仪器产品，美国各大理工类院校已经将基于计算机的虚拟设备制造和图形化编程语言作为必修学科，部分大学要求学生利用虚拟设备进行数据采集、控制、处理等各种操作。世界各大知名的虚拟仪器生产厂商开发出众多的软件平台用于设计者自主构建虚拟仪器测量系统。最早和最具影响力的开发软件是美国国家仪器公司（NI公司），该公司不断推出新的虚拟仪器产品，其图形化编程语言 Lab VIEW、Lab Windows/CVI 及其相应的硬件也引领整个虚拟仪器市场。NI 公司开发了图形化的编程软件，为用户提供了仪器自动化设计和实现方案。其中，NI 公司的虚拟频谱分析仪就是利用高速数据采集卡和图形化编程软件 Lab VIEW 设计和实现的，它在电子测量、分析领域中应用广泛。荷兰的 Tie Pie Engineering 公司是一家专门销售计算机控制的测量仪器公司，产品包括示波器、光谱分析仪、资料记录仪、万用表、函数发生器等。美国Link分析仪利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用，公司推出的数字化存储示波器、逻辑分析仪和 FFT 频谱分析仪等也都被各个电子行业广泛研究和应用。美国的 HP公司、Racal 公司和 Tektronix 等很多公司都相继加入虚拟仪器的研究领域，虚拟仪器领域不断涌现出众多新产品。NI、HP和 Aglent 公司都推出了基于计算机系统的虚拟测量和控制系统，这些虚拟仪器被广泛应用于科研领域的数据测试【6】【7】。目前，我国很多高校和科研机构认识到虚拟仪器在测量领域的优势，逐步开展了对虚拟仪器相关技术的研究，开发具有自主知识产权的虚拟仪器设备。华中科技大学、复旦大学、上海交通大学、重庆大学等部分高校相继建立了自己的虚拟仪器教学实验室。清华大学、重庆大学、华中科技大学等争众多理工类院校开始引进以及自主研发虚拟仪器，通过引进美国国家仪器公司、HP 公司产品，在对国外产品不断研究的基础上，取得了喜人的研究成果，为国内的虚拟仪器领域做出了巨大的贡献。重庆大学的测试中心，他们研发的产品包括数字示波器、频谱分析仪等多种虚拟仪器，根据客户的需求定制，得 到了市场上的广泛认可，不少高校、厂商争相与其合作。华中理工大学机械学院工程测试实验室将其研究成果公开透明化，为很多研究者提供了技术支持。四川大学基于虚拟仪器设计思想，研制出“航空电台二线综合测试仪”，实现了将台虚拟仪器集成，组成虚拟仪器系统，使用起来灵活、方便。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术研制的期初发动机检测系统，可以用来对出厂的汽车发动机进行检测，检验发动机的功率特性、负荷特性等等，一台发动机检验完成，即可打印出完整的检验报告【4】。此外，国内的多家企业也不断研制基于计算机的虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司研制的数字化存储示波器系列、任意波形发生器系统以及多通道大容量的波形记录仪系列等多种产品已经开始批量生产和应用。未来几年，中国的虚拟仪器市场占有率将超过50%，会有越来越多的厂商利用虚拟仪器系统对生产设备进行实时监控和测量，随着计算机技术的发展，虚拟仪器系统会逐渐代替传统的测量仪器成为电子测量领域的主流。1.3 设计主要内容使用NI myDAQ硬件平台，搭建PC-DAQ体系，使用Labview 2015 软件编写信号发生器，示波器程序并设计界面。能够产生虚拟信号，并完成信号的测量、数字滤波、频谱分析、数据存储读取及显示功能，并可以录制波形并进行回放。虚拟仪器的概念可描述为“虚拟仪器是利用现有的PC计算机、加上特殊设计的仪器硬件的专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器”。虚拟仪器技术使用户可以根据自己的要求设计自己的仪器系统，从而满足多种多样的应用需求，可广泛应用于科研，生产的测量与控制系统【8】。传统的仪器通常由信号的采集、分析、显示三部分组成，而虚拟仪器技术利用计算机使得这三部分由一台计算机来实现。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源如微处理器、内存、显示器等，和仪器硬件如A/D, D/A、数字I/O、定时器、信号调理板等，的测量，控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理，表达以及图形化用户接口，极大的缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现数据的显示、存储以及分析处理。 