部德才+張永平

摘 要：利用LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、處理和程序設(shè)計(jì)功能，設(shè)計(jì)、開發(fā)了一款數(shù)字存儲(chǔ)示波器。它主要是由信號(hào)輸入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和波形顯示及存儲(chǔ)模塊組成，是通過軟件編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)的顯示和測(cè)量等功能的。在虛擬示波器上集成的虛擬信號(hào)發(fā)生器可以在聲卡采集和虛擬信號(hào)輸入之間切換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該虛擬示波器基本實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)示波器的功能，并且運(yùn)行可靠、性能良好，能夠滿足普通實(shí)驗(yàn)室正常的使用需求。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；數(shù)字存儲(chǔ)示波器；聲卡數(shù)據(jù)采集；LabVIEW

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）20-0105-03

示波器是工程和教學(xué)中使用非常廣泛的一種儀器，尤其是在與電氣工程相關(guān)的專業(yè)中，數(shù)字存儲(chǔ)示波器已經(jīng)成為了比較流行的信號(hào)采集和分析工具。由于其固有的高輸入阻抗，所以，數(shù)字示波器可以用于分析高精度模擬和數(shù)字電路。

近年來，數(shù)字存儲(chǔ)示波器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與PC連接的附加功能，可以將信號(hào)存儲(chǔ)在電腦中供日后分析。然而，示波器具有的功能越多，價(jià)格就越昂貴，不適合本科層次的初學(xué)者使用。這些市面上銷售的示波器往往得不到充分的利用，它們的先進(jìn)功能與本科實(shí)驗(yàn)室中低功耗、低頻率的要求相比就顯得有些浪費(fèi)。此外，在實(shí)驗(yàn)室中使用個(gè)人電腦分析數(shù)據(jù)，在很大程度上促進(jìn)了數(shù)字示波器與PC的功能銜接。本文提出了基于PC的數(shù)據(jù)采集硬件方案、軟件和顯示模塊集成系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一款基于聲卡的虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器，充分利用聲卡A/D轉(zhuǎn)換的優(yōu)越性能，配合LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和處理功能的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時(shí)，為了便于實(shí)際使用，在虛擬示波器上集成了虛擬信號(hào)發(fā)生器，這樣就可以產(chǎn)生多種信號(hào)，并可以在聲卡采集和虛擬信號(hào)輸入之間切換，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要。

1 設(shè)計(jì)方案和軟件實(shí)現(xiàn)

1.1 虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器的系統(tǒng)組成

虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器與傳統(tǒng)的示波器有同樣的功能，它是由信號(hào)輸入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和波形顯示及存儲(chǔ)模塊三大部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

信號(hào)輸入模塊將聲卡輸入的外部信號(hào)或虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)輸入虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行信號(hào)處理和顯示。其中，數(shù)據(jù)采集單元是由計(jì)算機(jī)自帶聲卡完成的，聲卡的A/D轉(zhuǎn)換性能穩(wěn)定，分辨率較高，用于數(shù)據(jù)采集可以大大節(jié)省硬件資源，構(gòu)建一個(gè)高性價(jià)比的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。但是，聲卡只能接受弱電信號(hào)，如果輸入信號(hào)的電壓超出規(guī)定范圍，就必須衰減后再輸入。

數(shù)據(jù)處理模塊是虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器的核心部分，它主要是由信號(hào)調(diào)理單元、同步觸發(fā)單元、運(yùn)算單元和雙通道信號(hào)合成單元構(gòu)成。信號(hào)調(diào)理單元將輸入的信號(hào)進(jìn)行必要的增益調(diào)整和直流偏移量調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)屏幕顯示時(shí)的衰減度調(diào)節(jié)和波形位置移動(dòng)。同步觸發(fā)單元主要完成掃描信號(hào)的產(chǎn)生和掃描方式的選擇。作為虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器，最關(guān)鍵的是要自動(dòng)生成掃描信號(hào)實(shí)現(xiàn)掃描功能。運(yùn)算單元和雙通道信號(hào)合成單元主要是完成單通道或雙通道信號(hào)的疊加與合成。

波形顯示和存儲(chǔ)模塊將處理后的前端信號(hào)合成為波形圖像顯示，同時(shí)，將數(shù)字化的波形信號(hào)以文件的形式存儲(chǔ)起來，方便后期數(shù)據(jù)處理時(shí)調(diào)用。

1.2 虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器的軟件設(shè)計(jì)

虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器是利用LabVIEW編程的。LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的軟件產(chǎn)品，它是一種圖形化編程語言——G語言的開發(fā)環(huán)境，具有簡(jiǎn)單、直觀、便于使用的特點(diǎn)。虛擬示波器的前面板完全仿照真實(shí)的儀器面板，使用者使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊前面板上相應(yīng)的按鍵或旋鈕操作時(shí)，與真實(shí)儀器的操作過程是完全相同的。

1.2.1 信號(hào)輸入模塊

信號(hào)輸入模塊使用1個(gè)布爾開關(guān)選擇信號(hào)源的種類。當(dāng)開關(guān)指向“SOUND CARD SIGNAL”時(shí)，由聲卡采集信號(hào)；當(dāng)開關(guān)指向“VIRTUAL SIGNAL GENERATER”時(shí)，由虛擬信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)；當(dāng)輸入方式選擇“SOUND CARD SIGNAL”時(shí)，由聲卡采集信號(hào)，SI Config.vi和SI Start.vi2個(gè)節(jié)點(diǎn)分別用于配置和開啟聲卡。聲卡數(shù)據(jù)采集的背面板程序框圖如圖2所示。聲卡設(shè)置為立體聲采樣，保證左右兩聲道分別采集兩路信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)示波器的雙通道工作。外部模擬信號(hào)經(jīng)過聲卡A/D轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，通過SI Read.vi將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)整塊讀出，暫存到內(nèi)存中的用戶數(shù)組，這樣就將外部模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，為后續(xù)信號(hào)的數(shù)據(jù)處理和顯示創(chuàng)造了條件。每次循環(huán)結(jié)束后，經(jīng)過SI Clear.vi將聲卡釋放，為下一次采集作準(zhǔn)備。

當(dāng)輸入方式選擇“VIRTUAL SIGNAL GENERATION”時(shí)，由虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)，其前面板如圖3所示。通過前面板上的控件可以控制產(chǎn)生的虛擬信號(hào)的波形、幅度和頻率等參數(shù)。虛擬信號(hào)的產(chǎn)生主要是由“Basic Function Generation.vi”實(shí)現(xiàn)的，它將波形、頻率、幅度和相位等參數(shù)控件分別連接到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，這樣就可以從輸出端輸出所需的波形信號(hào)。

1.2.2 信號(hào)同步觸發(fā)單元

信號(hào)的同步觸發(fā)是虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器和傳統(tǒng)示波器中重要的組成部分，它生成掃描信號(hào)進(jìn)行掃描或?qū)㈦p通道中的一路信號(hào)作為觸發(fā)源進(jìn)行信號(hào)掃描。掃描信號(hào)與被測(cè)信號(hào)合成后，顯示出可以觀測(cè)的信號(hào)波形。同步觸發(fā)單元的背面板程序框圖如圖4所示。虛擬示波器中的X軸觸發(fā)信號(hào)是由觸發(fā)電平控件產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的電平數(shù)值，與被測(cè)信號(hào)數(shù)組中的各數(shù)據(jù)比較，判斷觸發(fā)電平數(shù)值是否在觸發(fā)范圍內(nèi)，并逐次積累數(shù)組中的索引值，直到超出觸發(fā)范圍后方可退出循環(huán)。在設(shè)計(jì)前面板控件時(shí)，增加了觸發(fā)源和觸發(fā)極性控件，選擇將A通道或B通道信號(hào)作為觸發(fā)源以及正極性觸發(fā)或負(fù)極性觸發(fā)，“LEVEL”控件則用于調(diào)整觸發(fā)信號(hào)的電平。

1.2.3 信號(hào)調(diào)理和運(yùn)算單元

信號(hào)調(diào)理主要包括調(diào)節(jié)信號(hào)在屏幕上顯示時(shí)的Y軸增益和波形位移的控制。信號(hào)運(yùn)算則是指將兩路信號(hào)相加、相減或同時(shí)顯示。該部分功能的操作面板與真實(shí)示波器基本相同，前面板包括雙通道Y軸增益調(diào)整和微調(diào)、掃描速度和微調(diào)、X軸與Y軸位移調(diào)整等控件，背面板程序框圖如圖5所示。分支結(jié)構(gòu)是用來完成信號(hào)源的選擇，利用代數(shù)乘法實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)增益的控制，利用代數(shù)加法實(shí)現(xiàn)對(duì)波形位移的調(diào)整。

