（计算机应用技术专业论文）一种虚拟多功能数字示波器的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着微电子集成技术和微计算机技术的飞速发展，现代数字存储示波器作为一种 精密电测仪器得到了更快的发展，不仅其功能越来越强、精度越来越高，而且外形越 来越美观。但现有的数字存储示波器价格普遍偏高，使其应用受到一定限制。充分利 用虚拟现实技术研究功能强大、性价比高的虚拟数字示波器，使之更好地满足实际应 用的需求，具有很好的现实意义。 基于l a b v i e w 的虚拟多功能数字示波器，是在认真分析现有数字存储示波器工作 原理的基础上，利用虚拟仪器开发平台l a b v i e w 和数据采集卡设计的一种虚拟仪器。 该项研究采用自项而下的模块化设计方法，利用d a q 技术设计了实时采样模块，根 据时频分析的工作原理以及实现算法设计了时频分析数据处理模块；重点分析了数字 滤波的设计与实现方法，并且通过对数字示波器有关技术的总结分析，设计了波形显 示、波形读写和波形打印等模块；最后利用数据采集卡p c i 一6 0 2 4 e 采集信号发生器的 数据，对其各项功能分别进行了测试和分析，测试结果表明该虚拟多功能数字示波器 达到了相应的技术指标。 该虚拟多功能数字存储示波器具有数字存储示波器、数字万用表、数字频谱仪三 者的功能，不但具有波形数据显示、参数自动测量、相位差测量、波形读写和波形打 印等功能，而且还可以将时域分析和频域分析融入数据处理部分，在测量时完成波形 数据的相关分析、数字滤波和频率响应分析等，从而增强了数字示波器的功能。 关键词：数字存储示波器虚拟现实 数据采集数字滤波 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h e i n t e g r a t e dm i c r o e l e c t r o n i c sa n dm i c r o c o m p u t e rt e c h n i q u e ， t h em o d e r nd i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ，w h i c hi s r e g a r d e da sak i n do fe x a c te l e c t r o n c m e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，i sr a p i d l ye x p a n d i n g i tn o to n l yh a ss t r o n g e rf u n c t i o n sa n dg r e a t e r p r e c i s i o n ，b u ta l s os h o w st h eb e a u t i f u ls h a p e b u tt h ep r i c eo ft h ed s oi sr a t h e rh i g h u n i v e r s a l l y , w h i c hl i m i t st h ea p p l i c a t i o no ft h ed s ow i d e l y t h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a l i n s t r u m e n tm a k e si tp o s s i b l et or e s e a r c ha n de x p l o r et h ec h e a p e rh i g h - p o w e r e dd s o t h e n e wd s oc a l ls u f f i c ef o rt h ea c t u a lr e q u i r e m e n t sg r e a t l y s oi ti sv e r y p r a c t i c a la n dm e a n i n g t or e s e a r c ht h ev i r t u a lm u l t i f u n c t i o n sd s o t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo f t h ee x i s t i n gd s o i sa n a l y z e de a r n e s t l y o nt h i sc o n d i t i o n ，t h e v i r t u a lm u l t i f u n c t i o n sd s ob a s e do nt h el a b v i e wi sr e a l i z e db ym a k i n gg r e a tu s eo ft h e e x p l o r ef l a tl a b v i e wo fv i r t u a li n s t r u m e n ta n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d t h em o d u l a r i z m i o n m e t h o d sf r o mt o pt ob o t t o ma r ea d o p t e di nt h i sr e s e a r c h t h er e a l t i m es a m