虚拟仪器从功能上可以划分为三个部分：（1）信号采集与控制。虚拟仪器是由计算机和仪器硬件组成硬件平台，实现对信号的采集、测量、转换与控制。（2）数据分析与处理。虚拟仪器充分利用计算机的存储、运算功能，并通过软件实现对输入数据信号的分析与处理。处理内容包括数字滤波、数据统计、数值分析等。从数据分析上看，虚拟仪器比传统仪器具有更强大的数据分析能力。（3）测量结果的显示。虚拟仪器充分利用计算机的资源，如显示器，存储器等，把测量结果以多种方式来表达与输出，其输出形式包括通过总线网络的远距离数据传输，通过光盘，磁盘的拷贝输出，在硬盘上存储数据以及通过计算机屏幕等图形接口的输出方式【10】。PC-DAQ这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，其关键在于A/D 转换技术。这种方式受 PC 机机箱、总线限制，存在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏蔽，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。随着基于PC的工业控制计算机技术的发展，PC-DAQ 方式存在的缺点已经和正在被克服。因个人计算机数量非常庞大，插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适合于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用【2】。 第二章 总体方案设计2.1 设计功能和性能指标要求虚拟示波器不仅可以实现传统示波器的功能，并且具有存储、再现、分析、处理波形等传统示波器所没有的特点，而且体积小，使用方便。虚拟示波器使用微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不同的方式（如数据、图形、图表等）表示测量结果，成各种规模的测量任务。如用在虚拟示波器上的软件功能有：测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积和相关函数处理、峰值和阈值检测、数值运算、时域和频域分析等，大大超过了普通示波器的功能。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和系统能力不仅与采集模块的数字化能力有关，而且与其体系结构有关。目前，虚拟仪器的五种体系结构中，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。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。本文中研究的虚拟示波器即是基于这种体系结构。利用myDAQ的模拟输出功能，实现正弦波、方波、三角波、锯齿波以及任意函数波形的输出；利用myDAQ的模拟输入功能，实现双通道示波器功能，利用Labview内的信号处理函数实现对输入信号的显示，波形文件的存储以及时域，频域分析，滤波等功能。相关参数可程控，可以与其他设备接口构成各种系统。波形文件能保存且回放【8】。2.2 设计方案图 2-1 硬件结构框图基于PC机的数据采集系统（Data Acquisition,DAQ）大致有两种，一种是采用插入PC控制槽中的插卡形式实现数据采集并将数据直接通过PC总线传入计算机内存中；另一种采用远端数据采集硬件完成数据采集，然后通过串行、并行方式或者USB接口将数据传回计算机。本课题采用的是第二种方式，以USB接口传输数据的数据采集系统。整体硬件结构如图2-1所示。示波器及信号发生器的具体功能由Labview2015软件平台实现。在数据采集系统中，软件起着将DAQ硬件和PC转换成一个完整的数据采集、分析和显示系统的功能。软件主要有驱动器软件和应用软件两部分组成【3】：（1）驱动器软件 数据采集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进行操作的软件层，管理着系统的操作以及计算机资源的组合，比如CPU中断、DMA传送、存储器等。驱动软件在保持高性能、提供给用户易于理解的基础的同时，隐藏了复杂、详细的硬件级程序设计。 越来越复杂的DAQ硬件、计算机、软件等实际上提高了驱动程序的重要性和价值。