基于LabVIEW的虚拟示波器的设计与实现

1、基于LabVIEW的虚拟示波器的设计与实现 摘要:介绍基于LabV IEW的虚拟示波器的设计，它是由数据采集卡采集外部信号，通过软件编程来实现仪器的显示及测量等功能。该虚拟示波器主要由数据采集、数字滤波、参数测量、频谱分析、功率谱分析和波形存储及读取模块组成，具有传统仪器所没有的许多优点，如能保存波形及测量结果、成本低廉，可以根据需要进行功能拓展等。实验证明，该虚拟示波器运行可靠、性能良好和结果正确。关键词:虚拟仪器;示波器;LabV IEWAbstracts This paper introduced the design ofvirtualdital oscilloscope which

2、is based on LabV IEW.Itadopts the dataacquisition cal to get external date and realizes the display and measmunent and other functions through sof'svare pro-gramming The virhzal oscillograph consists of data acquisition dital filtering，paranetermeasurunent frequencyspectnrr power spectnm analysi

3、s and wave storage modules It has many advantage, such as saving wave foam andmeasuring result costing lover and extending function when needed The experiments showed that this vial oscillo-scope has reliable operation and good perfonanc correct resultKey wordy virtual instnnen oscillograph LabV IEW

4、1引言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。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

5、在实验教学方面也有很大的义，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。本文介绍虚拟示波器的设计，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示、分析、存储等操作并且结果正确、可靠，功能比传统仪器强大。2虚拟示波器的结构 虚拟示波器是在数据采集卡的支持下，通过软件编程实现波形的采集，显示以及分析等功能。虚拟示波器有

6、数据采集、波形显示、参数测量、频谱分析、功率谱分析、波形存储和回放等部分组成，如图1所示。2. 1信号来源 我们设计的虚拟示波器具有3种信号来源可供选择，能选用标准信号、带白噪声的正弦信号和由数据采集卡采集的模拟信号，其界面如图2所示。数据采集模块是虚拟示波器软件的硬件驱动部分，主要完成数据采集的控制，包括通道控制。2. 2波形显示模块 波形显示模块主要是对虚拟示波器的波形进行显示，是示波器的主体部分。它主要包括3种显示方式:A模式，B模式，A&B模式。当开关打到计算档时能对2个波形进行计算，计算模式有A AX$ A /Bo A, B开关分别控制2个通道波形的显示，可以根据需要打开或关

7、闭对应的波形。A, B位置旋钮分别控制2个波形的垂直位移，水平位移控制波形在水平方向上的位移，也可以查看前面的波形。按下停止采集按钮，示波器将停止工作。为了判读准确、方便，在显示区设置了网络线和光标。网络间距大小与X, Y轴刻度相同，可以由用户自己定义，光标有2个，可以由用户选定颜色，同时在控件下面的显示区能够自动显示光标所在位置的数值，可以精确定位。用户可以通过波形设置的弹出菜单设定波形曲线的各种属性，包括波形的名称、图形表示方式、数据点风格、线型、线宽、颜色等等。在多条波形曲线同时显示的情况下，通过设置波形曲线的不同属性，如每条波形用不同的颜色或不同的线形来表示，或根据信号代表的实际物理量

8、名称给每条波形赋予了1个一目了然的名字，直观地区分不同的信号的波形。通过波形显示控件自带的控制模板，不但可以快捷地调准控件外观，还可以在程序运行中实现波形的动态调准，如放大、缩小或移动所显示的波形。还可以改变X, Y轴的刻度值，从而有针对性地对波形中感兴趣的部分进行详细的观察。2. 3数字滤波模块 在虚拟示波器中，利用滤波器的选频作用，可以滤除干扰噪声。该设计中有多种滤波器可选，例如巴特沃斯滤波器、契比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器等。2. 4参数测量模块 该模块主要模拟台式数字存储示波器的参数测量功能，主要的测量参数包括:交流电压AC、直流电压DC、均方根电压、最低电压、采样周期、上升时间、下降时

9、间、最大压差、最高电压和峰值电压等。2.5频谱分析模块 通过频谱分析模块观察波形幅值谱。频域分析将复杂信号分解成单一的频率成分，一些在时域中难以分析的信号，在频域中它的特征可以看得一目了然。2. 6功率谱分析模块 功能模块能对信号进行功率谱分析，测得信号的功率谱和基频。2. 7波形存储及回放模块 本模块能将面板上的波形进行保存，方便用户进行进一步的分析处理。3虚拟示波器的性能分析3. 1采样频率 系统能测试到的最高频率与电路所选器件的性能有关，本文选用的数据采集卡最高采样频率为250l;根据采样定理，所能测试模拟信号的最高频率为125 kH;考虑到数据采集卡本身采集质量问题，实际测试的模拟信号

10、最高频率为25 kH 3. 2采样精度 系统采样精度与数据采集卡的位数有关，我们选用的数据采集卡是16位采样，采样精度为1居6七0. 000 O1分辨率约为0. 0015%。3. 3显示方式 具有A, B通道模式，A&B通道模式和计算模式，计算模式有A$ A-$ AX$ A/B 4种模式。3. 4信号分析与处理 需要测量7个时间参数，12个电压参数，以及频谱分析，功率谱分析和波形参数的存储和读取4总体调试结果4. 1采集单路信号 实验过程中，采用CA 1640函数信号发生器作为外部模拟信号输入，用虚拟示波器对频率为203. 7H;峰峰值为4.6V的单路正弦波进行测试，如图3所示。采集外

11、界信号分析与显示并与真实示波器对比，结果如图4所示。4. 2采集双路信号我们还采集了2路外部信号进行双通道显示，其中一路采集正弦信号，如图5中实线所示，另一路采集三角波信号，如图5中虚线所示，为了便于观察，两路都进行了垂直位置的偏移。5结论 虚拟示波器使用PC机来实现信号的处理与显示，利用软件设计出逼真的仪器面板，进行各种信号的采集，处理及显示，完成各种规模的测量任务，大大超出了传统示波器所能实现的功能。主要有以下特点: (1)功能多样。虚拟示波器功能实现主要基于软件，它可以集多种功能于一身，还可以根据实际的需要，添加一些额外的功能模块，有很强的灵活性。 (2)精度高，稳定可靠。虚拟示波器是1

12、个数字处理系统，具有数字计算机的基本结构，从而具备了重复性好，稳定可靠等优点。 (3)可操作性强。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易十理解，还可以对波形进行存储回放。 (4)成本低。PC机在价格上通常只有数据存储示波器的0. 2 0. 1左右，此外PC机的资源并非全部为测试专用，当不需要进行测量时，PC机可用作其它用途。参考文献(References)【1】张立学，基于LabV IE W的虚拟数字示波器设计，长沙人学学报，2008 :9.【2】杨乐平吕荃军，虚拟数字示波器的设计与实现，自动化与仪器仪表，200112 : 【3】姚锡林，一种基于虚拟仪器概念的数字示波器的实现方法，南京邮电学院学报2004 6 : 6-10.【4】工怀兴，基于Labv。的示波器仿真实验程序设计，湖北第二师范学 【5】江伟袁芳黄乡生，多功能虚拟数字示波器的设计，中国测试技术，2004 4 7 【6】杨乐平李海涛肖相生等，LabV IEW程序设计与应用M . 2版，北京:电子工业出版社Zoos.【7】张重雄，虚