基于LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì)00774

PAGE2浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文題目：基于LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì)題目：基于LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì)專業(yè)：專業(yè)：電氣自動(dòng)化技術(shù)班級(jí)：一班學(xué)號(hào)：201002050042學(xué)生姓名：王青松校內(nèi)指導(dǎo)教師：馬金元二零一三年五月基于LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì)摘要本文從虛擬儀器的起源、發(fā)展入手，簡(jiǎn)單介紹虛擬儀器的功能，比較虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的不同之后，全面的介紹了虛擬儀器設(shè)計(jì)技術(shù),并用軟件仿真的方法設(shè)計(jì)了一臺(tái)虛擬示波器，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析的全過程。虛擬儀器的設(shè)計(jì)分成兩個(gè)方面。硬件方面，本文從最基本的傳感器、信號(hào)調(diào)理開始介紹數(shù)據(jù)采集過程以及DAQ板卡。除此之外，本文還介紹了虛擬儀器總線技術(shù)，重點(diǎn)為專用于虛擬儀器的VXI總線系統(tǒng)以及PXI總線系統(tǒng)。軟件方面，主要利用現(xiàn)今最有代表性的圖形化編輯軟件——LabVIEW，并用之模擬從示波器板卡中采集到信號(hào)，顯示其波形，并分析、顯示其幅頻特性曲線以及相頻特性曲線。另外本文還根據(jù)LabVIEW中的子程序，實(shí)現(xiàn)了虛擬示波器的設(shè)計(jì)。本文還從市場(chǎng)出發(fā)對(duì)虛擬儀器的配置投資做了具體闡述，指明了構(gòu)造虛擬儀器平臺(tái)所需要的投資，為今后的學(xué)習(xí)工作打下了基礎(chǔ)。并對(duì)國內(nèi)外虛擬儀器的部分應(yīng)用案例作了介紹，指出虛擬儀器是儀器歷史的一次革命。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集；示波器；LabVIEW目錄HYPERLINK前言 1HYPERLINK第1章 緒論 2HYPERLINK1．1虛擬儀器概述 2HYPERLINK1．1．1虛擬儀器的產(chǎn)生 2HYPERLINK1．1．2虛擬儀器的概念 2HYPERLINK1．1．3虛擬儀器的構(gòu)成 3HYPERLINK1.1.4虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn) 5HYPERLINK1．2虛擬儀器的現(xiàn)狀 6HYPERLINK1．2．1國外虛擬儀器的現(xiàn)狀 6HYPERLINK1．2．2國內(nèi)虛擬儀器的現(xiàn)狀 6HYPERLINK1．2．3虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì) 7HYPERLINK1．3本文的研究內(nèi)容 7HYPERLINK第2章 虛擬示波器的原理 9HYPERLINK2．1示波器的基本原理 9HYPERLINK2．1．1示波器波形顯示原理 9HYPERLINK2．1．2通用示波器的組成部分 10HYPERLINK2．2數(shù)字示波器的基本原理 14HYPERLINK2．2．1數(shù)字示波器基本原理 14HYPERLINK2．2．2數(shù)字示波器基本方框圖 14HYPERLINK2．3虛擬示波器的工作原理 15HYPERLINK第3章 虛擬示波器的設(shè)計(jì) 18HYPERLINK3．1虛擬儀器創(chuàng)建過程 18HYPERLINK3．2設(shè)計(jì)方案的比較 18HYPERLINK3．2．1軟件比較 19HYPERLINK3．2．2聲卡采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn) 20HYPERLINK3．3LABVIEW中有關(guān)聲卡函數(shù)介紹 22HYPERLINK第4章 軟件模塊的設(shè)計(jì) 24HYPERLINK4.1程序的流程圖 24HYPERLINK4．2程序的結(jié)構(gòu)圖 25HYPERLINK4．3LABVIEW簡(jiǎn)介 25HYPERLINK4．3．1G語言簡(jiǎn)介 25HYPERLINK4．3．2LABVIEW程序組成 26HYPERLINK4．4數(shù)據(jù)采集和處理模塊 26HYPERLINK4．6頻譜分析模塊 28HYPERLINK第5章 程序設(shè)計(jì)顯示 29HYPERLINK5．1虛擬示波器的性能指標(biāo) 29HYPERLINK5．1．1控制面板 29HYPERLINK5．1．2示波器的性能指標(biāo) 29HYPERLINK5．2程序的總框圖 30HYPERLINK結(jié)論 31HYPERLINK謝辭 32HYPERLINK參考文獻(xiàn) 33HYPERLINK附錄 35前言自20世紀(jì)90年代以來，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)下，以虛擬儀器為標(biāo)志的通用化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量儀器及測(cè)試系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展，使得測(cè)量儀器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)生了深刻的變化。所謂虛擬技術(shù)，就是用戶在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)測(cè)試任務(wù)的需要來定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，其實(shí)質(zhì)是充分利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器技術(shù)綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)和軟件工程方法，代表了測(cè)量儀器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)未來的發(fā)展法方向?！败浖褪莾x器”反映了虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)。以圖形化軟件編程方法和集成開發(fā)環(huán)境為標(biāo)志的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境是虛擬儀器技術(shù)研究的重要內(nèi)容，也是虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。美國國家儀器公司（NATIONALINSTRUMENTS）的創(chuàng)新產(chǎn)品LABVIEW是目前最成功、應(yīng)用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境。

本次設(shè)計(jì)就是在labviews6i軟件開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)的虛擬信號(hào)發(fā)生器和示波器。題目是“用Labview設(shè)計(jì)虛擬信號(hào)發(fā)生器—示波器”，作為信號(hào)發(fā)生器它可以產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)又可以顯示這個(gè)信號(hào)，而且它可以測(cè)出外部輸入的信號(hào)。以下我們將會(huì)詳細(xì)介紹本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)過程。在此次設(shè)計(jì)中得到了路剛跟趙旎兩位老師的耐心的指導(dǎo)、建議和幫助。在此向他們表示衷心的感謝。緒論1．1虛擬儀器概述1．1．1虛擬儀器的產(chǎn)生虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。它推動(dòng)著傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化，智能化，模塊化，網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。電子測(cè)量儀器發(fā)展至今，大體上可以分為四代：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能一起和虛擬儀器。第一代模擬儀器，這類儀器在某些實(shí)驗(yàn)室里還能看到，它是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器，如指針式萬用表、晶體管電壓表、指針式電流表等。第二代數(shù)字化儀器，這類儀器現(xiàn)在相當(dāng)普遍，這類儀器將模擬信號(hào)的測(cè)量值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果，適用于快速響應(yīng)和較高準(zhǔn)確度的測(cè)量，如數(shù)字萬用表、數(shù)字頻率計(jì)等。第三代智能儀器，這類儀器內(nèi)置微處理器，可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試和數(shù)據(jù)處理功能，可能代替部分腦力老公，習(xí)慣上稱為智能儀器。它的功能模塊全部都是以硬件或固定軟件的形式存在，無論是開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。第四代虛擬儀器，它是現(xiàn)在計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)試技術(shù)高速發(fā)展孕育出的一項(xiàng)革命性技術(shù)，其導(dǎo)致了傳統(tǒng)儀器的結(jié)構(gòu)、概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)都發(fā)生了巨大的變革，它的出現(xiàn)使得人類的測(cè)試技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展紀(jì)元。虛擬儀器（VirtualInstruments.簡(jiǎn)稱VI）的概念，是美國國家儀器公司（NationalInstrumentsCorp.簡(jiǎn)稱NI）于1986年提出的。NI公司同時(shí)也提出了“軟件即儀器”的口號(hào)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由廠家定義，用戶無法改變的局面，從而引起了儀器和自動(dòng)化工業(yè)的一場(chǎng)革命。隨著現(xiàn)在硬件和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器的智能化和虛擬化成為各級(jí)實(shí)驗(yàn)室以及研究機(jī)構(gòu)發(fā)展的方向。虛擬儀器，它既具有傳統(tǒng)儀器的功能，又有別于其他傳統(tǒng)儀器。它能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，使儀器的測(cè)試和測(cè)量及自動(dòng)化工業(yè)的系統(tǒng)測(cè)試和監(jiān)控變得異常方便和快捷。1．1．2虛擬儀器的概念虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)、軟件的功能模塊和儀器硬件結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面（通常叫做虛擬前面板，簡(jiǎn)稱前面板）來操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)個(gè)人儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)字存儲(chǔ)等。