文中详细介绍基于LabVIEW的虚拟示波器的组建方法,重点阐述虚拟示波器的软面板和应用程序设计。Building method of a virtual oscilloscope based on LabVIEW was described in detail in this paper. Soft panel and design of application program of virtual oscilloscope was highlighted.厦门大学创新团体发展计划资助

李继芳

王红超

陈永明

黄元庆

Xiamen University Institutional Repository

第 25 卷 第 4期2 0 0 6年 4月国 外 电 子 测 量 技 术Fe o r i gn E le e t rn o ie M e a se u r me n t Te e h n o l o g yV o l.2 5,N o.4A pr. ,2 0 0 6基于 L a b V I E W 的虚拟示波器陈永明 王红超(厦 门大学机 电系李继芳 黄元庆福建 厦 门 3 6 1 0 0 5 )摘 要 : 文中详细介绍 基于 IJab V I E W 的虚拟示波 器的组建方 法,重点 阐述虚拟示波器 的软 面板和应 用程序设计。关健词: 示 波 器 虚拟仪器 L ab V I E W中图分类号 : T P 3 91.9V i r t u a l o s c i l l o s o P e b a s e d o n L a b V I E WC h e n Y o n g m i n g Wa n g H o n g e h a o L i J i fa n g H u a n g Y u a n q i n g( hT。 M亡 : h a n i o a o d E l e` t r o ,。 i。 E n g i, : e e r i n g o f X i a M e n nU iver 、 i t夕 , X i a M 。 。 F u j i a n,3 6 1 00 5 )A b s t r ac t:B u i ld i n g m e t h o d o f a v i r t u a l o s e i l l o s e o P e b a s e d o n L a bV I E W wa s d e s e r ib e d i n d e t a i l int h i s p a p e r.S o f t p a n e l a n d d e s i g n o f a p p l i e a t io n p r o g r a m o f v i r t u a l o s e i l l o s e o p e w a s h i g h l ig h t e d.K e y w o r d s:O s e il lo s e o p e,V i r t u a l I n s t r u m e n t,IJ a b V I E W.0 引 言虚拟示波器是一个典型 的虚拟仪器,它包 含数据采集、分析处理 和结果显示 3 方面内容。本 文设计的虚拟示 波器不仅模拟传统示 波器的大部分功能,而且加人 了波形测量、存储和回放等只有高档示波器才具有的功能。由于采用的是通用的数据采集卡 P C I 一 6 2 2 1,它 的 采 样 频 率 比 较 低,只 有2 5 o k H z [’ 〕,适用于观察 2 5 k Hz 以 下的周期信号,已经可以满足高校实验室教学 的需要。另外,P C I一6 2 21 模拟输人通道最高电压限制为 10 V,对于高于10 V 的电压,必须衰减后才能接人。面几个原则,就可 以制作出实用、美观的虚拟仪器程序界面:·去掉可有可无的控件。·将一些不常用的控件放在子 V l 里或使用菜单以使主界面变得简洁。·控件的大小 和控件间的距离要适 当,太小容易引起误操作,太大容易使程序界面超出显示器的范围而且会显得不协调。·将功能相关 的控件放在一起,用装饰线或装饰板将不同类型的控件隔开。·避免使用过多的字体和颜色。1 虚拟示波器的界面虚拟示 波器在外观上 与传统 双通 道示波 器类似,图 1 显示 了用虚拟示波器的两个通道同时测量一个幅值为 1.7 85 V、频率为 I 0 0 0 H z 的正弦波的情形。其界面由波形显示屏、频率与峰峰值测量显示、显示控制、触发控制、通道选择按钮组和程序控制按钮组几部分组成:人机界面的制作是一 门艺术,但是如果坚持下2 虚拟示波器的软件设计因为虚拟示波器需要处理的用 户命令 比较多,故采用状态机的结构。状态机是一个 L ab V I E W 程序常用的结构,它的基本形式是在一个循 环结构里嵌套一个选择结构,在其中一个选择框架中放置一个事件结构用于响应用户的操作,利用移位寄存器实现各个状态之间的任意跳转。