基于LabVIEW6.1的數字存儲示波器設計

0 引言
　　1986年，美國國家儀器公司提出了虛擬儀器概念。它是一種程序設計思想，是前面板、數據流框圖和圖標或連接器的有機結合，密不可分。隨著現代測試與儀器技術的發(fā)展，目前虛擬儀器概念已經發(fā)展成為一種創(chuàng)新的儀器設計思想。它是以通用計算機（含LabVIEW軟件）為操作平臺，以模塊化功能硬件為橋梁的測控系統(tǒng)。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是解決信號的輸入和輸出問題的方法和軟件賴以生存運行的物理環(huán)境，軟件才是整個儀器的核心，用于實現硬件的管理和儀器功能的實現[1]。用戶只需通過調整或修改儀器的軟件，便可方便地改變或增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，甚至儀器的性質，完全打破了傳統(tǒng)儀器有廠家定義，用戶無法改變的模式，給用戶一個充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間。

1 數據采集模塊功能
　　LabJack U12是基于USB的多功能數據采集和控制設備。它提供了8路單端或4路差分模擬輸入端，分辨率為12位。差分輸入充分利用可編程放大器的低噪音精度，提供增益G=1、2、4、5、8、10、16、20，且給出比16位更高的分辨率。2路模擬輸出端，分辨率為10位。20路數字I/O口和4kBRAM緩存。能夠實現單路或多路軟、硬件實時數據采集。當用硬件實時數據采集時，有兩種采集方式可供選擇：以觸發(fā)方式，可以從1—4路模擬輸入端采集數據，采樣速率高達8kS/s；以數據流方式，采樣速率高達1.2kS/s。當用軟件采集數據時，以命令/應答方式，可從4路或8路模擬通道同時采集數據，平均每通道采樣頻率高達50 kS/或25kS/s。

2 數字存儲示波虛擬儀器結構

（1）電信號
　　根據數據采集模塊的功能要求，只能對電壓信號進行采樣，而且只有當電信號的頻率低于4kHz時，才能復現待測信號。對于單端輸入，電信號的幅值范圍-10V～+10V。對于差分輸入，可以利用數據采集卡的可編程放大器功能，擴大待測信號的電壓范圍。

（2）數據采集模塊
　　數據采集模塊LabJack U12是由北京迪陽科技發(fā)展公司研發(fā)制造，包括硬件和驅動軟件兩大部分。硬件部分主要有模擬輸入和輸出端，數字I/O端，計數器，八路模擬開關，程控放大器，采樣/保持器，A/D轉換器，緩存器，定時和邏輯控制器等。驅動軟件是用圖形化編程軟件設計，有20多個VI程序。本文設計數字存儲示波器用到的驅動軟件有模擬觸發(fā)采集和數據流采集。

（3）計算機編程軟件
　　構建虛擬儀器重在計算機內編程，開發(fā)虛擬儀器的編程語言有兩類：一是基于文本編程語言。目前普遍流行的是Visual Basic和Visual C++。二是圖形化編程語言。例如，美國NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI,HP公司的VEE。通過比較篩選，LabVIEW是開發(fā)虛擬儀器最高效的軟件。因此，作者利用LabVIEW6.1設計數字存儲示波虛擬儀器。

3 測試原理
（1）離散傅里葉變換（DFT）
設模擬信號xi(t)(i=0,1,2…7))經過A/D轉換為有限長序列xi（nT）＝xi(n)。N為采樣值，T為采樣周期。離散傅里葉變換對如下：

（2）周期信號有效值計算

互相關函數估計

4 數字示波器軟件設計
（1）面板圖設計
⒈控件
　　采集模塊參數初始化控件：采集模塊ID號，可以有選擇的使用多個數據采集模塊。采集方式選擇為菜單控件，有觸發(fā)和數據流兩種采集方式。掃描速率根據采集的通道數目在0～8kS/s范圍內選擇，掃描數值菜單控件共有六種數值：128、256、512、1024、2048、4096。模擬輸入通道選擇簇控件包括通道號（單極性和雙極性12種）選擇，差分增益（G=1、2、4、5、8、10、16、20）和通道數目（1、2、4）。巴特沃思濾波器的參數設置：濾波器階數和最低截至頻率控件。原信號時頻控件與濾波后時頻控件用于開啟4路信號的選擇按鈕。電壓/格與時間基旋轉按鈕能夠調節(jié)時域波形圖的Y和X坐標范圍。周期信號參數值由信號參數值按鈕控制其實時顯示。保存數據路徑控件能夠選擇用于存儲波形數據的路徑。保存按鈕可以同時保存各通路的時域和頻域波形數據。布爾控件用來停止數字存儲示波器虛擬儀器的運行。

⒉指示器
　　波形圖分別顯示信號時域特性和頻域特性。周期信號的有效值、頻率及兩種周期信號的相位差均以字符串指示器得以顯示。布爾指示器（過電壓指示）用于指示采樣信號電壓是否越限。

（2）框圖程序設計
　　框圖是源程序的可執(zhí)行代碼，它有控件端子、節(jié)點、連線和指示器端子組成。根據程序模塊化設計思想，把數字存儲示波虛擬儀器分成六個功能子模塊（圖3）。

5 數字存儲示波器與傳統(tǒng)儀器的比較
數字示波虛擬儀器與HP54603B功能比較

　　由上表可以看出，數據采樣頻率低于HP54603B，測量的參數沒有HP54603B多。但是總的來說，數字存儲示波器的性價比高，可擴展功能，優(yōu)于傳統(tǒng)儀器。

6 數字存儲示波器的應用
　　應用函數信號發(fā)生器對數字存儲示波器進行調試，測試結果正確，運行良好（圖4）。數字存儲示波器能夠應用于電工電子實驗和信號檢測教學中。