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【摘要】本文利用虚拟仪器技术进行数字示波器的设计，硬件选用NI公司的PCI-6251数据采集卡，软件为NI公司的labVIEW编程环境。通过数据采集卡对模拟信号进行采集，根据不同的要求由软件对数据进行相应的分析、处理并显示保存，软件设计采用模块化设计思路。实验结果表明该虚拟数字示波器所测结果精确可靠，系统操作灵活，可扩展性强。
【关键词】虚拟仪器;LabVIEW;数字示波器;信号处理
1.引言
近年来，随着计算机及其相关技术的发展而产生的虚拟仪器技术显示出迅猛的发展势头和广阔的市场前景。电子测量仪器的功能和作用也发生了质的变化。传统的测试仪器一般由操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几部分组成，是一台独立的装置，用户无法随意改变其结构和功能，且价格昂贵，技术更新较慢，开发费用高，很难适应信息时代对仪器的要求。虚拟仪器是虚拟技术的一个重要组成部分，用户在通用计算机上，根据测试任务的需要自行定义和设计仪器的测试功能，使仪器的系统开发更为灵活、效率更高，缩短了系统的组建和维护时间。示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用的仪器，随着科学研究的不断深入和各种高新技术的不断发展，传统的示波器的缺点显现出来。研制一种结构简单、操作方便、生产技术要求不高、费用低的虚拟数字示波器是非常必要的。
2.系统设计方案
2.1 硬件平台设计
以PC-DAQ方式构建虚拟示波器硬件平台。利用本实验室现有资源——NI公司的PC-DAQ系统，通过开发软件程序（以图形化编程语言LabVIEW为开发平台），设计实现基于虚拟仪器的数字示波器。硬件包括PCI总线数据采集卡、台式计算机、探头、数据线以及接线端子。该系统利用计算机硬件与多功能DAQ板卡，实现数据的高采样率及高精度。选用NI PCI-6251高速M系列DAQ板卡，其具有2路16位模拟输出（2.8MS/s），24条数字I/O线，32位计数器;关联DIO（8条时钟线，10MHz），模拟和数字触发。硬件配置主要包括PCI-6251板卡的安装，DAQ设备驱动的安装与检验，DAQ设备的参数配置。
2.2 软件系统设计
虚拟面板是软件部分的核心，它直接面向用户，是虚拟示波器控制软件的最上层。它不仅提供用户交互的界面，而且还能通过面板上的各种按钮、开关等控件来控制虚拟示波器的工作。这部分必须做到界面美观，友好方便。操作简洁，能够通过面板上的菜单或按钮实现功能及操作的相互转换，以控制数据的采集、存储、分析等功能的实现。
软件系统采用模块化设计，每个模块负责实现某种功能，当不同子程序需要相同功能模块时，可重复调用，避免了重复编程的麻烦。信号产生模块实现对数据的采集与显示，数据由PCI-6251板卡的模拟输入通道接收，可为电压或电流。数据处理模块可对采集到的信号进行相关滤波处理。波形显示模块实现对信号波形的显示，以及其周期平均、峰峰值、周期均方根等参数的显示。
3.软件实现
软件系统采用模块化的设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成，系统软件总体包括数据采集、触发模块，参数测量、频谱分析、滤波及数据存储和回放等模块，最终实现数据采集、处理、记录、显示等功能。本虚拟数字示波器主前面板如图1所示，主要由显示区和控制区组成。显示区完成曲线的动态显示。控制区完成输入通道，触发形式，时基控制，存储及信号的处理形式等控制。所对应的程序框图如图2所示，各个功能模块按照一定的数据逻辑顺序连接。下面分述主要的功能模块实现方法。
