基于LabVIEW的虛擬示波器的仿真設(shè)計

徐國鑫

（陸軍炮兵防控兵學(xué)院士官學(xué)?；A(chǔ)部，遼寧沈陽 110867）

示波器作為高校實驗室中不可缺少的電子測試實驗儀器之一，無論是實驗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驗室中的示波器進行結(jié)合能夠在教學(xué)上發(fā)揮重要作用。因此，本文設(shè)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)實驗室教學(xué)使用的虛擬示波器系統(tǒng)，采用圖形化編程設(shè)計軟件LabVIEW 與PCI8532采集卡軟硬件載體，實現(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)存儲功能。通過實驗驗證，設(shè)計的虛擬示波器具有更加靈活、高效、經(jīng)濟、可擴展性強等優(yōu)勢。能夠滿足實驗室日常教學(xué)使用。

1 虛擬示波器系統(tǒng)設(shè)計

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的采集，將其轉(zhuǎn)化為計算機可識別處理的數(shù)字信號。結(jié)合設(shè)計的虛擬示波器系統(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)計方案

設(shè)計的虛擬示波器系統(tǒng)具備傳統(tǒng)示波器的功能，兼顧計算機及虛擬示波器優(yōu)勢。工作具體流程闡述為：首先，設(shè)計的虛擬示波器選擇合適采樣頻率、通道號、觸發(fā)方式等數(shù)據(jù)；其次，進行數(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)測量等功能；最后，采集停止后，能夠?qū)崿F(xiàn)對波形以文件形式存儲至指定的空間，并通過程序?qū)崿F(xiàn)存儲波形的調(diào)出，方便對波形的分析與處理。

1.3 人機交互界面設(shè)計

人機交互界面是用戶和虛擬示波器的交互窗口，通過人機交互界面的圖標(biāo)實現(xiàn)對虛擬示波器的控制。通過在人機交互界面使用LabVIEW 提供圖形按鍵、旋鈕等對示波器進行操作。人機交互界面主要分為：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?、變換和處理操作。具體的交互界面如圖1所示。

圖1 人機交互界面

1.4 虛擬示波器主要模塊的設(shè)計

1.4.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬示波器系統(tǒng)的核心，主要實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)及通道選擇、觸發(fā)控制、時基控制等。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

（1）波形顯示模塊設(shè)計

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)計中X 坐標(biāo)被定義為時間，Y 坐標(biāo)被定義為幅值。通過幅值控制旋鈕和時基控制旋轉(zhuǎn)分別來動態(tài)控制Y軸量程和X 軸量程。

（2）參數(shù)測量模塊設(shè)計

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

圖3 參數(shù)配置

圖4 參數(shù)測量

圖5 讀取二進制數(shù)據(jù)程序框圖

（3）數(shù)據(jù)存取模塊設(shè)計

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

在實現(xiàn)設(shè)計后，需要對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行采集、數(shù)據(jù)傳輸、波形顯示、參數(shù)測量、濾波、頻譜分析、波形存儲和導(dǎo)出幾個方面進行測試示波器預(yù)定設(shè)計功能。

2.2 系統(tǒng)功能測試

2.2.1 數(shù)據(jù)采集驗證

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

圖6 虛擬示波器波形

2.2.2 波形精度測量

表1 幅值的真實值與測量值

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

計算最大誤差時，采用10組數(shù)據(jù)中誤差較大的一組數(shù)據(jù)（最后一組）進行計算，因此計算相對誤差為：

5.0000-4.9505＝0.0459

0.0459/5.0000×100%＝0.99%

因此設(shè)計的虛擬示波器的誤差在5%以內(nèi)，能夠滿足實驗教學(xué)使用。

2.2.3 分度調(diào)節(jié)驗證

通過調(diào)節(jié)人機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 存儲功能驗證

波形存儲的結(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

虛擬示波器利用計算機來完成對信號的一系列處理，前面板設(shè)計美觀，能完成基本的示波器功能，主要有以下優(yōu)點：

（1）功能多。在進行模擬信號演示時，本示波器資源是現(xiàn)成的，不需要接線，可以節(jié)約大量的時間。參數(shù)測量是自動的，直接進行測量，數(shù)據(jù)直觀，不需要用戶在實驗結(jié)束后在進行數(shù)據(jù)整理而浪費時間。波形和圖片可以進行存儲，以便日后再次研究。

（2）成本低。以計算機為基礎(chǔ)，計算機價格較傳統(tǒng)示波器低，且可根據(jù)實際需要再拓展示波器的功能，成本較低。

（3）軟件升級方便?？赏ㄟ^下載更高版本的軟件進行升級，操作簡單快捷。