基于LabVIEW的虚拟示波器设计论文

1、虚拟示波器是采用高性能模块化硬件的虚拟仪器技术（NI），结合高效灵活的软件，完成各种测试、测量和自动化应用。灵活高效的软件可以帮助您创建完全定制的用户界面，模块化硬件可以轻松提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台可以满足同步和定时应用的需求。这就是为什么 NI 近 30 年来一直引领测试和测量行业的潮流。虚拟仪器的突出特点之一是系统软件的升级在很大程度上取代了仪器硬件的更换，将节省大量的资金投入，代表了仪器技术的发展方向。它可以与计算机技术相结合，将计算机资源与仪器硬件、数字信号处理技术和具有不同功能的软件模块相结合，形成不同的仪器功能。如今，虚拟仪器已广泛应用于军事、航空航天、生物医学、工厂

2、测试、电气技术等领域的超大规模集成电路测试、模拟/数字电路测试、现代家电测试、电子元器件、电力电子器件测试以及移动设备等领域。应用于现场测试工作。任何基于虚拟仪器技术的设备仍然需要使用数据采集卡来实现数据采集，以便系统进行进一步的分析和处理。虚拟示波器的出现改变了原有示波器的整体设计思路，以软件代替硬件。传统仪器硬件实现的数据分析和显示功能被功能强大的计算机和显示器所取代，使工程技术人员只需一台笔记本电脑即可在现场轻松完成信号采集、处理、频谱分析和波形生成。分析。关键词： LabVIEW，虚拟仪器，虚拟示波器 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc23677 摘要 P

3、AGEREF _Toc23677 我 HYPERLINK l _Toc19542 摘要 PAGEREF _Toc19542 二 HYPERLINK l _Toc16828 目录 PAGEREF _Toc16828 III HYPERLINK l _Toc18534 第一章 虚拟仪器技术 PAGEREF _Toc18534 1 HYPERLINK l _Toc7879 1.1 虚拟仪器的概念 PAGEREF _Toc7879 1 HYPERLINK l _Toc16311 1.2 虚拟仪器的组成和特点 PAGEREF _Toc16311 1 HYPERLINK l _Toc1821 2的研究背景

4、及发展趋势 PAGEREF _Toc1821 HYPERLINK l _Toc12021 1.4 虚拟仪器在各个领域的应用 PAGEREF _Toc12021 2 HYPERLINK l _Toc1857 第 2 章LabVIEW PAGEREF _Toc1857 4 HYPERLINK l _Toc28947 LabVIEW 4概述 PAGEREF _Toc28947 HYPERLINK l _Toc29928 2.2 PAGEREF _Toc29928 LabVIEW 4的基本结构 HYPERLINK l _Toc6462 LabVIEW软件设计的基本原理 PAGEREF _Toc6462

5、 5 HYPERLINK l _Toc429 2.4 运行和调试 PAGEREF _Toc429 LabVIEW 5 HYPERLINK l _Toc22842 2.4.1 运行LabVIEW PAGEREF _Toc22842 5 HYPERLINK l _Toc11384 2.4.2 在 LabVIEW PAGEREF _Toc11384 6中调试 HYPERLINK l _Toc16313 第 3 章 虚拟示波器的设计 PAGEREF _Toc16313 7 HYPERLINK l _Toc20213 3.1 示波器基本功能介绍 PAGEREF _Toc20213 7 HYPERLINK

6、 l _Toc13942 3.2 虚拟示波器控制系统要求 PAGEREF _Toc13942 8 HYPERLINK l _Toc12229 3.3 虚拟示波器的设计步骤 PAGEREF _Toc12229 8 HYPERLINK l _Toc9750 第 4 章 虚拟示波器测试 PAGEREF _Toc9750 16 HYPERLINK l _Toc1882 4.1 虚拟示波器的测试方法 PAGEREF _Toc1882 16 HYPERLINK l _Toc5659 4.1.1 频率不变幅度变化时的频谱测试分析 PAGEREF _Toc5659 16 HYPERLINK l _Toc527

7、8 4.1.2 幅度不变频率变化时的频谱测试分析 PAGEREF _Toc5278 17 HYPERLINK l _Toc4467 4.1.3 带变化触发控制的频谱测试 PAGEREF _Toc4467 19 HYPERLINK l _Toc1997 4.2 结论 PAGEREF _Toc1997 20 HYPERLINK l _Toc7263 第 5 章 总结与展望 PAGEREF _Toc7263 21 HYPERLINK l _Toc32050 参考文献 PAGEREF _Toc32050 22 HYPERLINK l _Toc11985 至 PAGEREF _Toc11985 231.

