基于labview的数字示波器设计

测控仪器设计课程设计说明书姓名：学号：班级：测控081班专业：测控技术与仪器学院：机械工程学院时间：2011.7.4～2011.7.15地点：机械工程学院机房指导教师：基于Labviewd的虚拟数字示波器设计~1~目录前言………………………………………………………………………………2课程设计任务书…………………………………………………………………3示波器设计方案…………………………………………………………………4示波器工作原理与设计步骤……………………………………………………7一、模拟采集模块………………………………………………………7二、时基控制……………………………………………………………9三、波形显示模块………………………………………………………9四、参数测量模块………………………………………………………13五、频谱分析模块………………………………………………………15六、数据存储和回放模块………………………………………………16七、波形打印模块………………………………………………………17八、主要控制结构………………………………………………………18总结………………………………………………………………………………19附录：前面板和程序框图………………………………………………………21前言由于电子技术、计算机技术的高速发展及其在电子测量技术和仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现。电子测量仪器的功能和作用已经发生质的变化。在先进的测控系统中，不仅希望设备能够单独进行测试，还希望他们之间能够互相通信，构成测试系统，甚至是测试网络系统，实现信息共享，以便对众多的被测信号进行对比、综合和自动分析、从而得出准确的判断。这是电子行业本身给测试设备提出的要求，传统的测试仪器在此方面受到很大的限制。由于上述原因，并且随着电子技术和计算机技术的快速发展以及价格不断下降，改变了传统的电子技术设计观念，使原来部分由硬件完成的功能，现在能由软件实现。例如仪器面板和数字滤波等，实现硬件软件化。而不少硬件难以实现的功能，例如复杂的信号分析，数据统计和三维图像显示等，在计算机中则较容易实现。在市场的需求和相关技术支持下，促使了基于个人计算机的测控仪器——虚拟仪器的发展。虚拟仪器利用计算机强大的处理能力，使得它成为了一种很好的工具，其应用范围也越来越广泛。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力和可操作性等方面均具有明显的技术优势。示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。目前研制一种结构简单、操作方便、生产技术要求不高、费用低的数字示波器是非常必要的。本文介绍了一种新型的示波器：虚拟数字存储示波器。虚拟数字存储示波器是虚拟仪器技术的一种具体应用。该虚拟仪器基于计算机平台，将虚拟仪器硬件和软件紧密结合，实现比传统仪器更强大的功能。虚拟数字存储示波器系统由数据采集、数据分析和结果输出显示三个主要功能部分组成。其中，数据分析和结果输出显示完全由计算机软件系统来完成，只有数据采集是在软件的控制下由硬件来完成。本文主要完成对软件系统的设计。基于Labviewd的虚拟数字示波器设计~3~测控仪器设计课程设计任务书设计题目：基于Labview的数字示波器设计设计要求：一、主要功能模块数字示波器主要由软件控制完成信号的采集、处理和显示。系统软件总体上包括数据采集、波形显示、参数测量、频谱分析及波形存储和回放等五大模块，功能结构框图如下：1．数据采集模块主要完成数据采集的控制，包括触发控制、通道选择控制、时基控制等。其中：1）触发控制包括触发模式、触发斜坡、触发电平控制；2）通道选择主要控制单通道或双通道测量；3）时基控制主要控制采集卡扫描率、每一通道扫描次数(取样数)。2．波形显示模块软件需提供五种波形显示模式：1）A、B、A&B模式：通过显示通道选择按键A和B，可以任意显示某一通道或两通道输入信号的波形。