基于LabVIEW的數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)

緒論1.1研究背景與意義傳統(tǒng)儀器的功能都由生產(chǎn)廠家給定而用戶不可隨意改動(dòng)，儀器笨重不易移動(dòng)且耗費(fèi)的資金巨大，技術(shù)更新卻很慢。國(guó)外同類儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性均高于國(guó)內(nèi)，但是如果這些高檔儀器都必須從國(guó)外進(jìn)口的話，將耗費(fèi)我國(guó)大量外匯，同時(shí)還不能滿足國(guó)內(nèi)所需的各種功能，這在某種程度上也造成了一種浪費(fèi)，考慮到我國(guó)目前的局面，研制出智能化程度高、費(fèi)用低、可用戶自定義的數(shù)字示波器是形勢(shì)所需。因此，論文將設(shè)計(jì)一款新型示波器：虛擬數(shù)字示波器。將虛擬儀器的軟硬件相結(jié)合，使其能具有傳統(tǒng)示波器所沒有的優(yōu)點(diǎn)，比如其顯示出來的波形將可以以數(shù)據(jù)文件的形式存儲(chǔ)起來，加上它成本低廉以及可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行功能擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)，使得它的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)更具有開發(fā)的價(jià)值。1.2數(shù)字示波器的發(fā)展?fàn)顩r數(shù)字示波器是一種電子測(cè)量?jī)x器，它具備使用便捷、穩(wěn)定性能好、耐用性能強(qiáng)等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字示波器自上個(gè)世紀(jì)七十年代誕生以來，發(fā)展到現(xiàn)在，大致可分為四代：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器、虛擬儀器。模擬示波器是最原始出現(xiàn)的示波器，它所用的是模擬電路（示波管，其根本是電子槍）電子槍向屏幕發(fā)射電子，發(fā)射出的電子可以被聚焦成電子束，然后再打在屏幕上，因?yàn)槠聊坏膬?nèi)表面是先涂有熒光物質(zhì)的，所以電子束所打到的位置就會(huì)發(fā)出亮光。它的優(yōu)勢(shì)在于操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)更新快、實(shí)時(shí)帶寬和實(shí)時(shí)顯示以及垂直分辨率高。缺點(diǎn)在于它的極限頻率大概為1GHz，而它能顯示的頻率范圍受CRT的限制，在低頻處，被測(cè)信號(hào)以明亮而緩慢的點(diǎn)移動(dòng)，這使得波形的觀察有難度；而在高頻處，則受CRT的寫速度的限制，如果被測(cè)信號(hào)的頻率超出CRT的寫速度，那么波形則顯得尤其暗淡，而難以分辨。模擬示波器示例圖如圖1所示。圖1模擬示波器虛擬示波器是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合具有強(qiáng)大功能的軟件來完成測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用，軟件是它的核心部分。它的優(yōu)勢(shì)很多，比如性價(jià)比高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)效率高以及用戶自定義。但是它也有不足之處，比如在使用虛擬示波器的時(shí)候要注意區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，在測(cè)量時(shí)一定要考慮其數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，不然會(huì)產(chǎn)生較大的誤差；還有就是它的采樣速率，根據(jù)奈奎斯特定理，采樣速率至少要是信號(hào)高頻部分的兩倍，也就是說如果采樣速率達(dá)不到的話，就會(huì)發(fā)生混迭現(xiàn)象。虛擬示波器示例圖如圖2所示。圖2虛擬示波器近些年電子技術(shù)取得突破性的發(fā)展，而這種迅猛發(fā)展的趨勢(shì)也催生了更龐大的數(shù)字示波器需求市場(chǎng)，使得數(shù)字示波器的發(fā)展更趨向于不斷滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、功能集成趨勢(shì)更加明顯以及設(shè)計(jì)更加美觀且便于移動(dòng)。1.3虛擬儀器1.3.1虛擬儀器簡(jiǎn)介虛擬儀器是電子通訊技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)在飛速發(fā)展的情況下經(jīng)過多年的應(yīng)用和創(chuàng)新而催生出來的產(chǎn)物，基于計(jì)算機(jī)這個(gè)平臺(tái)，它有虛擬面板，用戶可根據(jù)自己的需求來設(shè)計(jì)和定義自己所需要的功能，是目前世界上唯一一種編譯型圖形化編程語(yǔ)言。虛擬儀器的工作原理是“數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析、結(jié)果表達(dá)”。它一般由軟件和硬件兩大部分構(gòu)成，硬件一般包括計(jì)算機(jī)和外圍硬件設(shè)備；軟件一般包括操作系統(tǒng)、儀器驅(qū)動(dòng)器和應(yīng)用軟件。儀器驅(qū)動(dòng)器是處理與特定儀器進(jìn)行控制通信的一種軟件，它不僅是虛擬儀器的核心，也是用戶完成對(duì)儀器硬件控制的紐帶和橋梁。