事件结构与框图程序中的其他节点、模块在执行时的流程规则没有什么不同,当没有任何事件发生时,事件结构就会处于基金项 目:本文由厦门大学创新团体发展计划资助。作者简 介:王红超 ( 198 1一 ),男,厦 门大学在读研究生。研究方向:虚拟仪器技术、测控技术。“ 国 外 电 子 测 量 技 术 第 25卷图 1虚拟示波器的界面睡眠状态,直到有一个或多个预先设定 的事件发生时,事件结构才会根据所发生的事件执行用户预先设定的动作川。状态机结构特别适用于有较多人机交互的程序,它还具有易于修改和调试的优点。虚拟示波器的状态转换简图如图 2 所示,图中没有标出各个状态与错误处理状态之间的转换关系,当图中任何一个状态中出现错误时,都将转换到错误处理状态,随之停止程序的运行。下面对程序中主要的部分进行分析。图 2 状态转换简图道采集时以数据点较多的那个通道为基准,即采样点数是根据显示 时基选择 ( iT m e/ iDv , 时间 /分度 )旋钮的值确定的。在录波模式下,采用连续缓 冲采集方式。其原理如下:在往缓冲区 中存放数据的同时可以读取缓冲区 中已放的数据,当缓冲区满时,从缓冲区开始处重新存放新的数据,只要存数据和取数据的速度配合好,就可以实现用一块有限的存储区,来进行连续的数据传送。使用循环缓 冲区,可以在采集设备在后台连续进行采集的同时,aL b V I E W 在两次读取缓冲区数据的时间间隔里对数据进行处理。波形数据保存到 C八O sc il los co ep aD at 目录下的二进制文件中,文件以开始进行数据采集的系统时间命名,格式为 xx 年 x x 月 x x 日 x x 时 X x 分 X X 秒。这里除了用到有限点缓冲采集方式中几个数据采集函数外 (两种采集方式下函数的参数不同 ),还用到几个字符串和文件 1/ 0 函数:oF mr at aD t e/ iT m。 tS ir n g (按照用户指定的格式将 当前系统时间转化成字符串 )、oC cn ate -n a t e S t r in g S (连接字符 串 )、B u ild P a t h (创建 一个路径 )、N e w F i le (新建一个文件并打开 )、Wr i t e F i l e (将数据写人文件 )、C lo s e F il e (关闭文件 )。2.2 显示控制虚拟数字示波器将一个通道模拟信号转换成一个离散的数组作为 Y 数组,用 ( △x, 2△x,…, n乙x ) 表示的时 间间 隔作 为 X 数组,打包 ( ban d l e ) 后送 到X Y G r a p h 波形显示控件 中显示。要实现波形上下移动的功能,只需要为 Y 数组中每一个元素加上一个偏移量。传统示波器中缩放功能的实现是给 Y 数组 中每一个元素乘 以一个数值,这里波形显示控件 Y 轴上两条 间隔线之间的差值为 2,因此需要乘上的数值大小 y`为:2y、=`六于.( i = 0,l,…,6 )了 ’ 乙丫、 ’式 中,乙丫 为电压 /分度选择旋钮 ( V ol t s/ iD v)上所示的值共有 7 个等级。时基选择旋钮上的数值表示 X 轴上两条间隔线之间代表的时间间隔,为 了在波形显示控件上正确地表示出信号的频率 (周期 ),需要调整 X 轴上两点之间的间隔 △ x、 。经分析推导,乙 x`的值为:( i= 0,1 , …, 1 1 )l一F峨一灿一2.1 数据采集在示波模式下,采用有限点缓 冲采集方式。用到的 数 据 采 集 函 数 有:D A Q mx C r e a t e V i r t u a lC h a n n e l、D A Q mx T im i n g、D A Q mx S t a r t T a s k、D A Q m x R e a d、D A Q mx S t o p T a s k 和 D A Q m xC l e a r T a s k。采样频率设置为 2 5 o k H Z,在双通道采集时,每个通道 为 12 5 k Hz 。采样点数设置 为显示屏上需要显示的数据点数的 1.5 倍 (软件触发需要去掉一部分数据,故采样点数需要多一点 ),在双通△ x i式中,△ X 为波形显示控件 X 轴上两条间隔线之间的坐标差值,这里取 △X; △ t。 为时 (下转第 72 页 )2 0 0 6年第 4期 魏 乾 等:阻抗对测量的影响由于连人 示波 器,线 圈两 端 的总 电容 增加 为70 P F,因此谐振点改变为1J 。 ~ 二尸一不弃喜 -2汀 丫L C 2二丫5 0 X 10一 6 又 70 x l o 一 ’ 2七 2.7 M H z ( 10 )如果该电路是 SM Hz 放大器的储能电路,那么由于谐振频率的改变,它的增益在 S M H : 时将急剧跌落。