虚拟示波器的研究和开发中英文对照

虚拟示波器的研究和开发摘要—本文介绍了一个基于LABVIEW设计虚拟仪器的过程。

该示波器主要分析用价值和时基法实现时间在振幅调整过程中的实时显示。

同时，它简单介绍了用栅压法测量时间和频率的波形的简单思路以及应用。

在结束时，本文将虚拟示波器中参数的测量与波形的显示和现代发动机闭环锁的定期速度控制联合起来，一起分析了在PID控制时参数测量的影响。

关键词-虚拟示波器，时基，运动控制1.引文在高速发展的工业控制领域，测量技术和仪器变得越来越重要。

但由于弊端的传统手段，如价格昂贵、功能单一、可扩展性不好等，很难满足业界的要求。

随着计算机技术和虚拟仪器的发展，用户的设计范围变得比较广泛。

用先进的总线技术，同样的硬件可以使两个或者两个以上的机器同步工作，实现很多不同的功能，如PXI总线技术。

这些突出的特点，例如成本低、多功能等使得虚拟仪器的使用越来越广泛。

所有的测量仪器都包括三个部分：数据采集部分，数据分析部分和结果输出部分。

在这三个部分中，数据采集部分可以由硬件系统的A/D模块或数字模块等10个模块来完成。

而数据分析和结果输出部分可由计算机基础上的软件系统来完成。

因此，如果给予一些必要的数据采集硬件，基于计算机便可构成测量仪器硬件。

同时，在虚拟仪器中，软件技术也是必不可少的。

Visual C++, LabVIEW, LabWindows/CVI, VEE等等都是发展软环境。

LABVIEW是一个叫做G语言的图形化编程语言。

它可用在以GPIB、VXI总线、PXI 总线、PCI总线和数据采集卡等为基础的硬件系统，具有强大的分析能力。

它的图形化编程方法可以用简单清楚的数据来完成总计划。

利用其嵌入式仪表盘驱动程序界面，我们可以很方便地操作一个仪表盘。

多通道数字示波器，它主要用于实时数据采集，是一个最广泛使用的通用测量仪器。

它还能够显示出一些电信号的变化并比较彼此之间的差异。

因此，研究和开发虚拟示波器是一个热点领域。

在LABVIEW中利用普拉特图形，你可以很方便的获取动态波形，并使它们显示出来。

但大多数基于LABVIEW的虚拟示波器都使用普拉特图形来操作和分析波形数据。

虽然这很容易使用，但也存在不少缺点：（1）当波形一直变化时，屏幕就会一直刷新，普拉特图形就不能正常工作；（2）它的操作方法并不能满足大多数的使用者，因为它在操作时不同于传统的示波器。