1.3.2虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器對(duì)比傳統(tǒng)儀器固定的面板上安裝了各種操作原件，看上去錯(cuò)綜復(fù)雜，識(shí)別起來和操作起來都可能造成很多錯(cuò)誤，而虛擬儀器有前面板和后面板，可以借助多個(gè)面板來實(shí)現(xiàn)和傳統(tǒng)儀器一樣的功能，同時(shí)又使得操作變得更加簡(jiǎn)單，界面也變得清晰，這樣就方便了使用者快速高效地完成操作。其次，傳統(tǒng)儀器更新的方法只有不斷購(gòu)買新型儀器，耗費(fèi)大量資金不說，還笨重，而虛擬儀器利用其可升級(jí)性和可擴(kuò)展性就只需要不斷更新相關(guān)軟件即可達(dá)到功能擴(kuò)展的要求。1.4研究?jī)?nèi)容以LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺(tái)，課題將設(shè)計(jì)一款新型虛擬數(shù)字示波器，通過程序框圖和前面板的設(shè)計(jì)來制作課題所需要的示波器。研究的主要內(nèi)容如下：（1）設(shè)置兩個(gè)通道，分別給兩個(gè)通道賦予不同的信號(hào)類型，實(shí)現(xiàn)雙蹤。（2）完成其硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)波形顯示、通道選擇、電平幅度調(diào)節(jié)、掃描周期選擇、觸發(fā)控制等功能。（3）實(shí)現(xiàn)仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。1.5文章結(jié)構(gòu)安排第一章-緒論，介紹了論文的課題意義，數(shù)字示波器的歷史進(jìn)程和課題的設(shè)計(jì)思路。第二章-虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)述了虛擬儀器的發(fā)展現(xiàn)狀、LabVIEW的開發(fā)前景和示波器的設(shè)計(jì)方案。第三章-數(shù)字示波器的前面板設(shè)計(jì)，介紹了前面板所需要的模塊、各個(gè)模塊的功能、整體前面板的設(shè)計(jì)。第四章-數(shù)字示波器的后面板設(shè)計(jì)，介紹了后面板所需要的模塊、各個(gè)模塊的程序框圖、整體后面板的設(shè)計(jì)。第五章-數(shù)字示波器的仿真與調(diào)試，設(shè)計(jì)并確定程序沒有錯(cuò)誤之后，選擇不同的信號(hào)類型進(jìn)行仿真，選擇相對(duì)應(yīng)的前面板的按鈕來進(jìn)行電平幅度調(diào)節(jié)、通道選擇、掃描周期選擇、觸發(fā)控制等，實(shí)現(xiàn)仿真，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

2虛擬數(shù)字示波器設(shè)計(jì)方案2.1LabVIEW2.1.1LabVIEW簡(jiǎn)介虛擬儀器（簡(jiǎn)稱VI），其概念最初是由美國(guó)NI公司于1986年提出來的，實(shí)質(zhì)是充分利用最新的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，其最大優(yōu)勢(shì)在于可由用戶自己定義儀器功能。它是一種圖形化編程語(yǔ)言，利用這種語(yǔ)言來編程的話可以省去很多麻煩，使得整個(gè)過程簡(jiǎn)捷又有趣，因?yàn)榭梢圆挥脤懗绦虼a，而是只需要畫流程框圖就可以了，這是它尤為重要的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。LabVIEW是一個(gè)面向終極用戶的工具，它可以提升用戶構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，利用它進(jìn)行設(shè)計(jì)制作、測(cè)試與測(cè)量自動(dòng)化應(yīng)用的時(shí)候，能夠替用戶省去很多不必要的麻煩，提高效率。2.1.2LabVIEW的優(yōu)勢(shì)LabVIEW利用“可見即可得”的可視化技術(shù)來建立人機(jī)界面，用圖標(biāo)來表示功能模塊，用圖標(biāo)之間的連線來表示各模塊間的數(shù)據(jù)傳遞。其優(yōu)勢(shì)是：(1)圖形化的編程方式不需要寫任何文本格式的代碼，不用受語(yǔ)言嚴(yán)謹(jǐn)性的約束，而只要連接各個(gè)圖標(biāo)就可以了。(2)LabVIEW的兼容性使得它能與其他編程語(yǔ)言并存，并提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)，功能強(qiáng)大。(3)圖形化語(yǔ)言使得編程更加簡(jiǎn)單、直觀、而且開發(fā)速度快。(4)強(qiáng)大的Internet功能，可以連接互聯(lián)網(wǎng)。(5)LabVIEW不像傳統(tǒng)儀器那樣需要耗費(fèi)大量資金不斷更新設(shè)備，而只需要不斷更新相關(guān)軟件就可以達(dá)到擴(kuò)展功能的目的，節(jié)約資金。(6)LabVIEW體現(xiàn)了一種“數(shù)據(jù)流”的概念。(7)LabVIEW中的程序自帶了語(yǔ)句檢測(cè)功能，在編程中如果出了差錯(cuò)，它都會(huì)通過最簡(jiǎn)單的提示來告知用戶錯(cuò)在何處，從而達(dá)到降低程序易錯(cuò)性的目的。