3.1 数据采集模块
数据采集模块是虚拟示波器软件的核心，主要完成数据的采集。通过DAQ数据板卡，选择合适的通道，采集模拟电压信号，程序框图如图3所示。采集模块还包括通道控制和时基控制等。通道控制主要控制单通道或者是双通道测量。时基控制主要控制采集卡的扫描率及采样数。程序框图如图3所示。
3.2 触发控制模块
该部分包括触发源控制按钮一个，用于在数据采集时控制是由哪一个通道触发，一个电平控件和两种触发模式：内触发，外触发。正确选择触发信号对波形显示的稳定、清晰度有很大影响。例如在数字电路的测量中，对一个简单的周期信号而言，选择内触发可能好一些，而对于一个具有复杂周期的信号，且存在一个与它有周期关系的信号时，选用外触发可能更好。程序框图如图4所示。
3.3 参数測量模块
该部分设计了一个测量按钮，通过点击主面板上的“信号测量”按钮可进入此子VI，用于控制对信号的一些参数进行测量，可测得电压、周期、频率等值;程序框图利用信号处理函数完成对数据的处理与显示。此部分还包括开始和停止按钮用来控制整个程序的起停;一个返回按键可以返回源程序。该模块程序框图如图5所示。
3.4 滤波模块
利用滤波技术可以在被噪声淹没的信号中提取所需要的信号，抑制不需要的干扰信号。数字滤波器即是以数值计算的方法来实现对离散化信号的处理，以减少干扰信号在有用信号中所占的比例，从而改变信号的质量，达到滤波或加工信号的目的。本滤波模块提供的窗函数有Blackman窗，海宁窗，汉宁窗，平顶窗，三角窗。滤波的类型有低通，高通，带通，带阻，平滑几个选项。滤波模块前面板及程序框图如图6所示，其中各种类型的窗函数通过条件结构来选择。
3.5 频谱分析模块
信号频谱分析所要做的工作就是对待分析信号进行功率谱分析，以获得它的频谱图。LabVIEW在频域分析子模板中提供了与信号分析有关的大量函数供设计者使用，本设计着重编写了频率的数据处理部分，并显示了李沙育图像。如图7所示：
4.总结
本文利用虚拟仪器技术研发了虚拟数字示波器。利用NI公司采集卡上的硬件资源，采集所需的模拟信号;利用LabVIEW软件强大的数据处理能力，可灵活方便地对数据进行分析和显示。所实现的虚拟数字示波器可实现波形的实时和动态显示，滤波，频谱分析和显示，波形的存储与回放等，波形均匀、稳定无闪烁。经过实际测试验证，对于在一定精度范围内，完全可以满足学校实验室对信号波形的显示处理要求，体现了虚拟仪器成本低，效率高，可扩展性强等特点。
参考文献
[1]赵茂泰.智能仪器原理及应用（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2004.
[2]张重雄.虚拟仪器技术分析与设计[M].北京：电子工业出版社，2007.
[3]王桔，丁锐.基于LabVIEW的虚拟示波器的设计[J].长春大学学报，2014，24（8）：1030-1034.
[4]李艳.基于LabVIEW的虚拟实验仪器的设计与应用[D].南京：南京理工大学电子与通讯工程，2006，11.
[5]王丽君，刘悦，黄永亮，等.基于LabVIEW的虚拟信号发生器及示波器的设计[J].华北水利水电学院学报，2010，31（3）：57-59.
[6]王英红，秦化渤，康伟，等.LabVIEW虚拟仪器开发平台及其应用分析[J].辽宁工学院学报，2004，5：1-3.
[7]陈昌鑫，靳鸿，冯彦君.数据采集卡和虚拟示波器系统[J].仪表技术与传感器，2012，3：67-69.
[8]张炳才，刘琳，高广峰，等.基于LabVIEW的数据采集与信号处理[J].仪表技术与传感器，2007，12：1-2.