虛擬儀器以透明的方式，通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口，把計(jì)算機(jī)資源（如微處理器、顯示器等）和儀器硬件（如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時(shí)器、信號(hào)調(diào)理等）的測(cè)試能力和控制能力結(jié)合起來。虛擬一起突破了傳統(tǒng)儀器以硬件為主體的模式，實(shí)際上使用者是在操作具有測(cè)試軟件的電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量，猶如操作一臺(tái)虛設(shè)的電子儀器。虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)的分析、處理、表達(dá)、傳遞、存儲(chǔ)等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。它不僅可以用于電子測(cè)量、測(cè)試、分析、計(jì)量等領(lǐng)域，而且還可以用于進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)控以及工業(yè)過程自動(dòng)化。虛擬儀器還可以廣泛用于電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等多個(gè)方面。1．1．3虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器從構(gòu)成要素上講，由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成；從構(gòu)成分式上講則由以DAQ板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)，或已GPIB，VXI，Serial和Fieldbus等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式。虛擬儀器的構(gòu)成如圖1.1所示。顯示器顯示器信號(hào)分析及處理器入機(jī)接口各類接口A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)發(fā)生器信號(hào)調(diào)理器信號(hào)調(diào)理器輸入信號(hào)D/A轉(zhuǎn)換器信號(hào)調(diào)理器信號(hào)輸出圖1-1虛擬儀器的結(jié)構(gòu)目前，虛擬儀器的構(gòu)成方式有以下幾種：PC-DAQ插卡式的VI這種方式用數(shù)據(jù)采集卡配以計(jì)算機(jī)平臺(tái)和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器系統(tǒng)。它充分利用了計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源以及軟件的便利，其關(guān)鍵在于A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。這種方式受PC機(jī)機(jī)箱、總線限制，存在電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)噪聲電平較高、無屏障，插槽數(shù)目不多、尺寸較小等缺點(diǎn)。隨著基于PC的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PC-DAQ方式存在的缺點(diǎn)已經(jīng)和正在被克服。因個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)目非常龐大，插卡式儀器價(jià)格便宜，因此其用途廣泛，特別適用于工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)、各種實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)部門使用。并行口式的VI最新發(fā)展的可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，其硬件集成在一個(gè)采集盒里或探頭上，軟件裝在計(jì)算機(jī)上，可以完成各種VI功能。它的最大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式PC相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。GPIB總線方式的VIGPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的VI早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量由獨(dú)立的單臺(tái)的手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展。典型的GPIB系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)，一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)GPIB儀器通過GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口卡可帶多達(dá)14臺(tái)的儀器，電纜長度可達(dá)20m。GPIB技術(shù)可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作方式，很方便的把多臺(tái)機(jī)器組合起來，形成大的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。GPIB測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，主要市場(chǎng)在臺(tái)式儀器市場(chǎng)。適用于精確度要求高，但對(duì)計(jì)算機(jī)速率要求和總線控制實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用。VXI總線方式的VIVXI總線是VMEbuseXtensionforInstrumentation的縮寫，是高速計(jì)算機(jī)總線VME在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢(shì)，適用于組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合，但VXI系統(tǒng)要求有專用的機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。PXI總線形式的VIPXI總線是PCIeXtensionforInstrumentation的縮寫，是PCI在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展。這種新型模塊化儀器系統(tǒng)是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，具有多板同步觸發(fā)、精確定時(shí)的星形觸發(fā)、相鄰模塊間高速通訊的局部總線以及高度的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，適用于大型高精度集成系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)接口方式的VI盡管Internet技術(shù)最初并沒有考慮如何將嵌入式智能儀器設(shè)備連接在一起，不過NI等公司已經(jīng)開發(fā)了通過Web瀏覽器觀測(cè)這些嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品，使人們可以通過Internet操作儀器設(shè)備。根據(jù)虛擬儀器的特性，我們能夠方便的將虛擬儀器組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分散在不同地理位置不同功能的設(shè)備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資?，F(xiàn)在，有關(guān)MCN（MeasurementandControlNetworks）方面的標(biāo)準(zhǔn)正在積極進(jìn)行，并取得一定的進(jìn)展。由此可見，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景。USB接口方式的VIUniversalSerialBus（USB）因?yàn)槠湓赑C機(jī)上的廣泛使用、即插即用的易用性和USB2.0高達(dá)480Mbits/s的傳輸速率，逐漸的成為儀器控制的主流總線技術(shù)?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)上的USB接口越來越多，也使得工程師可以很方便的將基于USB的測(cè)量儀器連接到整個(gè)系統(tǒng)中。但是USB在儀器控制方面上亦有一些缺點(diǎn)。比如說USB的排線沒有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，在惡劣的環(huán)境下，可能造成數(shù)據(jù)的丟失，此外，USB對(duì)排線的距離也有一定的限制。無論哪種VI系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦，臺(tái)式微機(jī)和工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。1.1.4虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)一臺(tái)性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的大部分功能，而且在許多方面有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如使用靈活方便、功能豐富、價(jià)格低廉、可一機(jī)多用、可重復(fù)開發(fā)等。與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）融合了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等方面的限制，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。而且高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤等已成為虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)配置。（2）利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，一方面，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件話，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)的靈活性；一方面，通過軟件技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)值算法、實(shí)時(shí)、直接的對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和處理；另一方面，通過圖形用戶界面（GraphUserInterface）技術(shù)，真正做到界面友好，人機(jī)交互。（3）基于計(jì)算機(jī)總線和模塊化儀器總線，使儀器的硬件實(shí)現(xiàn)了模塊化、系列化，大大縮小了系統(tǒng)的尺寸，可方便的構(gòu)建模塊化儀器（InstrumentonaCard）。（4）基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，使VI系統(tǒng)具有方便、靈活的互聯(lián)能力，廣泛支持諸如CAN，F(xiàn)ieldBus，PROFIBUS等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。因此，利用VI技術(shù)可方便的構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（ATS，AutomaticTestSystem），實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制過程的網(wǎng)絡(luò)化。