2.2設(shè)計(jì)方案2.2.1虛擬數(shù)字示波器的軟件功能框圖課題要求設(shè)計(jì)的虛擬數(shù)字示波器要求其前面板有波形顯示、通道選擇、電平幅度調(diào)節(jié)、掃描周期選擇、觸發(fā)控制等功能，波形顯示可選擇方波、正弦波、三角波、鋸齒波等多種波形，在程序框圖設(shè)計(jì)面板上選擇不同的波形，點(diǎn)擊高亮運(yùn)行程序，最后采集到的波形會(huì)在虛擬數(shù)字示波器的前面板上顯示出來。虛擬數(shù)字示波器的軟件功能框圖如圖3所示。圖3虛擬數(shù)字示波器軟件功能框圖各個(gè)模塊在主面板上都有相對(duì)應(yīng)的按鈕，當(dāng)按下這些按鈕的時(shí)候就執(zhí)行各模塊相對(duì)應(yīng)的子程序，因?yàn)椴煌男盘?hào)有不同的波形顯示，所以最終的結(jié)果將根據(jù)信號(hào)的不同將波形顯示在主面板上。通道選擇就是通過改變通道的信號(hào)類型，來觀察波形的改變情況；電平幅度調(diào)節(jié)是指改變信號(hào)波形的幅度，然后觀察波形的變化；掃描周期選擇就是通過改變時(shí)基來觀察波形的形狀變化；觸發(fā)控制就是為了使掃描信號(hào)與被測(cè)信號(hào)同步，設(shè)定一些條件，將被測(cè)信號(hào)不斷的與這些條件相比較，直到掃描信號(hào)的頻率與被測(cè)信號(hào)相同或存在整數(shù)倍的關(guān)系，也就是同步。2.2.2軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)分三個(gè)步驟：（1）設(shè)計(jì)虛擬儀器的前面板，選擇課題需要的按鈕、旋鈕、控件等，為各個(gè)控件輸入需要的數(shù)據(jù)。（2）設(shè)計(jì)虛擬儀器的程序框圖，根據(jù)每一個(gè)模塊的需要來選擇控件，按照連線的顏色提示將各個(gè)控件連接起來。（3）確定程序框圖的設(shè)計(jì)與連接沒有錯(cuò)誤后，方可運(yùn)行程序，通過前面板觀察結(jié)果。文中的軟件設(shè)計(jì)部分包括波形產(chǎn)生模塊、波形顯示模塊、參數(shù)測(cè)量模塊、頻譜分析模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及自動(dòng)掃描控制模塊，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析以及顯示結(jié)果等功能。

3數(shù)字示波器前面板設(shè)計(jì)LabVIEW前面板是用作設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出數(shù)值所用的一個(gè)窗口，是虛擬示波器軟件的核心，用戶通過前面板中的開關(guān)和旋鈕模擬傳統(tǒng)儀器的操作，當(dāng)按下相應(yīng)的按鈕時(shí)就可調(diào)用該子程序。3.1前面板所需模塊在LabVIEW的控制模板中，分別在設(shè)計(jì)面板上放入模擬實(shí)際控鍵的顯示器、通道選擇控鍵、電平幅度控鍵、觸發(fā)源、觸發(fā)電平、時(shí)基控鍵等。3.1.1數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集（DataAcQuisition,DAQ）是虛擬示波器軟件的核心部分，其性能指標(biāo)直接影響數(shù)字示波器采樣速率、精度等主要性能指標(biāo)。數(shù)據(jù)采集是一個(gè)從傳感器或者其他待測(cè)量設(shè)備中去采集系統(tǒng)所需要的各種信息的過程，它是一個(gè)自動(dòng)的過程。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括了很多部分，比如傳感器、數(shù)據(jù)采集硬件、分析硬件、變換器、計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)程序、信號(hào)調(diào)理設(shè)備和應(yīng)用軟件等。傳感器是一種能感應(yīng)物理信息并生成可測(cè)量的電信號(hào)的儀器，比如熱電偶和電阻式測(cè)溫計(jì)（RTD）可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)锳DC可測(cè)量的模擬信號(hào)，其他儀器比如應(yīng)力計(jì)也可以測(cè)量力的參數(shù)，在所說的各種情況下，傳感器都可以生成它們所檢測(cè)的物理量呈比例的電信號(hào)。信號(hào)調(diào)理能夠通過提高信號(hào)的信噪比來盡量減少外界傳來的干擾信號(hào)給測(cè)量帶來的影響，它的處理能力直接影響到對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的結(jié)果，這些信號(hào)只有在經(jīng)過信號(hào)的調(diào)理之后才能被允許進(jìn)入到采集系統(tǒng)。信號(hào)調(diào)理的方法有放大、衰減、加窗等。數(shù)據(jù)采集設(shè)備與已經(jīng)通過信號(hào)調(diào)理后的信號(hào)相連接。NI的數(shù)據(jù)采集設(shè)備支持的總線類型包括PCI、PCIExpress、PXI、PCMCIA、USB、CompactFlash、Ethernet以及火線等各種總線。數(shù)據(jù)采集卡的功能包括模擬輸入與輸出、數(shù)字I/O、觸發(fā)采集和定時(shí)I/O。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要任務(wù)采集原始信號(hào)，其主要組成部分有多路開關(guān)、放大器、采樣/保持器以及A/D轉(zhuǎn)換器，此四個(gè)部分處于PC的前向通道。