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日期:
年月日
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实验室虚拟数字示波器的设计
摘要
虚拟仪器的设计观念不同于传统的仪器设计概念,原来要求由硬件来完成的功能,现都可以由软件仿真来实现。
本次设计的虚拟示波器全部由软件编程完成,其原理参考的是通用的双通道数字存储示波器,并在此基础上扩展了数据分析和处理功能。
设计过程采用模块化的设计思路,每个功能都有由一个子VI模块完成,主要包括信号发生、通道选择、滤波器滤波、频谱分析、时间调节、幅值调节、参数测量共七个模块。
整个设计过程中所用到的软件工具是美国NI公司的LabVIEW2012。
关键词:
虚拟仪器;
数字示波器;
LabVIEW
DesignofVirtualDigitalOscilloscopeinLaboratory
Abstract
Thenewtheory,methodandfieldsofthetestandthenewstructureofinstrumentdrovetestandcontrolinstrument—VirtualInstrument(Ⅵ)basedoncomputerhavegotdevelopment.Virtualinstrumenthavechangedthenotionoftraditionalinstrumentdesign,whichmakesthepartsarerealizedbysoftwarewhichwerecompletedbyhardware,andhasobvioustechnicaladvantagesinintelligence,processingandmaneuverability.
Thisarticlemainlycompletessoftwarecomponent,thevirtualoscilloscopeistheprincipleoftheoscilloscopereferstheuniversaldoublechanneldigitalstorageoscilloscope,thenexpandstheinstrumentanalysisandprocessingfunction.ThedevelopmenttoolsofthewholedevelopmentprocessareLabVIEW2012ofAmericanNIcompany.
KeyWords:
VirtualInstrument;
DigitalOscilloscope;
1绪论
1.1课题研究背景及意义
1.1.1课题研究背景
由于科学技术的飞速发展,在越来越多的领域里都会用到电子测量技术。
传统电子测量仪器是用来测量电量或非电量的仪器设备,近年来也发展的相当迅速,数字万用表、数字示波器等都是传统仪器的代表。
这些传统仪器被广泛地应用于工农生产生活,军事国防,教育科研等领域,在电子工业有着至关重要的作用。
然而传统仪器也有着很多自身的局限性。
比如机械操作方式式,在自动控制越来越普及的大环境下,这样的仪器使用很不方便.而且也不能很好的与其他设备进行资源的共享;
制造成本高,严重的影响了设备的更新换代,造成设备缺乏和陈旧。
由于现代科技技术的高速发展,势必会对电子测量技术的要求不断高。
在这样的趋势下传统仪器越来越不适应时代发展对测量设备的要求了,因此传统的测量设备终将被其它更新更好的技术所代替。
计算机的产生和发展引领了世界第五次信息技术的革命使得现代电子测量技术朝着智能化、自动化、数字化方向发展。
并且在数据传输速率、设备的可扩展性等方面有了巨大的提高。
虚拟仪器是全新概念的仪器,其设计理念是对传统测量仪器的一种值得飞跃。
是传统仪器与计算机设备的一种有机的结合。
虚拟仪器开辟了电子测量领域的一个新纪元。
我国的虚拟仪器的研发制造起步比较晚,因此像高性能的数字存储示波器、功率分析仪等先进设备,主要从国外进口。
这些高科技设备的加工工艺复杂,研发制造成本高,然而,如果利用虚拟仪器技术,我们就可以只采购那些必须的仪器的硬件设备,而自己利用工具软件来设计性价格比高的先进仪器系统。
1.1.2研究意义
示波器一直以来都是实验教学和科学科研中经常用到的测量观测设备。
