【毕业学位论文】一种虚拟多功能数字示波器的设计与实现-算机应用技术

分类号学校代码!Q2学号2鲤塑鳇l螋!l 密级辜卞斜旅大署硕士学位论文一种虚拟多功能数字示波器的设计与实现学位申请人：唐黔湘学科专业：计算机应用技术指导教师：欧阳星明教授答辩日期：20051 o29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项研究采用自项而下的模块化设计方法，利用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is as a of is t ut of SO is of SO he it to o it is he SO is n SO on is by of he to in he by of AQ on of n is to be SO is of as of SO he SO he SO of in SO，t as n of an s a SO 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，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。本论义属请在以上方框内打“4”)学位论义作存签名：磊舅橱日期： 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。11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、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(是将输入被测连续模拟信号用A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(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20MSs|【6J。数字存储示波器(于取样原理，利用A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、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：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。12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=1 0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+为被测信号的周期，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 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而重现被测信号波形。13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11数字存储示波器原理图数字存储示波器包括取样通道、通道、型计算机、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 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。在入)有仪器的监控程序。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显示时，从存储器(D梯波)，并送到时对存储器进行地址扫描，经D便供显示波形时使用，这个波形是由连续光点合成的。其中，也可以只用于在显示阶段提供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。14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(随机取样(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。美国用“实时取样”和“顺序取样”相结合的方法，达到150荷祸合器件)，提高了变换速率，可存储30机取样”技术，使有效带宽达j!中科技大学硕士学位论文上世纪90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：84字化率达5，带宽1化分辨率8s，带宽2化分辨率8，带宽1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，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，采集存储速率已达O5。研究与开发使数字存储示波器数字化速率高达2，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【94l】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。15虚拟仪器技术6华中科技大学硕士学位论文70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。151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21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12-”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：行口式虚拟仪器、52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12所示。堕雪里!输入式数据采集板 数字信号处理 网络字滤波 硬拷贝输出计 文件I32仪器 数字分析 图形用户接口图12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(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16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2053虚拟仪器开发平台虚拟多功能数字示波器是利用现信号采集、处理和数据的显示、打印等。1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，如国国中最具代表性的是美形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具272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，即合”图形和线条，而非“写”程序文本291。用户最终看见的是和实际硬件相似的操作面板。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30】。仿真、测量、控制和自动化应用等3l】。所有的321，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。析、显示、存储数据、调试代码的工具。在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、完成用户界面的创建后，通过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。利用像设备、运动控制设备等硬件进行通信，也可以和S232、3,341。