數(shù)據(jù)采集卡在實(shí)現(xiàn)自身功能之前必須，必須根據(jù)用戶自身需求來進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，此為其軟件驅(qū)動(dòng)，需設(shè)置的參數(shù)有設(shè)備號(hào)及地址碼，除此之外還有模擬輸入部分的設(shè)置頂，包括信號(hào)的輸入方式、增益的選擇和量程的選擇，另外還有A/D轉(zhuǎn)換部分的設(shè)置頂，包括信號(hào)輸入通道號(hào)、采樣點(diǎn)數(shù)和采樣速率的設(shè)置。數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖4數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu)圖而文中由于缺少硬件支持，故而只應(yīng)用了軟件設(shè)計(jì)，利用的是LabVIEW自帶的豐富的數(shù)據(jù)采集函數(shù)庫(kù)（位于Function-ProgrammingAGaphi&Soundsound子模塊中）來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，調(diào)用了Acquire.vi、Configure.vi等函數(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集。3.1.2觸發(fā)控制模塊虛擬示波器的觸發(fā)控制模塊的輸入端有兩路波形數(shù)據(jù)輸入（通道A、通道B）、觸發(fā)極性（單觸發(fā)、雙觸發(fā)）、觸發(fā)電平、觸發(fā)源輸入（立即觸發(fā)、通道A、通道B）。程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)用戶觸發(fā)源的選擇分別執(zhí)行相應(yīng)的case，該過程運(yùn)用到了子程序“觸發(fā)電平.vi”。3.1.3時(shí)基控制模塊在虛擬示波器中，為了保證能夠?qū)斎氲男盘?hào)采集到足夠數(shù)量的采樣值，并且確保能在正確的時(shí)刻采集到所有的采樣值，這里就需要用到時(shí)基控制模塊。由采樣速率=1/采樣間隔、采樣間隔=實(shí)際設(shè)置（s/格）/采樣點(diǎn)數(shù)這兩個(gè)公式，設(shè)置每個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)，即可得到時(shí)基設(shè)置值。3.1.4參數(shù)測(cè)量模塊參數(shù)測(cè)量模塊包括峰峰值、頻率以及實(shí)現(xiàn)雙通道信號(hào)采集時(shí)的相位差測(cè)量并顯示結(jié)果。3.1.5頻譜分析模塊頻譜分析模塊主要用來觀察波形的幅值譜，它能把復(fù)雜的信號(hào)分解成單一的頻率成分，所以那些不能在時(shí)域分析中分析的信號(hào)，在頻譜分析中就能清楚地觀察到。3.1.6波形顯示模塊軟件提供五種顯示模式：A、B、A&B模式：選擇A和B，任意顯示某一通道或兩通道輸入信號(hào)的波形。XY模式：兩個(gè)通道都打開，顯示李沙育(Lissajous)圖形、測(cè)量相位差或頻率。A＋B，A－B模式：兩個(gè)通道都打開，顯示兩通道信號(hào)代數(shù)相加以及相減后的波形。A&A積分：通道打開，顯示A信號(hào)和A信號(hào)對(duì)采樣間隔的離散積分的波形。

A&A微分：通道打開，顯示A信號(hào)和A信號(hào)對(duì)采樣間隔的離散求導(dǎo)的波形。3.2總體前面板設(shè)計(jì)前面已經(jīng)把設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字示波器所需要的各個(gè)模塊都做了簡(jiǎn)單介紹，通過選取各個(gè)模塊所需的控件，將這些控件放置好，因?yàn)樘摂M儀器的前面板是直接面向最終用戶的，所以在放置各個(gè)控件的時(shí)候需要注意其簡(jiǎn)潔與美觀，當(dāng)然，這種簡(jiǎn)潔與美觀要以能實(shí)現(xiàn)課題所要求的功能為前提條件。經(jīng)過一番選擇與放置，總體前面板如圖5所示。圖5虛擬雙蹤示波器前面板3.2.1波形顯示控制部分波形顯示控制部分可以控制波形在波形圖上更好的顯示出來，可以改變通道A、通道B的幅值，撥動(dòng)相應(yīng)旋扭波形圖上每一個(gè)單位表示的電壓值；改變時(shí)基控制的掃描率，撥動(dòng)時(shí)間按鈕來決定每一個(gè)單位表示的時(shí)間。諸如此類的操作最終都是為了讓波形更直觀地顯示在前面板上。通過子VI程序的功能來控制輸出電平和幅度的改變；通過獲取波形成分、觸發(fā)和創(chuàng)建波形來控制輸出的頻率；通過設(shè)計(jì)一個(gè)子程序來實(shí)現(xiàn)多路波形的疊加。這些控制部分如圖6所示。圖6波形顯示控制部分前面板3.2.2輸入信號(hào)測(cè)量值的顯示部分點(diǎn)擊前面板上相應(yīng)的按鈕來改變用戶想要改變的參數(shù)值，比如通道的選擇、觸發(fā)源的選擇、極性、模式的改變等，撥動(dòng)相位旋鈕改變相位，條件掃描率控制波形的快慢，最后還可以對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析。其前面板如圖7所示。圖7測(cè)量參數(shù)顯示部分前面板3.2.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取部分得到波形之后對(duì)波形進(jìn)行處理，按下寫盤按鈕，彈出一個(gè)對(duì)話框，確定寫入文件名，選擇存儲(chǔ)文件路徑，再按下讀盤按鈕，同樣彈出一個(gè)對(duì)話框，輸入文件名，選擇讀取文件路徑。這部分前面板設(shè)計(jì)如圖8所示。