基金项目：北京市大学生科学研究与创业行动计划“基于LabVIEW的虚拟数字示波器的设计与实现”。
作者简介：
张杰（1993—），男，河南郑州人，大学本科，现就读于北方工业大学电子信息工程学院微电子学系。
魏淑华（1981—），女，山东聊城人，博士，北方工业大学电子信息工程学院微电子学系讲师，研究方向：集成电路设计与测试。
【关键词】虚拟仪器;LabVIEW;数字示波器;信号处理
1.引言
近年来，随着计算机及其相关技术的发展而产生的虚拟仪器技术显示出迅猛的发展势头和广阔的市场前景。电子测量仪器的功能和作用也发生了质的变化。传统的测试仪器一般由操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几部分组成，是一台独立的装置，用户无法随意改变其结构和功能，且价格昂贵，技术更新较慢，开发费用高，很难适应信息时代对仪器的要求。虚拟仪器是虚拟技术的一个重要组成部分，用户在通用计算机上，根据测试任务的需要自行定义和设计仪器的测试功能，使仪器的系统开发更为灵活、效率更高，缩短了系统的组建和维护时间。示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用的仪器，随着科学研究的不断深入和各种高新技术的不断发展，传统的示波器的缺点显现出来。研制一种结构简单、操作方便、生产技术要求不高、费用低的虚拟数字示波器是非常必要的。
2.系统设计方案
2.1 硬件平台设计
以PC-DAQ方式构建虚拟示波器硬件平台。利用本实验室现有资源——NI公司的PC-DAQ系统，通过开发软件程序（以图形化编程语言LabVIEW为开发平台），设计实现基于虚拟仪器的数字示波器。硬件包括PCI总线数据采集卡、台式计算机、探头、数据线以及接线端子。该系统利用计算机硬件与多功能DAQ板卡，实现数据的高采样率及高精度。选用NI PCI-6251高速M系列DAQ板卡，其具有2路16位模拟输出（2.8MS/s），24条数字I/O线，32位计数器;关联DIO（8条时钟线，10MHz），模拟和数字触发。硬件配置主要包括PCI-6251板卡的安装，DAQ设备驱动的安装与检验，DAQ设备的参数配置。
2.2 软件系统设计
虚拟面板是软件部分的核心，它直接面向用户，是虚拟示波器控制软件的最上层。它不仅提供用户交互的界面，而且还能通过面板上的各种按钮、开关等控件来控制虚拟示波器的工作。这部分必须做到界面美观，友好方便。操作简洁，能够通过面板上的菜单或按钮实现功能及操作的相互转换，以控制数据的采集、存储、分析等功能的实现。
软件系统采用模块化设计，每个模块负责实现某种功能，当不同子程序需要相同功能模块时，可重复调用，避免了重复编程的麻烦。信号产生模块实现对数据的采集与显示，数据由PCI-6251板卡的模拟输入通道接收，可为电压或电流。数据处理模块可对采集到的信号进行相关滤波处理。波形显示模块实现对信号波形的显示，以及其周期平均、峰峰值、周期均方根等参数的显示。
3.软件实现
软件系统采用模块化的设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成，系统软件总体包括数据采集、触发模块，参数测量、频谱分析、滤波及数据存储和回放等模块，最终实现数据采集、处理、记录、显示等功能。本虚拟数字示波器主前面板如图1所示，主要由显示区和控制区组成。显示区完成曲线的动态显示。控制区完成输入通道，触发形式，时基控制，存储及信号的处理形式等控制。所对应的程序框图如图2所示，各个功能模块按照一定的数据逻辑顺序连接。下面分述主要的功能模块实现方法。
3.1 数据采集模块
