虛擬任意波形發(fā)生器和示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周細(xì)鳳，胡曉冬，何小敏

(湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院,湘潭 411101)

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虛擬任意波形發(fā)生器和示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周細(xì)鳳，胡曉冬，何小敏

(湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院,湘潭 411101)

采用模塊化的概念，在LABVIEW圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)虛擬任意波形發(fā)生器和示波器系統(tǒng).本系統(tǒng)包括模擬信號(hào)發(fā)生模塊,處理與分析模塊,存儲(chǔ)與讀取模塊以及顯示模塊.其中，測(cè)試對(duì)象由模擬信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生，該模塊主要由信號(hào)發(fā)生器和通道選擇器組成.數(shù)據(jù)處理與分析模塊由參數(shù)測(cè)量、濾波、頻譜分析、波形運(yùn)算構(gòu)成.最后進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，經(jīng)測(cè)試可見，該虛擬示波器較為成功地實(shí)現(xiàn)了示波器的基本功能，實(shí)用性較強(qiáng).

虛擬儀器;示波器；LABVIEW；虛擬數(shù)字示波器

0　引　言

隨著測(cè)試系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)更加密切的結(jié)合，新的測(cè)試?yán)砟睢y(cè)試方法和測(cè)試?yán)碚?，以及新型儀器結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn).相對(duì)傳統(tǒng)儀器來說，它們?cè)诠δ堋⒆饔?、性能方面具有顯著而巨大的優(yōu)勢(shì).虛擬儀器是計(jì)算機(jī)與儀器的緊密的結(jié)合的一種新型儀器，它利用PC計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力來模仿傳統(tǒng)的儀器的一種新型程序儀器.因?yàn)槠渥陨淼臉?gòu)成特點(diǎn)及工作模式，使得操作者就像使用一臺(tái)專用的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量[1-7].傳統(tǒng)示波器是一種顯示電信號(hào)時(shí)間波形的一種儀器，它利用電子射線的偏轉(zhuǎn)把人眼無法直接看到的電信號(hào)時(shí)變規(guī)律，以能見的方式顯示出來.傳統(tǒng)示波器主要包括主機(jī)、Y軸系統(tǒng)、X軸系統(tǒng)三個(gè)部分.其主要功能模塊基本上都是由硬件構(gòu)成.而虛擬儀器由硬件和軟件組成，硬件常指PC以及外圍設(shè)備.其中，GPIB系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 、PXI系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)等都是外圍設(shè)備的軟件包括操作系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件.其開發(fā)軟件通常包括基于文本式編程語言開發(fā)工具 ,如VC++，VB，C++Build，LabWindows/CVI，Delphi等，和基于圖形化編程語言開發(fā)工具如LabVIEW，HPVEE等，其中，LABVIEW是NI公司研制的圖形編程虛擬儀器系統(tǒng)LABVIEW是基于G語言的虛擬儀器開發(fā)工具的一種軟件，應(yīng)用最廣泛的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境[4,6,8].

本設(shè)計(jì)了一種基于LABVIEW平臺(tái)的虛擬示波器.該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生虛擬信號(hào)，并完成信號(hào)的測(cè)量、濾波、分析、存儲(chǔ)、讀取以及顯示等功能.

1　示波器設(shè)計(jì)

1.1虛擬示波器主要功能

所設(shè)計(jì)的虛擬示波器主要包括數(shù)據(jù)采集、分析處理、存儲(chǔ)讀取和顯示4個(gè)模塊.通過這4個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸與配合，實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量、波形運(yùn)算、頻譜分析、濾波、通道選擇、信號(hào)發(fā)生、信號(hào)存儲(chǔ)與讀取、偏移量控制、幅值控制、時(shí)間控制、顯示等功能.其系統(tǒng)框圖如圖1所示.