然而,台式示波器的研发周期长,制作工艺复杂,造价高昂。
但是用虚拟软件编程设计的虚拟示波器可以很好的突破这些缺点和不足,不仅能实现台式示波器的全部实验功能,而且还能对其进行功能扩展,比如添加数据的存储、分析、波形回放、链接网络实现远程控制等新的功能。
并且用户在使用虚拟示波器时,可以节约购买仪器的成本,设备操作更加方便,而且仪器功能更加齐全。
1.2虚拟仪器的概述
虚拟仪器(VirtualInstrument)的出现是测量仪器领域的一个重大突破,它从根本上改变了传统仪器的设计制造观念,从根本上更新了测量仪器的,带给人们一个全新的测量仪器的概念。
由于虚拟仪器本身的优点因此虚拟仪器将是未来仪器产业发展的一大趋势同时也代表着测量仪器发展方向和潮流。
1.2.1虚拟仪器的含义
虚拟仪器是在计算机系统的基础上开发出的软件仪器,是当代计算机技术和传统仪器设计相结合的产物。
一般而言,电脑和仪器之间结合方式有两种:
第一种是把仪器作为核心部分,将软件系统植入仪器之中;
第二种把电脑作为核心,将仪器所功能装入电脑或工控机中,通过电脑来实现各种仪器功能。
目前的虚拟仪器设计概念就是使用第二种方式。
1.2.2虚拟仪器的优点
与传统仪器相比较虚拟仪器具用有4个优点。
第一,不强调物理上的实现形式。
虚拟仪器的功能是通过软件编程来实现数据采集与控制,数据分析处理及数据的显示这三部分功能。
其充分利用计算机系统的数据处理能力,在电脑硬件的基础上,用软件来完成数据的采集、分析和处理以及测试结果的显示等功能,通过软硬件的配合来实现传统仪器的各种功能;
第二,在虚拟仪器内部实现资源共享。
它完全颠覆了以往由厂家定义仪器功能的传统制造方式,而是变由用户自己来根据个人需要来定义仪器功能。
通过不同的编程软件编程可以在相同的硬件基础上制作完全功能不同的测量仪器;
第三,图形化的软件面板。
虚拟仪器没有用到传统仪器的操作面板,而是利用电脑本身强大的图形编辑能力,采用可视化的图形编程语言,在电脑屏幕上建立图形化的操作面板来替代常规的传统仪器面板。
软件面板上具有与实际仪器相似的开关,转盘,显示等控件。
用鼠标或键盘对操作软面板进行操作。
第四,拥有巨大的数据记录容量;
自动化的测试过程;
用户可以自定义分析方式和接口;
可扩展的工程函数库;
自动生成测试运行报告;
高品质的打印功能等。
1.2.3虚拟仪器的构成
虚拟仪器可以由多种接口或具有这些接口的仪器,来连接构成被测控对象的计算机。
虚拟仪器的结构如图1-1所示。
计算机是由硬件和软件构成的。
因为虚拟仪器是以电脑或工控机为依托的,因此,虚拟仪器也是由硬件和软件两部分组成。
虚拟仪器的结构有硬件基础和软件程序两部分构成。
图1-1虚拟仪器结构
构成虚拟仪器的硬件成分是计算机的周边电路,与电脑一同形成了虚拟仪器的硬件基础,是应用软件运行的物质保障;
应用软件是虚拟仪器的核心,在硬件基础确定以后,软件通过不同功能模块的组合构成多种仪器,赋予系统不同功能,以实现不同的测量功能。
1.3虚拟示波器国内外研究现状
示波器一直以来都是电子行业应用最广泛的测量仪器之一,小到日常教学实验,大到国家科学研究,等电子行业的方方面面示波器都被广泛应用。
由于当代计算机技术的飞速发展和不断成熟以及各种高新技术的不断面世,特别是虚拟仪器这一新的测量仪器设计概念的产生,使得示波器突破了传统的束缚,在制作工艺以及使用方法和功能等方面发生了革命性性的变化。
虚拟仪器技术目前在国外发展相当迅速,美国的各大高校都把它和图形编程语言作为理工科学生的必修课程。
近年来,各个国家的虚拟仪器公司都开发了很多软件开发平台,以便不同的用户利用公司提供的开发软件平台制作自己的虚拟仪器或测试系统,并编制测试软件。
在虚拟仪器市场上具有代表性的企业是美国国家仪器公司(NI公司)。
他们已经在市场上推出了各种各样基于虚拟仪器技术而设计的设备仪器。
比较有影响力和代表性的开发软件有NI公司的LABVIEW软件和LABWINDOWS/CVI软件。
国内对虚拟示波器的研究相对较晚,但是现在国内的许多企业也已经设计出许多品种的虚拟示波器。
虚拟示波器的研究在我国的研发具有很大的显示意义,其有利于提高我国仪器设计制造的整体水平,节省新仪器的开发成本和费用。
随着科学技术的发展,计算机技术和网络技术等相关技术的发展和各种软件的不断产生,我国的虚拟仪器的研发和制造水平也一定会有一个质地飞跃。