圖8數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取3.2.4波形打印部分當(dāng)波形在前面板顯示出來結(jié)果之后，可以按下波形打印的按鈕進(jìn)行波形打印。其前面板如圖9所示。圖9波形打印部分前面板按下波形打印按鈕會(huì)彈出如圖10的圖框。圖10波形打印4數(shù)字示波器后面板設(shè)計(jì)4.1后面板所需模塊4.1.1波形顯示模塊前面說到波形顯示控制部分的原理，并設(shè)計(jì)展示了其前面板，所以相應(yīng)地也設(shè)計(jì)并展示了其后面板，這里通過前面數(shù)據(jù)采集部分接收到各種參數(shù)測(cè)量值，比如電壓值和掃描周期，再在函數(shù)選板中選擇了捆綁函數(shù)，捆綁函數(shù)它可以改變現(xiàn)有簇中獨(dú)立元素的值，而無(wú)需為所有元素指定新值，還能調(diào)整函數(shù)的大小，顯示新簇中元素個(gè)數(shù)，如果現(xiàn)有簇連線簇輸入端，則不能調(diào)整該函數(shù)的大小，創(chuàng)建新簇時(shí)，必須連線所有的輸入，輸出簇中的元素順序必須與輸入元素一致，連線現(xiàn)有簇至函數(shù)中間的接線端時(shí)，輸入為可選。LabVIEW僅替換連線的簇元素，得到各種數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理與分析，最后在前面板顯示出波形。其程序框圖如圖11所示。圖11波形顯示控制部分程序框圖4.1.3輸入信號(hào)測(cè)量值模塊通過對(duì)輸入信號(hào)測(cè)量值控制部分的前面板的設(shè)計(jì)，其程序框圖的設(shè)計(jì)也相應(yīng)地設(shè)計(jì)出來了。輸入信號(hào)測(cè)量值模塊的程序框圖選用了索引數(shù)組，索引數(shù)組它可以調(diào)節(jié)函數(shù)的大小，再一個(gè)還用到了選擇函數(shù)，所謂選擇函數(shù)就是用來根據(jù)用戶的需要對(duì)通道進(jìn)行選擇，最后通過測(cè)量將結(jié)果顯示在前面板上。參數(shù)測(cè)量模塊主要包括Vrms等12個(gè)電壓參數(shù)和頻率、周期等7個(gè)時(shí)間參數(shù)的測(cè)量并顯示其測(cè)量結(jié)果，主要對(duì)交流電壓AC、直流電壓DC、采樣周期、峰值電壓、均方根電壓、最大電壓、最小電壓、最大壓差、上升時(shí)間、下降時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。主要節(jié)點(diǎn)有均方根節(jié)點(diǎn)、平均值節(jié)點(diǎn)、交直流分量估計(jì)節(jié)點(diǎn)、脈沖參數(shù)節(jié)點(diǎn)。其程序框圖如圖12所示。圖12測(cè)量參數(shù)模塊程序框圖4.1.4頻譜分析模塊傅里葉變換是是數(shù)據(jù)和信號(hào)處理的一種重要分析工具，它能講時(shí)域和頻域的信號(hào)結(jié)合起來，其中大部分信號(hào)都是實(shí)數(shù)，所以在這里我們采用LabVIEW高級(jí)程序分析庫(kù)中的RealFFTVI，采用單邊傅里葉變換。這里選用了一個(gè)選擇函數(shù)來選擇通道，以分析所選通道的數(shù)據(jù)，選擇一個(gè)索引數(shù)組來調(diào)節(jié)函數(shù)的大小，再通過一個(gè)創(chuàng)建波形圖然后對(duì)各種參數(shù)值進(jìn)行分析，這個(gè)時(shí)候再解除捆綁函數(shù)，單獨(dú)對(duì)各數(shù)值進(jìn)行分析，然后通過一個(gè)頻譜單位轉(zhuǎn)換函數(shù)來轉(zhuǎn)換功率譜、幅值譜或增益（幅值比）譜，在包括Log(分貝和dbm)和譜密度在內(nèi)的各種格式間切換，利用功率及頻譜估計(jì)函數(shù)計(jì)算時(shí)域信號(hào)在功率譜中的峰值頻率附近的估計(jì)功率和頻率，最后再對(duì)所有測(cè)量到的參數(shù)值進(jìn)行再次捆綁，得到頻譜分析結(jié)果。其程序框圖如圖13所示。圖13頻譜分析模塊4.1.5數(shù)據(jù)采集模塊LabVIEW環(huán)境下需要安裝硬件驅(qū)動(dòng)程序，否則將不能直接對(duì)硬件數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這個(gè)時(shí)候就需要用到動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，此時(shí)需要調(diào)用DLL。LabVIEW自帶的很多復(fù)雜的函數(shù)，比如數(shù)據(jù)采集、硬件驅(qū)動(dòng)以及數(shù)據(jù)處理，終究都是利用了DLL的調(diào)用機(jī)制。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是程序在運(yùn)行時(shí)鏈接庫(kù)的一種實(shí)現(xiàn)機(jī)制，函數(shù)庫(kù)存儲(chǔ)在它自身的文件中，并不被編譯到應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件中去，而DLL則在運(yùn)行程序時(shí)才被鏈接，文中用到的板卡已經(jīng)有動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，直接調(diào)用即可。其程序框圖如圖14所示。圖14數(shù)據(jù)采集模塊4.1.6數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取模塊Labview自帶豐富的文件操作函數(shù)庫(kù)，方便對(duì)文件的讀寫(I/O)操作與控制。