p l i n gm o d u l ei s d e s i g n e db yt h ea n a l y s i so ft h ed a qt e c h n i q u e b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h et i m e a n df r e q u e n c ya n a l y s i sa n da r i t h m e t i c ，t h et i m em o d u l ea n d f r e q u e n c ym o d u l ea r ed e s i g n e d i nt h ec o u r s e ，d i g i t a lf i l t e ri st h ee m p h a s e st ob er e s e a r c h e da n dr e a l i z e d a f t e rt h e c o r r e l a t i v et e c h n i q u eo fd s oi ss u m m a r i z e da n da n a l y z e d ，t h ed e t a i l e dd e s i g n so ft h eo t h e r m o d u l e ss u c ha sw a v e f o r md i s p l a y , w a v e f o r ms a v ea n dr e a d ，w a v e f o l l t ip r i n t ，e t ca r e o p e n e do u t f i n a l l y , t h ea l lf u n c t i o n so ft h ev i r t u a lm u l t i f u n c t i o n sd s oa r et e s t e da n d a n a l y z e dw i t ht h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dp c i 一6 0 2 4 e t h et e s t i n gr e s u l t sp r o v et h a tt h ev i r t u a l m u l t i f u n c t i o n sd s oa t t a i n st h er e l e v a n tt e c h n i c a lt a r g e t t h ev i r t u a lm u l t i f u n c t i o n sd s oh a st h ea l lo ff u n c t i o n sa c h i e v e di nt h ed s o ，d i g i t a l m u l t i m e t e ra n dd i g i t a ls t r o b o s c o p e i tn o to n l yp r o v i d e st h ef u n c t i o n ss u c ha sw a v e f o r m d a t ad i s p l a y , p a r a m e t e r sm e a s u r ea u t o m a t i c l y , p h a s ee r r o rm e a s u r e ，w a v e f o r ms a v ea n dr e a d ， w a v e f o r mp r i n tf r e e l y , e t c ，b u ta l s op u t st h et i m ea n df r e q u e n c yf i e l da n a l y s i si n t oi t sd a t a p r o c e s s i n gm o d u l e i nt h ec o u r s eo ft h em e a s u r e m e n t ，i tc a nc o m p l e t et h ef u n c t i o n ss u c ha s c o r r e l a t i o na n a l y s i s ，d i g i t a lf i l t e r , f r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i s ，e t c a sar e s u l t ，t h ef u n c t i o n s o f t h ed s oa r es t r e n g t h e n e d k e yw o r d s ：d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e v i r t u a lr e a l i t yd a t a a c q u i s i t i o n d i g i t a lf i l t e r i i 独创性声明 小人声f 明所呈交的学位沦文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 存文；一p 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名；声暾：镧 日期：加年，d 月2 7e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全，解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保翩并向嘲家有关部门或机构送交论文的复印件和电子舨，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，叫以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论义属j i 不保密回。