（5）基于計(jì)算機(jī)的開放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。因此，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇不同廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建和維修的時(shí)間。下表是虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較。表1-1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展封閉性、儀器間相互配合較差關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級(jí)方便，通過網(wǎng)絡(luò)下載升級(jí)程序即可。關(guān)鍵是硬件，升級(jí)成本較高，且升級(jí)必須上門服務(wù)。價(jià)格低廉，儀器間資源可重復(fù)利用率高價(jià)格昂貴，儀器間一般無法相互利用用戶可定義儀器功能只有廠家能定義儀器功能可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便互連與其他設(shè)備儀器的連接十分有限軟件使得開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用降至最低開發(fā)和維護(hù)開銷高技術(shù)更新周期短（1-2年）技術(shù)更新周期長（5-10年）數(shù)據(jù)可編輯、存儲(chǔ)、打印數(shù)據(jù)無法編輯1．2虛擬儀器的現(xiàn)狀1．2．1國外虛擬儀器的現(xiàn)狀虛擬儀器技術(shù)目前在國外發(fā)展很快，以美國國家儀器公司（NI公司）為代表的一批廠商已經(jīng)在市場(chǎng)上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。在美國虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語言，已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門必修課程。美國的斯福坦大學(xué)的機(jī)械工程系要求三、四年級(jí)的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制。近年來，世界各國的虛擬儀器公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，以便使用者利用這些公司提供的開發(fā)平臺(tái)軟件組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)，并編制測(cè)試軟件。最早和最具有影響力的開發(fā)軟件，是NI公司的LABVIEW軟件和Labwindows/CVI開發(fā)軟件。LABVIEW采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開發(fā)軟件。Labwindows/CVI是為熟悉C語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的、在windows環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)ANSIC開發(fā)環(huán)境，除了上述優(yōu)秀的開發(fā)軟件之外，美國HP公司的HP-VEE和HPTIG平臺(tái)軟件，美國Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS軟件，以及美國的HEMData公司的Snap-Master平臺(tái)軟件，也是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件。當(dāng)今虛擬儀器的系統(tǒng)開發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的RS232串行總線、GPIB通用接口總線、VXI總線，以及已經(jīng)被PC機(jī)廣泛采用的USB串行總線和IEEE1394總線（即Firewire，也叫做火線）。世界各國的公司，特別是美國NI公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置，開發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件（插件），可以靈活的組建不同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。虛擬儀器開發(fā)商不僅注意使虛擬儀器能夠適應(yīng)各種通用計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)，使之為虛擬儀器服務(wù)，而且也注意建立各種儀器專用的總線系統(tǒng)。美國NI公司在1997年9月1日推出模塊化儀器的主流平臺(tái)PXI，這是與CompactPCI完全兼容的系統(tǒng)。這種虛擬儀器模塊化主流平臺(tái)PXI/CompactPCI的傳輸速度已經(jīng)達(dá)到100Mb/s。是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速度。虛擬儀器的開發(fā)廠家，為擴(kuò)大虛擬儀器的功能，在測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)模塊及其變換方面也做了很多工作，發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級(jí)分析庫和開發(fā)工具庫（例如測(cè)量結(jié)果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數(shù)據(jù)濾波器、卷積處理和相關(guān)函數(shù)處理、微積分、峰值和閾值檢測(cè)、波形發(fā)生噪聲發(fā)生、回歸分析、數(shù)值運(yùn)算、時(shí)域和頻域分析等），使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)。1．2．2國內(nèi)虛擬儀器的現(xiàn)狀在國內(nèi)已有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)、華中理工大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等。近一、兩年來這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。其中，華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)室將其開發(fā)成果在網(wǎng)上公開展示。四川聯(lián)合大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，研制了“航空電臺(tái)二線綜合測(cè)試儀”將8臺(tái)儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠檢驗(yàn)。主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率特性、負(fù)荷特性等。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)完后，就可打印出完整的檢測(cè)報(bào)告。此外，國內(nèi)已有幾家企業(yè)在研制PC虛擬儀器，哈工大儀器王電子有限責(zé)任公司就是其中之一，它的產(chǎn)品已達(dá)到一定的批量。其主要產(chǎn)品有數(shù)字存儲(chǔ)示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻率計(jì)系列、多通道大容量波形—記錄系列。國內(nèi)專家預(yù)測(cè)：未來幾年內(nèi)，我國將有50%的儀器為虛擬儀器。國內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。虛擬儀器技術(shù)的提出和發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)試儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。1．2．3虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì)虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。它可以取代測(cè)量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性和經(jīng)濟(jì)性，因而特別適應(yīng)于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高跟新的測(cè)量課題和測(cè)量需要?！皼]有測(cè)量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)。”虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。圖形化編程平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展和完善是虛擬儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。如何使用戶進(jìn)行少量的學(xué)習(xí)甚至不需要學(xué)習(xí)就可使用功能強(qiáng)大的虛擬儀器，如何使用構(gòu)成簡(jiǎn)單的虛擬儀器系統(tǒng)并完成復(fù)雜的測(cè)試內(nèi)容，如何幫助用戶對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和判斷等內(nèi)容，是虛擬儀器技術(shù)努力的方向。我國還基本處于傳統(tǒng)儀器與計(jì)算機(jī)化儀器互相分離的狀態(tài)，世界各大相關(guān)的產(chǎn)品商家都在向中國這個(gè)巨大的市場(chǎng)進(jìn)軍。結(jié)合我國的實(shí)際情況，我們必須走引進(jìn)與自行開發(fā)相結(jié)合的道路。一方面，大力引進(jìn)國外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術(shù)；另一方面，發(fā)展基于計(jì)算機(jī)的插卡式硬件模塊為主的測(cè)控技術(shù)，發(fā)展圖形化平臺(tái)的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)及測(cè)控技術(shù)硬件，縮短與國際先進(jìn)水平的差距。VXI總線將成為未來虛擬儀器的理想硬件平臺(tái)，這是由VXI總線的性能決定的；另一方面，基于PCI-DAQ的虛擬儀器系統(tǒng)由于性價(jià)比高、靈活性好而受到大多數(shù)用戶的青睞，將得到高速的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器將向高性能、多功能、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。1．3本文的研究內(nèi)容虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)（簡(jiǎn)稱硬件平臺(tái)）和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。硬件平臺(tái)主要完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的進(jìn)行調(diào)理和采集。儀器硬件可以是插入式數(shù)據(jù)采集卡及必要的外圍電路（含信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字I/O、定時(shí)器、D/A轉(zhuǎn)換器等），或者是帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器，如GPIB、VXI、PXI、STD、PCI總線儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器等。