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的前面板放置輸入數(shù)值，并與"寫盤”按鈕相對(duì)應(yīng)，按下"寫盤”按鈕會(huì)彈出一個(gè)文件存儲(chǔ)對(duì)話框，要求用戶輸入存儲(chǔ)文件名并選擇存儲(chǔ)路徑，這樣，一個(gè)文件的存儲(chǔ)操作就完成了。接下來就是讀盤了，一樣需要設(shè)置讀取的文件名并選擇數(shù)據(jù)文件路徑。其程序框圖如圖15所示。圖15數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取模塊4.1.7自動(dòng)掃描控制模塊自動(dòng)掃描模塊運(yùn)用多次比較函數(shù)來測(cè)量掃描率。此模塊可以選擇自動(dòng)控制模式或者手動(dòng)控制模式，由用戶自己選擇。其程序框圖如圖16所示。圖16自動(dòng)掃描控制模塊4.2總體后面板設(shè)計(jì)每個(gè)VI程序的前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。所有VI源程序的框圖都是由節(jié)點(diǎn)（Nodes）、端子、圖框和連線（Wines）四種元素組成。其中，端子用來傳遞前面板的控件和指示器之間的數(shù)據(jù)；節(jié)點(diǎn)用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用；圖框用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令；連線表示程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流向。前面第三章和第四章已經(jīng)對(duì)所有模塊的前面板和程序框圖進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且保證了程序的正確無(wú)誤，最后設(shè)計(jì)出了總體的后面板即總體程序框圖，程序框圖從上到下、從左到右分別是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取模塊、參數(shù)測(cè)量模塊、打印當(dāng)前波形模塊、手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、頻譜分析模塊、波形顯示模塊、自動(dòng)掃描控制模塊。如圖17所示。圖17虛擬雙蹤示波器總體設(shè)計(jì)框圖5虛擬數(shù)字示波器的仿真與調(diào)試5.1虛擬數(shù)字示波器的仿真如果總體的前面板和后面板的設(shè)計(jì)都已經(jīng)完成了，并且沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤的話，那么在虛擬儀器的工具欄上有一個(gè)代表運(yùn)行的箭頭符號(hào)，此時(shí)它就會(huì)呈現(xiàn)出透明的狀態(tài)，即表示程序沒有語(yǔ)法錯(cuò)誤，可以執(zhí)行。如果代表運(yùn)行的那個(gè)箭頭符號(hào)呈現(xiàn)的是斷裂的虛擬箭頭，則表示程序存在語(yǔ)法錯(cuò)誤，不能運(yùn)行，這個(gè)時(shí)候需要點(diǎn)擊斷裂的虛擬箭頭，彈出錯(cuò)誤的提示并對(duì)其進(jìn)行修改，直到運(yùn)行的箭頭顯示為透明的，方可運(yùn)行并進(jìn)行調(diào)試。箭頭旁邊會(huì)有一個(gè)燈泡樣的按鈕，為“高亮執(zhí)行”按鈕，點(diǎn)擊它變成高亮形式，再點(diǎn)擊運(yùn)行，程序就會(huì)以較慢的速度運(yùn)行，沒有被執(zhí)行的代碼呈灰色，已經(jīng)被執(zhí)行的代碼則高亮顯示，并顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值。正在執(zhí)行中的程序是不能進(jìn)行編輯操作的，點(diǎn)擊進(jìn)入前面板可觀察波形的輸出結(jié)果。5.1.1正弦波與三角波的仿真完成了虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)后，為了驗(yàn)證其功能是否完好，能否達(dá)到課題的要求，需要將程序進(jìn)行仿真。將通道A信號(hào)類型選擇為正弦波，通道B信號(hào)類型選擇為三角波。5.1.2通道的選擇以及頻譜分析設(shè)置通道A信號(hào)類型為正弦波，通道B關(guān)閉，同時(shí)設(shè)置通道A掃描率5kS/s，其他數(shù)值保持一致，然后在前面板點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖18所示。圖18通道A正弦波，通道B不加載波形此時(shí)，通道A波形顯示的頻譜分析圖如圖19所示。圖19通道A頻譜分析設(shè)置通道A關(guān)閉，通道B信號(hào)類型為三角波，同時(shí)設(shè)置通道B掃描率為2kS/s，其他數(shù)值保持一致，然后在前面板點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖20所示。圖20通道A部加載波形，通道B三角波此時(shí)通道B波形顯示的頻譜分析圖如圖21所示。圖21通道B頻譜分析設(shè)置通道A信號(hào)類型為正弦波，通道B信號(hào)類型為三角波，此時(shí)波形可實(shí)現(xiàn)疊加，同時(shí)設(shè)置通道A與通道B掃描率一致，均為2kS/s，其他數(shù)值也都一樣，然后在前面板點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖22所示。圖22通道A正弦波，通道B三角波此時(shí)通道A和通道B的頻譜分析圖如圖23所示。