基于LabVIEW虚拟数字示波器的设计

由于电子技术、计算机技术的高速发展及其在电子测量技术和仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现。电子测量仪器的功能和作用已经发生质的变化。在先进的测控系统中，不仅希望设备能够单独进行测试，还希望他们之间能够互相通信，构成测试系统，甚至是测试网络系统，实现信息共享，以便对众多的被测信号进行对比、综合和自动分析、从而得出准确的判断。这是电子行业本身给测试设备提出的要求，传统的测试仪器在此方面受到很大的。由于上述原因，并且随着电子技术和计算机技术的快速发展以及价格不断下降，改变了传统的电子技术设计观念，使原来部由硬件完成的功能，现在能由软件实现。例如仪器面板和数字滤波等，实现硬件软件化。而不少硬件难以实现的功能，例如复杂的信号分析，数据统计和三维图像显示等，在计算机中则较容易实现。在市场的需求和相关技术支持下，促使了基于个人计算机的测控仪器——虚拟仪器的发展。虚拟仪器利用计算机强大的处理能力，使得它成为了一种很好的工具，其应用范围也越来越广泛。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力和可操作性等方面均具有明显的技术优势。

示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。目前研制一种结构简单、操作方便、生产技术要求不高、费用低的数字示波器是非常必要的。本文介绍了一种新型的示波器：虚拟数字存储示波器。虚拟数字存储示波器是虚拟仪器技术的一种具体应用。该虚拟仪器基于计算机平台，将虚拟仪器硬件和软件紧密结合，实现比传统仪器更强大的功能。虚拟数字存储示波器系统由数据采集、数据分析和结果输出显示三个主要功能部分组成。其中，数据分析和结果输出显示完全由计算机软件系统来完成，只有数据采集是在软件的控制下由硬件来完成。本文主要完成对软件系统的设计。

本文设计的虚拟数字存储示波器的系统工作原理是，对模拟信号进行数据采集后，根据使用者的不同要求由软件对数据进行相应的分析、处理，并在屏幕上

显示处理结果。

本设计采用模块化的软件设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成。我们所设计的虚拟数字存储示波器主要由数据采集、参数测量、频谱分析、滤波和波形存储和读取模块组成。将这些子模块在虚拟仪器的框图程序中按照一定的逻辑关系组合起来，就形成了完整的虚拟数字存储示波器。它具有传统仪器所没有的许多优点，如波形可以存储为数据文件，可以长久保存并随时调用，波形显示可以进行单、双通道的切换、成本低廉，可以根据需要进行功能拓展。

本设计所采用的软件是美国NI公司推出的LabVIEW。LabVIEW是一种基于图形化编程语言的开发环境，具有十分强大的数据库。它为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境。是目前应用最广泛的虚拟仪器开发平台软件之一

本文利用LabVIEW8.2图形编程语言，借助计算机强大功能，设计了一种方便、实用的虚拟示波器，并在实际运用中取得较好的效果。它的主要性能指标是双通道波形显示，波形可存储读取，具有谱分析和滤波功能以及电压、时间、频率等参数的测量。在传统仪器的基础上扩展了部分功能。充分发挥了计算机强大的功能和软件设计的灵活性。

本文最后对工作中的遗留问题作了说明，并对今后的工作进行了展望。

关键词 示波器 虚拟仪器 数据采集 LabVIEW

ABSTRACT

Because of electronics technique and computer technique developing so fast and their application in electronic measurement and instrument realm，the new test theories，new test method，new test realm and new instrument structure appear continuously．The function of electronics measuring instrument has changed thoroughly．In advanced test and control system，we hope that the equipments can not only carry on a test alone，but they can correspond with each other,thus constitute the test system，even test network system and carry out the information share，through contrasting，synthesizing and auto analyzing numerously signal to get accurate、 judgment．This is the request that the electronics profession puts forward to the test equipment，the traditional test instrument is subjected to very big restriction in this aspect．Because of the above-mentioned reasons，and with the fast development of the electronics technique and computer technical and and the price descending continuously,the traditional electronics technique design conception has been changed，which make partial function originally finished by hardware Can be carried out by the software now．For example，the instrument’S front—panel and the digital filteL Hardware function finished by software．But not a few function almost can’t be realized by hardware，for example the complicated signal analysis，data statistics and 3D picture etc．，can be carried out easily by computer．Under the market requirement and related technique support，test and control instrument—Virtual Instrument(V1) ABSTRACT based on personal computer have got development．Virtual Instrument makes use of a strong processing ability of computer,making it become a kind of good tool，its application is also more and more extensive．Compared with traditional instrument，VI has obvious technique advantages in the degree of intelligence，processing ability and maneuverability etc．

Oscillograph is a kind of general instrument extensively used in science research and ell百neefing design．It is very necessary to develope a kind of oscillograph with simple structure，being operated facilely,requesting not high level manufacture technology and low cost．This paper introduces a new type of osciUograph：Virtual digital-storage oscillograph．The virtual oscillograph is a kind of appilication of VI technology．This VI is based on computer，it combines the virtual instrument’S hardware with software close to realize the stronger function than traditional instrument．The virtual digital—storage oscillograph system includes three main function parts，they are data acquisition，data analysis and output display．Among them， data analysis and output display are completely realized by the computer software system，only the data acquisition is completed by hardware under the function of the software．This paper mainly completes the design to the software system．

The work principle of the virtual oscillograph designed in the paper is to analyze and process the data according to the different request of the user after data acquisition，and then display the result on the screen． The virtual oscillograph we

designed consists data acquisition，parameter measurement，frequency spectrum，di百tal fliter and wave storage modules．These SubVI can be put together according to the certain logic relation in the frame diagram of the VI，then the virtual oscillograph is completely realized．

It has many advantages that the traditional instrument doesn’t have，such as saving

wave as permanent data，using data at any time，displaying wave through twochannels，cost low and extending function when needed．

The software used in the paper is LabVIEW．LabVlEW is a kind of

softwarebased on graphic language，it has a very strong database．It provides a convenient and relaxed designing environment for the VI designer．It is one of the most widely used software for developing the virtual instrument currently．