选择好的驱动软件能够缩短DAQ系统的开发时间，提高系统的性能和灵活性。（2）应用软件 对DAQ硬件系统进行程序设计，最常用和最有效的办法就是利用应用软件来增加分析和显示功能，并且提供用户一个友好的人机界面。在驱动软件的基础上，应用软件也就和数据采集的硬件结合在一起了。 图 2-2 功能结构框图虚拟示波器不仅具有传统示波器的功能，还能充分利用计算机强大的数据处理和软件编程对采集到的信号进行处理，如图 2-2所示。其中，数据采集功能：主要是完成数据的采集和控制，包括对待测信号进行信号调理、单/双通道输入和输出、触发控制、时基控制。数据处理主要是对采集到的信号进行滤波、参数测量、频谱分析，还可以现波形存储和导出操作，便于信号的分析和对比。(1) 通道选择，选择信号输出通道号，实现单通道信号显示或双通道同时显示。在本文设计中的通道组合为：CH0、CH1、CH0&CH1 三种。(2) 触发控制，触发的作用是保证扫描信号与被测信号同步，通过设定触发条件，将被测信号不断地与这些条件相比较，只有当被测信号满足这些条件时才启动扫描，使得扫描的频率与被测信号相同或存在整数倍的关系，从而达到同步。触发方式种类繁多，根据不同需要选择不同的触发方式，按照触发源分类，包括内触发、外触发两种；按照实现方式分类，可以分为硬件触发、软件触发；按照触发特征分类，可以分为上升沿触发、下降沿触发、高/低电平触发；按照触发源功能分类，可以分为序列触发、并行触发、直接触发等。本文选择的是软件触发方式，它是通过处理器将触发信号和触发判决条件相比较，决定是否为有效的触发信号，从而开始存储有用的数据，同时在示波器显示窗口将波形锁定。高性能的处理器和大容量的高速缓存是数据采集系统中不可或缺的部分。(3) 时基控制，直接控制波形的扫描率。通过时基旋钮，用户可以调节X 轴的坐标值。幅值是指在一个周期内，交流电瞬时出现的最大绝对值，通过幅值旋钮，用户可以调节 Y 轴的坐标值，从而调节波形显示。(4) 波形显示，对输入信号进行显示和调节，显示过程中，可以手动或者自动调节 X、Y轴，观察和调整输出波形显示情况。本文设计的是双通道示波器，在波形显示上，可以实现当个波形显示，或者两个波形同时显示。 (5) 滤波，被测信号中可能含有大量的噪声，这些噪声可能会带来测量误差滤除噪声信号能够筛选和滤除特定频率信号，提升测量精度。根据滤波器的选频作用，可以分为低通、高通、带通、带阻滤波器。根据冲激响应方式的不同，可以分为 FIR 和 IIR 数字滤波器。(6) 参数测量，主要利用数学方法来计算信号的频率、周期、幅值、相位等参数结果。对于频率的测量，可以使用频率计直接测量、N 倍周期法或者波峰波谷测频法来实现。(7) 频谱分析功能，将时域信号通过一定的方法变换得到频域信号。将信号变换到频域中以后，许多包含其中的有用信息就会显示出来，知道信号的频率成分和幅度有时比仅知道某个时间采样的幅度更有意义。傅里叶变换是数字信号处理最常用的方法之一，它可以高效地将采集卡采集到的时域信号转换为频域信号，进行频谱分析，完成频谱分析和失真度的测量。(8) 数据存储功能可以将采集到的数据按照二进制的文本格式存储在用户指定的计算机存储空间中。(9) 数据导出是将信号从指定的存储空间中按照二进制的文本格式读取并在示波器中显示出来【4】。波形发生器系统总体上主要包含三部分的功能：标准波形生成、任意波形绘制以及输出波形。其中标准波形生成，是利用数学函数公式，产生正弦波、方波、三角波、锯齿波这四种波形。任意波形绘制是通过输入波形数据，通过程序直接生成任意波形，并将生成的波形作为信号源输出给信号采集设备，就完成的波形输出功能【5】。2.3 方案技术可行性分析2.3.1虚拟示波器虚拟示波器的工作原理为模拟信号经同轴电缆进入采集卡的输入通道，经过前置滤波电路、衰减电路、可变增益的放大电路，将信号处理成A/D转换器可以处理的标准电平，经过A/D采样量化转化成计算机可以处理的数字信号并缓存到卡上的存储器。其支持软件通过PC机的接口控制模拟通道的阻抗匹配、放大器的增益选择、启动A/D转换及转换结束的识别，并将采集数据以DMA方式传输到计算机内存，同时对数据信号进行分析处理、显示、存储与回放等。 虚拟示波器的数据采集技术（Data Acquisition）是电子测量仪器的基础，它研究数据的采集、存储、处理以及控制等技术。在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域都存在着数据的测量与控制问题。