8、1 虚拟仪器的概念虚拟仪器是微电子学和计算机技术的飞速发展与测量技术与计算机的深度融合相结合的革命性产品。它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物。是对传统仪器观念的一次巨大变革，是仪器仪表行业发展的重要方向。人体测试技术的出现，进入了一个新的发展时代。虚拟仪器技术（NI）是利用高性能模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化应用。虚拟仪器的“虚拟”一词主要包括以下两个含义：（1）虚拟仪器的面板是虚拟的； (2)通过对图形化软件流程图的编程实现虚拟仪器的测量功能。1.2 虚拟仪器的组成和特点构成：一、虚拟仪器的硬件组成虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能

9、硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，例如台式计算机、便携式计算机、工作站、 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/37498.htm t _blank 嵌入式计算机等。它管理虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储容量、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，带动了虚拟仪器系统的快速发展。2. 虚拟仪器的软件组成测试软件是虚拟仪器的支柱。 NI在提出虚拟仪器的概念并推出第一批实用成果时，就以软件为仪器来表达虚拟仪器的特性，强调了软件在虚拟仪器中的重要地位。 NI从一开始就推出了丰富简洁的虚

10、拟仪器开发软件。根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下，可以编写不同的测试软件，实现当代科技复杂的测试任务。特征：1. 高性能虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以它完全“继承”了以即用型PC技术为主导的最新商业技术的优势，包括优秀的处理器和文件I/O，让您进行精密的分析可以在数据高速加载到磁盘时实时执行。此外，互联网的不断发展和越来越快的计算机网络，使虚拟仪器技术显示出更加强大的优势。2. 可扩展性强NI 的硬件和软件工具使我们摆脱了当前技术的束缚。这是由于 NI 软件的灵活性，它内容通过简单地更新计算机或测量硬件，以最少的硬件投资和很少或不需要软件升级来改进整个系统。最终

11、以更低的成本加快上市时间。3. 更少的开发时间在驱动程序和应用程序级别，NI 的高效 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/1138709.htm t _blank 软件架构可以与计算机、仪器和通信领域的最新技术相结合。 NI 将这种软件架构设计为用户友好型，同时还提供了轻松配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本测量和控制解决方案的灵活性和强大功能。4.无缝集成虚拟仪器技术本质上是一个集成的软硬件概念。 NI 的虚拟仪器软件平台为所有 I/O 设备提供标准接口，帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个系统中，从而降低复杂性。

12、1.3 虚拟仪器的研究背景及发展趋势虚拟仪器技术的开发和应用起源于美国国家仪器公司于1986年设计的LabVIEW软件，它是一个基于图形进行开发、调试和操作的软件平台。它的发展大致可以分为三个阶段。第一阶段是利用计算机增强传统仪器的功能。传统仪器通过串口与电脑连接后，即可使用电脑对仪器进行控制。第二阶段主要在功能硬件方面取得了较大的技术进步。第三阶段形成虚拟仪器架构的基本框架，主要采用面向对象的编程技术构建虚拟仪器平台，逐步成为标准的软件开发工具。这三个阶段几乎是同步的。目前，我国正在开发PC虚拟仪器，产品已达到第一批。国内专家预测：未来几年，我的仪器50%将是虚拟仪器。届时，我国大量企业将使

13、用虚拟仪器，将逐步取代传统测试仪器，成为测试仪器的主流。1.4 虚拟仪器在各个领域的应用虚拟仪器系统开放灵活，能跟上计算机技术的发展，提高精度，降低成本，大大节省用户的开发时间，因此在测量领域得到了广泛的应用。1.监控方面虚拟仪器系统可以随时采集和记录传感器传来的数据，并对其进行统计、数字滤波、频域分析等处理，从而实现监控功能。2.检测方面在实验室，使用虚拟仪器开发工具开发专用的虚拟仪器系统，可以放个人电脑成为一套用于数据/图像采集、控制和模拟的检测仪器。3. 教育现在，随着虚拟仪器系统的广泛应用，越来越多的教学部门开始使用它来构建教学系统，但并没有大大节省成本，而且由于虚拟仪器系统具有灵活、