The paper designs a convenient and pratctical virtual oscillograph by LabVIEW6i．，which obtains better result in practice．The main performance of this oscillograph is that it has two channels input,wave storage，仃equency spectrum，digital filter and measurement of the parameter of voltage，time and ffequency．The instrument we designed extend pans of functions based on traditional instrument，it well developes the strong function of computer and the various design of software．

At the end of this paper,we also discuss some problems which haven’t been completed．In addition，we prospect some work whichwe’11 do in the future．

KEYWORDS: Oscillograph Virtual instrument Data acquisition LabVIEW

目录

目录 .................................................................................................................................................. 4 第一章绪论....................................................................................................................................... 6

1．1虚拟仪器概述 .................................................................................................................. 6

1．1．1虚拟仪器基本概念 ............................................................................................ 6 1．1．2虚拟仪器的构成 ................................................................................................ 7 1．1．3虚拟仪器的特点 ................................................................................................ 7 1．2虚拟仪器的现状和发展方向 .......................................................................................... 7

1．2．1虚拟仪器的现状 ................................................................................................ 7 1．2．2虚拟仪器的展望 ................................................................................................ 9 1．3课题意义： ...................................................................................................................... 9 1．4课题的主要工作 .............................................................................................................. 9 第2章虚拟示波器的软硬件介绍 ................................................................................................. 11

2．1软件开发平台 ................................................................................................................ 11

2．1．1 LabVIEW介绍 ................................................................................................ 11 2．1．2 LabVlEW的操作模板 .................................................................................... 12 2．1．3创建一个VI..................................................................................................... 13 2．1．4程序的调试技术 .............................................................................................. 13 2．2数据采集卡 .................................................................................................................... 15

2．2．1数据采集卡主要组成部分： .......................................................................... 15 2．2．2数据采集卡参数设置 ...................................................................................... 16 2．2．3 PCI2003数据采集卡简介 ............................................................................... 16

第3章信号采集条件及信号的采样方法 ..................................................................................... 17

3．1 VI采集信号的条件 ...................................................................................................... 17

3．1．1输入的基本条件 .............................................................................................. 17 3．1．2 多路转换 ......................................................................................................... 17 3．1．3 分辨率 ............................................................................................................. 17 3.1.4采样率 .................................................................................................................... 17 3.1.5动态范围 ................................................................................................................ 18 3.2信号的采样方法 ............................................................................................................... 18

3.2.1实时采样 ................................................................................................................ 18 3.2.2非实时采样 ............................................................................................................ 18

第4章软件设计 ............................................................................................................................. 20

4.1 示波器设计方案 .............................................................................................................. 20 4.2 软件功能设计 .................................................................................................................. 22 4.3采集模块设计 ................................................................................................................... 22

4.3.1 DAQ数据采集模块 .............................................................................................. 22 4.3.2模拟采集模块 ........................................................................................................ 26 4.3.3时基控制 ................................................................................................................ 27 4.4波形显示模块 ................................................................................................................... 28 4.5参数测量模块 ................................................................................................................... 33

4.6频谱分析模块 ................................................................................................................... 35 4.7数据存储和回放模块 ....................................................................................................... 37 4.8波形打印模块 ................................................................................................................... 38 第五章 论文总结 ......................................................................................................................... 40 参考文献......................................................................................................................................... 41 附录一 ............................................................................................................................................ 42 附录二 ............................................................................................................................................ 43

第一章绪论

1．1虚拟仪器概述

电子测量仪器发展至今，大体可以分为四代：即模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)是现代仪器技术和计算机技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试(ComputerAided Test，CAT)的重要技术。

1．1．1虚拟仪器基本概念

所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用i／O接口设备完成信号的采集测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机测试系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。

虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义。 (1)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、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断’，实现被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，以及实现测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。

传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”进行操作的：虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通’、“断”、“放大”等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设罱。

(2)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PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能。因为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，所以，在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合[41。虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。软件是虚拟仪器的关键，当硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据的分析、处理、表达、传递、储存等方面的，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。虚拟仪器还可以广泛应用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。

图1．1虚拟仪器的构成方式

Figure 1-1 The Structure of Virtual Instrument

1．1．2虚拟仪器的构成

虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成方式上讲，则由以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC—DAQ测试系统，或以GPIB，VXI、Sedal和Field bus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。无论哪种vI系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式微机或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。虚拟仪器的构成方式如图1-1所示：

1．1．3虚拟仪器的特点

与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下优点：

(1)传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致许多识别与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简捷化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的，它们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。

(2)在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。

(3)仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。

(4)仪器性能的改进和功能扩展只需要更新相关软件设计而不需要购买新的仪器。

(5)研制周期较传统仪器大为缩短。

(6)虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。

1．2虚拟仪器的现状和发展方向

1．2．1虚拟仪器的现状

虚拟仪器的概念，是美国国家仪器公司(National Instruments Corp，简称NI)于1986年提出的。80年代以来，NI公司研制和推出了许多总线系统的虚拟式仪器，成为这类新型仪器世界第一生产大户。此后，美国的惠普(HP)公司，Tektronix公司，Racal公司等也相继推出了许多此类仪器，并在短短的lO余年便占有了世界仪器市场的10％左右。虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以NI公司

为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国，虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯坦福大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。据“世界仪表及自动化”杂志预测，2l世纪初叶，世界虚拟仪器的生产厂家将超过千家，其品种将达到数千种，市场占有率将达到50％左右。虚拟仪器将成为本世纪仪器发展的方向，而且有逐步取代传统硬件化电子仪器的趋势。

近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是NI公司的LabVIEW软件和LabWindows／CVI开发软件。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软.LabWindows／CVI是为熟悉c语言的开发人员准备的、在Windows环

境下的标准ANSIC开发环境。除了上述的优秀开发软件之外，美国HP公司的 HP—VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronis公司的Ez--Test和Tek--TNS软 件，以及美国HEM Data公司的Snap--Marter平台软件，也是国际上公认的优 秀虚拟仪器开发平台软件。