目前市場(chǎng)上的A/D采集卡和數(shù)據(jù)采集卡以及帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器等，其價(jià)格均不菲，以畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的來說，性價(jià)比以及實(shí)用程度顯的不高。進(jìn)而考慮到計(jì)算機(jī)中的聲卡本身就是一個(gè)A/D，D/A的轉(zhuǎn)化裝置，具有16位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率是44.1kHz，完成可以滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，個(gè)別性能指標(biāo)還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡，而價(jià)格卻為商用數(shù)據(jù)采集卡的十分之一或者幾十分之一，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中完全可以滿足要求。因此在本設(shè)計(jì)中，虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集裝置主要基于聲卡。利用聲卡實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，制作成一個(gè)簡(jiǎn)易的示波器，示波器能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)自動(dòng)測(cè)量及頻譜分析四大功能。虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)具有快30年的歷史，虛擬示波器作為虛擬儀器中的一種典型儀器，是儀器儀表、無線電通信、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域不可缺少的一部分。本論文開發(fā)了一臺(tái)虛擬示波器。本論文具體內(nèi)容安排如下：第一章，緒論：介紹虛擬儀器的概念、構(gòu)成及其優(yōu)勢(shì)，發(fā)展的現(xiàn)狀，和本文的研究內(nèi)容。第二章，虛擬示波器的原理：首先講述通用示波器的原理，過度到數(shù)字示波器的原理，進(jìn)而講述了基于聲卡的虛擬示波器的原理。第三章，虛擬示波器的設(shè)計(jì)：本章講解了軟、硬件的選取方案，詳細(xì)講述了軟件選擇LABVIEW，軟件選擇聲卡的理由。第四章，軟件模塊設(shè)計(jì)：本章是重點(diǎn)，詳細(xì)講述了各個(gè)功能模塊具體的實(shí)現(xiàn)過程，包括數(shù)據(jù)采集和處理、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、頻譜分析等模塊。第五章，程序設(shè)計(jì)顯示：本章給出了虛擬示波器系統(tǒng)性能的具體指標(biāo)，進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試，驗(yàn)證了虛擬示波器的實(shí)用性和優(yōu)越性。虛擬示波器的原理2．1示波器的基本原理示波器是利用電子射線的偏轉(zhuǎn)，來顯示電信號(hào)瞬時(shí)值圖象（常成為時(shí)間波形）的一種儀器。它能快速的把肉眼不能直接看見的電信號(hào)的時(shí)變規(guī)律，以可見的形式，形象的顯示出來。目前，示波器在信號(hào)測(cè)試、信號(hào)比較、邏輯分析等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。2．1．1示波器波形顯示原理在示波器的熒光屏上，顯示電壓波形的原理如下：被測(cè)電壓是時(shí)間的函數(shù)，在直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，可以用的曲線表示。示波器的兩副偏轉(zhuǎn)板使電子束在兩個(gè)互相垂直的方向偏轉(zhuǎn)，這兩個(gè)方向可以看成是坐標(biāo)軸。因此，要在管子的熒光屏上顯示被測(cè)電壓的波形，就必須使射線沿水平方向的偏轉(zhuǎn)同時(shí)間成正比，而在垂直方向同被測(cè)電壓成正比（每一瞬間）。所以，鋸齒波電壓加到水平偏轉(zhuǎn)板上，它迫使射線以恒定的速度從左向右沿水平方向偏轉(zhuǎn)。并且很快的返回到起始位置。射線沿水平軸經(jīng)過的距離跟時(shí)間成正比。被測(cè)電壓加到垂直偏轉(zhuǎn)板上，因而，每一瞬間射線的位置單值的對(duì)應(yīng)于這一瞬間被測(cè)信號(hào)的值。在鋸齒波電壓作用期間，射線就繪出了被測(cè)信號(hào)的曲線，示波器波形顯示原理如圖2-1所示。圖2-1示波器波形顯示原理以上圖形是鋸齒波的重復(fù)周期等于輸入信號(hào)周期整數(shù)倍的情況（一倍），熒光屏上顯示出的信號(hào)圖形是穩(wěn)定不動(dòng)的。如果不是整數(shù)倍，則每次出現(xiàn)的信號(hào)波形就不會(huì)重合，圖形將不斷移動(dòng)，不利于觀測(cè)。為了保證鋸齒波的周期等于輸入信號(hào)的整數(shù)倍，示波器必須具有同步或觸發(fā)電路。2．1．2通用示波器的組成部分現(xiàn)在示波器的簡(jiǎn)化方框圖如圖2-2所示。它主要由主機(jī)、Y軸系統(tǒng)、X軸系統(tǒng)三部分組成。圖2-2示波器的簡(jiǎn)化方框圖被測(cè)信號(hào)①接到“Y”輸入端，經(jīng)Y軸衰減器適當(dāng)衰減后送至Y1放大器（前置放大），推挽輸出信號(hào)②和③。經(jīng)延遲級(jí)延遲r1時(shí)間，到Y(jié)2放大器。放大后產(chǎn)生足夠大的信號(hào)④和⑤，加到示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板上。為了在熒屏上顯示出完整的穩(wěn)定波形，將Y軸的被測(cè)信號(hào)③引入X軸系統(tǒng)的觸發(fā)電路，在引入信號(hào)的正（或者負(fù)）極性的某一電平值產(chǎn)生觸發(fā)脈沖⑥，啟動(dòng)鋸齒波掃描電路（時(shí)基發(fā)生器），產(chǎn)生掃描電壓⑦。由于從觸發(fā)到啟動(dòng)掃描有一時(shí)間延遲r2，為了保證Y軸信號(hào)到達(dá)熒光屏之前X軸開始掃描，Y軸的延遲時(shí)間r1應(yīng)稍大于X軸延遲時(shí)間r2。掃描電壓⑦經(jīng)X軸放大器放大，產(chǎn)生推挽輸出⑨和⑩，加到示波管的X軸偏轉(zhuǎn)板上。Z軸系統(tǒng)用于放大掃描電壓正程，并且變成正向矩形波，送到示波管柵極。這使得在掃描正程顯示的波形有某一固定輝度，而在掃描回程進(jìn)行抹跡。1主機(jī)主機(jī)部分包括示波管、Z信道、電源和校準(zhǔn)器等。（1）陰極射線管（CRT）簡(jiǎn)稱示波管，是示波器的核心。它將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。下圖2-3是示波管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖2-3示波管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（2）Z信道又稱調(diào)亮信道，它將調(diào)亮電路送來的調(diào)亮信號(hào)送到示波管的控制柵極，使示波管在掃描正程時(shí)才出現(xiàn)射線的光跡。顯然，調(diào)亮信號(hào)應(yīng)該是一個(gè)持續(xù)時(shí)間同掃描正程相等的正方波電壓。（3）示波器的電源分為高壓電源和低壓電源兩種。低壓電源常采用典型的串聯(lián)調(diào)整式溫壓電路?，F(xiàn)代示波器的高壓電源大部分采用圖2-4所示直流-直流變換器方案。高頻振蕩器高頻振蕩器變換器整流器濾波器直流輸入電壓直流輸出電壓圖2-4直流—直流變換器它由高頻振蕩器產(chǎn)生近于方波的高頻振蕩，再用變壓器把它升壓到所需的電壓值，經(jīng)過整流和濾波，得到所需的直流電壓。這種用高頻產(chǎn)生高壓的方法，其優(yōu)點(diǎn)是：變壓器和濾波器可以做的較?。患y波電壓和噪聲都比較低；振蕩器的負(fù)載一旦加重，能自動(dòng)停振，有自動(dòng)保護(hù)的作用。（4）示波器主機(jī)中有一個(gè)固定頻率和幅度，并具有較高準(zhǔn)確度的內(nèi)部信號(hào)源。它可以是正弦波、方波或脈沖波，用于自校水平系統(tǒng)掃速和垂直系統(tǒng)靈敏度。2Y軸系統(tǒng)Y信道是被測(cè)信號(hào)通過的通道，因此，它需要足夠?qū)挼念l寬，帶內(nèi)的幅-頻特性應(yīng)平坦，相-頻特性為直線。Y信道主要包括探極、衰減器、倒相放大器、前置放大器、延遲線、輸出放大器等幾個(gè)部分。（1）示波器的探極是連接在外部的一個(gè)輸入電路部件，它的基本作用是便于在被測(cè)源上探測(cè)信號(hào)和提高示波器的輸入阻抗，從而展寬示波器的實(shí)際頻帶。（2）示波器的被測(cè)信號(hào)幅度變化范圍寬廣，小到幾十毫伏，大到幾百伏。為了保證垂直放大器正常工作，對(duì)大信號(hào)需要進(jìn)行衰減。為使信號(hào)不畸變，通常采用電阻電容分壓器，為了不影響被測(cè)信號(hào)電路原有工作狀態(tài)，衰減器的阻抗還必須足夠高。（3）由于示波管垂直偏轉(zhuǎn)板需要對(duì)稱電壓，即要求Y軸要對(duì)稱輸出，因此在前置放大器中設(shè)置倒相電路，將單端輸入信號(hào)變成對(duì)稱輸入信號(hào)。（4）前置放大器常用來將單端輸入信號(hào)變成雙端對(duì)稱信號(hào)輸出。它的增益要求不高，但是頻帶寬度要比整體的頻響指標(biāo)值還要寬廣，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)各種控制功能、增益微調(diào)、增益擴(kuò)展、變換極性和垂直移位等。（5）示波器的水平掃描鋸齒波信號(hào)起始點(diǎn)與觸發(fā)信號(hào)之間有一段延遲時(shí)間，為了觀測(cè)脈沖的前沿，就必須在Y軸放大器中插入延遲線，使被測(cè)信號(hào)起點(diǎn)和掃描信號(hào)起點(diǎn)同步。為此，延遲線在Y軸的頻帶寬度內(nèi)，要能無失真的滯后一段時(shí)候傳輸被測(cè)信號(hào)，滯后時(shí)間稱為延遲線的延遲時(shí)間（td）。示波器的延遲時(shí)間通常為60ns—200ns。為了防止延遲線傳輸信號(hào)產(chǎn)生反射，導(dǎo)致波形失真，它的特定阻抗必須與電路上的負(fù)載想匹配。（6）Y信道輸出放大器的主要作用是把延遲線送來的信號(hào)放大到足夠的幅度，以推動(dòng)示波管里的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生滿偏轉(zhuǎn)。因此，它應(yīng)有足夠的放大系數(shù)（一般為5—50，級(jí)數(shù)為1—3級(jí)）。大的動(dòng)態(tài)范圍，小的非線形失真以及良好的頻率特性和過渡特性。X軸系統(tǒng)X信道的主要作用是產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間線形變化的電壓（稱鋸齒波電壓）。將這個(gè)電壓放大到足夠的幅度，加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板，去控制射線沿水平方向從左向右隨時(shí)間線形偏轉(zhuǎn)，以形成時(shí)間基線（稱時(shí)基）。為了獲得穩(wěn)定的圖象，應(yīng)能選擇合適的同步或者觸發(fā)信號(hào)，并把它放大和形成觸發(fā)脈沖，去觸發(fā)時(shí)基閘門。因此，X信道應(yīng)包括時(shí)基發(fā)生器，觸發(fā)電路和X放大器等幾個(gè)部分。（1）時(shí)基發(fā)生器①掃描的種類掃描的方式有很多種，有直線掃描、圓掃描和螺旋掃描，在示波器中，幾乎都是采用直線掃描。直線掃描還可以分為連續(xù)掃描和出發(fā)掃描。連續(xù)掃描的掃描電壓就是周期性的鋸齒波電壓。如果用示波器研究研究脈沖過程，連續(xù)掃描就不適用了，必須用出發(fā)掃描。②時(shí)基電路與工作原理在現(xiàn)在示波器中，時(shí)基發(fā)生器由時(shí)基閘門、積分器（掃描電壓發(fā)生器）、電壓比較器和釋抑電路四個(gè)部分組成。它們構(gòu)成一個(gè)環(huán)形自控系統(tǒng)。