14、可复用性强等优点，使得教学方法也变得更加灵活。2.1 LabVIEW概述LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是美国国家仪器公司（NI）开发的类似于C和BASIC的程序开发环境。它是一种图形化编程语言，被工业界、学术界和研究实验室广泛接受，作为标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW使用世界上唯一的图形化编程语言G语言。使用该语言编程时，用户无需编写程序代码，只需使用流程图即可完成测试任务，将复杂的程序解放出来，让更多的精力投入到物理问题本身，大大提高了工作效率。这也降低了LabVIEW用户的专业要求，让各个领域的工程技术人员都

15、能使用。目前LabVIEW有很多版本，在本次设计中，我们使用LabVIEW2011的版本进行设计。2.2 LabVIEW的基本结构所有LabVIEW应用程序都包括前面板（Front Panel）、框图程序（Diagrame Programme）和图标/连接器（Icon/Connector）三部分。1. 前面板前面板是VI独有的组件之一，用于在计算机屏幕上显示人机对话和交互式用户界面，也可以构成模拟真实仪器的操作面板。它可以放置开关、滑块、仪表板、图形、图表、LED等控件，所有这些都可以在LabVIEW开发环境提供的Controls Palette上找到。前面板是虚拟仪器的必备部件之一，也是用户

16、唯一能看到的部分。在C、Java等基于文本的编程语言中，只需要编写一个前端版本就需要大量的程序代码，而在LabVIEW开发环境中，前端版本是设计人员设计VI时必须提供的元素之一. .2.框图图2 框图LabVIEW 图形语言使用以图形方式表示的程序或算法。构成图形语言程序代码的基本元素将在后面讨论。程序框图供程序员用来编程，最终用户看不到。程序图是提供给设计人员设计VI的基本要素之一。它由四个元素组成：节点、端点、框架和连接。3. 图标和连接器LabVIEW 图形语言中的每个 VI 都有自己的图标和连接器。图标构成了区分不同VI的图形符号，而连接器定义了VI的输入和输出（当然也可以不定义）。图

17、标和连接器指定数据流入和流出程序的路径。它们也仅供程序员使用，最终用户看不到。在每个VI的正反两页的右上角，都有一个属于该VI的图标，以区别于其他VI。程序的设计者可以设计和修改这个图标。2.3 LabVIEW软件设计的基本原则程序编写完成后，用户必须运行调试，以测试编写的程序是否能产生预期的运行结果，并找出程序中的一些错误。 LabVIEW 提供了许多工具来帮助完成程序调试。2.4 LabVIEW的运行与调试2.4.1 LabVIEW的操作(1)LabVIEW的操作。您可以通过单击前面板或程序框图上的运行按钮来运行 VI。 LabVIEW运行时，运行按钮变为。(2) LabVIEW的连续运行

18、。单击前面板或程序框图上的连续运行按钮以连续运行。此时按钮变为，此时用户可以再次点击按钮停止继续运行。(3) LabVIEW 停止。在程序运行过程中，停止按钮由可编辑状态变为可用状态。单击此按钮可强制停止程序。如果调试过程意外进入死循环或无法退出，用户可以使用该按钮强制程序运行。(4) LabVIEW 暂停。程序运行时，点击按钮，按钮颜色为黑色和红色，再次点击按钮恢复程序。2.4.2 LabVIEW调试前面板和框图设计完成后，程序在执行过程中可能会遇到错误，所以首先要对程序进行调试。程序的主要调试方法有：1.设置执行程序为高亮按钮执行前点击高亮按钮，按钮上的灯泡会亮起，运行过程中正在执行的节点

19、会高亮显示。2.单步执行如果要逐个节点执行框图程序，按单步按钮进入单步模式。这将闪烁下一个要执行的节点，表示该节点将被执行。再次单击单步按钮，程序将变为连续执行模式。3. 探头的使用在Tools工具模板中选择探针工具，探针放置在连接上，可以在运行过程中查看某个连接上数据流的数据。4.断点工具使用断点工具在程序中的某一点停止程序执行，并使用探针或单步查看数据。如果无法执行程序，则“运行”按钮上会出现一个虚线箭头。点击 Broken Arrow 的 Run 按钮将列出错误列表，双击列表中的错误列表将突出显示错误的对象或端口。3.1示波器基本功能介绍一、示波器的基本功能示波器可以直接显示和测量电压、

20、时间、相位等参数。它是时域测量最常用的仪器。我们的实际示波器力求与前面板上实际示波器的用户界面相似。功能上，主要实现通道选择、图形显示、触发方式选择、水平扫描、水平移位、频率控制等功能。用户可以通过前面板上的各种按钮和开关来控制示波器。二、示波器的基本结构示波器的用户界面如图 3.1 所示“TIME/DIV”时间/格选择旋钮：显示频率水平方向各格所代表的时间，可通过相应档位读出，水平方向一个周期的波形所占格数乘以它的齿轮就是循环的大小。“SOURCE”触发选择开关：用于选择触发或外触发。“SLOPE”触发极性选择开关：用于反转触发信号。“LEVEL”触发电平调节按钮：用于调节触发电平的大小以获