数据采集技术是虚拟示波器的基础。只有当数据采集部分正确工作时，整个虚拟示波器系统才可能正确工作。因此，数据采集设计的好坏，对虚拟示波器系统非常重要。数字信号Sd只是对模拟信号Sa在一个特定时刻取值的转换结果。我们用Sd描述Sa的一序列离散采样值。采样定理指出，如果信号本身的频带是有限的，而采样率又大于等于信号最高频率的两倍，则理论上可以根据其离散采样值完全恢复出原始信号。这相当于在信号最高频率时，每个周期至少提取两个采样值。实际上，为保证信号质量，选用的采样率经常大于采样定理所指出的最小采样频率，而选用信号最高频率的3倍到4倍。工程上有时候取到10倍。如果采样频率不够高，就会产生“混叠”现象。考虑到数据采集卡的采样率，在本设计中，我们选用实时采样作为数据采集卡的采样方式。 分辨率是指能分辨一个物体不同部分的能力。精度是指与实际或与一个标准的一致性。对于虚拟示波器来说，其分辨率分为水平分辨率和垂直分辨率，精度也分为水平和垂直两种精度，它们都是非常重要的参数。虚拟示波器将模拟信号数字化的过程是利用采样时钟信号控制A/D转换器完成的，并把转换后的数字信号存入存储器中。完成存储后，虚拟示波器能读出这些数据并将采样点按其时间间隔以一定的表达方式显示出来，因此虚拟示波器的水平分辨率是由采样点的时间间隔决定的，因此水平分辨率也称为时间分辨率。采样率越高，水平分辨率就越高。虚拟示波器的垂直分辨率是由A/D转换器的位数决定的，n位的转换器有1/2n的分辨率。本设计采用的数据采集卡的A/D转换器是12位的，其在垂直方向上就可以分辨出4096个数据点，分辨率为1/4096。虚拟示波器的垂直精度首先受A/D转换器精度的限制，一般要比分辨率低。同时它还受放大器的线性度的影响，因此不能通过垂直分辨率来直接计算垂直精度。虚拟示波器的数据采集卡进行采样所需的时钟是由一个具有既定频率的晶体振荡器产生的，它的精度可以高于0.01%，同时数字时钟还具有良好的稳定性，因此采样量值序列有很好的线性度【3】。 虚拟示波器的软件功能由Labview 2015 软件平台的功能模块实现。图形化编程语言实现虚拟示波器的数据采集、波形显示、数字滤波、参数测量、频谱分析、功率谱分析以及数据存储和回放等功能。实验证明,该虚拟示波器可以实现对采样信号的显示、分析、存储等操作并且结果正确可靠。2.3.2信号发生器信号发生器与虚拟示波器采用同样的硬件，软件平台。主要利用数据采集卡的模拟输出功能，技术重点为D/A转换技术。其性能指标与示波器相似。本论文用到的函数发生器部分组成有一下的这些:输出频率控制窗口(包括频率显示单位),频率倍成控制,仪器控制按钮,波形选择,方波占空比调节,频率微调按钮,直流偏置,输出波形幅度控制按钮。频率微调范围:0.1-1kHz:输出波形幅度:0-10V;方波占空比:0-100%;直流偏置:-10-10V【2】。2.4 方案经济可行性分析本设计基于虚拟仪器平台，研发简单便捷，所占用和消耗的人力资源，材料都十分有限，且Labview使用图形化的编程语言，配合详细的帮助文件和演示例程，培养开发人员较为便捷，所以研发成本很低。硬件成本主要在于数据采集，转换装置。对于不同的指标要求，DAQ装置的价格从几百元到几万元不等。本设计采用的myDAQ是一款功能丰富，性能一般的教学用设备。其市场价格约为2500元左右，使用时需配合PC以及Labview软件平台。软件成本在于Labview软件，该系列软件根据功能的不同分为基本版、专业版、完整版三个版本，其售价20000元/年到40000元/年不等。对于高校用户又有不同的定价。经调查，传统数字滤波器根据性能的不同，其价格从几千元到数十万元不等，价格越高，性能越优异。满足本设计指标的示波器价格在1500元左右。虚拟仪器的特点为可以集众多仪器功能于一身，一件设备和一套软件可以开发许多通用的或满足特定需要的仪器。因此，相对于传统仪器开发中的消耗，以及多种仪器购置保养的价格，虚拟仪器的经济性有着显著优势。本设计只利用的Labview虚拟仪器平台的少数功能，而且受硬件平台的限制，其性价比并不显著。但该平台还有海量的资源可以利用，能实现多种功能满足教学，科研，乃至工业生产中的需求。所以放眼长远，该平台依然具有很高的性价比，经济性显然优于传统仪器。不过虚拟仪器在对性能有极高要求的领域依然表现不足，高端示波器，信号发生器的性能指标是虚拟仪器无法达到的，只能使用价格昂贵的传统仪器。2.5 方案对社会、健康、安全、法律、文化以及环境等影响分析示波器是电子信号测量行业最常用仪器之一，主要用来测量并显示被测信号的参数和波形，在科学研究、科学实验及现场检测等许多领域被广泛应用。