本文提出了一些办法来解决这些问题。

在实时现实波形时，我们重建了波形操作并推出了一些相关的软件算法。

在介绍中利用了时基上的动态调整并提出两个概念：FIFO进程和E-M进程。

此外，它还介绍了一个成功在测量时间和频率是的栅极电压测量方法，并在此基础上，提出了适用于闭环定时锁的系统。

II.DUE多通道数字示波器软件算法的研究。

本文提出的虚拟示波器主要用于实验室中进行的各种模拟信号的测量和存储。

它的主要功能是：数据采集、波形显示、参数测量、波形存储和回放等等。

它拥有64个模拟信号输入通道，并可以在同一时间按选择的切换矩阵观察8个信号。

根据相关规定，我们采用NI-6133数据采集卡进行数据采集。

图1中虚框显示的是虚拟示波器：现在，我们将介绍虚拟示波器算法软件的基本功能。

A：特征图控制在LABVIEW中，有三种显示波形的控制：图表、对话框和X-Y图。

每种控制均有其自身的优势。

本文以图表控制为例，探讨实现虚拟示波器基本功能的软件算法。

图表示波器在屏幕上显示每次的所有波形数据的输入。

每当波形数据输入时，屏幕就会被刷新。

利用自带的操作工具，你可以移动、缩放波形或使用光标来测量参数。

但是它不能用于动态波形。

因此，我们有必要制定一个更为方便的操作工具以实现动态波形的实时显示。

在本文中介绍的虚拟示波器，有一些基本的功能，如幅度位置值调整、时基变化、触发方式选择等等。

图2显示的为该示波器的前面板：B：振幅值调整在多通道示波器中，可以在同一时间显示一个以上的波形，因此，可以非常方便的比较每个信号的变化。

每个波形的显示可以通过前面板上的选择箱来分开运行。

起初，我们将屏幕分隔成10×10个网格，并设定每个频道的Y轴。

在Y轴上每10个网格的值等同于振幅控制旋钮的值。

通过波形图的特征节点，你可以对每个Y轴设置最低为旋钮值的5倍，最高也为旋钮值的5倍。

因此，当你改变振幅旋钮值时，Y轴上的最小值和最大值也随之改变，同时，显示的波形会缩放到要求的规格，零点的位置也会存放到原来的位置。

使用一个数组，用以存储每一个Y轴改变的振幅值。

当选择一个频道时，先将就的振幅值赋值给旋钮，然后经过调整，将相关数组元素用新的值来代替。

这样就完成了振幅值变化的功能。

C：时基调整时基调整，是示波器中的一项基本功能。

当时基调整旋钮的值显示时，X轴的每个网格同步显示，是示波器设计过程中的一个难点。

1）基本思路由图形控件的特征可知，它显示了所有数据输入的时间。

所以将X轴分成10个网格，使每一个网格的时间为t。

如果波形占满整个X轴，则手机所有数据的时间是10t。

假设电路板的抽样合格率为f，换句话说，电路板每秒手机f个数据。

则在波形中所需要的数据N 为：N= f×l0t =l0ft,保持电路板取样频率不变，程序从电路板内存中读取N个数据点，并将其送入示波器的每一个环路。

改变t的值可以将每次从电路板内存中读出的N的值改变，从而实现在在实时采样是调整时基。

但是通过实验我们可以看到，当时基太长（>100ms）或过短（<500us），波形显示就会有时间滞后，产生不同程度的扩展。

这是因为当时基过长（如所需要的波形长度超过1秒），我们必须等待足够长的时间以便由电路板收集获得所需要的所有数据，并同时将它们在屏幕上显示出来。

这样可导致波形在屏幕上的间断显示。

当时基太短时，每圈读出的N值就会太小，同样的数据在一秒钟就会被读取好多次。

所以这样就会导致旧的数据不能被及时的读取，而且有可能被新数据覆盖。

由于电路板一直在取样，便会导致电路板内存数据溢出。

所以这需要分配数据去单独的将长时基和短时基从电路板读取。

2）长时基为了避免出现上面提到的时间延迟，必须减少每次回路从电路板中读出的数据量。

考虑到图形控制的显示特点，便不能将从电路板中读出的数据点填入每个环路的图表中，因为那样会导致示波器一直刷新，显示的波形不能占据整个X轴。

可以设置一组数据。

可以设置一数组用以保存显示出来的波形数据点。

数组的容量为N，其值为Eq计算出的数据点的个数。

假设每次从电路板中读出的数据点的个数是个定值m，这也是在标准时基时刻读出的数据点的个数。

整个程序是由两部分组成。

第一，设整个矩阵为NULL（无效）。

