示波器是生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中應(yīng)用十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。目前常用的模擬示波器，外型笨重，功能單一；數(shù)字示波器雖然有一定的功能擴(kuò)展，但價(jià)格昂貴，維護(hù)升級(jí)成本高，短時(shí)間內(nèi)難以普及應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)，出現(xiàn)了一種基于計(jì)算機(jī)和軟件的新型儀器——虛擬儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，功能由用戶定義和設(shè)計(jì)，具有虛擬面板，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器的關(guān)鍵是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件的功能，實(shí)現(xiàn)“軟件即儀器”。本文應(yīng)用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW開(kāi)發(fā)了一種多功能虛擬示波器，不僅擴(kuò)展了示波器的分析和計(jì)算能力，而且降低了儀器的價(jià)格，增強(qiáng)了儀器的通用性，實(shí)現(xiàn)了波形顯示、存儲(chǔ)、打印和讀取以及多個(gè)測(cè)量參數(shù)自動(dòng)顯示、相位差自動(dòng)計(jì)算等功能。

1  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1  多功能虛擬示波器結(jié)構(gòu)框圖

虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。硬件平臺(tái)完成被測(cè)信號(hào)調(diào)理與信號(hào)采集，即獲取被測(cè)信號(hào)。目前較常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（PC-DAQ系統(tǒng)）、GPIB儀器測(cè)試系統(tǒng)、VXI儀器測(cè)試系統(tǒng)。

1.1  儀器的結(jié)構(gòu)框圖

    多功能虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。儀器由調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)等部分組成。調(diào)理電路將被測(cè)信號(hào)調(diào)理成-5~5V輸入信號(hào)，送數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)分析、計(jì)算、輸出處理，顯示、打印、保存觀測(cè)結(jié)果。

1.2  數(shù)據(jù)采集卡

國(guó)家自然科學(xué)基金（60272051）資助項(xiàng)目，湖南省杰出中青年專家基金（01JZY2101）資助項(xiàng)目

多功能虛擬示波器采用美國(guó)國(guó)家儀器公司（NATIONAL INSTRUMENTS，簡(jiǎn)稱NI）的數(shù)據(jù)采集卡PCI－6024E，它支持DMA方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷采集與存儲(chǔ)。這種數(shù)據(jù)采集卡支持單極性和雙極性模擬信號(hào)輸入，采樣速率可達(dá)200kb/s，信號(hào)輸入范圍分別為－5～＋5V和-10V～10V。提供16路單端／8路差動(dòng)模擬輸入通道、2路獨(dú)立的DA輸出通道、8位24線的TTL型數(shù)字I／O、2個(gè)24位20MHz的定時(shí)計(jì)數(shù)器，4個(gè)模擬輸入范圍等多種功能。該數(shù)據(jù)采集卡支持的操作系統(tǒng)有：Windows 2000/NT/XP/Me/9x、Linux等。使用的軟件有LabVIEW、LabWindows/CVI等。這些功能使得用戶不僅可以用該卡設(shè)計(jì)示波器，還可以使用該卡設(shè)計(jì)數(shù)字萬(wàn)用表、波形發(fā)生器、邏輯分析儀等，做到一卡多用，為系統(tǒng)的后續(xù)擴(kuò)充保留余地。

1.3  多功能虛擬示波器功能設(shè)計(jì)

多功能虛擬示波器的設(shè)計(jì)參考了傳統(tǒng)示波器的功能，并結(jié)合虛擬儀器的特點(diǎn)與計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力，在功能上進(jìn)行了擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了波形顯示、存儲(chǔ)、打印和時(shí)域、頻域參數(shù)自動(dòng)測(cè)量、顯示、查詢以及相位差的自動(dòng)計(jì)算功能。

多功能虛擬示波器的主要技術(shù)指標(biāo)：

采樣速率：200kb／s

采樣位數(shù)：12bits

波形顯示模式：雙通道X-Y mode

定位標(biāo)尺：兩個(gè)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：硬盤(pán)或軟盤(pán)

2  儀器軟件設(shè)計(jì)

2.1  虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具

虛擬示波器軟件設(shè)計(jì)采用的NI公司的虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具LabVIEW。LabVIEW是根據(jù)G編程語(yǔ)言,為數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與顯示而設(shè)計(jì)的一種圖形編程開(kāi)發(fā)環(huán)境。它用圖標(biāo)代碼代替編程語(yǔ)言創(chuàng)建應(yīng)用程序，用數(shù)據(jù)流編程方法描述程序的執(zhí)行，用圖標(biāo)和連線代替文本的形式編寫(xiě)程序，為虛擬儀器設(shè)計(jì)者提供了便捷輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，設(shè)計(jì)者利用它可以像搭積木一樣，輕松組建一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)以及構(gòu)造自己的儀器面板，而無(wú)需進(jìn)行任何煩瑣的程序代碼編寫(xiě)。