時(shí)基電路方框圖如圖2-5所示。圖2-5時(shí)基電路方框圖（一）電壓比較器是確定掃描電壓幅度及其穩(wěn)定性的主要部件，如果說掃描電壓的起始時(shí)刻是由內(nèi)觸發(fā)脈沖決定，那么其終止時(shí)刻就應(yīng)由電壓比較器決定。時(shí)基閘門在觸發(fā)脈沖的作用下，打開掃描發(fā)生器中的開關(guān)管，開始掃描的正程。掃描電壓一方面送到X軸通道放大器推動(dòng)X軸偏轉(zhuǎn)板；另一方面送到電壓比較器與預(yù)定的電壓比較。當(dāng)掃描電壓和這個(gè)預(yù)定電壓相等時(shí)，電壓比較器產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，使時(shí)基閘門恢復(fù)到原始狀態(tài)，從而結(jié)束閘門脈沖，關(guān)閉掃描發(fā)生器中的開關(guān)管，產(chǎn)生掃描回程。（二）時(shí)基閘門是直接控制掃描發(fā)生器工作電路部件。它在觸發(fā)脈沖的作用下，使掃描發(fā)生器開始工作。掃描正程開始，當(dāng)掃描電壓達(dá)到一定的幅度后，它又在電壓比較器的作用下關(guān)閉掃描發(fā)生器，使掃描正程結(jié)束，開始掃描回程。當(dāng)掃描回程結(jié)束后，它又在釋抑電路的作用下接觸閉鎖狀態(tài)，使整個(gè)掃描發(fā)生器環(huán)處于等待狀態(tài)。（三）為了獲得穩(wěn)定的圖象，每一次掃描都必須在同樣的起始電平上開始，這一點(diǎn)就是由釋抑電路來保證的。掃描系統(tǒng)一旦被觸動(dòng)，釋抑電路就“抑制”觸發(fā)脈沖對(duì)掃描發(fā)生器的觸發(fā)作用，直到一次掃描過程結(jié)束。掃描電壓回到起始電平后，釋抑電路才“釋放”掃描電路，使它能夠再次被觸發(fā)脈沖搐動(dòng)。（2）觸發(fā)電路時(shí)基發(fā)生器是在觸發(fā)脈沖發(fā)生器的控制下工作。觸發(fā)脈沖發(fā)生器的主要任務(wù)是：把不同來源，不同波形，不同幅度和不同頻率的觸發(fā)信號(hào)變換成時(shí)基發(fā)生器所能接受的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)電路的作用就在于保證每次時(shí)基在屏幕的掃描的時(shí)候，時(shí)基掃描都從輸入信號(hào)上的一個(gè)精確確定的點(diǎn)開始。這個(gè)精確的掃描起始點(diǎn)由下述控制因素來決定：觸發(fā)電平、觸發(fā)斜率、觸發(fā)耦合。（3）X放大器X放大器的基本應(yīng)用，是作掃描電壓的放大；但在示波器X—Y方式工作時(shí)，又作X輸入信號(hào)的傳輸通道。2．2數(shù)字示波器的基本原理數(shù)字示波器用A/D變換器把模擬波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后存儲(chǔ)在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器RAM中，需要時(shí)，將RAM中存儲(chǔ)內(nèi)容調(diào)出，通過相應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換器，再恢復(fù)成模擬量顯示在示波管屏幕上。在這種示波器中，信號(hào)處理功能和信號(hào)顯示功能是分開的。其性能，包括精度和速度，完成取決于進(jìn)行信號(hào)處理的A/D、D/A變換器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。2．2．1數(shù)字示波器基本原理在數(shù)字示波器中，把輸入的被測(cè)模擬信號(hào)先送至A/D轉(zhuǎn)化器進(jìn)行取樣，量化和編碼，成為數(shù)字“1”、“0”碼，存儲(chǔ)到RAM中，這個(gè)過程稱為存儲(chǔ)器的“寫過程”。然后，再將這些“1”、“0”碼從RAM中依次取出按順序排列起來，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換使其包絡(luò)重現(xiàn)輸入模擬信號(hào)，這就是“讀過程”。在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中，采用適時(shí)取樣方式，可觀測(cè)單次信號(hào)；采用順序取樣或者隨即取樣方式，可觀測(cè)重復(fù)信號(hào)。理論分析指出，為了正確的觀測(cè)信號(hào)波形，只有恰當(dāng)?shù)倪x擇取樣頻率才能用所得的樣值脈沖序列恢復(fù)出原信號(hào)波形。取樣頻率過低會(huì)產(chǎn)生頻譜重疊效應(yīng)，造成波形失真，使示波器測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)明顯誤差。取樣定律證明，對(duì)于一個(gè)最高頻率為的信號(hào)，當(dāng)取樣頻率時(shí)，其取樣后所得到的脈沖序列將包括原信號(hào)的全部信息。稱為奈奎斯特頻率。當(dāng)取樣頻率等于輸入信號(hào)頻率時(shí)，顯示波形的頻率信息還能保留，但是幅度信息將大量損失。通過計(jì)算可以得到，當(dāng)一個(gè)周期中取樣點(diǎn)數(shù)N為4時(shí)，即取樣頻率時(shí)，失真波形的最大值是波形幅度的0.707，故數(shù)字示波器的等效帶寬為。若采用正弦內(nèi)插顯示，等效帶寬可達(dá)。2．2．2數(shù)字示波器基本方框圖數(shù)字存儲(chǔ)示波器的基本方框圖如圖2-6所示。圖2-6數(shù)字存儲(chǔ)示波器的基本方框圖Y輸入信號(hào)經(jīng)衰減放大后送至A/D轉(zhuǎn)換器，按“t/div”開關(guān)設(shè)定的取樣頻率下進(jìn)行變換，從而得到一串?dāng)?shù)據(jù)流，在控制邏輯電路的作用下寫入隨即存儲(chǔ)器RAM中。RAM的讀寫操作受R/W控制，當(dāng)RAM的讀寫控制R/W=0時(shí)，RAM進(jìn)行寫操作；當(dāng)R/W=1時(shí)，RAM進(jìn)行讀操作。RAM地址選擇器在RAM進(jìn)行寫操作時(shí)，將寫地址輸出選做RAM地址；讀操作時(shí)，則將讀地址輸出選做RAM地址。控制邏輯電路一旦接受到來自觸發(fā)放大器的觸發(fā)信號(hào)，就啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)寫入循環(huán)，產(chǎn)生寫功能信號(hào)送至RAM讀寫控制，同時(shí)使寫地址計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。寫地址計(jì)數(shù)器將順序遞增的寫地址送至存儲(chǔ)器，確保每組數(shù)據(jù)寫入至相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中去。不管數(shù)據(jù)用何種速度寫入存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的各數(shù)據(jù)均不相關(guān)的以固定的速度不斷讀出，且顯示時(shí)不產(chǎn)生閃爍。讀出數(shù)據(jù)送至垂直D/A變換電路，用做示波器Y顯示。同時(shí)一個(gè)以讀出速率遞增的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，輸出送至水平D/A轉(zhuǎn)換器，用做示波器X顯示。晶體振蕩器產(chǎn)生高精度、高穩(wěn)定性的時(shí)鐘。該時(shí)鐘由分頻電路產(chǎn)生與面板上“t/div”開關(guān)設(shè)置相對(duì)應(yīng)的取樣時(shí)鐘，去控制A/D轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器寫入。時(shí)基分頻電路也產(chǎn)生該脈沖，供讀地址計(jì)數(shù)器和顯示地址計(jì)數(shù)器，以產(chǎn)生穩(wěn)定階梯掃描電壓。2．3虛擬示波器的工作原理模擬信號(hào)經(jīng)同軸電纜進(jìn)入采集卡的輸入通道，經(jīng)過前置濾波電路、衰減電路、可變?cè)鲆娴姆糯箅娐?，將信?hào)處理成A/D轉(zhuǎn)換器可以處理的標(biāo)準(zhǔn)電平，經(jīng)過A/D采樣量化轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)并緩存到卡上的存儲(chǔ)器。其支持軟件通過PC機(jī)的PCI總線接口控制模擬通道的阻抗匹配、放大器的增益選擇、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換結(jié)束的識(shí)別，并將采集數(shù)據(jù)以DMA的方式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析處理、顯示、存儲(chǔ)及打印傳輸?shù)?。使用LABVIEW構(gòu)建基于聲卡的虛擬示波器的思路是很清晰的。實(shí)際的數(shù)據(jù)采集流程是：（1）初始化：對(duì)聲卡中與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的一些硬件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；（2）然后，聲卡開始采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)暫存在先進(jìn)先出的緩沖區(qū)中；（3）當(dāng)緩沖區(qū)存滿數(shù)據(jù)后，一方面將數(shù)據(jù)讀取到用戶程序的數(shù)組中，產(chǎn)生一個(gè)采集數(shù)據(jù)集合，并在程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理；（4）另一方面，得到緩沖區(qū)滿的消息后，通知聲卡暫時(shí)停止采集外部數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步清空緩存里的內(nèi)容。聲卡數(shù)據(jù)采集流程如圖2-7所示，這個(gè)流程與一般數(shù)據(jù)采集卡并無多大差別，這也是本設(shè)計(jì)的最基本的骨干。圖2-7聲卡數(shù)據(jù)采集流程圖虛擬示波器是采用基于計(jì)算機(jī)的虛擬技術(shù)，用以模擬通用示波器的面板操作和處理功能，也就是使用個(gè)人計(jì)算機(jī)及接口電路來采集現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室信號(hào)，并通過圖形用戶界面（GUI）來模仿示波器的操作面板，完成信號(hào)采集、調(diào)理、分析處理和顯示輸出等功能。我所設(shè)計(jì)的虛擬示波器，是在數(shù)據(jù)采集硬件的支持下，配備一定功能的軟件，完成波形的存儲(chǔ)、分析、顯示等功能。一般測(cè)試儀器由信號(hào)采集、信號(hào)處理和結(jié)果顯示三大部分組成，這三大部分均由硬件構(gòu)成。虛擬示波器也是由這三大部分組成，但是除了信號(hào)采集部分是由硬件實(shí)現(xiàn)之外，其它兩部分都是由軟件實(shí)現(xiàn)。我所設(shè)計(jì)的虛擬示波器總體上包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、頻譜分析、等幾大模塊組成，虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖如下2-8所示。信信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理波形顯示參數(shù)測(cè)量頻譜分析圖2-8示波器的結(jié)構(gòu)框圖虛擬示波器的設(shè)計(jì)虛擬示波器由儀器硬件和功能模塊軟件兩部分組成。本章將詳細(xì)討論對(duì)虛擬示波器設(shè)計(jì)時(shí)幾種方案的比較。3．1虛擬儀器創(chuàng)建過程創(chuàng)建虛擬儀器的過程大體分為以下五步：（1）需求分析。需求分析是借用軟件工程中的概念，其含義包括創(chuàng)建開發(fā)原型（明確實(shí)質(zhì)要解決的問題）、分析程序的可行性（包括成本、性能、風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)障礙）等。