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论义作存签名：磊舅 橱 日期：o 即j 年l o c i 7e t 指导教师签名_ 万枞 日期：弘彩一年，。月矽 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 随着大规模集成电路技术、信号分析与处理技术、计算机技术和网络技术的迅速 发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、方法、领域以及新的仪器 结构不断出现，在许多方面已经冲破传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发 生了质的变化【m 】。而新的测试技术的发展则为电子测量提供了越来越强有力的技术手 段和越来越宽广的应用前景。现代电子测量仪器发展的最重要的特点是微处理器或微 型计算机的广泛应用。它们以微型计算机的软件和硬件为核心，对传统仪器进行重新 设计，仪器测量部分和微型计算机部分相互融合，实现智能化控制，向多功能发展。 示波器就是该领域中最常见、应用最广泛的几种测量仪器之一。示波器是以短暂扫迹 的形式显示一个量的瞬时值的仪器，也是一种测量、观察、记录的仪器。可以直观表 示二维、三维及多维变量之间的瞬态或稳态函数关系、逻辑关系，以及实现对某些物 理量的变换或存储。伴随数字技术的发展，数字示波器展现了更强大的功能：智能捕 获、参数分析、时频等变换处理、超大规模数据波形存储以及数据上9 嚼共享等功能a 示波器作为一种直观、通用、精密的测量工具，广泛地应用于工农业生产、科研、军 事、教育各个领域中，进行对电量和许多非电量的测试、分析、监视。 1 1 数字存储示波器及其特点 传统的模拟示波器把需观测的两个电信号加至示波管的x 、y 通道以控制电子柬的 偏移，从而获得荧光屏上关于这两个电信号关系的显示波形。显然，这种模拟示波器 体积大、重量重、成本高、价格贵，并且不太适合用于对非周期的、单次信号的测量。 数字存储示波器( d i g i t a ls t o r a g eo s c m o s c o p e 简称d s o l 6 】) 是将输入被测连续模拟信 号用a d 转换器变换成离散数字信号并存储于存储器中。转换完成一批数据后通过光 栅扫描将数字信息经过变换显示在l c d 上。数字存储示波器既适用于重复信号的检测， 也适用于单次瞬态信号的测量。与记忆示波器相比，数字存储示波器具有存储时间长， 能捕捉触发点前的信号，可通过接口将数据共享等特点。正是由于数字存储示波器引 华中科技大学硕士学位论文 入数字处理技术，并与计算机一起构成更大的测控系统，使其对于复杂的单次瞬变信 号的记录存储及分析研究非常有效，在各行各业( 包括电子、机械、纺织、水力以及军 事应用领域等) 都有着广阔的发展天地。 所谓数字存储，就是在示波器中以数字编码的形式来贮存信号。在信号到达l c d 的偏转电路之前，示波器将按一定的时间间隔对信号电压进行采样，然后用一个模数 变换器( a d c ) 对这些瞬时值或采样值进行变换从而生成代表每一个采样电压的二进 制字，这个过程称为数字化。接着将获得的二进制数值贮存在存储器中。对输入信号 进行采样的速度称为采样速率，采样速率由采样时钟控制。对于一般使用情况来说， 采样速率的范围可从2 0 m s s 到2 0 0 m s s | 【6 j 。 数字存储示波器( d s o ) 基于取样原理，利用a d 转换技术和数字存储技术，能迅速 捕捉瞬变信号并长期保存。它首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据并存 储，存储器中贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形；它然后利用数字信号 处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需的各种信号参数 ( 包括可能需要使用万用表测试的一些元器件电气参数) 。最后，它根据得到的信号参 数绘制信号波形，并可对被测信号进行实时的、瞬态的分析，以方便用户了解信号质 量，快速准确地进行故障的诊断。 数字存储示波器克服了传统模拟示波器无法完成对单次信号和低熏复频率信号进 行测试的缺点，同时它还具有如下的特点【6 】： 1 可以显示大量的预触发信息。 2 可以长期贮存波形。 3 波形信息可用数学进行处理：如平均、迭加、信号的相关处理、频谱分析、f f t 分析等。 4 可以进行全自动的参数测量：使用模拟示波器时，用户只能进行手动测量，例 如对屏幕上显示的波形曲线进行解释分析、在屏幕上计算格数以求出波形幅度和时间 间隔。而使用d s o 时，只要示波器已经采集了信号波形，就获得了所有的波形信息数 据，根据这些数据就能自动计算出要测量的参数，得到更加准确可靠的结果，整个过 程极为迅速简便。 2 华中科技大学硕士学位论文 5 可以采用多种触发方式：d s o 的存贮功能使它成为捕捉十分罕见、甚至于只发 生一次的信号，例如单次事件的极为有用的工具。