作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟仪器的开发和研究在国内尚属起步阶 段。从90年代中期以来，国内的清华大学、重庆大学、西安交通大学、西安电子科技大学以及中科泛华电子科技公司，东方震动和噪声技术研究所等高校和公司，在研究和开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及消化吸收NI等产品方面做了大量工作，其成果已在汽车发动机检测、自动计量控制系统等方面得到应用。其中，成果比较显著的是重庆大学测试中心所研究的虚拟仪器，其研制的产品已包括FFT分析仪、噪声测试分析仪、小波变换信号分析仪、多通道数据采集器等20多个品种，并且可以根据客户需求进行个性化设计。这些虚拟仪器在中国计量科学研究院的测试结果表明，其产品性能完全达到同类硬件仪器的技术指标。在国内己有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，复旦大学、上海交通大学、暨南大学、华中科技大学等。近一、两年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。主要检测发动机的功率特性、负荷特性等。一台发动机检测完后，就可打印出完整的检测报告。华中科技大学机械学院信息所开发出的Inventor可重构虚拟实验台，深圳市蓝津信息技术有限公司开发出了DRVI快速可重组虚拟仪器平台，可广泛用于实验室、工

程测控等场合。浙江大学仪器系在“九五”期间也开发了中文VPP(可视化平台)。，它们为实现仪器编程提供了便捷的途径。此外，国内已有几家企业在研制虚拟仪器。虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库(例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阀值检队波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等)，使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。

专家预测：未来的几年内，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。

1．2．2虚拟仪器的展望

虚拟仪器技术经过十几年发展，而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬／软件模块化、编程平台图形化和硬件模块的即插即用方向前进，以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正Et趋完善，加上计算机技术和网络技术的迅猛发展，建立在虚拟仪器技术上的各种功能强大、性能优良的先进仪器将层出不穷，价格也会越来越低，使用虚拟仪器进行研究、设计、测试将成为一种趋势，同样，虚拟仪器及技术也将成为学校未来教学科研的重要方法和手段，特别是在理工科学校其应用前景非常广阔““。虚拟仪器可以取代测量技术传统领域的各类仪器，“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进”。虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛应用，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响

1．3课题意义：

随着科学技术的发展，在测量领域中需要不断更新测量设备，以满足越来越高的测量要求。在我国，传统仪器技术还比较落后，目前有大批陈旧的测试仪器等待更新。这些仪器的测量精度和可靠性均低于国外，并且自动化程度较低。高档仪器基本上依靠国外进口，每年都消耗国家大量外汇。然而，花大量资金购买的仪器，可能我们只需要其中的一部分功能，同时有些其他应用的功能要求，该仪器却满足不了。这些情况无疑是大大浪费了投资。设想要是能将仪器稍微改动以实现更大的使用范围该多好。但是这对于传统仪器来说是非常困难的。虚拟仪器的出现，将彻底改变这种局面。利用计算机丰富的软硬件资源，用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。数字示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。目前高精度、具有数据存储能力的示波器，生产工艺复杂，价格昂贵。所以虚拟数字存储示波器的设计有一定的经济价值；虚拟示波器能充分发挥虚拟仪器结构简单、功能丰富、价格低廉、能重复开发、可用户自定义的优势。设计的虚拟数字存储示波器，可同时显示、记录和存储多通道输入的波形，并且可以对波形进行数据分析和处理，具有一定的研究意义。

1．4课题的主要工作

结合虚拟仪器技术和软件编程技术，本文设计并实现了一个虚拟示波器。整个系统分为硬件和软件两个部分。硬件部分主要由计算机和数据采集模块组成。数据采集模块采用阿尔泰公司的PCI2003数据采集卡，由于硬件部分主要是购买的成熟产品，本论文的研究重点放在软件的编制和实现上。

本课题的主要工作是首先进行虚拟数字存储示波器(简称为虚拟示波器)的整体设计；熟悉数据采集卡的使用；掌握虚拟仪器的软件编程环境LabVIEW的使用：用图形化编程语言LabVIEW实现虚拟示波器的数据采集模块、参数测量模块、频谱分析模块、数据存储和读取模块以及滤波模块的设计。

本文各章的主要安排：

第一章为绪论部分，综述本文的研究背景，阐明课题的意义。

第二章为虚拟示波器的软硬件介绍。主要介绍了仪器的软件开发环境LabVIEW以及数据采集卡的组成及参数设置。

第三章主要介绍了信号采集的主要条件以及信号的采样方法。 第四章是本文的关键部分，主要介绍了虚拟示波器的各个功能模块的具体设计方法，包括数据采集、参数测量、频谱分析、滤波和波形存储及读取等。

第五章利用所设计的虚拟数字存储示波器系统进行实验，实现对采样信号的显示、分析、存储等操作，验证所开发的虚拟示波器运行可靠。

第六章为论文的总结部分。

第2章虚拟示波器的软硬件介绍

虚拟仪器由仪器硬件和功能模块软件两部分组成。虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用计算机。所设计的虚拟数字存储示波器主要是有一块PCI总线的多功能数据采集卡和用LabVlEW开发的功能模块软件组成。

2．1软件开发平台

具备基本的硬件条件之后，构成和使用虚拟仪器的关键在于软件。这是因为应用软件为用户构造或使用vI提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。与传统程序语言不同，这类软件一般采用强大的图形化语言编程，面向测试工程师而非专业程序员，编程非常方便；人机交互界面友好；具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点。这些软件可能是由高级编程语言编写的，也可能是用专门的开发工具开发的。显然用高级语言开发虚拟仪器将会是比较复杂而且开发周期也长。为此，美国国家仪器公司在软件体系结构的各个层次上形成了完整的设备驱动程序、系统开发平台、实用支持软件、应用软件包互相支撑的格局，使虚拟仪器系统的概念不再“虚拟”。在几种主要国外虚拟仪器系统开发平台中(LabV|EW,VEE，IPG)，以美国国家仪器公司的LabVIEW (laboratory virtual instrument engineering workbench)影响最大。美国国家仪器公司提出的“软

件即仪器(The Software is the Instrument)形象地概括了软件在虚拟仪器技术中的重要作用。所以正确选择软硬件对程序开发和设计起着非常重要的作用。只有选择了合适的软硬件才能快速开发出应用软件，才能事半功倍。

对于虚拟仪器应用软件的编写，我们采取了图形化的编程语言LabVlEW。

2．1．1 LabVIEW介绍

LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是美国国家仪器公司(NI)的创新软件产品，也是目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。LabVlEW是一个开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，它为设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，利用它设计者可以象搭积木一样，轻松组建一个测量系统或数据采集统，并任意构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机程序代码的编写，从而可以大大简化程序的设计。LabVIEW与Visual C++，Visual Basic，LabWindows／CVI等编程语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序代码，而LabVIEW则是使用图形化程序设计语言G，用方框图代替了传统的程序代码。G语言是LabVlEW的核心。LabVlEW所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似。用LabVIEW设计的虚拟仪器可以脱离LabVIEW开发环境，最终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。