21、得稳定的波形。“VOLTS/DIV”电压/分度衰减器：用于调整波形的幅值，显示频率垂直方向各格所代表的电压可通过相应档位读出，波形所占格数在垂直方向上乘以它的档位，也就是电压的大小。图 3.1 虚拟示波器用户界面3.2 虚拟示波器控制系统要求根据项目需要，示波器控制必须具备以下功能：(1) 完全脱离仪表板的手动操作，测试仪通过键盘和鼠标完成对示波器的操作；(2)快速刷新虚拟仪器显示的波形；(3) 实时跟踪测试参数、频率和幅度；(4) 波形和参数以测试日期和测试时间为文件名，以JPEG图形文件格式保存；（5）虚拟仪器具有良好的用户界面，显示测试时间、测试模式（在线测试、接地测试和标准测试），并可

22、观察测试波形的本地信息；(6)易于与其他测试仪器（示波器、功率计等）组成测试系统。3.3 虚拟示波器的设计步骤1.新建VI双击PC 桌面上的图标打开 LabVIEW 。选择“文件” ，新建一个VI，会弹出两个窗口： Front Panel （前面板）， Block Diagram （框图），保存VI文件，文件名为“oscilloscope design.VI ” 。如图 3.1 所示。图 3.2 新 VI2.编写主程序在前面板中，右键打开控制选项，选择【控制面板】/【新建样式】/【装饰】，选择“平面框”，将其拖到前面板并调整大小。然后打开【Controls】/【New Style】/【Grap

23、hics】选项，选择【Waveform】，放在【Flat Box】上。并设置波形的相关属性，如图 3.3 所示。设置后的前面板如图 3.4 所示。图 3.3 波形属性图 3.4 波形打开Control/Classic/Classic Value/Dial选项作为时间/格选择按钮，同理，选择Dial作为电压/格衰减器按钮，选择水平滑条 作为触发电平调节按钮，命名为 LEVEL。在前面板上再放置两个 Flat Boxes 并在适当的位置调整它们的大小。将波形图设置的属性光标放在一个扁平的盒子上，在频谱图和波形图上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单的显示项子菜单中选择光标图例菜单项。完成后会出现图表。光

24、标图例如 3.13 所示。在光标编辑显示窗口中单击鼠标右键，选择创建光标的选项，进入下一级子菜单，在子菜单中选择【单曲线】，设置光标的各项属性快捷菜单的属性项。然后打开前面板上的Classic/Classic Boolean/Vertical Switch作为触发选择开关，命名为SOURCE，同样将触发极性选择开关放在这个扁平的盒子上，命名为SLOPE。将停止按钮放在另一个扁平盒子上。调整好各个组件的位置后，生成的前面板如图3.5所示图 3.5 虚拟示波器前面板在程序框图上，打开【Controls】/【Programming】 / 【Structure】 / 【Tiled Sequence S

25、tructure】，选择并调整大小，右键Source/Create/Property Node/Disable，将选中的属性节点放入序列结构中在结构图中，同样创建Slope和Level的禁用属性节点。然后设置 Source/Create/Local Variables 并检查它。如图 3.6 和图 3.7 所示，将其放置到位并接线。图 3.6 创建属性节点图 3.7 属性节点打开Control/Programming / Structure / While Loop 并调整大小，打开 Control/Programming / Structure / Conditional Structure

26、 进入 while 循环，并调整大小。当结构框图的条件为真时，创建Source属性节点，在条件结构外创建Slope和Level属性节点，如图3.8所示。当框图条件为假时，框图如图 3.9 所示。图 3.8 框图条件为真图 3.9 框图条件为假选择条件结构并调整大小，将条件结构中的条件设置为0、1、2。三个条件分别代表通道A和通道B同时工作时的波形，通道B工作时的波形与A通道工作时的波形相同。 .打开【控制】/【编程】/【数组】/【创建数组】，拖入条件结构。将相应的组件放入图中并设置好，完成如图3.10所示的结构框图设计。图 3.10 结构框图哪里是被调用的子VI，这里我们需要创建一个主VI的子