2）XY模式：当两通道都处于选通状态时，使用此模式来显示李沙育(Lissajous)图形、测量相位差或频率。3）A＋B，A－B模式：当两通道处于选通状态时，使用此模式显示两通道信号代数相加、相减后的波形。4）A&A积分基于Labviewd的虚拟数字示波器设计~4~5）A&A微分3．参数测量模块主要模拟HP54603B的参数测量功能，完成包括Vrms等19个电压参数和频率、周期等7个时间参数的测量，并显示其测量结果。4．频谱分析模块采用快速FFT算法，完成频域信号分析。可实现的频谱分析控制包括：1）Window选择，提供9种频谱分析窗口；2）Log/Linear选择，提供3种坐标显示模式；3）DisplayUnit选择，提供8种单位。5．数据存储和回放模块按键“写盘”控制是否进行数据存储；按键“读盘”控制是否从数据文件中读取数据。主面板提供了两个文件名输入框，前—个为信号波形数据文件名输入框，后一个为采样周期文件名输入框，这两个文件由写盘功能和读盘功能共用。从软盘或硬盘上读取的数据同实时采集的数据一样，能够进行自动参数测量以及显示波形，并保留在显示窗口(显示模式可以设置为三种模式中的任意一种)，还可以根据需要设置进行频谱分析。二、主要控制结构1．测量控制结构通过逻辑按键“测量”控制是否进行测量；通过逻辑按键“通道”控制通道选择。2．自动调整扫描率控制结构由逻辑按键组“自动”、“手动”来控制是自动调整扫描率，还是手动调整扫描率。基于Labviewd的虚拟数字示波器设计~5~虚拟仪器设计示波器设计方案虚拟示波器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中硬件设备与接口包括仪器接口设备和计算机，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序。本设计的信号处理与结果显示都由软件完成，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作性对应的各种控件。本虚拟数字存储示波器是在对传统示波器进行分析后，基于多功能DAQ采集卡和LabVIEW开发平台来设计的具有数字存储示波器、数字万用表、数字频率计三者功能与一体的一个功能强大的电子测试仪器，主要由数据采集部分、数据处理部分、波形显示部分、波形存储和回放以及频谱分析等部分组成，可以完成对信号的输入及获取、信号电压参数及时间频率参数的自动测量、信号的波形显示及存储回放和信号的频谱分析等功能。该示波器主要由数据采集DAQ（DataAcquisition）、接口总线、硬件驱动程序和虚拟数字示波器软件构成。图2.1所示为虚拟数字示波器的整体组成结构图。信号检测电路时信号调理辅助电路，接收传感器传送过来的物理信号，并从混合信号中提取出待测的微弱信号，输出的多路信号时已经放大滤波和电平变换后的标准信号，送入数据采集卡板（由硬件程序驱动工作），通过系统总线送进计算机进行处理。在使用DAQ卡之前必须对DAQ卡的硬件进行配置，这些控制程序用到了相应的底层DAQ驱动程序。计算机系统硬件驱动程序软件示波器传感器信号检测电路DAQ数据采集板卡接口总线图1虚拟数字示波器结构图基于Labviewd的虚拟数字示波器设计~6~该虚拟仪器的软件是以LabVIEW开发环境为平台，采用的是自顶而下的设计方法，首先，有要实现的目标功能来制定一个整体框架。由一个采集开关启动整个仪器采集过程，在采集状态下，可以进行参数的测量显示；同时，还可以进行时基的设置、触发通道的设置、触发模式的设置等；对于显示面板上的波形可以任意地进行位置的调整、缩放；对于当前的波形能够保存到硬盘上或U盘上；同样，也能把硬盘或U盘上的数据读到显示面板上（这是将停止数据的采集）并还能进行参数的测量；还可以把当前的波形打印出来。此外，应用高效数字信号处理技术，还可实现FFT算法，对频域信号进行分析。该示波器的主要控制结构有：自动/手动设置扫描率的控制结构，写盘/读盘控制结构，采集控制结构，测量控制结构，打印控制结构，通道选择控制结构，以及频谱分析控制结构。