为捕捉这些信号就要求示波器具有 各种各样的触发方式去探测这些特殊的条件，以便启动波形采集。为实现这一目的， 只有边缘触发方式往往是不够的，为此又开发了若干附加的触发能力，如状态触发、 毛刺触发、时间限定触发等等。 1 2 数字存储示波器的分类 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，即取样。从连续 模拟被测信号中离散( 时间上) 地取样转换成数字数据作为“样品”，用来表达原信号的部 分特性或全部特性。保证转换的数字数据与被测信号的关系是线性的；取样时可以一 个被测信号周期内取许多点或者多个被测信号周期内采集一个点；取样间隔可以相等， 也可以不等。取样方式大致有两种：实时取样、非实时取样。 实时取样：取样脉冲频率高于信号频率，在信号的一个周期内采集多次被测信号 的瞬时值，用其包络反映原波形。为了比较真实地再现被测信号原貌，实时取样时， 一个被测信号周期内要求取样点数n 大于或等于5 ，当n = 10 时，波形完全再现信号；当 n = 5 时，波形微显失真；当n = 3 时，波形呈明显失真。 非实时取样又分为顺序取样和随机取样。非实时顺序取样：一个或多个被测信号周 期内取样一次，取样信号每次延迟t + n t ( t 为被测信号的周期，n 等于1 ，2 ，3 ) ， 取样后的离散数字信号构成的包络反映原信号的波形情况，但这个包络的周期与原信 号的周期相 比低得多，相当于将被测信号在时间轴拉伸了。非实时随机取样：一个或多个被 测信号周期内取样一次，但每次取样相对于原信号不是固定a t + nt 时间，而具有一定 的随机性( 相对于被测信号某一固定相位一参考点) ，以取样时刻相对于参考点的a t 时 间段为“尺度”在时间轴排序取样点，由此形成的包络再现了被测信号的信息。 根据取样的方法不同，数字示波器可以分为实时取样数字存储示波器、随机取样 数字存储示波器、顺序取样数字存储示波器。以上三种示波器各有优缺点，实时取样 示波器可以观测非周期信号，非实时取样示波器可以比较容易地做到观测高频信号的 3 华中科技大学硕士学位论文 能力。 数字存储示波器用实时取样方式观察重复信号时，由于触发信号与取样时钟是不 同步的，它们之间无固定的时间关系，故触发信号与其后第一个取样时钟间的时间间 隔是随机的，其值在o n t 个取样周期内变化。所以在观察重复信号时，波形晃动与一 个被测信号周期中的取样点数成反比，随着被测信号频率增高，晃动变大。 在随机取样方式工作时，每个捕获周期取得一组取样数据。第一个捕获周期获得 一组取样数据，第二个捕获周期又获得一组取样数据，依次类推，第n 个获取周期又 获得一组数据。每组数据内相邻两个取样点的时间间隔是固定的( 采样周期) ，而各组 数据头一个取样点相对于触发信号是随机的。利用该随机时间间隔a t 依次在时间轴上 排序各组捕获数据，从而重现被测信号波形。 1 3 数字存储示波器工作原理 数字存储示波器有实时取样和非实时取样两种。这里介绍属于实时取样的数字存 储示波器吼图1 。1 为其组成原理图。 图1 1 数字存储示波器原理图 数字存储示波器包括取样通道、x 通道、y 通道、c r t ，微型计算机、g p l b 等部分。 在微型计算机的控制下完成取样、存储、读出、显示和程控等任务。控制部分i 拍c p u 、 r o m 、ra m 等组成。c p u 控制所有的i ol z i 、r a m 的读，写操作，以及地址总线和数 4 华中科技大学硕士学位论文 据总线的使用。在r o m 内固化( 写入) 有仪器的监控程序。g p i b 是通用接口总线，通过 它可以程控数字存储示波器的工作状态，实现内部存储器与外部设备交换数据的功能。 图中触发电路、控制电路等部分决定了模拟信号的取样、存储和读出。输入信号u ；经 取样和a d 转换后写入r a m 中，在显示时，从存储器( r a m ) q b 读出数据，经d a 转换 器恢复成模拟信号( 阶梯波) ，并送到c r t 的垂直偏转板；同时对存储器进行地址扫描， 经d a 变换成上升的扫描电压，以便供显示波形时使用，这个波形是由连续光点合成 的。其中，x 通道在写入阶段用于控制取样脉冲的形成。它也可以只用于在显示阶段 提供x 通道扫描电压，由微计算机直接提供取样的控制信号。为了同步并显示稳定的 信号，每次时基扫描都是由一个触发事件启动的。 数字存储示波器的工作原理主要包括取样原理、时基设置、触发机制、波形插值 处理、工作模式等。 1 4 数字存储示波器的研究现状与发展 随着微电子集成技术、微计算机技术、数字技术的飞速发展，现代数字化存储示 波器的研究与开发也有了更快的发展，是近年发展最快的仪器。现代数字示波器展现 了更强大的智能捕获、参数分析、时频变换、超大规模数据波形存储和数据上网共享 等功能m 。各大公司( 如h p ，t e k 等) 相继投入巨资来研究开发该类仪器以图率先占领此 技术领域。 数字存储示波器的发展依赖于新的数据采样技术的发展。实时采样技术由一般数 字电路构成的a d 变换器发展到使用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 技术变换速率大大 提高。与此同时，非实时采样技术也逐步得到发展。近来，有两种重复取样技术：顺 序取样( s e q u e n t i a ls a m p l i n g ) 和随机取样( r a n d o ms a m p l i n g ) 获得广泛应用。