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)32位编译器编译生成32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S232485、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235,36，面板(程序框图(图标连接口(1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。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。16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，用软件仿真来模拟已存在和使用的设备，可使学生在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10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【37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141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。17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。12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。21虚拟示波器的系统构造图21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21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使用些控制程序用到了相应的低层2虚拟示波器的硬件组成基于所示。它由信号调理、线 链前器情 1，J 厂谯型帆，(，_叫竺竺l一o 跏转换电器持软仆6+12V 基于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。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量放大器持器和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。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据缓冲器(12位或16位)寄存通过A编码、定时计数、通信及产生数据传输方式控制信号等。如配置、采集、从拟多功能数字示波器是通过024120来完成对被测信号的采集和数字化21。221 持证了实时信号不问断采集与存储。同时，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采用够在较大应用范围内带来高的运行效能和稳定的数据采集能力。023E、024E、025们的输入输出通道参数基本上是一致的，表21列出了三种数据采集卡的输入输出通道参数。表21 023E、024E、025 023E I 60256 6 6 魑 ：撼 ：怒输入范围 士005o05士10V 土o05士10 2 2模拟输出 落嚣 二 怒 怒输出范围 一 士10 32数字I数器，定时器 2， 24。 24， 24_024至是高增益、高采样率的。靠的测量。它具有以下特点：(1)高级时钟技术出和一般定时设备的计数器。用户可以使用20M、24计数器进行采样率的快速无缝变化，或完成包括同步采样(缓冲脉冲发生器和更多的工作。(2)高级多板卡同步功能得应用程序能够便捷的在3)方便的安装和集成自动地检测和配置所有4)即插即用包括完全无需手动的5)线控制采用快速离散式公司的得处理器不仅仅只处理有关6)高速放大器编程增益器件放大器)完全保证12至是在高增益和高速采样率下。(7)得应用程序能够便捷的在024据不同的采样需求，其要求的接地方式在不同的情况下是不同的。分输入(参考地单端输入e 无参考地单端输入(其内部具体配置方法如表22所示。表2，2 0242 120输入输出接口024与被测信号直接相连的器件，它将被测信号在其内部经过简单调理后由8后再在计算机程序中进行处理。120的输入输出通道参数与数据采集卡够满足各种不同型号的数据采集卡的采样要求，它具有以下几种功能端口：18路模拟输入(带有一个可选的热电偶接个可选参考温度端和一个可选电阻测量旋钮端子；22路模拟输出(数字输入输出(钮端子，用于状态显示；42路由用户定义的一个函数发生器，其频率可调，可兼容且有一个频率和幅值可调的正弦波和方波发生端口；7一个积分编码器。17华中科技大学硕士学位论文输出(IO)接口，它通过8一3虚拟示波器的软件结构图23为该虚拟示波器的软件设计结构图，其采用的是自顶而下的设计方法。首先，由要实现的目标功能来制订一个整体框架。由于预定的功能是不仅具有一般数字示波器的功能，还必须具有传统示波器所没有的功能。因此，该示波器上必须有时基设置的部分、触发设置的部分、显示设置的部分，还必须具备数据读盘写盘的功能，参数测量显示等传统示波器所不具备的功能。由一个采集开关启动整个仪器采集过程，在采集状态下，可以进行参数的测量显示；同时，还可以进行时基的设置、触发通道的设置、触发模式的设置等设置；对于显示面板上的波形可以任意地进行位置的调整、缩放；对于当前的波形能够保存到硬盘上或软盘上，同样，也能把硬盘上或软盘上的数据读到显示面板上，还能进行参数测量，这时要停止数据采集，还要能把当前的波形打印出来。底层硬件驱动程序接口完成信号接收和发送控制，系统自检与初始化模块主要完成系统硬件故障诊断、端口初始化等操作。数据采集模块：数据采集模块主要完成数据的采集，根据所采集信号的不同自动完成初始设置，自动地以合理的采样点和采样率采集信号。数据采集部分工作由数据采集卡120实现，它的功能是采样被测信号，并调理为数据采集卡能够承受的小信号。数据采样模块包括信号通道控制、触发控制和时基控制。其中信道控制主要完成单通道或者是双通道测量的选择；触发控制通过对触发模式、触发斜坡和触发电平等参数赋值，实现相应不同的控制；时基控制主要控制量单元能通过显示的波形来完成电压和时间相关的15个参数的测量，其中波形能以图形文件的形式存储到磁盘上或者直接打印输出。为了更好的显示出信号的特性，在示波器中加入了频谱分析，应用高效数字信号处理技术，实现速傅里叶变换)算法，对频域信号进行分析。数据处理模块可以对采集的信号进行加窗处理、滤波处理、数学运算、频谱分析、18华中科技大学硕士学位论文直方图等。加窗处理可以加汉明窗函数。滤波处理可以进行塞尔、巴特沃斯、契比雪夫等4种滤波器滤波。图23虚拟示波器软件结构图波形显示模块：通过通道选择按钮“单通”或“双通”来显示不同的信号参数测量模块可以对许多个参数进行测量并显示，如时间、频率、压、电压的均值等，而且同时显示采样点、采样率。相位差计算模块用于计算李萨如图形时的相位差。数据存储模块可以对采集的数据进行保存，打印模块可以对波形或处理后的信号进行打印输出。主要的控制结构有：自动手动设置扫描速率的控制结构；读盘采集控制结构；存盘控制结构；测量控制结构；打印控制结构；通道选择控制结构。在这个总体框架的基础上来进行各个模块的具体设计，并分别测量，测试通过后19华中科技大学硕士学位论文再把它们连起来，构成一个完整的系统，最后进行整个系统性能的调试，直到和会要求为止。主程序流程图及模块的调用如图24所示。24设计要求与性能指标图24主程序流程图为完成虚拟多功能示波器的设计，对本示波器提出了以下的主要设计要求和设计要达到的性能指标。1主要设计要求虚拟面板：即友好用户界面的设计，要求系统要提供给用户一个友好的界面，同时要用虚拟面板上的按钮代替传统示波器的面板上的控制旋钮。波形的显示模式：通道x+。多种数据显示方式：数据波形的放大、缩小及波形显示的颜色及背景颜色。采集数据存储与打印：可以利用硬盘存储采集的信号数据，可供显示打印和信号分析。电压参数测量：有效值等12个参数。华中科技大学硕士学位论文时间频率参数测量：7个参数。2主要性能指标