所有的LabVlEW应用程序，即虚拟仪器，它包括前面板(front panel)、流程

图(block diagram)以及图标／连结器(icon／connector)三部分。前面板是图形用户界面，也就是vI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控锘／J(contr01)和显示对象(indicator)。

每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口用来控制程序前面板和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。

图标／连接器是子vI被其它vI调用的接口。图标是子vI在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入／输出口，就像函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。LabVIEW的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的vI程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而这种调用的层次是没有的。

2．1．2 LabVlEW的操作模板

LabVlEW具有多个图形化的操作模板，用于创建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置在屏幕的任意位置。操作模板共有三类，工具(Tools)模板、控制(controls)模板和功能(Functions)模板【19】。工具模板(Tools Palette)为编程者提供了各种用于创建、修改和调试vI程序的工具，当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。控制模板(Controls Palette)可以为前面板添加输入控制和输出显示。功能模板(Functions Palette)是创建框图程序的工具。

图2-1 前面板和程序框图

2．1．3创建一个VI

1．前面板

使用输入控制和输出显示来构成前面板。控制是用户输入数据到程序的接口。而显示是输出程序产生的数据接口。控制和显示有许多种类，可以从控制模板的各个子模板中选取。两种最常用的前面板对象是数字控制和数字显示。若想要在数字控制中输入或修改数值，只需要用操作工具f见工具模板)点击控制部件和增减按钮，或者用操作工具或标签工具双击数值栏进行输入数值修改。

2框图程序

框图程序是由节点、端点、图框和连线四种元素构成的。节点是程序执行元素，类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。LabVlEW有二种节点类型——函数节点和子Ⅵ节点。两者的区别在于：函数节点是LabVIEW以编译好了的机器代码供用户使用的，而子Ⅵ节点是以图形语言形式提供给用户的。用户可以访问和修改任一子VI节点的代码，但无法对函数节点进行修改。上面的框图程序所示的Ⅵ程序有两个功能函数节点，一个函数使两个数值相加，另一个函数使两数相减。端点是只有～路输入／输出，且方向固定节点。LabVIEW有三类端点——前面板对象端点、全局与局部变量端点和常量端点。对象端点是数据在框图程序部分和前面板之间传输的接口。一般来说，一个vI的前面板上的对象f控制或显示1都在框图中有一个对象端点与之一一对应。当在前面板创建或删除面板对象时，可以自动创建或删除相应的对象端点。控制对象对应的端点在框图中是用粗框框住的，如例子中的a和b端点。它们只能在VI程序框图中作为数据流源点。显示对象对应的端点在框图中是用细框框住的。如图2-1中的a+b和6*(a+b)端点。它们只能在vI程序框图中作为数据流终点。常量端点永远只能在VI程序框图中作为数据流源点。

图框是LabVIEW实现程序结构控制命令的图形表示。如循环控制、条件分支控制和顺序控制等，编程人员可以使用它们控制VI程序的执行方式。代码接口节点(CIN)是框图程序与用户提供的c语言文本程序的接口。

连线是端口问的数据通道。它们类似于普通程序中的变量。数据是单向流动的，从源端口向一个或多个目的端口流动。不同的线型代表不同的数据类型。在彩显上，每种数据类型还以不同的颜色予以强调。

2．1．4程序的调试技术

1．找出语法错误

如果一个VI程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。这时该按钮被称作错误列表。点击它，则LabVIEW弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用Find功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。

2．设置执行程序高亮

在LabVlEW的工具条上有一个画着灯泡的按钮，这个按钮叫做“高亮执行”按钮。点击这个按钮使它变成高亮形式，再点击运行按钮，VI程序就以较慢的速度运行，没有被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数据流线上的数据值。这样，就可以根据数据的流动状态跟踪程序的执行。

3．断点与单步执行

为了查找程序中的逻辑错误，有时希望流程图程序一个节点一个节点地执行。使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行，用探针或者单步方式查看数据。使用断点工具时，点击你希望设置或者清除断点的地方。断点的显示对于节点或者图框表示为红框，对于连线表示为红点。当VI程序运行到断点被设置处，程序被暂停在将要执行的节点，以闪烁表示。按下单步执行按钮。闪烁的节点被执行，下一个将要执行的节点变为闪烁，指示它将被执行。也可以点击暂停按钮，这样程序将连续执行直到下一个断点。

4．探针

可用探针工具来查看当流程图程序流经某一根连接线时的数据值。从Tools工具模板选择探针工具，再用鼠标左键点击所希望放置探针的连接线。这时显示器上会出现一个探针显示窗口。该窗口总是被显示在前面板窗口或流程图窗口的上面。在流程图中使用选择工具或连线工具，在连线上点击鼠标右键，在连线的弹出式菜单中选择“探针”命令，同样可以为该连线加上一个探针。

用LabVlEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的。每个VI既可以单独运行，也可以被其他vI调用。一个vI用在其它vI中，称之为SubVI，SubVI在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的。LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用题目分解为一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合。首先设计SubVl完成每个子任务，然后将之逐步组合成能够解决最终问题的Vl。．

归纳起来LabVIEW软件开发平台具有以下优点

(1)图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言。

(2)提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。

(3)既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独到的高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。

(4)32bit的编译器编译生成32bit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DAQ，GPIB，PXI，VXI，RS一232／485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。

(6)提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DLLs(动态连接库)、DDE(共享库1、ActiveX等。

(7)强大的Internet功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最流行的发展趋势。、

2．2数据采集卡

计算机与数据采集卡组成了虚拟示波器的硬件平台的基础。数据采集卡是虚拟示波器的重要组成部件，其性能指标直接影响虚拟示波器的采样速率、精度等主要指标。CPU的速度及计算机的内存影响示波器处理数据的速度；计算机的硬盘决定了数据存储的容量。

LabVIEW中数据采集库包含了许多有关采样和生成数据的函数，它们与NI的插卡式或远程数据采集产品协同工作。数据采集卡价格低廉、操作携带方便，因此大大的降低了每个通道的成本。