非实时采样 技术对观测和存储重复性的周期信号是极为有利的，可大大提高其频带宽度。美国t e k 公司的2 4 3 0 型数宁存储示渡器，采用“实时取样”和“顺序取样”相结合的方法，达到 1 5 0 m h z 的带宽和1 0 0 m s a s 的采样速度。p h i l i p s 公司研制出新型的p 4 c c d ( 电荷祸合器 件) ，提高了变换速率，可存储3 0 m h z 的单次瞬变信号( p m 3 3 1 1 型) 。h p 公司的5 4 1 0 0 型 采用了“随机取样”技术，使有效带宽达j ! l j l g h z 。 华中科技大学硕士学位论文 上世纪9 0 年代以来，基于实时取样量化技术的高速瞬态存储示波器的研制与生产 得到飞速的发展，各大公司不断推出采样率高、宽带的产品。例如：t e k 公司的 t d s 6 8 0 b 6 8 4 b 数字示波器，数字化率达5 g s a s ，带宽1 g h z ，量化分辨率8 b i t ，h p 公 司的h p s 4 7 2 2 a 数字示波器数字化速率高达8 g s a s ，带宽2 g h z ，量化分辨率8 b i t 。t e k 公司推出的t d s 7 8 4 数字示波器能同时在4 个通道上实现数字化速率1 0 g s a s ，带宽 1 g h z 。同时，便携式测试仪器也取得了飞速发展。其中，万用示波表获得了示波器技 术的一个突破。通过大规模集成电路技术和使用液晶显示器，f l u k e 公司的万用示波 表把一个全功能的2 通道5 0 m h z 数字存储示波器和一个数字万用表组合在一个重量只 有1 8 k g 的手持式体内。 近十年来，国内数字存储示波器技术研究及发展也取得了相当的成果。数字存储 示波器采用微处理器进行测量和数据处理及波形分析，其精度和处理速度大大提高【8 】。 电子科技大学进行的“八五”预研项目实时数字化速率可达1 g s a s ，采集存储速率已达 o 5 g s a s 。t c 九五”的研究与开发使数字存储示波器数字化速率高达2 g s a s ，打破国外 在高速数字化存储示波器技术上的垄断，为我国电子仪器与测试的发展开创了新的技 术领域，为国防军用领域高新技术的研究与开发提供现代化的检测、分析、处理的强 有力工具。 但是，对于实际千差万别的测量系统来说，这类示波器仪表功能固定，可扩展性 差，加之价格比较昂贵，因此应用的深度和广度也受到一定的限制。虚拟仪器技术【9 4 l 】 的出现使得软件实现数字示波器成为现实。虚拟示波器具有人机交互的虚拟仪器面板 和计算机测试系统，由微型计算机 c ) 机、模块化功能硬件( 主要是数据采集卡) 和控制 软件等组成。操作者可以通过计算机屏幕显示的虚拟示波器面板，来控制检测系统工 作，实现被测信号的采集、分析处理和图形显示、打印输出等功能，并可以根据需要 做成网络化仪器，实现远程测量和数据传输等。国内在虚拟示波器方面也进行了大量 的研究，其主要集中在对现有传统模拟示波器或者数字示波器用虚拟仪器来得以实现。 但普遍的虚拟示波器本身的功能并没有得到太多的改进。 1 5 虚拟仪器技术 6 华中科技大学硕士学位论文 7 0 年代后期以来，随着微处理器的出现及其在各行各业的广泛应用，给仪器仪表 领域也带来了一场技术革命，自动沏试系统迅猛发展到如今，测量仪器的发展大致可 以分为四个阶段：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。 1 5 1 虚拟仪器的概念与分类 虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术中重要的组成部分，它们被称 为2 1 世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术包括虚拟加工、虚拟测试、虚拟控制 及各种虚拟环境模拟。虚拟仪器 1 2 - ”j 是虚拟技术的一个重要组成部分，它主要是以计 算机为核心，通过最大限度地利用计算机系统的软、硬件资源，使计算机在仪器中不 但能像在传统程控化仪器中那样完成过程控制、数据运算和处理工作，而且可以用强 有力的软件去代替传统仪器的某些硬件功能，直接产生出激励信号或实现所需要的各 项测试功能。虚拟仪器基于计算机的软硬件测试平台，它由计算机，应用软件和仪器 硬件组成。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势， 因而常被称作“软件仪器”。 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：p c 总 线插卡型虚拟仪器、并行口式虚拟仪器、g p i b 总线方式的虚拟仪器、v x i 总线方式虚 拟仪器和p x i 总线方式虚拟仪器。 i 5 2 虚拟仪器的组成与特点 虚拟仪器系统总体上由硬件和软件两部分构成，采用模块化结构，见图1 2 所示。 堕雪 里 ! 输入式数据采集板 数字信号处理网络 g p i b 仪器 数字滤波 硬拷贝输出 v x i 仪器 统计 文件i o r s 2 3 2 仪器 数字分析图形用户接口 图1 2 虚拟仪器的组成 7 华中科技大学硕士学位论文 虚拟仪器是将计算机与测试系统融合在一起，用计算机软件代替传统仪器某些硬 件功能并具有测试面板的测量仪器，虚拟仪器的“虚拟”主要有两方面含义：第一，虚 拟仪器的面板是虚拟的：虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器 件”所完成的功能是相同的：由各种开关、按扭、显示器等图标实现仪器电源的“通”、 “断”，被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置和测量结果的“数值显示”、“波 形显示”等。