在程序显示的开始，矩阵不是满的。

所以将新的m个数据点放入矩阵的尾部（Enqueue），然后再图控制上显示整个矩阵的值。

一个不断移动的波形就会在屏幕上显示出来。

第二，当数组已满，去掉之前在矩阵上的m个元素；在矩阵的头部移入剩余的N-m个元素；然后再将新的m个数据点移入数组的尾部。

我们称此过程为FIFO。

然后一个完整的波形就会从显示器的一端显示到另一端。

该Enqueue和FIFO示于图3.由于每次从电路板中读取的数据点的值m都是合适的，则由因等待足够数据而产生的时间滞后就会妥善的解决。

它确保了采样和显示的同步。

为减少系统计算FIFO程序的时间，应减少长时基时的频率采样以降低显示矩阵的容量。

3）短时基在这一部分中需要解决的是由于数值N经过EQ.（1）计算出的值过小而产生的时间滞后和内存溢出的问题。

数值N不能盲目的增加，因为这会造成设定时间基地和波形显示之间的不一致。

因此一种称为E-M（扩大移动）的方法被提出。

将通常在一适当时基中的每一个回路中读出的号码固定，假设它为m。

而将在很短的时间基数中由EQ.（1）计算出的所需数值设为N（N<m）。

扩大波形数据的值At M/n倍（扩大）。

同时改变X轴的最大和最小值，按顺序显示这m个数据点几次，然后进入下一循环。

到目前为止，整个程序就结束了。

该图显示在图4和图5中。

4）位置调整和零标志改变Y轴的波形数据值可以改变波形在屏幕上的位置显示。

增加或减少Y轴的波形数据值可以移动波形使之上升或下降。

在每个显示波形上添加一个控制按钮，可以标志出每个波形的零位置点。

拖动控制按钮成一条线，以标志零点位置。

初始化控制，相对于示波器，位于右屏幕边缘的中间。

当改变波形的位置是，坐标的零标志点同时改变。

因此，零标志点会随波形移动。

此外，可以设置标志控制按钮的顶部和底部边缘，使效果更佳逼真。

正如图2所示。

5）其他功能上面讨论的是虚拟示波器中的三个基本功能。

至于其他功能，如制动模式、对模式、光标、数据储存、回放和打印等等，本文没有讨论。

根据实际需要，上述各功能通过充分利用LABVIEW中的节点值而很好的实现。

III.时间和频率的计算期间和频率是一周期信号中的关键参数。

传统的测量是计算在硬件中标准信号在门脉冲的持续时间，以计算期间的实测信号。

但是，在硬件中通常没有专门的针对于基于PC的虚拟示波器的计算器。

它必须通过专门的测量软件。

然而，虚拟示波器的意义是它可以方便的从电路板上收集到数据，然后得到波形的特征值。

所以测量波形周期的基本思路是找到在波形数据中收集到的Kt周期和（K+I）周期间的时间间隔。

基于这一思想，我们引进了一个称为栅电压测量的方法，用以测量信号周期。

一个周期信号的周期可以定义为信号从同一方向（正面或负面的EDGE）两次穿越指定栅电压的时间间隔。

如图六：假设一个信号样本为X（i<n），n为整数，是样本数据的总数。

将样本数据的平均值作为门电压;将其与Xi一一对比。

当Xi>=v且Xi-1<v时，波形从底端穿越门电压成为正峰，当Xi<=v且Xi-1>b时，波形从顶端穿越门电压成为负峰。

同时，为消除感染所带来的干扰，正峰和负峰间隔不少于10个样品点。

这样就会得到正峰和负峰的优势。

由于采样率是不便的，因此，两种采样数据的时间间隔也是固定的。

因此，信号的频率和时间都可以计算出来。

假设抽样合格率是f，周期是T，T=1/f；实际测量频率是fc，周期是Tc，Tc=1/fc。

假设在每一个样本时间内样本含有k个所测信号的满周期，确切时间是kt。

第一个波峰穿越门电压相位点的时间是t。

由于样本分散，在节点，信号穿越门限相位的时间t+kt可能会有的误差。

考虑到取样率误差，在最坏的情况下即在周期时，信号穿越门限节点的时间是，同时，k个信号周期是。

所以就会有假设样本长度为L,就会有。

将其放在Eq上，就会有：当a远比I/L小时，增大L的值就会很大的增加测量的精度。

当a和I/L差不多时，就没有意义增加L的值了。

a是固定在系统硬件之上。

通过a，我们可以找到适当的L值可以是样本和计算达到最佳精度。

假设有一方波，其脉冲持续时间为，测量值为，一次就会有：。