基于LabVIEW的虛擬示波器的仿真設(shè)計(jì)

徐國鑫

（陸軍炮兵防控兵學(xué)院士官學(xué)校基礎(chǔ)部，遼寧沈陽 110867）

示波器作為高校實(shí)驗(yàn)室中不可缺少的電子測(cè)試實(shí)驗(yàn)儀器之一，無論是實(shí)驗(yàn)室中使用的模擬示波器還是數(shù)字示波器在教學(xué)上都存在著一些限制因素，采用虛擬示波器與實(shí)驗(yàn)室中的示波器進(jìn)行結(jié)合能夠在教學(xué)上發(fā)揮重要作用。因此，本文設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)使用的虛擬示波器系統(tǒng)，采用圖形化編程設(shè)計(jì)軟件LabVIEW 與PCI8532采集卡軟硬件載體，實(shí)現(xiàn)示波器具有數(shù)據(jù)采集與控制、波形輸出顯示、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的虛擬示波器具有更加靈活、高效、經(jīng)濟(jì)、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。能夠滿足實(shí)驗(yàn)室日常教學(xué)使用。

1 虛擬示波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件選擇

數(shù)據(jù)采集卡是虛擬示波器系統(tǒng)的核心部件，該部分主要完成外部信號(hào)的采集，將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別處理的數(shù)字信號(hào)。結(jié)合設(shè)計(jì)的虛擬示波器系統(tǒng)使用要求，采用的采集卡為PCI8532高速采集卡。

1.2 虛擬示波器的整體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的虛擬示波器系統(tǒng)具備傳統(tǒng)示波器的功能，兼顧計(jì)算機(jī)及虛擬示波器優(yōu)勢(shì)。工作具體流程闡述為：首先，設(shè)計(jì)的虛擬示波器選擇合適采樣頻率、通道號(hào)、觸發(fā)方式等數(shù)據(jù)；其次，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸，通過調(diào)用程序?qū)崿F(xiàn)波形顯示、參數(shù)測(cè)量等功能；最后，采集停止后，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)波形以文件形式存儲(chǔ)至指定的空間，并通過程序?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)波形的調(diào)出，方便對(duì)波形的分析與處理。

1.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面是用戶和虛擬示波器的交互窗口，通過人機(jī)交互界面的圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬示波器的控制。通過在人機(jī)交互界面使用LabVIEW 提供圖形按鍵、旋鈕等對(duì)示波器進(jìn)行操作。人機(jī)交互界面主要分為：調(diào)控區(qū)域、顯示區(qū)域、數(shù)據(jù)處理區(qū)域三部分。調(diào)控區(qū)域主要是控制采樣參數(shù)；顯示區(qū)主要是顯示波形；數(shù)據(jù)處理區(qū)域?qū)斎氩ㄐ畏治觥⒆儞Q和處理操作。具體的交互界面如圖1所示。

圖1 人機(jī)交互界面

1.4 虛擬示波器主要模塊的設(shè)計(jì)

1.4.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬示波器系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)及通道選擇、觸發(fā)控制、時(shí)基控制等。觸發(fā)方式通常選擇的是軟件觸發(fā)；通道選擇主要是選擇單、雙通道采集和顯示。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序框圖

數(shù)據(jù)采集模塊采用PCI8532高速采集卡與LabVIEW 圖形化編程語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和采集，數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖2所示。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

（1）波形顯示模塊設(shè)計(jì)

波形顯示模塊包括：波形顯示區(qū)、橫縱坐標(biāo)軸、圖例等。波形顯示界面設(shè)計(jì)中X 坐標(biāo)被定義為時(shí)間，Y 坐標(biāo)被定義為幅值。通過幅值控制旋鈕和時(shí)基控制旋轉(zhuǎn)分別來動(dòng)態(tài)控制Y軸量程和X 軸量程。

（2）參數(shù)測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

參數(shù)測(cè)量模塊功能實(shí)現(xiàn)采用LabVIEW 函數(shù)VI。測(cè)量參數(shù)的配置框圖如圖3所示，參數(shù)測(cè)量程序框圖如圖4所示。