第二，虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的：虚 拟仪器是在以p c 为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器功能的， 可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能。 虚拟仪器技术走的是一条标准化、开放性、多厂商的技术路线，经过多年的发展， 正沿着总线与驱动程序的标准化、软硬件的模块化、硬件模块的即插即用( p l u g & p l a y ) 化和编程平台的图形化等方向发展。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能及技术 性能方面具有灵活性和经济性，因而特别适应于现代科学技术迅速发展和科学研究不 断深化所提出的更高、更新的测量课题和测量需求 1 6 - 1 9 】。虚拟仪器具有研制开发周期 短、成本低、性能高以及构建新系统的效率高等特点，而且便于实现网络化 2 0 - 2 6 1 。 1 5 3 虚拟仪器开发平台 虚拟多功能数字示波器是利用l a b v l e w 开发设计平台进行软件设计，实现信号 采集、处理和数据的显示、打印等。 1 l a b v i e w 软件概述与特点 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了很多虚拟仪器开发平台软件，如n i 公司 的l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 开发软件、美国h p 公司的h p v e e 和h p t i g 软件 平台、美国t e k t r o n i x 公司的e z t e s t 和t e k t n s 软件等，其中最具代表性的是n i 公 司的l a b v l e w 。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是美n n i 公司推 出的一种基于g 语言( g r a p h i c s l a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具 2 7 2 引。它是用图标代码代替编程语言创建应用程序的开发工具，使用数据流编程方法 来描述程序的执行，用图标和连线代替文本的形式编写程序，即l a b v i e w 编程是“组 合”图形和线条，而非“写”程序文本 2 9 1 。用l a b v i e w 设计的虚拟仪器可以脱离l a b v i e w 8 华中科技大学硕士学位论文 开发环境，用户最终看见的是和实际硬件相似的操作面板。l a b v i e w 是一个图形化的 开发环境，带有大量的内置功能，能够完成仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和 数据显示等任务3 0 】。l a b v l e w 能与测量硬件无缝连接，l a b v i e w 应用程序可将程序速 度提高到与编译c 语言程序相当的程度。l a b v i e w 针对一些应用提供了专门功能，如 仿真、测量、控制和自动化应用等 3 l 】。 所有的l a b v i e w 程序都被称为虚拟仪器( v i ) 【3 2 1 ，因为程序的外观和操作方式都与 诸如示波器、万用表等实际仪器类似。l a b v i e w 包括齐全的用于数据采集、分析、显 示、存储数据、调试代码的工具。在l a b v i e w 中，利用控制件和显示件建立用户界面， 即前面板。控制件包括旋钮、按钮等输入控件，显示件包括图表、l e d 等显示器件。 在完成用户界面的创建后，通过v i $ 1 结构添加代码来控制前面板上的对象。这些程序 代码就构成了程序框图。利用l a b v l e w 可以和诸如数据采集设备、图像设备、运动控 制设备等硬件进行通信，也可以和g p i b 、p x i 、v x i 、r s 2 3 2 、r s - 4 8 5 仪器通信 3 3 , 3 4 1 。 l a b v i e w 是一种多用于科学计算、过程控制、测试及度量领域的图形编程环境， 它作为虚拟仪器应用程序的开发平台，避免了复杂、烦琐、费时的文本式编程，而代 之以图形化的软件设计方法。它具有以下特点： ( 1 ) 具有图形化的编程方式，用户无需写任何文本格式代码，是真正的工程师 语言： ( 2 ) 提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数； ( 3 ) 提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步执行；同时提供独具特色的 执行工具，使程序能够动画式运行，方便程序的调试和开发； ( 4 ) 3 2 位编译器编译生成3 2 位的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量 方案的高速执行； ( 5 ) 囊括了p c i , g p i b 、p x i 、v x i 、r s 2 3 2 4 8 5 、u s b 等各种仪器通信总线标 准的所有功能函数，方便用户驱动不同总线标准的接口设备和仪器； ( 6 ) 提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，如d l l 、d d e 、a c t i v e x 等； ( 7 ) 具有强大的网络功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开 发。