数据采集模块是虚拟示波器软件的核心，主要完成数据的采集。通过DAQ数据板卡，选择合适的通道，采集模拟电压信号，程序框图如图3所示。采集模块还包括通道控制和时基控制等。通道控制主要控制单通道或者是双通道测量。时基控制主要控制采集卡的扫描率及采样数。程序框图如图3所示。
3.2 触发控制模块
该部分包括触发源控制按钮一个，用于在数据采集时控制是由哪一个通道触发，一个电平控件和两种触发模式：内触发，外触发。正确选择触发信号对波形显示的稳定、清晰度有很大影响。例如在数字电路的测量中，对一个简单的周期信号而言，选择内触发可能好一些，而对于一个具有复杂周期的信号，且存在一个与它有周期关系的信号时，选用外触发可能更好。程序框图如图4所示。
3.3 参数測量模块
该部分设计了一个测量按钮，通过点击主面板上的“信号测量”按钮可进入此子VI，用于控制对信号的一些参数进行测量，可测得电压、周期、频率等值;程序框图利用信号处理函数完成对数据的处理与显示。此部分还包括开始和停止按钮用来控制整个程序的起停;一个返回按键可以返回源程序。该模块程序框图如图5所示。
3.4 滤波模块
利用滤波技术可以在被噪声淹没的信号中提取所需要的信号，抑制不需要的干扰信号。数字滤波器即是以数值计算的方法来实现对离散化信号的处理，以减少干扰信号在有用信号中所占的比例，从而改变信号的质量，达到滤波或加工信号的目的。本滤波模块提供的窗函数有Blackman窗，海宁窗，汉宁窗，平顶窗，三角窗。滤波的类型有低通，高通，带通，带阻，平滑几个选项。滤波模块前面板及程序框图如图6所示，其中各种类型的窗函数通过条件结构来选择。
3.5 频谱分析模块
信号频谱分析所要做的工作就是对待分析信号进行功率谱分析，以获得它的频谱图。LabVIEW在频域分析子模板中提供了与信号分析有关的大量函数供设计者使用，本设计着重编写了频率的数据处理部分，并显示了李沙育图像。如图7所示：
4.总结
本文利用虚拟仪器技术研发了虚拟数字示波器。利用NI公司采集卡上的硬件资源，采集所需的模拟信号;利用LabVIEW软件强大的数据处理能力，可灵活方便地对数据进行分析和显示。所实现的虚拟数字示波器可实现波形的实时和动态显示，滤波，频谱分析和显示，波形的存储与回放等，波形均匀、稳定无闪烁。经过实际测试验证，对于在一定精度范围内，完全可以满足学校实验室对信号波形的显示处理要求，体现了虚拟仪器成本低，效率高，可扩展性强等特点。
参考文献
[1]赵茂泰.智能仪器原理及应用（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2004.
[2]张重雄.虚拟仪器技术分析与设计[M].北京：电子工业出版社，2007.
[3]王桔，丁锐.基于LabVIEW的虚拟示波器的设计[J].长春大学学报，2014，24（8）：1030-1034.
[4]李艳.基于LabVIEW的虚拟实验仪器的设计与应用[D].南京：南京理工大学电子与通讯工程，2006，11.
[5]王丽君，刘悦，黄永亮，等.基于LabVIEW的虚拟信号发生器及示波器的设计[J].华北水利水电学院学报，2010，31（3）：57-59.
[6]王英红，秦化渤，康伟，等.LabVIEW虚拟仪器开发平台及其应用分析[J].辽宁工学院学报，2004，5：1-3.
[7]陈昌鑫，靳鸿，冯彦君.数据采集卡和虚拟示波器系统[J].仪表技术与传感器，2012，3：67-69.
[8]张炳才，刘琳，高广峰，等.基于LabVIEW的数据采集与信号处理[J].仪表技术与传感器，2007，12：1-2.
基金项目：北京市大学生科学研究与创业行动计划“基于LabVIEW的虚拟数字示波器的设计与实现”。
作者简介：
张杰（1993—），男，河南郑州人，大学本科，现就读于北方工业大学电子信息工程学院微电子学系。
魏淑华（1981—），女，山东聊城人，博士，北方工业大学电子信息工程学院微电子学系讲师，研究方向：集成电路设计与测试。