目前，常用的模拟示波器外型笨重、功能单一，数字示波器虽然有一定的功能扩展，但价格昂贵，而且这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求很高，生产突破有困难。信号发生器也是实验室教学，科研以及电子行业中常用的仪器，其发展水平与示波器相似，外形笨重，价格昂贵。虚拟仪器的出现改变了这一局面，虚拟示波器利用计算机系统强大的数据处理能力，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等的限制，使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级，而且虚拟示波器比传统示波器节约了许多成本，具有很高的性价比。虚拟示波器的研究在实验教学方面也有很大的意义，主要表现在：通用于不同实验室、成本较低；能提高实验效率；参数输入简便，结果显示明确，对仪器不会有任何损坏；实验设备如有更新，只需更新一下软件，可降低高等学校用于实验室建设及实验设备的投资、维护费用【5】。本文介绍虚拟示波器和型号发生器的设计，用图形化编程语言Labview实现虚拟示波器的数据采集、波形显示、数字滤波、参数测量、频谱分析、功率谱分析以及数据存储和回放等功能。实验证明，该虚拟示波器可以实现对采样信号的显示、分析、存储等操作并且结果正确、可靠，功能与传统仪器相当。可见，虚拟仪器的发展一定程度上降低了社会资源的消耗，提高了一般仪器开发的效率，降低了开发门槛，使更多的人都能开发属于自己的测量仪器。这在实验教学中有着很大的意义。虚拟仪器用程序代替传统仪器的电路和器件，也减少了对人体健康以及环境的影响。对于传统示波器，信号发生器的生产厂家要符合国家生产，环保，安全相关的法律法规。其设计，调试也要及行业的相关标准，如：GB/T 15289-2013数字存储示波器通用规范，规定了数字存储示波器的术语和定义、要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等，适用于数字存储示波器；JJG 278-2002 示波器校准规范；SJ/T 9517-1993通用示波器质量分等标准；JJG 173-2003 信号发生器通用标准；JJF 1174-2007 数字信号发生器校准规范等。虚拟仪器不需要生产，其使用的硬件为符合标准，法规的成品组成。对于其设计和校准也没有规范与要求，只能由设计者根据实际应用情况进行调整和测试【11】。传统仪器，其设计人员可以申请专利对其独创性设计进行保护，虚拟仪器也可以对其程序代码申请软件著作权保护，进行商业开发和交易。但是使用Labview软件进行商业开发首先要获得NI公司的正版软件授权。第三章 详细设计3.1 硬件电路设计图 3-1 NI myDAQ设备外观图 3-2 NI myDAQ 接口分布图NI myDAQ是一种使用NI Labview软件仪器的低成本便携式数据采集（DAQ）设备，学生可使用它测量和分析实际信号。NI myDAQ适用于电子设备学习和传感器测量。通过与计算机上的NI Labview配合，学生可分析和处理采集到的信号并随时随地控制简单的进程。NI myDAQ在一个小型USB设备上提供模拟输入（AID、模拟输出（AO）、数字输入和NI myDAQ的电源和模拟I/O子系统由Texas Instruments提供的集成电路构成。图3-3描述了NI myDAQ子系统的布局和功能。输出（DIO）、音频、电源和数字万用表（DMM）功能。图 3-3 NI myDAQ硬件结构框图（1）模拟输入（Al)NI myDAQ有2个模拟输入通道，可配置为通用高阻抗差分电压输入或音频输入。模拟输入为多路复用，即通过一个模数转换器（ADC)对两个通道进行采样。在通用模式下，测量信号范围为土10V。在音频模式下，两个通道分别表示左右立体声通道电平输入。每通道可测量的模拟输入采样高达200kS/s，对于波形采集非常有用。模拟输入可用于NI ELVISmx示波器、动态信号分析仪和Bode分析仪。（2）模拟输出（AO)NI myDAQ有2个模拟输出通道，可配置为通用电压输出或音频输出。两通道均带一个专用数模转换器（DAC），可进行同步更新。在通用模式下，生成信号范围为土10V。在音频模式下，两个通道分别表示左右立体声信号输出。模拟输出每通道更新速率可达200kS/s，对于波形生成非常有用。模拟输出可用于