其關(guān)鍵模塊如數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)測(cè)量，數(shù)據(jù)處理與分析、信號(hào)存儲(chǔ)與讀取以及控制與顯示的原理，以及具體實(shí)現(xiàn)方法描述如下：

(1)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊用于產(chǎn)生四中波形的模擬仿真信號(hào)(方波信號(hào)，正弦信號(hào)，鋸齒波信號(hào)，三角波信號(hào))并對(duì)通道進(jìn)行選擇(由信號(hào)發(fā)生模塊，通道選擇模塊構(gòu)成).輸入信號(hào)的頻率、幅值、相位、波形類別等數(shù)據(jù)輸出相應(yīng)的信號(hào)，通過平鋪式順序結(jié)構(gòu)將信號(hào)輸送到后續(xù)模塊中進(jìn)行分析處理，存儲(chǔ)，顯示等操作.

(2)數(shù)據(jù)測(cè)量

數(shù)據(jù)測(cè)量模塊主要測(cè)量信號(hào)電壓、頻率和周期等參數(shù).其輸入端連接模擬信號(hào)發(fā)生部分，調(diào)用“函數(shù)選板-信號(hào)處理-波形測(cè)量-幅值和電頻測(cè)量(VI)”對(duì)信號(hào)的周期平均、周期均方方根、反峰、正峰、峰峰值進(jìn)行測(cè)量；調(diào)用“函數(shù)選板-信號(hào)處理-波形測(cè)量-提取單根、周期均方根、均值(直流)、均頻信息 (VI)”對(duì)信息進(jìn)行頻率、幅值、相位的測(cè)量；調(diào)用“函數(shù)選板-信號(hào)處理-波形測(cè)量-脈沖測(cè)量 (VI)”對(duì)信號(hào)進(jìn)行周期、脈沖持續(xù)期的測(cè)量；調(diào)用“函數(shù)選板-信號(hào)處理-信號(hào)運(yùn)算-交流和直流分量估計(jì) (VI) ”對(duì)信號(hào)進(jìn)行交流分量和直流分量的測(cè)量.

圖1　虛擬示波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(3)數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)測(cè)量與分析模塊需要實(shí)現(xiàn)的功能是利用FFT進(jìn)行頻譜分析、對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理、以及波形運(yùn)算.

(4)信號(hào)存儲(chǔ)與讀取

信號(hào)存儲(chǔ)與讀取模塊將仿真出來的信號(hào)存儲(chǔ)到文件中進(jìn)行保存，以及讀取保存在文件中的信號(hào)，且能保存示波器顯示的波形圖片.

1.2關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

本程序的主要模塊有: 信號(hào)發(fā)生模塊、通道選擇模塊、測(cè)量模塊、頻譜分析模塊、波形運(yùn)算模塊、濾波模塊、存取與讀取模塊和控制模塊.

信號(hào)發(fā)生模塊需要實(shí)現(xiàn)的功能是，仿真出四種波形類別，任意頻率與幅值，受到一定干擾的信號(hào).調(diào)用“函數(shù)選板-信號(hào)處理子(VI)-信號(hào)生成子(VI)-基于持續(xù)時(shí)間的信號(hào)發(fā)生器(VI)”仿真產(chǎn)生有用信號(hào)，調(diào)用“函數(shù)選板-信號(hào)處理子(VI)-信號(hào)生成子(VI)-均勻白噪聲 (VI)”仿真信號(hào)干擾，通過“函數(shù)選板-編程子(VI)-條件結(jié)構(gòu)(VI)”來實(shí)現(xiàn)波形類別的選擇.

通道選擇模塊可以選擇CH1通道、CH2通道或者CH1&CH2通道.本模塊調(diào)用信號(hào)發(fā)生模塊(VI)產(chǎn)生通道的信號(hào)，利用條件結(jié)構(gòu)(VI)，控制通道的接通與斷開；調(diào)用“編程-數(shù)組-創(chuàng)建數(shù)組(VI)”將兩個(gè)信號(hào)發(fā)生模塊輸出的信號(hào)連接起來輸送到顯示模塊，就可以實(shí)現(xiàn)通道的任意選擇了.通道選擇模塊的程序如圖2所示.測(cè)量程序調(diào)用條件結(jié)構(gòu)(VI)把無信號(hào)輸入，與有信號(hào)輸入?yún)^(qū)分開來，將有信號(hào)部分輸送到幅值和電頻測(cè)量(VI)中，防止無信號(hào)輸入而出現(xiàn)錯(cuò)誤，其實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示.

