基于LabVIEW的数字示波器的设计

摘要

众所周知，示波器是测量电子信号的波形的一种仪器，它可以分析计算出波形的各种参数，包括频率、周期、电压等。以往的示波器在某些方面都存在些许不足之处，而利用近年来出现的图形化编辑环境LabVIEW即虚拟仪器的这个平台则可以完善老式示波器的不足，其优势在于可以由用户自己来选择与定义仪器的功能，能更高效率地完成新产品的研发，满足多样化需求。

借助PC机的强大功能，将虚拟仪器的硬件和软件相结合，以完成虚拟示波器的设计。文中介绍了虚拟示波器拟达到的一些技术指标以及设计方案。主要包括数据采集、参数测量、频谱分析、波形显示和波形存储几大模块，可进行数据采集、显示、存储和分析处理，同时显示、记录和存储多通道显示出来的波形，还可以对波形进行数据分析和处理，即完成对模拟信号的数字处理，其中数据采集参数的设置、波形数据存储显示和分析处理都由软件实现，与传统的数字示波器相比，虚拟数字示波器在人性化程度、处理能力、性价比、可操作性等方面都具有明显的优势。

关键词：虚拟仪器；LabVIEW；数字示波器；数据采集

ABSTRACT

As is known to all, oscillograph is a kind of electronic signal waveform measurement instrument, it can analyze the calculated waveform parameters, including frequency, cycle, voltage, etc. Previous oscilloscope is in some ways there are some deficiencies, and the use of LabVIEW graphical editing environment appeared in recent years is the platform of virtual instrument can improve the shortcomings of old oscilloscope, its advantages can be defined by the user to select and the function of the instrument, can be more efficient to complete the new product research and development, meet the demand of diversification.

With the aid of the powerful features of the PC, combining hardware and software of virtual instrument, to complete the design of virtual oscilloscope. This paper introduces a virtual oscillograph is proposed to achieve some of the technical indicators and the design scheme. Mainly including data acquisition, parameter measurement, spectrum analysis, waveform display and waveform storage of several major modules, data acquisition, display, storage and analysis can be processing, at the same time display, recording and storage multi-channel display waveform, can also be the waveform data analysis and processing, the completion of the analog signal digital processing, the data acquisition parameters setting, waveform display and data storage, analysis is implemented by software, compared with the traditional digital oscilloscope, virtual digital oscilloscope in the degree of humanization, capacity, cost performance, operability, etc have obvious advantages.

Key words ：virtual instrument;labview;digital oscilloscope;data collection

目录

1 绪论 (1)

1.1 研究背景与意义 (1)

1.2 数字示波器的发展状况 (1)

1.3 虚拟仪器 (3)

1.3.1 虚拟仪器简介 (3)

1.3.2 虚拟仪器与传统仪器对比 (3)

1.4 研究内容 (3)

1.5 文章结构安排 (4)

2 虚拟数字示波器设计方案 (5)

2.1 LabVIEW (5)

2.1.1 LabVIEW简介 (5)

2.1.2 LabVIEW的优势 (5)

2.2 设计方案 (5)

2.2.1 虚拟数字示波器的设计流程图 (5)

2.2.2 软件设计 (6)

3 数字示波器前面板设计 (7)

3.1 前面板所需模块 (7)

3.1.1 数据采集模块 (7)

3.1.2 触发控制模块 (8)

3.1.3 时基模块 (8)

3.1.4 参数测量模块 (8)

3.1.5 频谱分析模块 (8)

3.1.6 波形显示模块 (8)

3.2 总体前面板设计 (9)

3.2.1 波形显示控制部分 (9)

3.2.2 输入信号测量值的显示部分 (9)

3.2.3 数据存储与读取部分 (10)

3.2.4 波形打印部分 (11)

4 数字示波器后面板设计 (11)

4.1 后面板所需模块 (11)

4.1.1 波形显示模块.............................................. 错误！未定义书签。

4.1.2 输入信号测量值模块................. 错误！未定义书签。

4.1.3 频谱分析模块 (13)

4.1.4 数据采集模块 (13)