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 l a b v i e w 软件组成和使用 l a b v i e w 的基本程序单位是一个虚拟仪器程序( v i s ) 3 5 , 3 6 ，v i s 包括三个部分：前 面板( f r o n tp a n e l ) ，程序框图( b l o c kd i a g r a m ) 和图标连接口( 1 e o n c o n n e c t o r ) 。 l a b v i e w 的图形化程序设计是基于面向对象技术和面向数据流技术而发展起来的。数 据流程序表示只有在所有输入对象都有效时，一个对象才开始执行，同样，只有当对 象的功能完成以后，对象输出才有效，即对象间的数据流控制着执行顺序。执行顺序 不局限于来自文本式程序设计的线性顺序，用户能够通过连接功能模块来快速开发自 己的应用程序，甚至能够使用多路数据通道，实现同步操作。l a b v i e w 的设计使用主 要包括方案的建立、前面板的建立、框图程序的构建、数据流的编程、模块化和多层 结构的设计以及图形编辑等。 1 6 课题背景及意义 计算机网络技术、总线技术和数据库技术的发展以及i n t e m e t 网的发展开拓了虚拟 仪器测试系统的应用范畴。计算机网络技术与虚拟仪器技术的发展与结合，是虚拟仪 器在测试自动化、远程教学得以发展和应用。 在总体上看。数字存储示波器的研究开发在国内尚属于起步阶段，数字存储示波 器的市场几乎全部由国外占领。很多虚拟仪器实验室都是直接购买现成的虚拟仪器实 验产品来建设实验室。由于厂家不会向用户提供全面开放的软件平台，也不会向用户 提交关键技术，用户很难在现有基础上作二次开发，不利于实验更新。虚拟仪器实验 室的建设使得这种问题得以解决。目前应用虚拟仪器来进行实验教学己实际启动，一 些发达国家的高等学校己将虚拟仪器作为常规的实验仪器在学生实验中应用，我国也 已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，虚拟仪器实验室正逐步补充和取代传统 实验室。在国内，大学里做实验的人数增多以及社会对现代测试要求的提高，使得大 学里利用现有仪器设备做实验的成本飞速增长，i n t e m e t 技术构建的分布式虚拟测试可 使不同位置的学习者同时迸行实验，可用软件仿真来模拟已存在和使用的设备，可使 学生在i n t e m e t 上学习仪器的控制和操作，使学生在实验过程中将主要精力放在实验数 据的分析、实验结果的讨论、测试方案的多种比较、测试方法的多种利用上，而不是 1 0 华中科技大学硕士学位论文 实验测试设备的搭建上，这样可使学生学到更多的知识。 本文的课题正是来源于此， 课题的目标是设计一个性能较强，并具有一定通用性的虚拟仪器测试平台。而示波器 和信号源是实验中经常使用的仪器。 在另一方面，虽然在国内虚拟示波器的研究进入了一个新的阶段。但从总体上看， 现有大多数设计的虚拟示波器功能不够强大，在数据处理上也显得不足【3 7 郴 。研究更 实用的智能型虚拟数字示波器显得极其重要，因此，为了提高虚拟示波器在数据处理 方面的能力以及增强虚拟示波器的功能，本文提出了基于l a b v i e w 的虚拟多功能数字 存储示波器的研究课题。 本论文研究的虚拟多功能数字存储示波器是一种新型智能数字示波器，集成了数 字存储示波器、数字万用表、数字频率计三者的功能，是电子测量领域里一类新型、 实用型仪器。它具有极高的技术含量、很强的实用性和巨大的市场潜力，也代表了当 代电子测量仪器的一种发展趋势。它作为网络虚拟实验室1 4 1 的一部分，综合利用了当 今先进的虚拟仪器技术、计算机软件技术和数字集成电路技术，以达到软件共享、仪 器共享和远程控制的目的。因而对于虚拟多功能数字示波器的研究，有着较大的科研 意义和现实意义。 1 7 主要研究内容 本文设计的虚拟多功能数字示波表将具有数字存储示波器、数字万用表、数字频 率计三者的功能，是一个功能强大的电子测试仪器。将主要运用l a b v i e w 7 0 开发平 台，结合先进的数据采集技术、时频分析方法以及数字滤波技术等来完成虚拟多功能 数字示波器的设计与实现，设计的虚拟示波器将实现波形显示，自动参数测量与显示， 波形的存储和读取，相位差的自动计算和显示，还有波形的打印等功能。虚拟数字示 波器中还将融入了时域分析和频域分析功能，可以用来对被测信号进行相关的分析， 在进行测量时可以完成被测信号的波形显示、数字滤波和频率响应分析等。其主要研 究内容为： 1 根据虚拟多功能数字示波器的设计目标和性能指标来确定虚拟示波器的系统构 造。将详细分析虚拟示波器的硬件组成和软件结构以及软件主流程。 华中科技大学硕士学位论文 2 通过d a q 技术和l a b v i e w 平台来设计数据采集模块，从而实现数据的采样 过程。将分析与设计数字示波器的预触发、多通道的选择和设置以及信号采集的具体 实现。 