在創(chuàng)建開發(fā)原型的過程中，開發(fā)人員要與程序的最終使用人員進(jìn)行充分的交流。在此基礎(chǔ)上，程序開發(fā)人員對(duì)所要解決的問題有了大致的了解，甚至可以畫出一個(gè)系統(tǒng)的框圖，之后還要進(jìn)行程序的可行性分析，考慮選用器件的性價(jià)比、開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等。（2）軟、硬件的選擇。程序開發(fā)人員不必?fù)?dān)心操作系統(tǒng)的問題，目前的LABVIEW是一個(gè)支持多個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的軟件，Windows、PowerMacintosh、SunSPARCA工作站、HP工作站、Linux上都可以運(yùn)行。針對(duì)一些特殊的任務(wù)，LABVIEW還提供一些附加的工具包，非常方便。選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ甙鼘?huì)達(dá)到事半功倍的效果。在LABVIEW的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序庫中已經(jīng)包含了上千個(gè)免費(fèi)的驅(qū)動(dòng)程序（這些驅(qū)動(dòng)程序支持NI公司的硬件產(chǎn)品），還包括了世界上各大儀器廠商的大部分儀器的LABVIEW驅(qū)動(dòng)程序。如果沒有現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)程序，用戶也可以自己編寫。（3）設(shè)計(jì)用戶界面。用戶界面也稱GUI，即graphicaluserinterface。前面板必須簡(jiǎn)潔、易懂、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該滿足復(fù)雜工作要求。前面板上使用的顏色方案，要兼顧一致和鮮明。一致性包括：①一個(gè)VI程序的GUI之間要保持一致；②VI的GUI要與平時(shí)大家用的應(yīng)用程序色調(diào)一致。鮮明就是說：需要強(qiáng)調(diào)的部分一定要用顏色加以突出，體現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)程序的特點(diǎn)，減少用戶操作過程中犯錯(cuò)誤機(jī)會(huì)。（4）程序設(shè)計(jì)。拿到一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)后，首先要分解任務(wù)，把待設(shè)計(jì)任務(wù)分割成幾個(gè)大的模塊，然后把大的模塊再分解為一系列的功能，甚至可以分解到要用那些函數(shù)的程度；然后是尋求例程，參考例程可以避免重復(fù)前人做過的工作；接下來就是根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)選擇程序設(shè)計(jì)方法，自上而下或者自下而上。（5）程序測(cè)試。測(cè)試過程是項(xiàng)目開發(fā)的重要組成部分。測(cè)試應(yīng)該從底層的VI開始，然后再測(cè)試較大的模塊，最后進(jìn)行整體測(cè)試。測(cè)試中還要特別關(guān)注全局變量對(duì)程序的影響。此外，局部變量和屬性節(jié)點(diǎn)也要引起注意。對(duì)于高級(jí)程序員來說，還要考慮程序的性能如何，能否滿足速度與響應(yīng)的要求以及內(nèi)存的使用情況。3．2設(shè)計(jì)方案的比較3．2．1軟件比較在給定計(jì)算機(jī)必要的儀器硬件后，構(gòu)成和使用虛擬儀器的關(guān)鍵在于軟件。軟件為用戶提供了集成開發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。美國國家儀器公司提出的“軟件即儀器”（TheSoftwareistheInstrument）形象的概況了軟件在虛擬儀器技術(shù)中的重要作用。所以正確選擇軟硬件對(duì)程序開發(fā)和設(shè)計(jì)起著非常重要的作用。只有選擇了合適的軟硬件才能快速的開發(fā)出應(yīng)用軟件，才能事半功倍。對(duì)于虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫，大致可以分為兩種方式：（1）通用編程軟件進(jìn)行編寫。主要有Microsoft公司的VisualBasic與VisualC++，Borland公司的Delphi，Sybase公司的PowerBuilder。（2）用專業(yè)圖形化編程軟件開發(fā)。如HP公司的HP-VEE，NI公司的LABVIEWLabwindows/CVI等。具體選用哪一種軟件，應(yīng)該由編程者根據(jù)實(shí)際情況選擇。設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易虛擬示波器，在設(shè)計(jì)中必須考慮以下因素：開發(fā)成本低、執(zhí)行效率佳、程序彈性大、開放性架構(gòu)易于擴(kuò)充。LABVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）的簡(jiǎn)稱，是美國國家儀器公司（NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。LABVIEW的前面板可以包括旋鈕、刻度盤、開關(guān)、圖表和其他界面工具，允許用戶通過鍵盤或鼠標(biāo)獲取數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。LABVIEW具有模塊化特性，有利于程序的可重用性。LABVIEW將軟件的界面設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)獨(dú)立開來，修改人機(jī)界面無需對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)整，LABVIEW是利用數(shù)據(jù)流框圖接受指令，使程序簡(jiǎn)單明了，充分發(fā)揮了圖形化編程環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。這就大大縮短了虛擬儀器的開發(fā)周期、消除了虛擬儀器編程的復(fù)雜過程。而通用的編程軟件需利用組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟面板的設(shè)計(jì)，這使程序設(shè)計(jì)變得非常麻煩。LABVIEW雖然是為計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域開發(fā)的，但它的函數(shù)包含了一般高級(jí)計(jì)算機(jī)語言中的絕大多數(shù)程序控制功能。LABVIEW作為開發(fā)環(huán)境具有的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下所述：（1）圖形編程化，降低了對(duì)使用者編程經(jīng)驗(yàn)的要求，易于工程師使用；（2）采用面向?qū)ο蟮姆椒ê透拍?，有利于軟件的開發(fā)和再利用；（3）對(duì)象、框圖及其構(gòu)成的虛擬儀器在Windows，WindowsNT、UNIX等多平臺(tái)之間和各種PC機(jī)及工作站間兼容，便于軟件移植；（4）支持550多種標(biāo)準(zhǔn)總線設(shè)備及數(shù)據(jù)采集卡，如串行接口、GPIB、VXI等；（5）具有豐富的庫函數(shù)和例子，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序，用戶可以從例子中取得程序框架，便于提高開發(fā)速度；（6）具有比較完備的代碼接口，可調(diào)用Windows中的動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）中的函數(shù)以及C語言程序，以彌補(bǔ)自身的某些不足；（7）直接支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）、對(duì)象聯(lián)接與嵌入（OLE）、結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）、便于與其他Windows應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序接口；（8）支持TCP，UDP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，可遙控分布在其他微機(jī)上的虛擬儀器設(shè)備；（9）為加強(qiáng)LABVIEW的功能，適應(yīng)各種工業(yè)應(yīng)用的需要，NI公司又開發(fā)了一系列與LABVIEW配合使用的軟件包，如自動(dòng)測(cè)試工具、可連接25種數(shù)據(jù)庫的SQL工具、SPC分析函數(shù)工具、信號(hào)處理套件、PID控制工具、圖形控制工具等。在許多應(yīng)用程序中，運(yùn)行速度是至關(guān)重要的。LABVIEW是至今唯一帶有可以生產(chǎn)最佳編碼的編譯器的圖形化開發(fā)環(huán)境，運(yùn)行速度等同于編好的C或C++程序。因此LABVIEW是虛擬示波器設(shè)計(jì)的最佳選擇。3．2．2聲卡采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)商用數(shù)據(jù)采集卡具有較大的通用性，但其價(jià)格比較昂貴，在具體的應(yīng)用場(chǎng)合，有些功能可能并不實(shí)用。普通聲卡，具有16位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率是44.1kHz，完全可以滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，個(gè)別性能指標(biāo)還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡，而價(jià)格卻為商用數(shù)據(jù)采集卡的十幾分之一甚至幾十分之一。計(jì)算機(jī)中的聲卡本身就是一個(gè)A/D，D/A的轉(zhuǎn)化裝置，并且造價(jià)低廉，對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，在PC上完成虛擬示波器的任務(wù)，成本幾乎為0；性能穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)中完全可以滿足要求。因此在本設(shè)計(jì)中，該虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集裝置主要基于聲卡。1聲卡的作用從數(shù)據(jù)采集的角度看，聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡，是計(jì)算機(jī)與外部的模擬量間環(huán)境聯(lián)系的重要途徑。LABVIEW提供了操作聲卡的函數(shù)。聲卡的主要功能包括錄制與播放、編輯與合成處理、MIDI接口三個(gè)部分。（1）錄制與播放通過聲卡，人們可將來自話筒、收錄機(jī)等外部音源的聲音錄入計(jì)算機(jī)，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字文件進(jìn)行存儲(chǔ)和編輯等操作；人們也可以將數(shù)字文件還原成聲音信號(hào)，通過揚(yáng)聲器回放，例如為電子游戲配音，以及播放CD、VCD、DVD、MP3和卡拉OK等。注意，在錄制和回放時(shí)，不僅要進(jìn)行D/A和A/D轉(zhuǎn)換，還要進(jìn)行壓縮和解壓縮處理。（2）編輯和合成處理通過對(duì)聲音文件進(jìn)行多種特技效果的處理，包括加入回聲，倒放，淡入淡出，往返放音以及左右兩個(gè)聲道交叉放音等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種聲源音量的控制和混合。（3）MIDI（MusicalInstrumentDigitalInterface樂器數(shù)字接口）接口通過MIDI接口和波表合成，可以記錄和回放各種接近真實(shí)樂器原聲的音樂。從一般意義上來看，上述功能主要是數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理，很自然的就可以聯(lián)想到用聲卡實(shí)現(xiàn)示波器、信號(hào)處理器、頻譜分析儀等虛擬儀器。