在这个总体框架的基础上来进行各个模块的具体设计，并分别测量，测试通过后再把它们连接起来，构成一个完整的系统，最后进行整个系统性能的调试，直到调试结果符合要求为止。主程序流程图及模块条用如图所示。另外，主面板的设计要力求简单、方便、使用、美观。图2主程序流程图YYNNY初始化读盘？采集？功能按键按下？波形显示执行相应功能模块读入波形数据N基于Labviewd的虚拟数字示波器设计~7~示波器工作原理与设计步骤虚拟数字示波器的原理是对信号波形进行密集的采样，采样值被数字化后存储起来，当重建波形时便从缓冲区取数，然后用清晰、均匀一致的轨迹映现在屏幕上。对模拟信号进行数据采集后存入数据文件，由软件对数据进行相应分析、处理，并在屏幕上显示处理结果。两通道示波器，可以同时分析扫描两路信号，这种功能的实现得益于计算机的高速计算能力，计算机只需要多做一组或几组运算即可。本虚拟数字示波器的设计双通道台式数字存储示波器的功能，并在仪器分析和处理功能上有所扩展。仪器主要功能包括：双通道信号输入、触发控制、通道控制、时基控制、波形显示、参数自动测量、频谱分析、波形存储和回放等。功能结构框图如下：图3功能结构框图一、模拟采集模块由于DAQ数据采集模块是建立在数据采集卡的基础上，所以，本设计采用一个虚拟采集模块代替DAQ数据采集模块。该模块应用两个基本函数发生器来产生两仿真信号分别用来模拟A、B通道信号，其采样信息通过对簇sample/pol的扫描率和扫描数解除捆绑后再捆绑组成的新簇输入。通过前面板还可以调整仿真信号的参数（波形类型、频率、幅值）和屏幕刷新速度，最后经提取波形成分将信号的幅值信息组成一个二维数组。模块图标如图1.1所示。图1.1模拟采集模块图标模块程序框图如图1.2所示。触发控制通道控制时基控制数据存储数据采集数据处理波形存储电压参数测量时间参数测量频谱分析基于Labviewd的虚拟数字示波器设计~8~图1.2模拟采集模块程序框图图1.3模拟采集模块前面板基于Labviewd的虚拟数字示波器设计~9~二、时基控制时基控制面板如图2.1所示图2.1时基控制面板图2.2时基控制在主程序的框图三、波形显示模块软件提供了五种波形显示模式：ABA&B模式：在此模式下，通过显示通道选择按键“A”和“B”，可以任意显示某一通道或两通道输入信号的波形。基于Labviewd的虚拟数字示波器设计~10~XY模式：当A、B两通道都处于选通状态时，使用此模式来显示李沙育（Lissajous）图形、测量相位差或频率。A+BA-B模式：当A、B两通道都处于选通状态时，使用此模式显示两通道信号代数相加、相减后的波形。基于Labviewd的虚拟数字示波器设计~11~A&A积分模式：当A通道处于选通状态时，使用此模式显示A通道信号和A通道信号对采样间隔的离散积分的波形。A&A微分模式：当A通道处于选通状态时，使用此模式显示A通道信号和A通道信号对采样间隔的离散求导的波形。对于前三种模式其横坐标是时间参数，首先对扫描数求倒数，然后看其是否小于等于扫描周期（乘1000后以毫秒为单位），若小于（即扫描数×以毫秒为单位的扫描周期大于等于1毫秒），则单位显示ms；若不小于（即扫描数×以毫秒为单位的扫描周期小于1毫秒），则单位显示为us，同时横坐标时间参数通过条件变量把数值扩大1000倍。前面板单位的显示是通过一个布尔输出来显示的。通过对电压二维数组的基于Labviewd的虚拟数字示波器设计~12~索引分别提取A、B两波形的幅值数据，在根据对应的通道按钮来决定是否将其数据清零，然后根据A、B基值的位置相应的改变其幅值数据，最后通过对横纵坐标的参数数值捆绑成簇，以便显示在display显板（即XY图）。A的积分和微分运算分别通过积分X(t)和微分X(t)节点来实现波形数据离散积分和微分，其求导时间参数采用扫描周期（即采样间隔）。而A、B图形采样模式的改变时通过一个条件结构来实现的。模块图标、前面板和程序框图分别如图3.1、图3.2、图3.3所示。图3.1波形显示.VI模块图标图3.2波形显示.VI前面板图3.3