使用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)編制的虛擬儀器程序VI包括三個(gè)部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，生成模仿傳統(tǒng)儀器的控制面板^[1]。每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序�？驁D程序用LabVIEW圖形編程語(yǔ)言編寫(xiě)，類似傳統(tǒng)程序的源代碼。圖標(biāo)/連接器是子程序SubVI被其它VI調(diào)用的接口。LabVIEW采用的是自上向下的模塊化編程方法，所生成的各個(gè)子程序有利于主程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)^[2]。這種設(shè)計(jì)方法可大大減小虛擬儀器開(kāi)發(fā)的難度，利于儀器開(kāi)發(fā)人員之間的分工協(xié)作。

多功能虛擬示波器的主要技術(shù)指標(biāo)：

采樣速率：200kb／s

采樣位數(shù)：12bits

波形顯示模式：雙通道X-Y mode

定位標(biāo)尺：兩個(gè)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：硬盤(pán)或軟盤(pán)

2  多功能虛擬示波器的軟件結(jié)構(gòu)

多功能虛擬示波器主要由軟件來(lái)完成信號(hào)的采集、處理和輸出。系統(tǒng)軟件包括前面板生成、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、相位差計(jì)算、打印、記錄等模塊。主程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.3  數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

NI公司提供了完善的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置軟件Measurement & Automation，用于連接數(shù)據(jù)采集卡硬件和計(jì)算機(jī)軟件^[3]。虛擬示波器采用了工具DAQ節(jié)點(diǎn)（Utility Vis）。在Data Acquisition子模板中選Analog Input中的Analog Input Utilities->AI Waveform Scan.vi節(jié)點(diǎn)^[4]，能夠滿足虛擬示波器對(duì)數(shù)據(jù)采集和顯示結(jié)果控制方面的眾多要求。該數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置設(shè)備號(hào)、通道、掃描次數(shù)、采樣點(diǎn)、掃描速率；在觸發(fā)方面，它有強(qiáng)大的設(shè)置功能：5種觸發(fā)方式、2個(gè)觸發(fā)源可選；可輸出所采集數(shù)據(jù)的掃描周期。數(shù)據(jù)采集模塊框圖程序如圖3所示。

圖3  數(shù)據(jù)采集模塊框圖程序

2.4  數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器數(shù)據(jù)處理模塊具有數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、波形顯示、波形打印、波形存儲(chǔ)、時(shí)域參數(shù)測(cè)量、頻域參數(shù)測(cè)量等功能。數(shù)據(jù)采集后，需進(jìn)行數(shù)字濾波、參數(shù)計(jì)算、頻譜分析等數(shù)據(jù)處理。根據(jù)LabVIEW軟件的特點(diǎn)，在編寫(xiě)程序時(shí)每一項(xiàng)功能對(duì)應(yīng)一個(gè)子程序（SubVI），通過(guò)各子程序的調(diào)用與連接來(lái)完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。時(shí)域參數(shù)測(cè)量子程序的框圖程序如圖4所示。

圖4  時(shí)域參數(shù)測(cè)量模塊框圖程序

2.5  前面板設(shè)計(jì)

多功能虛擬示波器的前面板設(shè)計(jì)模仿傳統(tǒng)示波器形式，利用軟件生成了顯示窗、調(diào)節(jié)旋鈕、開(kāi)關(guān)鍵等部件，但儀器的操作、調(diào)節(jié)均由鼠標(biāo)操作完成。儀器的前面板如圖5所示。

圖5  多功能虛擬示波器前面板圖

3  結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的多功能虛擬示波器實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量、分析、處理功能，節(jié)省了測(cè)量時(shí)間，提高了參數(shù)測(cè)量的精度，實(shí)現(xiàn)了波形、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示，具有相位差的自動(dòng)計(jì)算與顯示功能。多功能虛擬示波器的波形打印、暫停等功能也為儀器的使用帶來(lái)了方便。實(shí)際應(yīng)用表明，該虛擬示波器具有集成度高、功能強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)示波器功能的基礎(chǔ)上增加軟件設(shè)計(jì)，還實(shí)現(xiàn)了頻譜分析、萬(wàn)用表、頻率計(jì)等功能，實(shí)現(xiàn)儀器的一機(jī)多用。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于以虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了具有波形檢測(cè)、分析、存儲(chǔ)、打印功能的集示波器、頻譜分析儀、萬(wàn)用表、頻率計(jì)為一體的多功能測(cè)量?jī)x器，可望使測(cè)量人員從眾多操作復(fù)雜的儀器中解脫出來(lái)，實(shí)現(xiàn)“測(cè)量室拎著走”。