如果该电路是一个振荡器,由于谐振频率变为 2.7 M H z,在新频率点上可能会 因为驱动不足而无法起振。采用分压探头可 以减轻示波器对谐振频率的影响。但随着频率的升高,达到射频,问题将很难解决。输人阻抗,在频率达到 10 O M Hz 时,等效 阻抗 只有10 O n 左右。因此,高带宽的示波器一般都采用 50 n输入阻抗,这样可以保证示波器与源端 的匹配。必须考虑到 50 n 输人阻抗的负载效应 比较明显,这时最好使用低电容的有源探头。有源探头采用场效应管,其电容可以达到 I P F。3 阻抗 匹配为了保证仪器 之间能够最大地传送 功率,阻抗应该匹配。如果阻抗 为纯 电阻,应使输人阻抗 与输出阻抗的值相等。如果 阻抗包含 电抗成分,即 几`一 R。十 j X,应使负载的输人阻抗与源的输出阻抗共扼匹配,即 lZ 一 R。一 j X。这时能够传送最大功率。对于射频 系统,一般采用 50 n 阻抗。通常和使用的传输线的特性 阻抗相一致。对于高阻抗仪器,由于等效并联 电容 的存在,随着频率升高,并联组合阻抗逐渐变 小,将对被测 电路形成 负载。如 I M n4 结束语在测量中,阻抗是一个必须考虑的问题。输人阻抗和输出阻抗的大小会影响到测量误差的大小,应该尽量减小测试仪器带来的负载效应和保证连接 中的阻抗匹配。在并联测试时,应尽可能选择输人阻抗高,并联电容小的仪器,以减轻负载效应。在示波器测试时如果误差较大,应选择合适的示波器探头。参考文献[ 1 ] 曰 ect~cisn t~nt ha n 〔l压刀k「幻.CI 州e.F Q 刀 m l ) s,19 .5仁2 〕探头人门 [ O L〕.w w w.t e k. 。 o m.c n , 2 0 0 4.[ 3 〕 Ro b e r t A.W it te.电 子测量仪器原理与应用 [ M 〕.北京:清华大学 出版 社,1 9 95「4 ] 国防科工委科技与质量司.无线电电子学计量〔M」.北京:原子能 出版社,2 0 0 2.[ 5 」国防科工委科技与质量 司.计量技术基础【M ].北京:原子能出版社,2 0 0 2.关 关 补 关 苦 关 关 并 开 芳 芳 关 井 关 关 关 芳 关 芳 关 关 关 关 关 芳 关 关 关 关 关 关 关 关 关 关 关 关 关 关 关 关 关 关 关 关 关(上接第 6 , 页 )基控制选钮上所示的时基间隔值,共有 12 个等级;F 为采样频率。2.3 频率和峰峰值测 t多周期平均法是一种 比较容易想到 的算法,它的主要思想是:统计若干个周期里采样的点数,取它们的平均值作为一个周期 的点数,然后用采样频率除以一周期的点数就得到信号的频率了。峰峰值的求法与此类似,即求出若干个周期里最大值和最小值的差,取它们的平均值作为信号的峰峰值。L ab-V I E W 自带 的 E x t r a e t S i n g l e T o n e In f o r m a t i o n 用于测量频率和峰峰值效果更好,可惜它的实现方法被隐藏了。2.4 软件触发原理本程序提供了 7 种触发方式:上升沿触发、下降沿触发、高于触发电平值触发、低 于触 发电平值触发、进人窗口 触发、离开窗 口触发和无触发。它们均为软件触发,程序采用状态机 的结构来搜索触发点,并将触发点及其后 面的波形数据送 到波形显示模块。实际上,软件触发不是真正意义上的触发,只是一种波形处理方法。当用户需要对所有采集操作有明确的控制,并且事件定时不需要非常准确时,可以采用软件触发。硬件触发在原理上和软件触发是一样的,只是触发点是 由硬件电路寻找,具有很高的速度和准确度。当采集事件 定时需要非常准确,或者用户需要削减软件开支,或者采集事件需要与外部装置同步时,就需要采用硬件触发了。3 结束语虚拟示波器以广泛应用的 P C 机和相对廉价的数据采集卡作为硬件平台,通过软件编程实现示波器的功能。而且在这一通 用的 P C 一 D A Q 平台上,调用不同的虚拟仪器软件,可 以实现不同的仪器功能。虚拟仪器成本低、功 能全、可扩展性强,在我 国大中专院校推广使用,能够有效缓解学校实验室资源难以满足学生需要的矛盾。参考文献〔 l 〕 Na t io n a l In s t r u m e n t s.N l 6 2 2xS pe e if ie a t io n s [ R 〕.N a-t io n a l In s t r u me n t s Co r p,2 0 0 4.〔 2 〕 杨乐平等.L ab V IE W 程序设计与应用 〔M 〕.北京:电子工业出版社,20 5.

Virtual oscillosope based on LabVIEW

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