2聲卡的硬件結(jié)構(gòu)圖3-1是一個(gè)聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。一般聲卡有4-5個(gè)對(duì)外接口。其中，輸出接口有2個(gè)，分別是WareOut和SPKOut。WareOut（或LineOut）給出的信號(hào)沒有經(jīng)過放大，需要外接功率放大器，例如可以接到有源音箱；SPKOut給出的信號(hào)是通過功率放大的信號(hào)，可以直接接到喇叭上。這些接口可以用來作為雙通道信號(hào)發(fā)生器的輸出。圖3-1聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖輸入接口LineIn和MicIn的區(qū)別在于，后者可以接入較弱的信號(hào)，幅值大約為0.02-0.2V，顯然這個(gè)信號(hào)較易受干擾，因而常使用LineIn，它可以接入幅值約為不超過1.5V的信號(hào)。注意，這兩個(gè)輸入端口都有隔直電容，這意味著直流信號(hào)不能被聲卡所接受。多數(shù)聲卡的輸入也是雙通道的，但接入插頭線往往將這兩個(gè)通道短接成一個(gè)通道。另外這兩個(gè)通道是共地的。3聲卡的主要技術(shù)參數(shù)（1）采樣的位數(shù)采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這個(gè)數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音也就越真實(shí)。聲卡的位是指聲卡在采集和播放聲音文件時(shí)所使用的數(shù)字聲音信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)，它客觀的反映了數(shù)字聲音信號(hào)對(duì)輸入聲音信號(hào)描述的準(zhǔn)確度。例如，8位代表；16位的代表。比較之下，一段相同的音樂信息，16位聲卡能把它分為64000個(gè)精度單位進(jìn)行處理，而8位聲卡只能處理256個(gè)精度單位，最終采樣效果當(dāng)然是無法相提并論的。（2）采樣頻率目前，聲卡的最高采樣頻率為44.1kHz，少數(shù)達(dá)到48kHz。對(duì)于民用聲卡，一般將采樣頻率設(shè)為4檔，分別是44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz、8kHz。22.05kHz只能達(dá)到FM廣播的聲音品質(zhì)；44.1kHz是理論上的CD音質(zhì)界限，48kHz則更好一些。對(duì)20kHz范圍內(nèi)的音頻信號(hào)，最高的采樣頻率才48kHz，雖然理論上沒有問題，但似乎余量不大。使用聲卡比較大的局限在于，它不允許用戶在最高采樣頻率之下隨意設(shè)定采樣頻率，而只能分為4檔設(shè)定。這樣雖然可使制造成本降低，但卻不便于使用。用戶基本上不可能控制整周期采樣，只能通過信號(hào)處理的方法來彌補(bǔ)非整周期采樣帶來的問題。（3）緩沖區(qū)與一般數(shù)據(jù)采樣卡不同，聲卡面臨的D/A和A/D任務(wù)通常是連續(xù)狀態(tài)的。為了在一個(gè)簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)下較好的完成某個(gè)任務(wù)，聲卡緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)有其獨(dú)到之處。為了節(jié)省CPU資源，計(jì)算機(jī)的CPU并不是每次聲卡A/D或D/A結(jié)束后都要響應(yīng)一次中斷，而是采用了緩沖區(qū)的工作方式。在這種工作方式下，聲卡的A/D、D/A都對(duì)某一緩沖區(qū)進(jìn)行操作。以輸入聲音的A/D變換為例，每次轉(zhuǎn)換完畢后，聲卡控制芯片都將數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)，待緩沖區(qū)滿時(shí)，發(fā)出中斷給CPU，CPU響應(yīng)中斷后一次性將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)全部讀走。計(jì)算機(jī)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)所用時(shí)間極短，不會(huì)影響A/D變換的連續(xù)性。緩沖區(qū)的工作方式大大降低了CPU響應(yīng)中斷頻度，節(jié)省了系統(tǒng)資源。聲卡輸出聲音是的D/A變換也是類似的。一般聲卡使用的緩沖區(qū)長度的默認(rèn)值是8KB（8192字節(jié)）。這是由于對(duì)x86系列處理器來說，在保護(hù)模式（Windows等系統(tǒng)使用的CPU工作方式）下，內(nèi)存以8KB為單位被分成很多頁，對(duì)內(nèi)存的任何訪問都是按頁進(jìn)行，CPU保證了讀寫8KB長度的內(nèi)存緩沖區(qū)時(shí)，速度足夠快，并且一般不會(huì)被其他外來事件打斷。設(shè)置8192字節(jié)或其整數(shù)倍（例如32768字節(jié)）大小的緩沖區(qū)，可以較好的保證聲卡與CPU的協(xié)調(diào)工作。（4）沒有基準(zhǔn)電壓聲卡不提供基準(zhǔn)電壓，因此無論是D/A還是A/D在使用時(shí)，都需要用戶自己參照基準(zhǔn)電壓進(jìn)行標(biāo)定。4聲卡的頻率范圍與頻率響應(yīng)人耳對(duì)頻率的感覺從20Hz到20kHz之間，而聲卡的頻率響應(yīng)上限范圍在20kHz。3．3LABVIEW中有關(guān)聲卡函數(shù)介紹LABVIEW中提供了一系列使用Windows底層函數(shù)編寫的與聲卡有關(guān)的函數(shù)。這些函數(shù)集中在圖3-3所示的為LABVIEW中Graphics&Sound的函數(shù)中Sound函數(shù)中的Input函數(shù)。由于使用Windows底層函數(shù)（不用更高級(jí)方便的MCI函數(shù)以及DirectX接口）直接與聲卡驅(qū)動(dòng)程序打交道，因而封裝程序低，速度快，而且可以訪問，采集緩沖區(qū)中任意位置的數(shù)據(jù)，具有很大靈活性，能夠滿足實(shí)時(shí)不間斷采集的需要。圖3-3LABVIEW中的sound函數(shù)的Input函數(shù)在本設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用到LABVIEW中Graphics&Sound的函數(shù)中Sound函數(shù)中的Input這個(gè)子模塊。表3-1是LABVIEW中Graphics&Sound的函數(shù)中Sound函數(shù)中的Input中提供的函數(shù)。表3-1Input函數(shù)簡(jiǎn)介函數(shù)名稱功能說明configure該函數(shù)的主要功能是設(shè)置聲卡中與數(shù)據(jù)采集有關(guān)的一些硬件參數(shù)，如采樣率，數(shù)據(jù)格式，緩沖區(qū)長度等。聲卡的采樣率由內(nèi)部時(shí)鐘控制，只有3-4種固定頻率可選，一般將采樣頻率設(shè)置為44100HZ，數(shù)據(jù)格式設(shè)置為16bit。緩沖區(qū)長度可選默認(rèn)值。start該函數(shù)用于通知聲卡開始采集外部數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)會(huì)被暫存在緩沖區(qū)中，這一過程無需程序干預(yù)，由聲卡硬件使用MDA直接完成，保證了采集過程的連續(xù)性。read該函數(shù)用于等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息。當(dāng)產(chǎn)生這一消息時(shí)，它將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容讀取到用戶程序的數(shù)組中，產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)采樣集合。若計(jì)算機(jī)的速度不夠快，使得緩沖區(qū)內(nèi)容被覆蓋，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤信息。這時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)緩沖區(qū)的大小，在采樣時(shí)間和數(shù)據(jù)讀取之間找到一個(gè)理想的平衡點(diǎn)。stop該函數(shù)用于通知聲卡停止采集外部數(shù)據(jù)。已采集而未被讀出的數(shù)據(jù)會(huì)留在緩沖區(qū)中，可以使用read函數(shù)一次讀完。clear該函數(shù)用于完成最終的清理工作。例如關(guān)閉聲卡采樣通道，釋放請(qǐng)求的一系列系統(tǒng)資源（包括MDA，緩沖區(qū)內(nèi)存，聲卡端口等）。軟件模塊的設(shè)計(jì)在本章中詳細(xì)介紹各個(gè)功能模塊及其生成過程。4.1程序的流程圖程序流程框圖如圖4-1所示：初始化初始化聲卡信號(hào)采集波形顯示參數(shù)顯示LABVIEW模塊圖4-1虛擬示波器程序流程圖流程圖簡(jiǎn)介：首先對(duì)設(shè)計(jì)中運(yùn)用到的模塊進(jìn)行初始化，然后通過聲卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，把采集到的信號(hào)送入LABVIEW模塊中，通過LABVIEW模塊的程序運(yùn)行下，把采集到的信號(hào)通過圖形的形式，把波形顯示出來。通過波形的顯示，最后把波形的其他參數(shù)以數(shù)字的形式都顯示出來。4．2程序的結(jié)構(gòu)圖程序的結(jié)構(gòu)圖如圖4-2所示：聲卡聲卡參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻譜分析參數(shù)顯示波形顯示函數(shù)信號(hào)發(fā)生器圖4-2程序的結(jié)構(gòu)圖4．3LABVIEW簡(jiǎn)介LABVIEW是（實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)）是一個(gè)程序開發(fā)環(huán)境。它類似于VisualBasic，VisualC++。但是LABVIEW的特點(diǎn)在于：它使用圖形化編程語言G在流程圖中創(chuàng)建源程序，而沒有使用基于的文本語言來產(chǎn)生源程序代碼。LABVIEW是一個(gè)多線程、最佳化的圖形編譯器，它能在最大程度上優(yōu)化系統(tǒng)的性能。無論是使用基于計(jì)算機(jī)的插入式儀器設(shè)備，還是使用GPIB，VXI，Ethernet接口或是串口的獨(dú)立儀器設(shè)備，LABVIEW內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)程序庫和具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件都可以對(duì)儀器系統(tǒng)進(jìn)行全面的控制。LABVIEW的數(shù)據(jù)采集庫包含了許多有關(guān)采集和生成數(shù)據(jù)的函數(shù)，它們與NI的插卡式或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品協(xié)同工作。數(shù)據(jù)采集卡是進(jìn)行高速直接控制以及低速控制的理想設(shè)備。它能夠?yàn)榧墒綔y(cè)量方案提供功能強(qiáng)大且完備的測(cè)量分析庫，這些軟件庫可以完成極限測(cè)試、頻率分析、濾波及信號(hào)生成等任務(wù)。LABVIEW具有許多特性，能使測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用方案完成適用于用戶企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營，能將應(yīng)用方案以網(wǎng)頁的形式發(fā)表，或在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。LABVIEW擁有完整的Web服務(wù)器，可以隨時(shí)發(fā)布測(cè)量結(jié)果。