1.4课题的主要任务
1.4.1设计的主要内容
本次设计的实验室虚拟示波器主要用于实验室教学研究,其主设计要求有信号采集、参数测量、滤波和波形存储、频谱分析和读取子VI等功能。
本次设计没有硬件采集系统,主要是采用内部模块产生模拟信号进行信号仿真,再由各模块的软件设计对数据进行相应的分析、处理最后显示结果。
1.4.2资料、数据、技术水平等方面的要求
(1)查阅有关Labview及虚拟仪器的资料。
(2)查阅信号采集、信号处理的相关知识。
(3)形成完整的具有存储功能地虚拟数字示波器。
(4)完成条理清晰,语言流畅地毕业论文。
2虚拟示波器的基本原理
示波器就是利用电子束映射在涂有荧光物质的屏面上,这样可产生比较小的光点。
而这种电子束是由狭窄的、高速的电子组成的,其实示波器就是把人类眼睛看不见的电信号转换成能看得见的图像的设备。
2.1通用示波器
2.1.1通用示波器的组成
通用示波器由3部分组成,分别为主机,X系统,Y系统。
主机由电子示波管及其控制部分组成。
示波管是一种特殊的电子管也是示波器主要的组成部分,在示波器中有着非常重要的作用,它由电子枪偏转系统和荧光屏组成。
电子枪用来产生高速的电子流,电子流打在荧光屏使其产生亮光,便于人们观察;
偏转系统由相互垂直的两个平行金属板组成,分别控制电子束在水平方向和垂直方向的运动,其偏转的工作模式是静电偏转式。
Y信道也就是垂直(Y轴)放大电路,因为示波器的偏转灵敏度较低,所以,输入的被测信号要由Y信道的放大作用才能用来控制电子束在Y方向的偏转。
其主要由衰减器、倒相放大器、探极、延迟线、前置放大器等几个部分。
X信道也就是水平(X轴)放大电路。
它主要作用是产生一个随时间线形变化的锯齿波电压。
将这个锯齿波电压放大到足够的幅度,再把这个电压值加到水平偏转板,这样可以让得到的波形图在水平方向上有合适的大小。
其X信道应包括触发电路、事基发生器、放大器等几个部分。
以此来获得稳定的波形。
2.1.2通用示波器的工作原理
示波器的简易工作原理如图2-1所示。
“Y”端接收到信号后,信号经衰减器衰减到合适值后送至放大器进行放大。
延迟一段时间后送至放大器Y2。
放大后生成垂直方向地控制信号,加在Y轴偏转板上使其电子束产生在Y方向的偏转力实现电子束垂直方向的偏转。
为了获得完整地稳定波形,将Y信道第一次放大后地信号送到X信道触发电路中产生触发脉冲⑥,启动时基发生器来产生时间扫描电压。
扫描电压经X信道放大器放大后,形成水平偏转控制信号⑨⑩,将这个信号加到X轴偏转板上。
Z轴系统用于放大扫描电压正程,并且转化为矩形的正向电压波,这样显示的波形图像才有一定的亮度,并且在扫描回程中擦除旧的波形图像。
图2-1示波器简化方框图
2.2数字示波器
数字示波器(DigitalOscilloscope)在设计制造和维修电子设备中不可缺少地电子测量设备。
它具有波形发生、波形显示、波形分析、参数测量、信号存储等功能,使其越来越受到广大工程师的喜爱。
数字示波器主要分为三类,分别为数字荧光示波器、数字存储示波器、混合信号示波器。
图2-2数字示波器组成框图
数字示波器的组成结构如图2-2所示。
信号经Y输入到前置放大后送至数据采集与A/D装换器进行数模转换,一串数据流就此产生,写入随机存储器RAM中。
R/W控制着RAM的读写操作模式,当R/W=0时,RAM进行写操作;
当R/W=1时,进行读操作。
RAM进行写操作时,RAM地址选择器将写地址输出做为RAM地址;
读操作时,把读地址输出做为RAM地址。
在收到来自触发放大器的触发信号后控制逻辑电路就启动一次写入数据循环,同时写地址地计数器开始工作产生计数。
产生的计数将依次地址值送至存储器,用来保证每组的数据都能保存到相应的存储单元中。
存储器中存储的各数据都以各自的固定速度不断读出i地值而不管数据是以何种速度写入存储器。
在读出数据时信号将经D/A转换器送至Y的偏转极板,以此来显示Y的信息。
2.3虚拟示波器
2.3.1虚拟示波器组成
虚拟示波器由硬件和软件两部分组成。
其中硬件部分通常是指计算机的周围地外设硬件部分。
计算机可以是个人电脑、工控机台或专业工作站等。
周围外设可以选择GPIB、Vn、PXI等其他系统,或者是由两种或两种以上系统构成的复合系统;
软件由示波器驱动器、操作系统、应用软件三个层次组成。
驱动程序是控制通信的一种软件用来处理与特定仪器的通信功能。