1.2.4 波形顯示及存儲(chǔ)模塊

經(jīng)過前期的數(shù)據(jù)處理，波形信號(hào)主要以數(shù)組的形式存儲(chǔ)和傳輸。利用數(shù)組的打包工具可以將兩路信號(hào)打包輸入顯示器，波形顯示和存儲(chǔ)模塊背面板程序框圖如圖6所示。利用LabVIEW自帶的Graph控件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的圖形顯示，利用分支結(jié)構(gòu)和邏輯控制開關(guān)可以控制雙通道信號(hào)同時(shí)顯示和合成。

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)主要是通過Write to Spreadsheet File.vi子VI實(shí)現(xiàn)的。該子VI可以將數(shù)組轉(zhuǎn)化為字符串文件存儲(chǔ)，并將其保存到計(jì)算機(jī)中。

2 虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將信號(hào)輸入方式選擇為由聲卡輸入信號(hào)，將外部真實(shí)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的兩路正弦波信號(hào)通過自制的BNC-φ3.5 mm傳輸線連接至聲卡的LINE IN輸入端，適當(dāng)調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)聲音輸入的音量電平，使輸入信號(hào)幅度處于聲卡的接收范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)示波器的掃描頻率和信號(hào)衰減，選擇雙通道信號(hào)同時(shí)顯示，在屏幕上顯示兩路輸入信號(hào)的波形，如圖7所示。

將信號(hào)輸入方式選擇為由虛擬信號(hào)發(fā)生器輸入，并調(diào)節(jié)虛擬信號(hào)發(fā)生器的波形、幅度和頻率，產(chǎn)生兩路正弦波信號(hào)。將示波器調(diào)至X-Y合成模式，顯示兩路頻率相同的正弦波合成利薩如圖形，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠完全顯示信號(hào)的波形，并能合成利薩如圖形，與真實(shí)的示波器一致。

3 結(jié)束語

采用PC技術(shù)和LabVIEW技術(shù)設(shè)計(jì)了虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)輸入、數(shù)據(jù)處理、波形顯示和存儲(chǔ)等功能。測(cè)試結(jié)果表明，利用聲卡采集外部待測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比高，通用性強(qiáng)，界面友好，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便，性能穩(wěn)定、可靠。在聲卡性能越來越好、成本越來越低、普及率越來越高的情況下，這種辦法值得在工程測(cè)量應(yīng)用和相關(guān)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)一步推廣，同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器和萬用表等設(shè)備在音頻范圍內(nèi)的基本功能，其應(yīng)用前景較為廣闊。但是，由于受到聲卡A/D轉(zhuǎn)換性能的限制，其最大采樣頻率不超過44.1 kHz，頻率范圍也只能局限于音頻范圍內(nèi)?？傊?，運(yùn)用廉價(jià)的聲卡在LabVIEW環(huán)境中構(gòu)成1個(gè)較高采樣精度、中等采樣頻率，而且具有很大靈活性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是一種很好的選擇。

參考文獻(xiàn)

[1]唐曦.虛擬示波器用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，36（2）：190-193.

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1.2.4 波形顯示及存儲(chǔ)模塊

經(jīng)過前期的數(shù)據(jù)處理，波形信號(hào)主要以數(shù)組的形式存儲(chǔ)和傳輸。利用數(shù)組的打包工具可以將兩路信號(hào)打包輸入顯示器，波形顯示和存儲(chǔ)模塊背面板程序框圖如圖6所示。利用LabVIEW自帶的Graph控件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的圖形顯示，利用分支結(jié)構(gòu)和邏輯控制開關(guān)可以控制雙通道信號(hào)同時(shí)顯示和合成。

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)主要是通過Write to Spreadsheet File.vi子VI實(shí)現(xiàn)的。該子VI可以將數(shù)組轉(zhuǎn)化為字符串文件存儲(chǔ)，并將其保存到計(jì)算機(jī)中。

2 虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將信號(hào)輸入方式選擇為由聲卡輸入信號(hào)，將外部真實(shí)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的兩路正弦波信號(hào)通過自制的BNC-φ3.5 mm傳輸線連接至聲卡的LINE IN輸入端，適當(dāng)調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)聲音輸入的音量電平，使輸入信號(hào)幅度處于聲卡的接收范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)示波器的掃描頻率和信號(hào)衰減，選擇雙通道信號(hào)同時(shí)顯示，在屏幕上顯示兩路輸入信號(hào)的波形，如圖7所示。