圖3 參數(shù)配置

圖4 參數(shù)測(cè)量

圖5 讀取二進(jìn)制數(shù)據(jù)程序框圖

（3）數(shù)據(jù)存取模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊文件類型是二進(jìn)制文件（dat）。使用時(shí)，只需對(duì)文件路徑、字節(jié)順序設(shè)置即可。當(dāng)按下保存按鈕時(shí)，程序判斷當(dāng)前信號(hào)的采集卡通道，保存在設(shè)定的目錄下。當(dāng)按下導(dǎo)出按鍵時(shí)，即可響應(yīng)波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)出在波形顯示界面上，程序設(shè)計(jì)如圖5所示。

2 虛擬示波器的性能分析及系統(tǒng)調(diào)試

2.1 系統(tǒng)調(diào)試

在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)后，需要對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)傳輸、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、濾波、頻譜分析、波形存儲(chǔ)和導(dǎo)出幾個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試示波器預(yù)定設(shè)計(jì)功能。

2.2 系統(tǒng)功能測(cè)試

2.2.1 數(shù)據(jù)采集驗(yàn)證

利用實(shí)驗(yàn)室中已有信號(hào)發(fā)生器輸出一個(gè)1 kHz，峰峰值5 V的正弦信號(hào)。在虛擬示波器的人機(jī)交互界面中觀察到采集波形如圖6，則證明本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器可以采集到外部信號(hào)。

圖6 虛擬示波器波形

2.2.2 波形精度測(cè)量

表1 幅值的真實(shí)值與測(cè)量值

為了驗(yàn)證示波器測(cè)量精度性能，采用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生模擬波形進(jìn)行測(cè)量，通過幅值旋鈕和頻率旋鈕添加數(shù)值現(xiàn)實(shí)控件，設(shè)置數(shù)據(jù)精度為四位浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證精度，經(jīng)測(cè)量頻率值與函數(shù)發(fā)生器一致，幅值存在誤差，隨機(jī)抽測(cè)10組數(shù)據(jù)見表1。

計(jì)算最大誤差時(shí)，采用10組數(shù)據(jù)中誤差較大的一組數(shù)據(jù)（最后一組）進(jìn)行計(jì)算，因此計(jì)算相對(duì)誤差為：

5.0000-4.9505＝0.0459

0.0459/5.0000×100%＝0.99%

因此設(shè)計(jì)的虛擬示波器的誤差在5%以內(nèi)，能夠滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用。

2.2.3 分度調(diào)節(jié)驗(yàn)證

通過調(diào)節(jié)人機(jī)界面中的水平及分度調(diào)節(jié)旋鈕，波形圖中的X 軸和Y 軸的最大幅值隨之改變，因此分度調(diào)節(jié)功能模塊正常。

2.2.4 存儲(chǔ)功能驗(yàn)證

波形存儲(chǔ)的結(jié)果顯示如圖7所示。

圖7 示波器導(dǎo)出波形顯示

3 結(jié)束語

虛擬示波器利用計(jì)算機(jī)來完成對(duì)信號(hào)的一系列處理，前面板設(shè)計(jì)美觀，能完成基本的示波器功能，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）功能多。在進(jìn)行模擬信號(hào)演示時(shí)，本示波器資源是現(xiàn)成的，不需要接線，可以節(jié)約大量的時(shí)間。參數(shù)測(cè)量是自動(dòng)的，直接進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)直觀，不需要用戶在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后在進(jìn)行數(shù)據(jù)整理而浪費(fèi)時(shí)間。波形和圖片可以進(jìn)行存儲(chǔ)，以便日后再次研究。

（2）成本低。以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)價(jià)格較傳統(tǒng)示波器低，且可根據(jù)實(shí)際需要再拓展示波器的功能，成本較低。

（3）軟件升級(jí)方便。可通過下載更高版本的軟件進(jìn)行升級(jí)，操作簡單快捷。