虚拟示波器的核心部分是示波器驱动器与通信接口及开发环境的联系,这些方便的帮助使用者完成更好的使用示波器。
示波器驱动器实现应用软件与周边硬件设备的通信联系。
因为计算机拥有强大地数值计算能力以及开发软件所具有地强大的函数库功能,这将极大地提高虚拟示波器的数据分析和处理能力。
如对采集到的信号进行平滑、频域转换等功能。
前面板是使用者与示波器之间人机交互的主要途径。
利用前面板去控制虚拟示波器的系统。
虚拟示波器前面板最大的优点就是使用者可以自定义前面板而不受生产厂家的影响,同时使用者也可根据自己的用途来组成各式各样的示波器地控制面板。
2.3.2虚拟示波器的分辨力和精度
虚拟示波器的分辨率主要分为水平分辨力和垂直分辨力两部分,精度也分为水平精度和垂直精度两种,这些参数对于示波器都非常的重要。
存储器的采样点数也至关重要,因为虚拟示波器的水平分辨力就是由它的参数值所决定地。
同时这两个参数也有关联,采样频率与水平分辨力之间有着正比例关系。
2.3.3虚拟示波器的带宽
使用者总是希望自己的观测目标自己所关心的目标波形,同时这些信号失真也最小。
带宽是用来衡量虚拟示波器可靠度的重要指标。
传统示波器的带宽是一个不变的长值,而虚拟示波器有模拟和数字两种带宽模式。
模拟带宽指虚拟示波器无失真的状态下能接收最高输入信号的频率值,它的值取决于虚拟示波器的信号调理电路。
数字带宽是虚拟示波器随机采样所能采集到的最高带宽。
2.3.4虚拟示波器的工作原理
虚拟示波器是虚拟技术与传统仪器相结合的产物,它拥有和传统示波器基本相同的操作面板和各项功能,而虚拟示波器却没有传统示波器的硬件电路,只是使用个人电脑及接口电路或采集卡来采集现场信号,并通过电脑强大的图形处理功能在电脑屏幕上模拟示波器的操作面板,同时实现信号调理、信号分析处理和结果显示输出等功能。
虚拟仪器的信号采集卡把外部的模拟信号输送到虚拟仪器的内部,在仪器内部经滤波、衰减、放大电路等部分,把无规则的外部信号转变成A/D转换器能接受的高低电平信号,并经过A/D转换器转化成数字信号并存储到存储器中。
同时由虚拟仪器的软件部分编辑成的程序对数据进行分析处理、存储、显示、打印输出等功能。
3LabVIEW编程环境介绍
3.1LabVIEW简介
对于虚拟仪器应用软件的编写,本次使用的是专业图形化编程软件即NI公司的LabVIEW进行编写。
它是实验室虚拟仪器集成环境(LaboratoryVituralInstrumentEngineeringWorkbench)的简称,是美国国家仪器公司(M)的创新软件产品,是目前全世界使用最广泛、发展速度最快、功能最齐全最强大的图形化软件开发平台。
LabVIEW是图形化的编程语言,它提供了大量的函数模型和各种工具给使用者。
如各种信号发生函数、波形分析函数、ExpressVI等。
这些条件使得使用者可以用最短的时间和资金来构建自己的仪器测试平台。
LabVIEW的优点主要有:
(1)提供了丰富的图形控件。
用图形代替了枯燥无味难以理解的程序代码,因此使得LabVIEW变的直观明了,简单易学,让人们在使用时更加快速的入手成为了可能,更加适合实验室人员、工程师、生产人员的使用。
(2)LabVIEW内有编译器这可以让用户编写程序的同时软件自动在后台完成了编译工作。
并时时提醒可能出现的错误,这些避免了像其它软件那样后期编译时有错误不好发现的弊端。
(3)采用模块化设计。
第一LabVIEW中使用的各种函数都是一个个小的模块,都可以直接使用非常方便;
第二用户编写的程序除独立运行外还可以制作成一个子VI供其他的程序使用。
3.2LabVIEW程序的基本组成
目前虚拟仪器的开发采用的开发软件都是用的美国NI公司的测控软件,而LabVIEW就是其中的代表软件。
用LabVIEW创建的程序被称为VI。
所有的VI都由三部分组成:
前面(FrontPanel)、程序框图(Blockdiagram)以及图标(Icon)。
前面板相当于真实仪器的操作面板,使用者可以在前面板上对要创建的虚拟仪器进行操作面板的设计。
该界面上有输入和输出两类控件,例如开关、旋钮按钮显示显示器等。
程序框图相当于仪器箱内的功能部件,其包含了实现VI功能的图形化源代码。
节点和连线是程序框图的两个重要组成部分。
连线将节点、一些函数和子VI连接起来组合成具有特定功能的程序框图。
图标是VI的图形化标签,图标的使用使得创建子VI变得简便易行、直观明了。