数据采集系统的任务是采集原始信号，其主要指标有采样精度、采样速度。采样精度由转换器的位数来决定，而采样速度是与采样频率不可分的。从提高精度的角度出发，模数转换器的位数与采样频率之间是相互制约的。

数据采集卡的选择主要与采样率、测量通道、分辨率和测量精度有关。采样率即在单位时间内的测量次数，一般用Hz即采样频率来表示，也有的用S／s表示。采样率的选择，取决于被测量的信号的变化速度，根据奈奎斯特采样定理，所需的采样频率应为所测信号的最高频率分量的两倍以上，即应选用100kHz的板卡才能完成最高频率为50kHz的被测信号的测量工作。

2．2．1数据采集卡主要组成部分：

1．多路开关

多路开关将多路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。

2．放大器

放大器将待采集信号放大或衰减至采样环节的量程范围内。通常实际系统中，放大器的增益是可调的，设计者可以根据输入信号幅值的大小选择不同的增益倍数。

3采样／保持器

采样／保持器取出代测信号在某一瞬时的值，即实现信号的时间离散化，并在A／D转换过程中保持信号不变。如果被测信号变化很缓慢，也可以不用采样／保持器。

4．A／D转换器

A／D转换器将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展，通常将采样，保持器同A／D转换器集成在一块芯片上。 以上四个部分都处在PC的前向通道，是组成数据采集卡的主要部分。其他相关电路，如定时／计数器、总线接口电路等也集成在一块电路板上，完成对信号数据的采集、放大及模／数转换任务。

很多数据采集卡电路板上，还装有数／模(D／A)，它处在PC的后向输出通道，用于将计算机输出的数字量转换为模拟量，从而实现控制功能。

2．2．2数据采集卡参数设置

要使数据采集卡正确地实现数据采集功能，必须根据实际测量的需要对一些参数进行设置，这就是数据采集卡的软件驱动。待设置的参数主要有采集卡的设备号及地址码，此外还有如下设置项。 1．模拟输入部分的设置项

·设置信号的输入方式：输入信号是单端输入还是双端输入，输入信号是单极性信号还是双极性信号等。

·选择增益：根据输入信号幅值变化范围和分辨率要求，选择增益。 ·选择量程：一般根据输入信号是单极性还是双极性，选择合适量程。 2．A／D转换部分的设置项 ·设定信号输入通道号。 ·设定采样点数。 ·设定采样速率。

测量通道是整个系统所需测量的信号数量，产品不同，可测量的通道数也不同。在选取产品时需要注意：可测通道数是否满足系统要求；当需要差分输入测量时，板卡上有无差分输入以及差分输入的通道数；在测量道数多时，应注意产品能否扩展及最多可扩展的道数。

测量中都需将模拟信号经A／D转换成二进制的数字信号，分辨率就是将满量程信号经A／D转换后鼐到的二进数的位数。分辨率越高，意味着可检测出来的电压变化越小，它和测量范围(可测量的最高电平)及增益(板卡的放大倍数)一起决定了该板卡可测的最小电压变化量，也称为二进码的宽度，现产品中有8位、12位、16位的最多。本设计中采用阿尔泰公司的PCI2003数据采集卡，它的分辨率是12位。

2．2．3 PCI2003数据采集卡简介

PCI2003卡是一种基于PCI总线的数据采集卡，可直接插在IBM—PC／AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。也可构成工业生产过程监控系统。PCI2003板上装有12Bit分辨率的A／D转换器和D／A转换器。为用户提供了8双／16单的模拟输入通道和2路模拟输出通道。输入信号幅度可以经程控增益仪表放大器调到合适的范围，保证最佳转换精度。A／D转换器输入信号范围：±5V、±IOV、0～IOV，D／A转换器输入信号范围：±5V、±10V、O-10V，根据需要进行选择。

第3章信号采集条件及信号的采样方法

3．1 VI采集信号的条件

3．1．1

输入的基本条件

模拟输入特性说明了DAO产品的功能和精确度。在大多数DAQ产品中，基本特性包括通道数、采样率、分辨率和输入信号范围。模拟输入的通道数目是由卡上两种类型的输入——单端输入和差分输入决定的。单端输入都有一个共同的接地点。它主要用于测量大于1伏的输入信号，从信号源到模拟输入接线端子的连线很短(小于15英尺)，所有的输入信号共用一个接地点。如果信号不满足这些标准，就应使用差分信号。每个差分输入都有自己的接地参考点。因消除了连线引起的共模噪声，随之也减小了噪声误差。

3．1．2 多路转换

用一个模数/交换器（ADC）测试几个信号的技术就是模拟信号的多路转换。通过多路转换器，ADC可对多个通道进行采样。将多路转换器与某一通道接通，ADC对此采样，然后多路转换接通到下一个通道采样，以此类推。同一个ADC对多个通道采样，则每一个通道的采样率是与采样的通道数成反比的。

3．1．3 分辨率

分辨率就是用来进行模数转换的位数，A／D的位数越多，分辨率就越高，可区分的最小电压就越小。分辨率要足够高，数字化信号才能有足够的电压分辨能力，刊‘能比较好的恢复原始信号。目前分辨率为8位的采集卡属于较低的，12位属中档，16位的卡就比较高了。它们可以分别将模入电压量化为256、4096、65536份。

3.1.4采样率

这个参数决定了采样频率。高的采样率是在一定的时间内获取更多的点，因而能更好地表现原始信号。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做奈奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将发生畸变。采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠。

3.1.5动态范围

动态范围即为ADC进行量化的最小和最大电压之间的电平。多功能的DAQ卡提供所选的范围，使得卡能处理各种不同的电压电平。具有这样的灵活性，就能将信号范围与ADC的范围进行匹配，有效地利用分辨率，得到精确测量的信号。DAQ卡上的范围、分辨率和增益决定最小可测的电压改变。这个电压改变表示了数字值的1LSB(最低有效位)，常被称为代码宽度。理想的代码宽度是电压范围除以增益乘2的位分辨率次方