27、VI。创建一个新的VI。在前面板中，我们需要创建如下控件，如图 3.11 所示。图 3.11 创建子 VI打开框图并创建一个案例框图。设置条件为“0”时，输入方波和正弦波；条件为“1”时置位，输入为正弦波；当条件为“2”时，输入为余弦波。程序框图如图 3.13、图 3.14 和图 3.15 所示。图 3.13 通道 A 和通道 B图 3.14 通道 B图 3.15 通道 A其中，是上述程序调用的子VI。接下来，我们创建通道 A 和/或通道 B 的子 VI。创建一个新 VI。在前面板中，我们需要创建如下控件，如图 3.16 所示。图 3.16 前面板打开框图并创建一个案例框图。当条件为“真”时设

28、置，程序图如图3.17所示，当条件为假时，程序图如图3.18所示。图 3.17 图形和程序图 3.18 图形和程序图标代表 Demo 调用的子 VI。现在我们创建 Demo 的子 VI（坡度）。创建一个新的VI。在前面板中，我们需要创建如下控件，如图 3.19 所示。图 3.19 斜率前面板打开框图，完成条件结构的设计，如图 3.20 所示。图 3.20 斜率现在，我们创建子 VI（坡度）。打开已创建程序的前面板，右击前面板右上角的图标，然后打开【编辑图标】，修改图标框的图标，然后确认，如图3.21所示。这时，右上角的图标编程了我们修改后的样子。然后右击前面板右上角，打开Show Connec

29、tor Pane/Mode。三进一出，所以我们选择三进一出的模式，最后点击连接板上的输入，再点击前面板上对应的输入，以此类推。设置子VI（Slope）并保存到桌面后，调用到Demo程序中，打开Demo程序的框图，右键，左键【Select VI.】，如图在图 3.22 窗口中，选择要调用的子 VI，然后单击确定。图 3.21 创建子 VI 图 3.22 调用子 VI设置子VI（演示）和子VI（通道）的方式与子VI（斜率）相同。A and or B)，一步一步调用。现在，让我们转到主 VI 并创建两个条件结构并调整其大小。如上所述，将它们的条件设置为“1”、“2”和“3”三种条件形式。将所需的功能

30、元素放置在框图上，并将功能捆绑与其他功能元素放在框图上。另外，为波形图创建一个属性节点：右键单击波形图，选择Create/Properties Nodes/X Ruler/Enclosure/All Elements，将其拖到程序框图中。4.1 虚拟示波器的测试方法打开主VI，单击前面板上的Continuous Run，观察波形显示和频谱图显示，按波形停止运行。频率不变而幅度变化时的分析1、频率保持在10ms/div不变，输入信号的幅度发生变化。当输入信号为 A&B 时，我们看到波形图上显示的波形如图 4.1 所示。此时A波的峰值电压为1x1.00=1.00V，B波的峰值电压为1x2.00=2

31、.00V。图 4.1 频率恒定幅度范围为 1V/Div2、频率保持在10ms/div不变，输入信号的幅度发生变化。当输入信号为 A 时，我们看到波形图上显示的波形如图 4.2 所示。此时波形A的峰值电压为2x2.00=4.00V。图 4.2 频率恒定幅度范围为 2V/Div3、频率保持在10ms/div不变，输入信号的幅度发生变化。当输入信号为 A 时，我们看到波形图上显示的波形如图 4.3 所示。此时波形A的峰值电压为1x5.00=5.00V。图 4.3 频率恒定幅度范围为 5V/Div4.1.2 幅度不变、频率变化时的频谱测试分析1. 幅度保持在 2V 不变。当输入信号为 A&B 时，改变

32、输入信号的频率。当频率为 5ms/div 时，观察到的波形如图 4.4 所示。此时波形A和波形B的时间周期均为5x0.025=0.125ms。图 4.4 幅度恒定频率范围为 5ms/div2. 幅度保持在 2V 不变。当输入信号为A时，输入信号的频率发生变化。当频率为 10ms/div 时，观察到的波形如图 4.5 所示。此时波形A和波形B的时间周期均为10 x0.025=0.25ms。图 4.5 幅度恒定频率范围为 10ms/div3. 幅度保持在 2V 不变。当输入信号为A时，输入信号的频率发生变化。当频率为 20ms/div 时，观察到的波形如图 4.6 所示。此时波形A和波形B的时间周期为20 x0.025=0.5ms。图 4.6 等幅频率范围为 20ms/div4.1.3 带变化触发控制的频谱测试1. 保持其他量不变，改变触发电平调节按钮 Level 的位置，观察波形变化。当其他量保