大多数情况下在前面板和程序面板的右上角看到的那个标签就是图标,这个是在创建新VI时系统自动默认生成的。
图标可以按照使用者自己的需要自己从新定义制作。
3.3LabVIEW模板
LabVIEW根据函数的各自特点和属性将所有的函数和VI进行了分门别类的整理,把属性相同的函数和VI放一起就构成了LabVIEW的各个模板。
使用那个控件时,就可以根据它的属性找到其所在的模板然后用鼠标把它拖出放到前面板或后面板中。
LabVIEW有三个模板,包括工具模板、控件模板和函数模板。
下面将简单的介绍这三个模板。
3.3.1工具模板
工具模板为整个编程过程提供各种工具,使用起来非常的方便快捷。
可以在菜单栏中找到“查看”选项单击鼠标左键在下拉菜单栏中找到“工具选板”单击就可以看到工具模板了。
前面板和后面板中工具模板的使用方法相同。
3.3.2控件模板
控件选板集合了各式各样的输入和输出控件,把这些前面板设计中能用到的所有控件放在一块能在使用时方便的找到,方便了用户使用。
3.3.3函数选板
函数模板是由若干个不同的子模板有序的堆积在一起形成的,在该选板中包含了创建框图程序要用到的所有VI和函数控件。
有两种方法可以找到函数模板,第一种是在后面板的空白处单击鼠标右键弹出函数模板,第二种是在菜单栏中点击“查看”项在弹出的下拉菜单中单击“函数选板”项。
3.4子VI的创建和调用
LabVIEW中的子VI和文本编程语言中的子程序、函数很类似,换言之,子VI是可以在其它的编程中直接调用的自己创建的VI。
在LabVIEW这种图形化编程环境中,图形连线会占据较大的屏幕空间,我们不可能把所有的程序都放在同一个VI的程序框图中来实现。
因此,通过构建使用子VI能把复杂的任务划分成多个简单的小任务来分别完成,从而能够使得VI程序框图的结构更加的简洁明了,实现LabVIEW的层次化和模块化编程的要求,使其变得更加的简单,清晰,更加的橙刺分明,更加容易理解。
3.4.1创建和编辑图标
在LabVIEW中,每个VI在前面板和后面板的右上角都有一个由徽标和数字构成的图标,这个图标可以根据自己的需要创建和编辑该图标。
创建和重新编辑该VI图标的工作在图标编辑器中完成。
把鼠标指针放在该图标上双击,或单击鼠标右键,就可以弹出快捷菜单,在该菜单中选择“编辑VI图标”这一项,在弹出如的“图标编辑器”对话框中对图标进行编辑。
3.4.2定义接线端子
子VI图标是该子VI程序功能的图形化表示,连接器作为一个编程接口,定义了子VI输入输出端口与主程序之间的参数形式和接口类型。
在VI图标上右击鼠标,选择“模式”,从中选择出所需的端子模式。
选择接线端子模式后就要开始连接(即定义)接线端子了。
如图3-1所示。
首先将鼠标放在接线端图标上,鼠标变成线轴状,单击该端子,然后将鼠标移至前面板上的控件上,单击该控件。
这样该端子就与控件连接在一起了。
按照同样的方法定义全部的接线端子。
图3-1定义连接端子
接线端子和图标都定义好后,将VI保存到合适的位置。
至此,子VI就创建成功了。
创建好的子VI可以被其他程序调用。
3.4.3子VI的调用
在子VI创建好后就可以被其他的VI调用了。
在一个新的VI的编程中想要调用自己创建的子VI,可以在函数选板中选择“选择子VI…”项,从自己保存子VI的地方打开以保存地子VI,将其放入程序框图即可。
在调用子VI后要对VI节点进行设置,在子VI的图标上右击鼠标,选择“设置子VI节点…”“子VI节点设置”。
4虚拟示波器的设计方案
本虚拟示波器主要功能包括:
数据采集、频谱分析、参数测量、滤波、波形存储、读取子VI等功能。
此示波器为虚拟双踪示波器,其显示模式有A、B通道单独显示以及AB通道共同显示。
在本次的设计中没使用数据采集卡来采集外部测量信号,而是使用了LaBVIEW内部自带的信号发生器来来设计的内部仿真测量信号。
LabVIEW自带的信号发生器有正弦波、方波发、锯齿波、三角波发生器等,用这些基本的信号产生模块来仿真出测量信号来检验示波器的功能。
4.1总体设计方案
本次示波器设计主要用LabVIEW图形化编程软件来完成数据采集、频谱分析、滤波、波形显示与存储等
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- 关 键 词:
- 实验室 虚拟 数字 示波器 设计