3.2信号的采样方法

虚拟示波器通常采用两种采样技术:实时采样和非实时采样。

3.2.1实时采样

实时采样是一次采集过程中把一个信号的全部采样点都采集完成。被采样信号可以是瞬态的或周期信号。实时采样是虚拟示波器最常用的采样方式，以这种方式采样既能捕捉重复的信号，又能捕捉单次瞬态信号。在实时采样时，模数转换器只一次就能完成对整个输入波形的采样，它的这种特性使其特别适合单次信号的捕捉，但其频带宽度受采样率的。在实时采样中，采样脉冲频率高于信号频率，在信号的一个周期内取出信号多点瞬间值，其包络反映原信号的波形。根据采样定理(奈奎斯特定理)，被测信号的带宽B必须满足B} (1/2) fs，表明对于有限带宽的信号，如果其最高频率小于等于(1/2) fs，采样信号中保留了原信号的信息。如果超出这一范围，则会发生信号频谱的交叠，其结果是无法恢复原信号。

由于实时采样在被测信号频率较高时，要求采样信号的频率也很高，这对相 应的电路、A/D变换器和存储器等的要求也很高。由此出现了非实时采样(又称 等效采样)技术。

3.2.2非实时采样

非实时采样一次，取样信号每次延迟△t，完成一个采样周期后，离散信号的包络也可以反映原信号的波形情况，只是这个信号的包络周期比原信号长很多。这种固定延迟时间的有顺序的采样与实时采样的主要区别在于，非实时采样不是在一个信号波形内完成全部采样过程，其采样信号分别取自若干个信号波形的不同位置。

在实际测试中，使用哪种采样方法取决于信号的类型。对于周期性信号，实时和非实时采样方法都可以使用，主要由被测信号的频率来决定。而对于非周期性信号和瞬态信号，通常要使用实时采样的方法。

第4章软件设计

创建虚拟仪器的过程共分三步:(1)设计虚拟仪器的前面板。虚拟仪器的交互式用户接口被称为前而板，它是模仿实际仪器的面板。前面板包含旋钮、按钮，图形和其他控制与显示对象，通过鼠标和键盘为控制对象输入数据，在计算机屏幕上观看结果。(2)编写虚拟仪器流程图。流程图是一个编程问题的图形化解决方案(也是虚拟仪器的源代码)1221。虚拟仪器从流程图中接受命令。(3)确定虚拟仪器的图标和连接(表示某一虚拟子仪器)的参数列表，图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其他程序或子程序中的程序(子仪器)。

4.1 示波器设计方案

本虚拟数字存储示波器是在对传统示波器进行分析后，基于多功能DAQ采集卡和LabVIEW开发平台来设计的具有数字存储示波器、数字万用表、数字频率计三者功能与一体的一个功能强大的电子测试仪器，主要由数据采集部分、数据处理部分、波形显示部分、波形存储和回放以及频谱分析等部分组成，可以完成对信号的输入及获取、信号电压参数及时间频率参数的自动测量、信号的波形显示及存储回放和信号的频谱分析等功能。

该示波器主要由数据采集DAQ（Data Acquisition）、接口总线、硬件驱动程序和虚拟数字示波器软件构成。图2.1所示为虚拟数字示波器的整体组成结构图。信号检测电路时信号调理辅助电路，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，输出的多路信号时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（由硬件程序驱动工作），通过系统总线送进计算机进行处理。在使用DAQ卡之前必须对DAQ卡的硬件进行配置，这些控制程序用到了相应的底层DAQ驱动程序。

接口总线计算机系统硬件驱动程序软件示波器传感器信号检测电路DAQ数据采集板卡

图4.1.1 虚拟数字示波器结构图

该虚拟仪器的软件是以LabVIEW开发环境为平台，采用的是自顶而下的设计

方法，首先，有要实现的目标功能来制定一个整体框架。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；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U盘上；同样，也能把硬盘或U盘上的数据读到显示面板上（这是将停止数据的采集）并还能进行参数的测量；还可以把当前的波形打印出来。此外，应用高效数字信号处理技术，还可实现FFT算法，对频域信号进行分析。

该示波器的主要控制结构有：自动/手动设置扫描率的控制结构，写盘/读盘控制结构，采集控制结构，测量控制结构，打印控制结构，通道选择控制结构，以及频谱分析控制结构。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，测试通过后再把它们连接起来，构成一个完整的系统，最后进行整个系统性能的调试，直到调试结果符合要求为止。主程序流程图及模块条用如图2.2所示。

另外，主面板的设计要力求简单、方便、使用、美观。

图4.1.2 主程序流程图

N N 读盘？ N 采集？ Y 读入波形数据 初始化 功能按键按下？ Y 执行相应功能模波形显示

4.2 软件功能设计

本虚拟数字示波器的设计双通道台式数字存储示波器的功能，并在仪器分析和处理功能上有所扩展。仪器主要功能包括：双通道信号输入、触发控制、通道控制、时基控制、波形显示、参数自动测量、频谱分析、波形存储和回放等。功能结构框图如下：

触发控制 波形存储 电压参数测量 通道控制 数据采集 数据处理 时间参数测量 时基控制 数据存储

4.2.1功能结构框图

频谱分析

4.3采集模块设计 4.3.1 DAQ数据采集模块

数据采集模块主要完成数据采集的控制，包括触发控制、通道选择控制、时基控制等。其中：

1、触发控制包括触发模式、触发斜坡、触发电平控制； 2、通道选择主要控制单通道或双通道测量；

3、时基控制主要控制采集卡扫描率、每一通道扫描次数(取样数)。

模块采用了测量I/O模板→Data Acquisition子模板→Analog Input子模板→Analog Input Utilities子模板中的AI Waveform Scan(scaled array).vi来控制数据采集卡进行数据采集，此VI图标如图3.1.1所示。注：应用此类VI，计算机需安装Traditional NI-DAQ。整个程序框图的其他连线点都是AI Waveform Scan(scaled array).vi服务的，由于牵扯到硬件，和该vi的解释，所以在此不再过多解释框图含义。