圖23通道A和通道B的頻譜分析5.2結(jié)果分析文中虛擬函數(shù)示波器的設(shè)計(jì)通過運(yùn)行程序基本可以實(shí)現(xiàn)課題所需，其主要功能如下：實(shí)現(xiàn)雙蹤。(2)波形顯示，其電平幅度可調(diào)節(jié)、掃描周期可選擇以及觸發(fā)控制等。(3)實(shí)現(xiàn)仿真。在課題的設(shè)計(jì)中也遇到了不少問題。在程序調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，如果直接點(diǎn)擊運(yùn)行程序，在前面板并沒有觀察到任何波形的輸出，最后通過同學(xué)的幫助，發(fā)現(xiàn)原來是沒有選擇高亮顯示執(zhí)行過程，在后面板執(zhí)行箭頭的旁邊有一個(gè)燈泡形狀的按鈕即為高亮顯示執(zhí)行過程按鈕，只要先點(diǎn)擊此按鈕，再點(diǎn)擊執(zhí)行按鈕，就可以在前面板觀察到各波形的輸出顯示，此時(shí)程序就會(huì)以較慢的速度運(yùn)行，沒有被執(zhí)行的代碼以灰色顯示，而執(zhí)行了的代碼則以高亮顯示，并顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值，這樣就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的流動(dòng)狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行。其次，在選擇通道A條件結(jié)構(gòu)的“假”分支時(shí)，因?yàn)榇诉x項(xiàng)表示不輸出波形，所以沒有選擇輸出隧道，這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)提示出現(xiàn)錯(cuò)誤，點(diǎn)擊錯(cuò)誤提示可以看到這個(gè)錯(cuò)誤顯示輸出隧道未賦值，剛開始不懂到底是什么意思，后來經(jīng)過查資料和請(qǐng)教同學(xué)，最后發(fā)現(xiàn)是因?yàn)闂l件結(jié)構(gòu)中多個(gè)分支的輸出隧道為公用輸出，僅執(zhí)行結(jié)構(gòu)的某一幀，各個(gè)幀必須給所有的輸出賦值，在沒有賦值的情況下必須選擇默認(rèn)才能順利執(zhí)行程序。其解決的方法是右鍵單擊隧道并選擇“未連線時(shí)使用默認(rèn)”，這樣就可以解決此問題了。再其次，中間還出現(xiàn)了一個(gè)小問題，就是執(zhí)行程序后得到的波形顯示不完全，后來發(fā)現(xiàn)是波形的頻率和幅值太大，以致于觀察不到完整的波形，只要調(diào)節(jié)波形的頻率和幅值以及波形最大值和最小值即可。最后，在幅值測(cè)量過程中產(chǎn)生了錯(cuò)誤，錯(cuò)誤顯示“輸入波形的大小為0”，這個(gè)問題卡在這里很久，找不出原因，也找不到解決辦法，在一番搜索和詢問下，才明白了問題所在，是因?yàn)檫@個(gè)函數(shù)測(cè)量模塊在波形輸入為0的狀態(tài)下就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，解決的方法其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要將它替換成波形測(cè)量里面的“幅值和電平測(cè)量”子VI，此時(shí)這個(gè)子VI在輸入波形為0時(shí)就可以滿足輸出幅值電平為0。結(jié)束語(yǔ)根據(jù)課題的任務(wù)和要求，利用LabVIEW設(shè)計(jì)了一款虛擬數(shù)字示波器。論文從虛擬儀器技術(shù)、LabVIEW圖形化工作平臺(tái)以及數(shù)字示波器的原理出發(fā)，構(gòu)思并設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬示波器所需要的程序框圖，通過其前面板與后面板的設(shè)計(jì)最后完成了課題所要求實(shí)現(xiàn)的功能。文中主要設(shè)計(jì)了虛擬數(shù)字示波器的以下幾大模塊：波形顯示模塊：控制波形在波形圖上更好的顯示出來，通過改變前面板上測(cè)量參數(shù)的按鈕可觀察到波形的變化。參數(shù)測(cè)量模塊：主要對(duì)交流電壓AC、直流電壓DC、采樣周期、峰值電壓、均方根電壓、最大電壓、最小電壓、最大壓差、上升時(shí)間、下降時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。頻譜分析模塊：觀察波形的幅值譜，把復(fù)雜的信號(hào)分解成單一的頻率成分，采用LabVIEW高級(jí)程序分析庫(kù)中的RealFFTVI執(zhí)行程序，采用單邊傅里葉變換。數(shù)據(jù)采集模塊：采集原始信號(hào)，其性能指標(biāo)直接影響數(shù)字示波器采樣速率、精度等主要性能指標(biāo)。最后論文主要完成了虛擬雙蹤示波器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了波形顯示、通道選擇、電平幅度調(diào)節(jié)、掃描周期選擇、頻譜分析以及觸發(fā)控制等功能，最終成功實(shí)現(xiàn)仿真并且對(duì)仿真結(jié)果作出了分析。課題實(shí)踐表明，在計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能的幫助下，利用LabVIEW的圖形化編程語(yǔ)言，可設(shè)計(jì)并且制作出這樣操作簡(jiǎn)單方便，界面美觀簡(jiǎn)潔的虛擬數(shù)字示波器。它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)儀器，不管是在功能方面還是外觀方面。