圖2　虛擬通道選擇模塊　　　　　　　　　　　　　　圖3　測(cè)量模塊

頻譜分析模塊需要使用FFT窗對(duì)波形分析，進(jìn)行幅度和相位譜分析，LABVIEW提供了很多VI，可以直接用于信號(hào)分析，本模塊調(diào)用的是“FFT頻譜(幅度-相位VI)” .

波形運(yùn)算模塊完成的功能是CH1-CH2、CH1+CH2、CH1*CH2以及對(duì)CH1，CH2的卷積運(yùn)算.本模塊利用選擇結(jié)構(gòu)(VI)進(jìn)行運(yùn)算方式的選擇，調(diào)用“express子(VI)-算數(shù)與比較子(VI)-公式(VI)”進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，調(diào)用“信號(hào)處理-信號(hào)運(yùn)算-卷積(VI)”對(duì)波形CH1，CH2進(jìn)行卷積運(yùn)算.波形運(yùn)算的程序如圖4所示.

圖4　波形運(yùn)算模塊

濾波器模塊將被干擾的有用信號(hào)提取出來，還原出信號(hào)的真實(shí)程度.該模塊調(diào)用“信號(hào)處理-濾波-巴特沃思濾波器(VI)”來實(shí)現(xiàn)，如圖5所示.巴特沃斯濾波器(VI)有4種濾波(高通，帶通，低通，帶阻)可以選擇，并且可以調(diào)整最大和最小的截止頻率以及濾波器的階數(shù).

圖5　巴特沃思濾波器(VI)程序

信號(hào)存儲(chǔ)與讀取部分將仿真出來的信號(hào)存儲(chǔ)到文件中進(jìn)行保存，以及讀取保存在文件中的信號(hào)，且能保存示波器顯示的波形圖片.本模塊利用選擇結(jié)構(gòu)(VI)進(jìn)行存儲(chǔ)、讀取、與圖片保存的選擇控制；創(chuàng)建一個(gè)選擇控件VI的局部變量，用來控制該模塊在運(yùn)行完，相應(yīng)的功能(存儲(chǔ)、讀取、與圖片保存)后自動(dòng)結(jié)束，并返回到顯示界面的運(yùn)行中；調(diào)用“ExpressVI和函數(shù)-輸出ExpressVI-寫入測(cè)量文件 (ExpressVI)”實(shí)現(xiàn)信號(hào)的存儲(chǔ)功能；調(diào)用“ExpressVI和函數(shù)-輸入ExpressVI-讀取測(cè)量文件 (ExpressVI)”實(shí)現(xiàn)信號(hào)的讀取功能；創(chuàng)建示波形圖表的“調(diào)用節(jié)點(diǎn)-方法-獲取圖像”以及調(diào)用“編程(VI)與函數(shù)-圖像與聲音(VI)-寫入BMP文件 (VI) ”實(shí)現(xiàn)圖片保存功能.該部分的程序如圖6所示.

圖6　信號(hào)存儲(chǔ)與讀取部分

控制模塊運(yùn)用3種控制形式，分別是幅度控制、時(shí)間控制、偏移量控制，對(duì)波形的顯示進(jìn)行控制調(diào)整，以求達(dá)到最佳的波形顯示狀態(tài).該部分的程序如圖7所示.

圖7　控制模塊

1.3示波器主面板及程序框圖

綜合以上各子模塊，可得所設(shè)計(jì)的虛擬示波器主面板和程序框圖分別如圖8所示.該示波器由數(shù)據(jù)采集、分析處理、存儲(chǔ)讀取、顯示、四大模塊組成，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生、通道選擇、波波形運(yùn)算、參數(shù)測(cè)量、濾波、頻譜分析、控制等主要示波器功能，同時(shí)還能進(jìn)行波形的保存與讀取功能.