4.1.5 数据存储与读取模块 (14)

4.1.6 自动扫描控制模块 (15)

4.2 总体后面板设计 ...................................................... 错误！未定义书签。

5 虚拟数字示波器的仿真与调试 (17)

5.1 虚拟数字示波器的仿真 (17)

5.1.1 正弦波与三角波的仿真 (17)

5.1.2 通道的选择以及频谱分析 (17)

5.2 结果分析 (21)

结束语 (22)

参考文献 (23)

致谢 (26)

1 绪论

1.1 研究背景与意义

传统仪器的功能都由生产厂家给定而用户不可随意改动，仪器笨重不易移动且耗费的资金巨大，技术更新却很慢。国外同类仪器的测量准确度和可靠性均高于国内，但是如果这些高档仪器都必须从国外进口的话，将耗费我国大量外汇，同时还不能满足国内所需的各种功能，这在某种程度上也造成了一种浪费，考虑到我国目前的局面，研制出智能化程度高、费用低、可用户自定义的数字示波器是形势所需。因此，论文将设计一款新型示波器：虚拟数字示波器。将虚拟仪器的软硬件相结合，使其能具有传统示波器所没有的优点，比如其显示出来的波形将可以以数据文件的形式存储起来，加上它成本低廉以及可根据用户的需求进行功能扩展的优势，使得它的设计与实现更具有开发的价值。

1.2 数字示波器的发展状况

数字示波器是一种电子测量仪器，它具备使用便捷、稳定性能好、耐用性能强等多个优点。数字示波器自上个世纪七十年代诞生以来，发展到现在，大致可分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器、虚拟仪器。

模拟示波器是最原始出现的示波器，它所用的是模拟电路（示波管，其根本是电子枪）电子枪向屏幕发射电子，发射出的电子可以被聚焦成电子束，然后再打在屏幕上，因为屏幕的内表面是先涂有荧光物质的，所以电子束所打到的位置就会发出亮光。它的优势在于操作简单、数据更新快、实时带宽和实时显示以及垂直分辨率高。缺点在于它的极限频率大概为1GHz，而它能显示的频率范围受CRT的限制，在低频处，被测信号以明亮而缓慢的点移动，这使得波形的观察有难度；而在高频处，则受CRT的写速度的限制，如果被测信号的频率超出CRT 的写速度，那么波形则显得尤其暗淡，而难以分辨。模拟示波器示例图如图1所示。

图1 模拟示波器

虚拟示波器是利用高性能的模块化硬件，结合具有强大功能的软件来完成测量和自动化应用，软件是它的核心部分。它的优势很多，比如性价比高、可扩展性强、开发效率高以及用户自定义。但是它也有不足之处，比如在使用虚拟示波器的时候要注意区分模拟带宽和数字实时带宽，在测量时一定要考虑其数字实时带宽，不然会产生较大的误差；还有就是它的采样速率，根据奈奎斯特定理，采样速率至少要是信号高频部分的两倍，也就是说如果采样速率达不到的话，就会发生混迭现象。虚拟示波器示例图如图2所示。

图2 虚拟示波器

近些年电子技术取得突破性的发展，而这种迅猛发展的趋势也催生了更庞大的数字示波器需求市场，使得数字示波器的发展更趋向于不断满足行业标准、功能集成趋势更加明显以及设计更加美观且便于移动。

1.3 虚拟仪器

1.3.1 虚拟仪器简介

虚拟仪器是电子通讯技术与计算机技术在飞速发展的情况下经过多年的应用和创新而催生出来的产物，基于计算机这个平台，它有虚拟面板，用户可根据自己的需求来设计和定义自己所需要的功能，是目前世界上唯一一种编译型图形化编程语言。

虚拟仪器的工作原理是“数据采集、数据处理与分析、结果表达”。它一般由软件和硬件两大部分构成，硬件一般包括计算机和外围硬件设备；软件一般包括操作系统、仪器驱动器和应用软件。仪器驱动器是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件，它不仅是虚拟仪器的核心，也是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。