3 提出了将时域分析和频域分析应用到虚拟数字示波器中的数据处理方法。本文 将详细阐述时域和频域的分析与设计。在频域分析时，提出了将数字滤波技术应用到 了虚拟示波器中的方法，在分析和探讨数字滤波算法的基础上，将重点设计i i r 和f i r 两种数字滤波器来满足不同情况下对数据处理的需要。 4 将详细阐述虚拟多功能数字示波器的其它模块的设计过程，主要包括友好界面、 主程序模块、自动手动转换扫描率、显示模块、测量模块、相位计算模块、打印模块 以及读写模块的设计。其中在逻辑分析方面，多通道可同时实现显示、垂直和水平任 意缩放；在波形存储方面，可实现无限的波形存储能力。 5 通过数据采集卡采集信号发生器的模拟输入信号来获得采样数据，应用这些采 样数据对虚拟示波器的各个功能模块进行了测试，并给出测验结果。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 虚拟多功能数字示波器的整体设计 虚拟多功能示波器作为一个电子测量系统，主要由数据采集部分、数据处理部分 以及波形显示和存储等部分构成。数据采集将完成信号的输入以及获取，数据处理则 主要完成对信号的时域和频域的分析过程，其他部分完成波形显示和存储等其他功能。 因此在本章中，首先根据各组成部分以及关联确定了虚拟示波器的整体系统构造，接 着详细分析了虚拟示波器的硬件组成和软件结构以及软件主流程。最后并给出了设计 的相关要求与技术指标。 2 1 虚拟示波器的系统构造 图2 1 所示为虚拟数字示波器的整体组成结构图。该示波器主要是由数据采集 d a q ( d a t a a c q u i s i t i o n ) 、接口总线、硬件驱动程序和虚拟数字示波器软件构成。 接口总线 图2 1 虚拟数字示波器结构图 信号检测电路是信号调理辅助电路，接收传感器传送过来的物理信号，并从混合 信号中提取出待测的微弱信号，输出的多路信号是已经放大滤波和电平变换后的标准 信号，送入数据采集卡板( 由硬件驱动程序驱动工作) ，通过系统总线送进计算机进行 处理。 数据采集借助软件来控制整个d a q 系统，包括采集原始数据、分析数据等。经 检测电路调理后的信号经多路转换开关在软件设定采样频率的控制下，巡回采集并由 华中科技大学硕士学位论文 可编程放大器放大，信号经采样保持和a d c ( a d 转换) 单元被量化成数字信号，经存 储单元进入微机的显示缓冲区，最后由图形设备接口a p i 函数将数据转化成相应的象 素并在屏幕上显示出波形。在使用d a q 卡之前必须对d a q 卡的硬件进行配置，这些 控制程序用到了相应的低层d a q 驱动程序。 2 2 虚拟示波器的硬件组成 基于p c 机的虚拟示波器的构成如图2 2 所示。它由信号调理、d a q 模板、p c 机和支持软件等几个部分组成。 c h 0 c h l o f , 2 c h l 5 d a q 模板 总线链前器 情 1 ，o 一， j 厂l 0 刮谯型帆j 峙 ，( ，k l 1 i i 唑 叶_ 叫竺竺l 一o i 调 理 m u x 扫搐控射 i 跏转换电器l v o 厦存储控韫逆辑1 支持软仆 6 + 1 2 v v 图2 2 基于p c 机的虚拟不波器的组成 信号调理它用于对传感器或敏感元件产生的模拟信号进行预处理，主要包括防护 和静态信号的适配以及动态信号的滤波【4 “。防护( 隔离) ：逻辑电路的输入端易因偶然 接入的高电压或高电流而受损伤，所以必须加以防护。静态信号的适配：这种适配的 作用是将终端所取得的电信号变换成标准的电平，信号的适配是通过对终端信号的放 大或衰减来实现的。动态信号的滤波：滤波能改善所处理信号的频谱，这种方法的重 点是在避免信号混淆与失真的前提下，使信号的频率成分得到转换。 d a q 模板d a q 卡由数据采集器、存储单元和控制逻辑等部分组成。其中，数据 采集器包括多路开关m u x 、测量放大器a m p 、保持器和a d c 等，它负责将多个现 场模拟信号经过采样后量化成数字信号，以便送入计算机分析处理。d a q 卡的存储单 1 4 华中科技大学硕士学位论文 元有存储器或数据缓冲器。存储器按先进先出或循环刷新的原则暂存采集数据，存储 容量达1 k x l 6 位；数据缓冲器( 1 2 位或1 6 位) 寄存通过a d 转换出来的即时数据。i o 及存储控制逻辑用于i o 编码、定时计数、通信及产生数据传输方式控制信号等。 n i 测量设备和应用软件是与n i d a q 驱动软件集成在一起来编程实现测量设备 的全部功能，比如配置、采集、从n i 测量设备生成数据和发送数据到n i 测量设备。虚 拟多功能数字示波器是通过n i 公司的数据采集卡p c i 6 0 2 4 e 及其输入输出接口器件 b n c 2 1 2 0 来完成对被测信号的采集和数字化h 3 。5 2 1 。 2 2 1p c i - 6 0 2 4 e 数据采集卡 n i 公司的e 系列的p c i - - 6 0 2 4 e 数据采集卡是一块性价比较好的产品，支持d m a 方式和双缓冲区模式，保证了实时信号不问断采集与存储。同时，n i 公司还提供了完 善的设置数据采集卡的软件m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o n ，该软件是连接数据采集卡硬 件和计算机的。数据采集卡设置软件提供了简单的设置界面和很强大的a p i 接口。 p c i 一6 0 2 4 e 是n i 公司推出的一款多功能数据采集卡，它采用e 系列技术，能够在 较大应用