0

模块图标如图4.3.1.2所示。

图4.3.1.1 AI Waveform Scan(scaled array).vi

图4.3.1.2数据采集模块图标及前面板

该模块主要同关闭控制器组合控制了整个程序的开始，关闭，并从外部采集模拟信号送给计算机。两个按钮（图4.3.3）控制着整个程序的CASE结构的运行与否。

图4.3.1.3示波器主面板采集按钮

其数据采集在主程序中的位置如图4.3.1.4

图4.3.1.4 数据采集.VI在主程序中的位置

波形采集的程序框框图如图4.3.1.5所示

图4.3.1.5 数据采集.VI程序框图

图4.3.1.6数据采集.VI前面板

4.3.2模拟采集模块

由于DAQ数据采集模块是建立在数据采集卡的基础上，所以，本设计采用一个虚拟采集模块代替DAQ数据采集模块。

该模块应用两个基本函数发生器来产生两仿真信号分别用来模拟A、B通道信号，其采样信息通过对簇sample/pol的扫描率和扫描数解除捆绑后再捆绑组成的新簇输入。通过前面板还可以调整仿真信号的参数（波形类型、频率、幅值）和屏幕刷新速度，最后经提取波形成分将信号的幅值信息组成一个二维数组。模块图标如图3.2.1所示。

图4.3.2.1 模拟采集模块图标

模块程序框图如图4.3.2.2所示：

图4.3.2.2 模拟采集模块程序框图

4.3.3时基控制

时基控制面板如图4.3.3.1所示

图4.3.3.1 时基控制面板

图4.3.3.2 时基控制在主程序中的位置

时基控制，是通过选择自动与手动控制来完成。当选择了自动控制时，将进

行自动扫描控制，从新确定扫描率。

4.4波形显示模块

软件提供了五种波形显示模式：

 A B A&B模式：在此模式下，通过显示通道选择按键“A”和“B”，可以任意

显示某一通道或两通道输入信号的波形。对应的case结构的程序框图如图4.4.1所示：

图4.4.1 A B A&B模式框图

 XY模式：当A、B两通道都处于选通状态时，使用此模式来显示李沙育

（Lissajous）图形、测量相位差或频率。对应的case结构的程序框图如图4.4.2所示：

图4.4.2 XY模式框图

 A+B A-B模式：当A、B两通道都处于选通状态时，使用此模式显示两通道信

号代数相加、相减后的波形。对应的case结构的程序框图如图4.4.3所示：

图4.4.3 A+B A-B模式框图

 A&A积分模式：当A通道处于选通状态时，使用此模式显示A通道信号和A通道信号对采样间隔的离散积分的波形。对应的case结构的程序框图如图4.4.4所示：

图4.4.4 A&A积分模式框图

 A&A微分模式：当A通道处于选通状态时，使用此模式显示A通道信号和A

通道信号对采样间隔的离散求导的波形。对应的case结构的程序框图如图4.4.5所示：

图4.4.5 A&A微分模式框图

对于前三种模式其横坐标是时间参数，首先对扫描数求倒数，然后看其是否小于等于扫描周期（乘1000后以毫秒为单位），若小于（即扫描数×以毫秒为单位的扫描周期大于等于1毫秒），则单位显示ms；若不小于（即扫描数×以毫秒为单位的扫描周期小于1毫秒），则单位显示为us，同时横坐标时间参数通过条件变量把数值扩大1000倍。前面板单位的显示是通过一个布尔输出来显示的。通过对电压二维数组的索引分别提取A、B两波形的幅值数据，在根据对应的通道按钮来决定是否将其数据清零，然后根据A、B基值的位置相应的改变其幅值数据，最后通过对横纵坐标的参数数值捆绑成簇，以便显示在display显板（即XY图）。A的积分和微分运算分别通过积分X(t)和微分X(t)节点来实现波形数据离散积分和微分，其求导时间参数采用扫描周期（即采样间隔）。而A、B图形采样模式的改变时通过一个条件结构来实现的。

模块图标、前面板和程序框图分别如图4.4.1、4.4.2和4.4.33所示。

图4.4.6波形显示.VI模块图标

图4.4.7 波形显示.VI前面板

图4.4.8波形显示.VI程序框图

4.5参数测量模块

本模块主要完成包括Vrms等12个电压参数和频率、周期等7个时间参数的测量，并显示其测量结果。

模块图标如图4.5.1所示。

图4.5.1 参数测量模块图标

◆ 利用数组最大值与最小值（Array Max&Min）节点求出最大值、最小值和

峰峰值。

◆ 利用交流和直流分量估计（AC&DC Estimator）节点求出直流和交流分量。 ◆ 分别利用均方根节点（RMS.vi）和均值节点（Mean.vi）求均方根值和平

均值。

◆ 利用脉冲参数节点（Pulse Parameters.vi）可以求时域参数。如上升时

间、下降时间、电压顶部、电压底部、电压幅值、延迟时间和持续时间，并通过对扫描周期的运算可求出正宽度、负宽度和占空比。

◆ 利用应用程序控制→属性节点可以控制调用模块时前面板的显示。 ◆ 点击暂停可以暂停参数测量，点击返回可以退出参数测量前面板。当按

键暂停按键未按下时，第一个条件结构执行假时的程序进行参数测量；当暂停按键按下时，第一个条件结构执行真时的空程序，参数测量暂停。返回按键未按下时，第二个条件结构执行假时的程序，通过对应用程序控制属性节点的调用和一个布尔真常量，使其前面板始终处于打开状态，且输出（送入测量按键的局部变量）为真，该子VI持续运行；当返回按键按下时，第二个条件结构执行真时的程序，通过对应用程序控制属性节点的调用和一个布尔假常量，是其前面板由打开转为关闭状态，且输出（送入测量按键的局部变量）变为假，分析按键被弹起，该子VI停止运行。

与波形测试有关的几个参数是：

上升时间Rise T(ms) :定义为波形从0.1Um 上升到0.9Um 所经历的时间，也称前沿;

下降时间Fall T（ms）: 定义为波形从0.9Um 下降到0.1Um 所经历的时间，也称后沿;