圖8　虛擬示波器前面板總圖

2　虛擬示波器測(cè)試

下面按照用戶使用功能(波形圖、數(shù)據(jù)測(cè)量、濾波、頻譜分析、波形運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取、)進(jìn)行測(cè)試.按照用戶使用功能(波形圖、數(shù)據(jù)測(cè)量、濾波、頻譜分析、波形運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取、)進(jìn)行測(cè)試.

圖9給出了波形測(cè)試界面，圖10、圖11分別對(duì)4種不同的波形進(jìn)行濾波測(cè)試和運(yùn)算分析.

另外，在運(yùn)行虛擬示波器時(shí)選中保存與讀取選項(xiàng)，右下角選擇控件，用來選擇將要執(zhí)行的操作，選擇“保存文件”選項(xiàng)，會(huì)彈出保存文件對(duì)話框.命名，并點(diǎn)擊確定，這時(shí)保存指示會(huì)點(diǎn)亮，表示文件以及保存成功.右下角選擇控件，自動(dòng)彈回到“顯示波形”功能.

(a) 方波與正弦波　　　　　　　　　　　　(b) 三角波與鋸齒波圖9　虛擬示波器顯示四種波形

圖10　對(duì)4種波形進(jìn)行濾波測(cè)試

圖11　四種波形運(yùn)算測(cè)試

然后打開，文件保存的路徑文件夾，可以看到一個(gè)保存的文件.在運(yùn)行虛擬示波器，選中保存與讀取選項(xiàng)，右下角選擇控件，用來選擇將要執(zhí)行的操作，選擇“讀取文件信號(hào)”選項(xiàng)，會(huì)彈出讀取文件對(duì)話框，此時(shí)可在虛擬示波器界面中調(diào)出原保存信號(hào)，也可通過相關(guān)按鈕將信號(hào)保存為圖形.

由測(cè)試結(jié)果可知，該基于LABVIEW的虛擬示波器較為完整的實(shí)現(xiàn)了整個(gè)虛擬示波器的基本功能.

3　小　結(jié)

本文以LABVIEW軟件平臺(tái)作為軟件開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一款虛擬示波器.主要圍繞模擬信號(hào)的生成、信號(hào)的分析和信號(hào)的處理幾個(gè)方面闡述了虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì).并且自行開發(fā)了頻譜分析和存儲(chǔ)與讀取功能，除了擁有傳統(tǒng)示波器的功能以外，還對(duì)示波器的功能進(jìn)行了相應(yīng)的擴(kuò)展.

[1]陳景波，楊放，姚定江.基于Compuscope82G型高速數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器設(shè)計(jì)[J]．國(guó)外電子元器件,2006(2)：60-62.

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[3]林君，謝宣松.虛擬儀器原理及應(yīng)用[M]．北京，科學(xué)出版社，2006.

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TheDesignofVirtualArbitraryWaveformGeneratorandWaveOscilloscope

ZHOUXi-feng,HUXiao-dong,HEXiao-min

(CollegeofElect.andInformationEng.,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan411101,China)

AvirtualarbitrarywaveformgeneratorandwaveoscilloscopebasedonLab-VIEWisdesignedinthepaper.Itincludesfourblocks:arbitrarywaveformgenerator,signalanalyzingandprocessing,datacollectionandstorage,anddisplaymodule.Thetestingobjectsforthewaveoscilloscopeareproducedbythevirtualarbitrarywaveformgeneratorincludingwaveformgeneratorandchannelselector.Thesignalanalyzingandprocessingblockconsistsofparametermeasurement,filtering,spectrumanalysisandwaveformcalculating.Finally,thespecificationofthesystemissimulatedandtested.Thesimulationresultsshowreliabilityandpracticabilityofthismethod.

virtualinstrument;oscilloscope;LabVIEW;digitaloscilloscope

2015-07-15

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14jj6041)；湖南省教育廳開放基金平臺(tái)項(xiàng)目(14k029);湖南工程學(xué)院博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(Z).

周細(xì)鳳(1979-)，女，博士，講師，研究方向:電子信息、CMOS數(shù)?；旌铣呻娐吩O(shè)計(jì)、有源濾波器設(shè)計(jì)等.

TN713

A

1671-119X(2016)01-0019-06