1.3.2 虚拟仪器与传统仪器对比

传统仪器固定的面板上安装了各种操作原件，看上去错综复杂，识别起来和操作起来都可能造成很多错误，而虚拟仪器有前面板和后面板，可以借助多个面板来实现和传统仪器一样的功能，同时又使得操作变得更加简单，界面也变得清晰，这样就方便了使用者快速高效地完成操作。其次，传统仪器更新的方法只有不断购买新型仪器，耗费大量资金不说，还笨重，而虚拟仪器利用其可升级性和可扩展性就只需要不断更新相关软件即可达到功能扩展的要求。

1.4 研究内容

以LabVIEW作为软件开发平台，课题将设计一款新型虚拟数字示波器，通过程序框图和前面板的设计来制作课题所需要的示波器。研究的主要内容如下：（1）设置两个通道，分别给两个通道赋予不同的信号类型，实现双踪。

（2）完成其硬件电路设计和软件程序设计，实现波形显示、通道选择、电平幅度调节、扫描周期选择、触发控制等功能。

（3）实现仿真并对仿真结果进行分析。

1.5 文章结构安排

第一章-绪论，介绍了论文的课题意义，数字示波器的历史进程和课题的设计思路。

第二章-虚拟数字示波器的设计方案，简述了虚拟仪器的发展现状、LabVIEW 的开发前景和示波器的设计方案。

第三章-数字示波器的前面板设计，介绍了前面板所需要的模块、各个模块的功能、整体前面板的设计。

第四章-数字示波器的后面板设计，介绍了后面板所需要的模块、各个模块的程序框图、整体后面板的设计。

第五章-数字示波器的仿真与调试，设计并确定程序没有错误之后，选择不同的信号类型进行仿真，选择相对应的前面板的按钮来进行电平幅度调节、通道选择、扫描周期选择、触发控制等，实现仿真，最后对仿真结果进行分析。

2 虚拟数字示波器设计方案

2.1 LabVIEW

2.1.1 LabVIEW简介

虚拟仪器（简称VI），其概念最初是由美国NI公司于1986年提出来的，实质是充分利用最新的计算机软硬件技术来实现和扩展传统仪器的功能，其最大优势在于可由用户自己定义仪器功能。它是一种图形化编程语言，利用这种语言来编程的话可以省去很多麻烦，使得整个过程简捷又有趣，因为可以不用写程序代码，而是只需要画流程框图就可以了，这是它尤为重要的一个优势。 LabVIEW 是一个面向终极用户的工具，它可以提升用户构建自己的科学和工程系统的能力，利用它进行设计制作、测试与测量自动化应用的时候，能够替用户省去很多不必要的麻烦，提高效率。

2.1.2 LabVIEW的优势

LabVIEW利用“可见即可得”的可视化技术来建立人机界面，用图标来表示功能模块，用图标之间的连线来表示各模块间的数据传递。其优势是：

(1)图形化的编程方式不需要写任何文本格式的代码，不用受语言严谨性的约束，而只要连接各个图标就可以了。

(2)LabVIEW的兼容性使得它能与其他编程语言并存，并提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数，功能强大。

(3)图形化语言使得编程更加简单、直观、而且开发速度快。

(4)强大的Internet功能，可以连接互联网。

(5)LabVIEW不像传统仪器那样需要耗费大量资金不断更新设备，而只需要不断更新相关软件就可以达到扩展功能的目的，节约资金。

(6)LabVIEW体现了一种“数据流”的概念。

(7)LabVIEW中的程序自带了语句检测功能，在编程中如果出了差错，它都会通过最简单的提示来告知用户错在何处，从而达到降低程序易错性的目的。

2.2 设计方案

2.2.1 虚拟数字示波器的软件功能框图

课题要求设计的虚拟数字示波器要求其前面板有波形显示、通道选择、电平幅度调节、扫描周期选择、触发控制等功能，波形显示可选择方波、正弦波、三角波、锯齿波等多种波形，在程序框图设计面板上选择不同的波形，点击高亮运