傳統(tǒng)儀器功能固定化、儀器笨重、不易移動(dòng)、技術(shù)更新慢且耗費(fèi)的資金巨大；而利用LabVIEW制作出來的儀器，其功能的可擴(kuò)展性高、運(yùn)行速度快、開發(fā)時(shí)間短，可維護(hù)性好，只需要不斷更新軟件即可滿足功能擴(kuò)展的需求，而且實(shí)現(xiàn)了用戶自定義的功能。虛擬儀器技術(shù)是測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域未來的發(fā)展方向，它的誕生打破了傳統(tǒng)儀器固有的制作空間，徹底改變了這種局面，具有極好的發(fā)展前景和極大的經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)雖然完成了課題所要求實(shí)現(xiàn)的功能，但是仍然存在一些不足的地方需要完善。參考文獻(xiàn)[1]陳錫輝,張銀鴻.《LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通》[M]北京：清華大學(xué)出版社，2007.2~5-55~69ChenXiHui，ZhangYinHong.《LabVIEW8.20Programmingfromentrytothemaster》[M].BeiJing：TsinghuaUniversitypress，2007.5[2]胡亞琦，夏寶華.虛擬儀器平臺(tái)下示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008:18~46HuYaQi，XiaBaoHua.Oscilloscopevirtualinstrumentplatform.Thedesignandimplementationofmasterdgreethesesofmasterofuniversityofelectronicscienceandtechnology.2008:18~46[3]王福明.《LabVIEW程序設(shè)計(jì)與虛擬儀器》[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2009.8~24WangFuMing.《LabVIEWprogramdesignandvirtualinstrument》[M].Xi'anUniversityofElectronicScienceandTechnologyPress,2009.8~24[4]陳樹學(xué)，劉萱.《LabVIEW寶典》[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012ChenShuxue,Liuxuan.《LabVIEWcanon》[M].BeiJing:ElectronicsIndustryPress,2012[5]張桐.《精通LabVIEW程序設(shè)計(jì)》[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.23~50ZhangTong.《ProficientLabVIEWprogramming》[M].BeiJing:ElectronicIndustryPress2008.23~50[6]何艷梅.LabVIEW在電子測(cè)量課程中測(cè)量數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用[J].電子世界,2014,12HeYanmei.ApplicationofLabVIEWinthemeasurementofdataprocessinginelectronicmeasurementcourse[J].Electronicworld，2014，12[7]劉景峰,岳鳳英.基于LabVIEW的動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表,2015,03LiuJingfeng，YueFengying.DynamicanalysissystembasedonLabVIEW[J]，Automaticinstrument，2015.03[8]黃松齡.《虛擬儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程》[M].清華大學(xué)出版社，2008.77~84HuangSongling.《Virtualinstrumentdesignbasictutorial》[M].TsinghuaUniversitypress,2008.77~84[9]楊樂平.《LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)》[M].清華大學(xué)出版社,2013.2~50YangLeping.《LabVIEWadvancedprogramming》[M].TsinghuaUniversitypress,2012.2~50[10]王建勛,周青云.基于DS18B20和LabVIEW的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,03:47-50WangJianxun，ZhouQingyun.TemperaturemonitoringsystembasedonDS18B20andLabVIEW[J].Laboratoryresearchandexploration,2012,03:47-50[11]雷振山.《LabVIEW7.1Express實(shí)用技術(shù)編程》[M].中國(guó)鐵道出版社，2004.LeiZhenshan.《LabVIEW7.1Expresspracticaltechnologyprogramming》[M].ChinaRailwayPress,2004[12]張重雄.《虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)》[M],電子工業(yè)出版社，2008.37~65