上冲s0 :是前沿的上冲量b 与Um 的百分比值， 即Vove （%） s0 = b/Um ×100 %

下冲sn :是后沿的下降量f 与Um 的百分比值，

即Vpre（%）

sn = f/Um ×100 %

占空比Duty Cy( %) :脉冲宽度与脉冲周期的比值称占空比。

所以这个双通道虚拟示波器不仅具有测量波形的功能，还能够用光标准确测量某一点的信号值，当波形与窗口不协调时，能够进行调节校正。

参数测量前面板和参数测量模块程序框图如图4.5.2和4.5.3所示

图4.5.2参数测量模块程序框图

图4.5.3参数测量模块程序框图

4.6频谱分析模块

采用快速FFT算法，完成频域信号分析。可实现的频谱分析控制包括：  利用按窗函数缩放(Scaled Window.vi)完成信号加窗，提供9种频谱分

析窗口；

 利用频谱单位转换(Spectrum Unit Conversion.vi) 完成Log/Linear

选择，提供3种坐标显示模式和8种频谱单位；

 利用频谱分析显示模块子VI完成频谱分析结果的显示和主VI对其的调

用。

首先根据通道的选择提取要分析的信号（A信号或B信号），然后完成信号加窗，自功率谱的输出，最后完成对显示坐标及频谱单位的转换，并送入频谱分析显示模块，另外通过功率和频率估计节点来提取信号基频，供其他模块使用。通过分析逻辑按键和一个条件结构决定是否调用其显示模块。

频谱分析显示模块是将输入的df（频谱间隔）和频谱通过捆绑成簇，然后送入频谱图（XY图）显示，输入的频谱单位通过一字符显示控件显示在频谱图相应位置。另外，通过在其前面板上添加了暂停和返回按键和两个条件结构，使其可以暂停分析和关闭该子VI。当按键暂停按键未按下时，第一个条件结构执行假时的程序进行频谱分析；当暂停按键按下时，第一个条件结构执行真时的空程序，频谱分析暂停。返回按键未按下时，第二个条件结构执行假时的程序，通过对应用程序控制属性节点的调用和一个布尔真常量，使其前面板始终处于打开状态，且输出（送入分析按键的局部变量）为真，该子VI持续运行；当返回按键按下时，第二个条件结构执行真时的程序，通过对应用程序控制属性节点的调用和一个布尔假常量，是其前面板由打开转为关闭状态，且输出（送入分析按键的局部变量）变为假，分析按键被弹起，该子VI停止运行。

模块程序框图如图4.6.1所示

图4.6.1频谱分析模块在主程序中的位置

频谱分析显示模块图标如图4.6.2所示

图4.6.2

图4.6.3频谱分析前面板

图4.6.4频谱分析程序框图

4.7数据存储和回放模块

传统的示波器存储的数据一般是易失性的存储器，但这样保存的数据容易丢失，而该虚拟示波器使用的存储工具是软盘或硬盘，数据不易丢失且携带方便，实现了数据的保存和读取，对波形的事后分析有很大的意义。

按键“写盘”控制是否进行数据存储；按键“读盘”控制是否从数据文件中读取数据。主面板提供了一个文件名输入框，这一个文件由写盘功能和读盘功能共用。从软盘或硬盘上读取的数据同实时采集的数据一样，能够进行自动参数测量、显示波形以及波形打印，并保留在显示窗口（显示模式设置为五种模式中的任意一种）。模块的程序框图如图4.7.1所示。

在该模块的设计中应用了多个局部变量，使用时要注意选择正确，另外，通过对数组写入时的转置，可以使我们在察看数据文件时看到完整的数据。

图4.7.1 数据存储模块程序框图

4.8波形打印模块

一般的数字示波器都没有打印功能，这在一定程度上了示波器的功能。为了完善该示波器的功能，本虚拟示波器的设计添加了一个波形打印模块，将主面板的波形数据送到波形打印模块子VI显示面板，模块程序框图如图4.8.1所示。

当按下打印按键时，完成主VI对子VI波形数据和单位的传输，它没有循环，打印原理就是执行一次波形的显示。图4.8.2为一打印出的波形截图。

图4.8.1波形打印程序框图

图4.8.2波形截图

第五章 论文总结

刚拿到设计题目时，感到这个设计很难，因为很多概念、原理和术语都不曾见过。所以，做设计之前，我花了很长时间来了解设计任务书中所给的执行文件，并通过书籍和网络来搜寻相关设计资料。等到基本掌握执行文件的各个模块的相关功能后，我开始了各个子VI的设计工作。设计过程是辛苦的，但结果是快乐的，整个设计过程基本上就是一个调试、修改、再调试、再修改的过程。有时候为了一个功能的实现可能要花去整整一个下午和一个晚上的时间，而当你完成后有时却发现有更简便的方法，可是这个时候却一点也不感到失落，因为那是自己思考的结果，也许复杂，但正因复杂才得了别人没有的经验。各子VI设计调试好后，便是建立主程序模块将它们连接起来，进行整体的功能调试，直至符合设计要求。

设计过程中存在的一些问题及解决方案：

1、 在数据采集模块，参考相关资料进行设计时，发现在LabVIEW中找不到Data Acquisition子模板中的AI Waveform Scan(scaled array).vi，利用搜索功能也不能找到，经上网查询后得知需要安装Traditional DAQ，并最终在ni.com网站上下载到TDAQ750，使得问题得以解决。

2、 在波形打印模块，实现打印功能时使用了报表打印，但打印结果不够理想，最后经同学点拨通过对VI属性的设置很好的实现了这一功能。

3、 未完成自动/手动按钮切换，在主VI程序框图中加入事件结构后，发现循环不能正常进行，各功能按键失去相应的功能，经检查发现时间结构的左上角“超时”接线端未连接值，给“超时”连线端连接上数值常量1后，问题得以解决。

4、 调用子VI时，对于子VI的暂停以及前面板的弹出和关闭，可通过添加一条件结构和应用程序控制属性节点使问题得以解决。

虽然本虚拟示波器能基本完成设计要求的各项功能，但仍然存在很多不足之处，比如对自动调整扫描率理解不到位，前面板可再优化设计，缺乏硬件无法实际检测，无法网络化、远程控制等。

通过设计，基本掌握了虚拟示波器的组成原理及其设计的一般规律，进一步巩固、加深和拓展了所学知识，培养了分析问题、解决问题的能力，完成了预定目标。

参考文献

1、陈锡辉，张银鸿编著.《LabVIEW8.20程序设计从入门到》。—北京：清华大学出版社，2007.7

2、程学庆等编著. 《LabVIEW图形化编程与实例应用》. —北京：中国铁道出版社，2005.3

3、付丽琴等编著. 《数字信号处理原理与实现》. —北京：国防工业出版社，2004.6

4、宋寿鹏编著. 《数字滤波器设计及工程应用》. —镇江：江苏大学出版社，2009.6

附录一

虚拟数字示波器前面板

附录二

示波器程序框图