將信號(hào)輸入方式選擇為由虛擬信號(hào)發(fā)生器輸入，并調(diào)節(jié)虛擬信號(hào)發(fā)生器的波形、幅度和頻率，產(chǎn)生兩路正弦波信號(hào)。將示波器調(diào)至X-Y合成模式，顯示兩路頻率相同的正弦波合成利薩如圖形，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠完全顯示信號(hào)的波形，并能合成利薩如圖形，與真實(shí)的示波器一致。

3 結(jié)束語

采用PC技術(shù)和LabVIEW技術(shù)設(shè)計(jì)了虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)輸入、數(shù)據(jù)處理、波形顯示和存儲(chǔ)等功能。測(cè)試結(jié)果表明，利用聲卡采集外部待測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比高，通用性強(qiáng)，界面友好，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便，性能穩(wěn)定、可靠。在聲卡性能越來越好、成本越來越低、普及率越來越高的情況下，這種辦法值得在工程測(cè)量應(yīng)用和相關(guān)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)一步推廣，同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器和萬用表等設(shè)備在音頻范圍內(nèi)的基本功能，其應(yīng)用前景較為廣闊。但是，由于受到聲卡A/D轉(zhuǎn)換性能的限制，其最大采樣頻率不超過44.1 kHz，頻率范圍也只能局限于音頻范圍內(nèi)?？傊\(yùn)用廉價(jià)的聲卡在LabVIEW環(huán)境中構(gòu)成1個(gè)較高采樣精度、中等采樣頻率，而且具有很大靈活性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是一種很好的選擇。

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1.2.4 波形顯示及存儲(chǔ)模塊

經(jīng)過前期的數(shù)據(jù)處理，波形信號(hào)主要以數(shù)組的形式存儲(chǔ)和傳輸。利用數(shù)組的打包工具可以將兩路信號(hào)打包輸入顯示器，波形顯示和存儲(chǔ)模塊背面板程序框圖如圖6所示。利用LabVIEW自帶的Graph控件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的圖形顯示，利用分支結(jié)構(gòu)和邏輯控制開關(guān)可以控制雙通道信號(hào)同時(shí)顯示和合成。

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)主要是通過Write to Spreadsheet File.vi子VI實(shí)現(xiàn)的。該子VI可以將數(shù)組轉(zhuǎn)化為字符串文件存儲(chǔ)，并將其保存到計(jì)算機(jī)中。

2 虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將信號(hào)輸入方式選擇為由聲卡輸入信號(hào)，將外部真實(shí)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的兩路正弦波信號(hào)通過自制的BNC-φ3.5 mm傳輸線連接至聲卡的LINE IN輸入端，適當(dāng)調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)聲音輸入的音量電平，使輸入信號(hào)幅度處于聲卡的接收范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)示波器的掃描頻率和信號(hào)衰減，選擇雙通道信號(hào)同時(shí)顯示，在屏幕上顯示兩路輸入信號(hào)的波形，如圖7所示。

將信號(hào)輸入方式選擇為由虛擬信號(hào)發(fā)生器輸入，并調(diào)節(jié)虛擬信號(hào)發(fā)生器的波形、幅度和頻率，產(chǎn)生兩路正弦波信號(hào)。將示波器調(diào)至X-Y合成模式，顯示兩路頻率相同的正弦波合成利薩如圖形，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠完全顯示信號(hào)的波形，并能合成利薩如圖形，與真實(shí)的示波器一致。

3 結(jié)束語

采用PC技術(shù)和LabVIEW技術(shù)設(shè)計(jì)了虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)輸入、數(shù)據(jù)處理、波形顯示和存儲(chǔ)等功能。測(cè)試結(jié)果表明，利用聲卡采集外部待測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比高，通用性強(qiáng)，界面友好，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便，性能穩(wěn)定、可靠。在聲卡性能越來越好、成本越來越低、普及率越來越高的情況下，這種辦法值得在工程測(cè)量應(yīng)用和相關(guān)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)一步推廣，同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器和萬用表等設(shè)備在音頻范圍內(nèi)的基本功能，其應(yīng)用前景較為廣闊。但是，由于受到聲卡A/D轉(zhuǎn)換性能的限制，其最大采樣頻率不超過44.1 kHz，頻率范圍也只能局限于音頻范圍內(nèi)?？傊\(yùn)用廉價(jià)的聲卡在LabVIEW環(huán)境中構(gòu)成1個(gè)較高采樣精度、中等采樣頻率，而且具有很大靈活性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是一種很好的選擇。

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