行程序，最后采集到的波形会在虚拟数字示波器的前面板上显示出来。虚拟数字示波器的软件功能框图如图3所示。

图3 虚拟数字示波器软件功能框图 各个模块在主面板上都有相对应的按钮，当按下这些按钮的时候就执行各模块相对应的子程序，因为不同的信号有不同的波形显示，所以最终的结果将根据信号的不同将波形显示在主面板上。通道选择就是通过改变通道的信号类型，来观察波形的改变情况；电平幅度调节是指改变信号波形的幅度，然后观察波形的变化；扫描周期选择就是通过改变时基来观察波形的形状变化；触发控制就是为了使扫描信号与被测信号同步，设定一些条件，将被测信号不断的与这些条件相比较，直到扫描信号的频率与被测信号相同或存在整数倍的关系，也就是同步。

2.2.2 软件设计

软件设计分三个步骤：（1）设计虚拟仪器的前面板，选择课题需要的按钮、旋钮、控件等，为各个控件输入需要的数据。（2）设计虚拟仪器的程序框图，根据每一个模块的需要来选择控件，按照连线的颜色提示将各个控件连接起来。

（3）确定程序框图的设计与连接没有错误后，方可运行程序，通过前面板观察结果。

文中的软件设计部分包括波形产生模块、波形显示模块、参数测量模块、频谱分析模块、数据采集模块以及自动扫描控制模块，最后实现数据采集、数据处理和分析以及显示结果等功能。 触发控制

时基控制

数据采集数据处理电压参数测量波形显示时间参数测量通道控制

3 数字示波器前面板设计

LabVIEW前面板是用作设置输入数值和观察输出数值所用的一个窗口，是虚拟示波器软件的核心，用户通过前面板中的开关和旋钮模拟传统仪器的操作，当按下相应的按钮时就可调用该子程序。

3.1 前面板所需模块

在LabVIEW的控制模板中，分别在设计面板上放入模拟实际控键的显示器、通道选择控键、电平幅度控键、触发源、触发电平、时基控键等。

3.1.1 数据采集模块

数据采集（Data AcQuisition,DAQ）是虚拟示波器软件的核心部分，其性能指标直接影响数字示波器采样速率、精度等主要性能指标。数据采集是一个从传感器或者其他待测量设备中去采集系统所需要的各种信息的过程，它是一个自动的过程。一个完整的数据采集系统包括了很多部分，比如传感器、数据采集硬件、分析硬件、变换器、计算机、驱动程序、信号调理设备和应用软件等。

传感器是一种能感应物理信息并生成可测量的电信号的仪器，比如热电偶和电阻式测温计（RTD）可以把温度转变为ADC可测量的模拟信号，其他仪器比如应力计也可以测量力的参数，在所说的各种情况下，传感器都可以生成它们所检测的物理量呈比例的电信号。

信号调理能够通过提高信号的信噪比来尽量减少外界传来的干扰信号给测量带来的影响，它的处理能力直接影响到对数据进行分析的结果，这些信号只有在经过信号的调理之后才能被允许进入到采集系统。信号调理的方法有放大、衰减、加窗等。

数据采集设备与已经通过信号调理后的信号相连接。NI的数据采集设备支持的总线类型包括PCI、PCI Express、PXI、PCMCIA、USB、CompactFlash、Ethernet 以及火线等各种总线。数据采集卡的功能包括模拟输入与输出、数字I/O、触发采集和定时I/O。

数据采集系统的主要任务采集原始信号，其主要组成部分有多路开关、放大器、采样/保持器以及A/D转换器，此四个部分处于PC的前向通道。数据采集卡在实现自身功能之前必须，必须根据用户自身需求来进行参数设置，此为其软件驱动，需设置的参数有设备号及地址码，除此之外还有模拟输入部分的设置顶，包括信号的输入方式、增益的选择和量程的选择，另外还有A/D转换部分的设置顶，包括信号输入通道号、采样点数和采样速率的设置。数据采集卡的结构图如图4所示。

图4 数据采集卡的结构图

而文中由于缺少硬件支持，故而只应用了软件设计，利用的是LabVIEW自带的丰富的数据采集函数库（位于Function-Programming AGaphi&Sound sound 子模块中）来实现数据采集任务，调用了Acquire.vi、Configure.vi等函数实现信号的采集。