LABVIEW專業(yè)版開發(fā)系統(tǒng)包括應(yīng)用程序生成器（ApplicationBuilder），可以創(chuàng)建并發(fā)布獨(dú)立的可執(zhí)行程序、共享庫或動(dòng)態(tài)連接庫（DLL）。使用共享庫可以使開發(fā)的應(yīng)用程序代碼進(jìn)行重新使用。DLL提供最大的靈活性，可以將LABVIEW與其他開發(fā)工具如VB，VC和NI的MeasurementStudio結(jié)合起來。LABVIEW應(yīng)用程序生成器可以創(chuàng)建安裝程序，以便在Windows環(huán)境中執(zhí)行可運(yùn)行程序。4．3．1G語言簡(jiǎn)介LABVIEW是一個(gè)功能比較完整的軟件開發(fā)環(huán)境，但它是為代替常規(guī)的BASIC和C語言設(shè)計(jì)的，它是一種編程語言而不僅僅是一個(gè)軟件開發(fā)環(huán)境。它除了編程方式不同外，具有編程語言的所有特點(diǎn)，稱之為圖形化編程語言（簡(jiǎn)稱G語言）。G語言是一種適合應(yīng)用于編程任務(wù)，具有擴(kuò)展函數(shù)庫的通用編程環(huán)境。和BASIC和C語言一樣，G語言也定義了數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用語法規(guī)則等編程語言的基本要素，在功能完整性和應(yīng)用靈活性上不遜于任何高級(jí)語言，同時(shí)G語言豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫還為用戶編程提供了極大的方便。G語言與傳統(tǒng)高級(jí)編程語言最大的差別在于編程方式一般高級(jí)語言采用文本編程，而G語言采用圖形化編程語言。G語言是LABVIEW的核心，熟練掌握G語言的編程要素和語法規(guī)則，是開發(fā)LABVIEW應(yīng)用程序的最重要的基礎(chǔ)。4．3．2LABVIEW程序組成該環(huán)境包括三個(gè)部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接端口。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（Controls），為虛擬儀器的框圖程序提供數(shù)據(jù)；輸出量被稱為顯示（Indicators），顯示虛擬儀器流程圖中產(chǎn)生或獲得的數(shù)據(jù)。控制和顯示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用LABVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由節(jié)點(diǎn)（Node）、數(shù)據(jù)連線（Wire）構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)是VI程序中的執(zhí)行元素，類似于文本編程語言程序中的語句、函數(shù)或子程序。節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)連線按照一定的邏輯關(guān)系相互連接，可定義框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與前面板對(duì)象之間是同數(shù)據(jù)端口和數(shù)據(jù)連線來傳遞數(shù)據(jù)的。數(shù)據(jù)端口是數(shù)據(jù)在前面板對(duì)象和框圖程序之間傳輸?shù)耐ǖ?，是?shù)據(jù)在框圖程序內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)慕涌?。LABVIEW中有三種類型的數(shù)據(jù)端口：控制端口和指示端口以及節(jié)點(diǎn)端口?？刂贫丝诤椭甘径丝谟糜谇懊姘鍖?duì)象，當(dāng)VI程序運(yùn)行時(shí)，從控制輸入的數(shù)據(jù)通過控制端傳遞到框圖程序，供其中的程序使用，產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)再通過指示端口傳輸?shù)角懊姘鍖?duì)應(yīng)的指示中顯示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)端口都有一個(gè)或數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)端口用于輸入或輸出。LABVIEW采用的一種獲得專利的數(shù)據(jù)流編程模式。這不同于基于文本的編程語言的線形結(jié)構(gòu)，不同于執(zhí)行一個(gè)傳統(tǒng)的控制流方法。控制流執(zhí)行的是指令驅(qū)動(dòng)，而數(shù)據(jù)流執(zhí)行的是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)或依賴數(shù)據(jù)的。但一個(gè)虛擬儀器的圖標(biāo)被放置在另一個(gè)虛擬儀器的流程圖中時(shí)，它就是一個(gè)子儀器。圖標(biāo)連接端口可以把VI變成一個(gè)SubVI，然后象子程序一樣在其他程序中調(diào)用。圖標(biāo)是SubVI的直觀標(biāo)記，是SubVI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式，而連接端口則表示該SubVI與調(diào)用它的VI之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的輸入/輸出口，就象傳統(tǒng)編程語言子程序的參數(shù)。4．4數(shù)據(jù)采集和處理模塊數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬示波器軟件的硬件驅(qū)動(dòng)部分，在這里主要是利用LABVIEW里面的聲卡函數(shù)完成聲卡的硬件參數(shù)設(shè)置、啟動(dòng)聲卡采集數(shù)據(jù)、等待采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息、通知聲卡停止采集等任務(wù)。具體的數(shù)據(jù)采集流程是：（1）初始化；對(duì)聲卡中與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的一些硬件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；（2）然后，聲卡開始采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)暫存在先進(jìn)先出的緩沖區(qū)中；（3）當(dāng)緩沖區(qū)存滿數(shù)據(jù)后，一方面將數(shù)據(jù)讀取到用戶程序的數(shù)組中，產(chǎn)生一個(gè)采樣數(shù)據(jù)集合，并在程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理；（4）另一方面，得到緩沖區(qū)滿的消息后，通知聲卡暫時(shí)停止采集外部數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步清空緩存里的內(nèi)容。如圖4-3所示，為數(shù)據(jù)采集模塊。圖4-3數(shù)據(jù)采集模塊程序說明：在LABVIEW軟件中，對(duì)于聲卡的聲道可以分為mono8-bit（單聲道8位），mono16-bit（單聲道16位），stereo8-bit（立體聲8位）和stereo16-bit（立體聲16位）。其中，16位聲道比8位聲道采樣信號(hào)的質(zhì)量好，立體聲（stereo）比單聲道（mono）采樣信號(hào)好，最好的采樣通道形式是stereo16-bit，這樣采樣的波形穩(wěn)定，而且干擾小。另外，用單聲道采樣，左右聲道信號(hào)都相同，而且每個(gè)聲道的幅值只有原信號(hào)幅值的1/2；采用立體聲采樣，左右聲道互不干擾，可以采兩路不同的信號(hào)，而且采樣的信號(hào)幅值與原幅值相同。當(dāng)然，還有一個(gè)重要的原因是，如果選擇mono（單聲道），SI出來的數(shù)據(jù)是標(biāo)量，不能組成數(shù)組，進(jìn)而不便于數(shù)據(jù)的各種處理。所以在設(shè)計(jì)中我采用stereo16-bit進(jìn)行雙聲道采樣。聲卡的采樣頻率（rate）有4種選擇，即8000Hz，11025Hz，22050Hz和44100Hz，采樣頻率不同，采到的波形的質(zhì)量也不同，應(yīng)視具體情況采用合適的頻率，在設(shè)計(jì)中，為了得到良好的演示效果，我采用了44100Hz的采樣頻率。而在采樣率的選擇方面，我采用了一個(gè)case循環(huán)，目的是在采樣率為44100Hz的條件下，在循環(huán)內(nèi)產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)。這個(gè)在后面波形產(chǎn)生模塊中進(jìn)行詳細(xì)解釋。主要操作說明；在blockdiagram：Functions→Graphics&Sound→Sound→SoundInput選擇SoundInput函數(shù)。1）Functions→Structures→WhileLoop選擇While循環(huán)。2）Functions→Structure→Case選擇Case循環(huán)。3）右鍵點(diǎn)擊SIConfig函數(shù)的SoundFormat輸入，選擇createcontrol，自動(dòng)生成SoundFormat簇類型控鍵。其中包含三項(xiàng)數(shù)據(jù)，分別為：soundquality；rate；bitspersample。4）右鍵點(diǎn)擊SIConfig函數(shù)的BufferSize輸入，選擇createcontrol，自動(dòng)生成無符號(hào)長整數(shù)類型的控鍵。5）Functions→Cluster→Unbundle選擇Unbundle函數(shù)。對(duì)輸入簇Cluster進(jìn)行解包。當(dāng)接入cluster輸入?yún)?shù)后，輸出端子數(shù)自動(dòng)調(diào)整為與cluster元素?cái)?shù)目相同。4．6頻譜分析模塊頻譜分析模塊程序框圖如圖4-2所示：圖4-2頻譜分析模塊程序說明：頻譜分析模塊，它的作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。實(shí)現(xiàn)一個(gè)FFT運(yùn)算。主要利用了FFTSpectrum函數(shù)。FFTSpectrum函數(shù)的功能為計(jì)算一個(gè)時(shí)間信號(hào)的平均FFTSpectrum。其結(jié)果是返回一個(gè)幅值或相位值。主要操作說明：在blockdiagram：Functions→SignalProcessing→WfmMeasure→FFTSpectrum選擇FFTSpectrum函數(shù)。程序設(shè)計(jì)顯示5．1虛擬示波器的性能指標(biāo)5．1．1控制面板本論文設(shè)計(jì)的虛擬示波器控制面板如圖5-1所示圖5-1虛擬示波器控制面板5．1．2示波器的性能指標(biāo)1采樣頻率系統(tǒng)能測(cè)試到的最高頻率與電路所選器件的性能有關(guān)，本論文選用聲卡的最高采樣頻率為44.1KHz，根據(jù)采樣定理，所能測(cè)試模擬信號(hào)的最高頻率為22KHz。考慮到聲卡本身采集質(zhì)量問題，實(shí)際測(cè)試的模擬信號(hào)的最高頻率為2.5KHz。2采樣精度系統(tǒng)采樣精度與電路所選器件的位數(shù)有關(guān)，設(shè)計(jì)中選用16位采樣的聲卡，采樣精度為，分辨率約為0.0015%。3實(shí)時(shí)帶寬：2KHz。5．2程序的總框圖程序的總框圖如圖5-2所示5-2程序的總框圖總框圖說明：信號(hào)通過聲卡采集進(jìn)虛擬器中，通過聲卡的基本設(shè)置，設(shè)置聲卡的一些基本參數(shù)，聲卡的采樣頻率不能太低，如果頻率太低，采集過程中，不能連續(xù)的采集，示波器的輸出就會(huì)中斷。聲卡采集完信號(hào)數(shù)據(jù)后，聲卡開始讀取數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的讀取，虛擬示波器把波形顯示出來；在波形顯示的過程中，虛擬示波器還能通過頻譜分析，對(duì)波形的幅頻和相頻分析，顯示虛擬示波器的幅頻特性和相頻特性；最后再把頻率、幅頻、相頻的數(shù)據(jù)通過數(shù)組的分析，也顯示出來。在讀區(qū)