3.1.2 触发控制模块

虚拟示波器的触发控制模块的输入端有两路波形数据输入（通道A、通道B）、触发极性（单触发、双触发）、触发电平、触发源输入（立即触发、通道A、通道B）。程序运行时，根据用户触发源的选择分别执行相应的case，该过程运用到了子程序“触发电平.vi”。

3.1.3 时基控制模块

在虚拟示波器中，为了保证能够对输入的信号采集到足够数量的采样值，并且确保能在正确的时刻采集到所有的采样值，这里就需要用到时基控制模块。由采样速率=1/采样间隔、采样间隔=实际设置（s/格）/采样点数这两个公式，设置每个采样点数，即可得到时基设置值。

3.1.4 参数测量模块

参数测量模块包括峰峰值、频率以及实现双通道信号采集时的相位差测量并显示结果。

3.1.5 频谱分析模块

频谱分析模块主要用来观察波形的幅值谱，它能把复杂的信号分解成单一的频率成分，所以那些不能在时域分析中分析的信号，在频谱分析中就能清楚地观察到。

3.1.6 波形显示模块

软件提供五种显示模式：

◆A、B、A&B模式：选择A和B，任意显示某一通道或两通道输入信号的波形。

◆XY模式：两个通道都打开，显示李沙育(Lissajous)图形、测量相位差或频

率。

◆A＋B，A－B模式：两个通道都打开，显示两通道信号代数相加以及相减后的

波形。

◆A&A积分：通道打开，显示A信号和A信号对采样间隔的离散积分的波形。

◆A&A微分：通道打开，显示A信号和A信号对采样间隔的离散求导的波形。

3.2 总体前面板设计

前面已经把设计虚拟数字示波器所需要的各个模块都做了简单介绍，通过选取各个模块所需的控件，将这些控件放置好，因为虚拟仪器的前面板是直接面向最终用户的，所以在放置各个控件的时候需要注意其简洁与美观，当然，这种简洁与美观要以能实现课题所要求的功能为前提条件。经过一番选择与放置，总体前面板如图5所示。

图5 虚拟双踪示波器前面板

3.2.1 波形显示控制部分

波形显示控制部分可以控制波形在波形图上更好的显示出来，可以改变通道A、通道B的幅值，拨动相应旋扭波形图上每一个单位表示的电压值；改变时基控制的扫描率，拨动时间按钮来决定每一个单位表示的时间。诸如此类的操作最终都是为了让波形更直观地显示在前面板上。通过子VI程序的功能来控制输出电平和幅度的改变；通过获取波形成分、触发和创建波形来控制输出的频率；通过设计一个子程序来实现多路波形的叠加。这些控制部分如图6所示。

图6 波形显示控制部分前面板

3.2.2 输入信号测量值的显示部分

点击前面板上相应的按钮来改变用户想要改变的参数值，比如通道的选择、触发源的选择、极性、模式的改变等，拨动相位旋钮改变相位，条件扫描率控制波形的快慢，最后还可以对波形进行频谱分析。其前面板如图7所示。

图7 测量参数显示部分前面板

3.2.3 数据存储与读取部分

得到波形之后对波形进行处理，按下写盘按钮，弹出一个对话框，确定写入文件名，选择存储文件路径，再按下读盘按钮，同样弹出一个对话框，输入文件名，选择读取文件路径。这部分前面板设计如图8所示。

图8 数据存储与读取

3.2.4 波形打印部分

当波形在前面板显示出来结果之后，可以按下波形打印的按钮进行波形打印。其前面板如图9所示。

图9 波形打印部分前面板

按下波形打印按钮会弹出如图10的图框。

图10 波形打印

4 数字示波器后面板设计

4.1 后面板所需模块

4.1.1 波形显示模块

前面说到波形显示控制部分的原理，并设计展示了其前面板，所以相应地也设计并展示了其后面板，这里通过前面数据采集部分接收到各种参数测量值，比