虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要： 結(jié)合一個虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計開發(fā)，介紹了虛擬儀器的基本組成，并重點介紹了基于圖形化編程語言labview的虛擬儀器編程方法與實現(xiàn)技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器 數(shù)字示波器 labview

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)儀器開始向計算機(jī)化的方向發(fā)展。虛擬儀器是９０年代提出的新概念。虛擬儀器技術(shù)的提出與發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動測試與電子測量儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。所謂虛擬儀器，就是在通用的計算機(jī)平臺上定義和設(shè)計儀器的測試功能，使用者操作這臺計算機(jī)，就象是在使用一臺專門設(shè)計的電子儀器。

傳統(tǒng)臺式儀器是由儀器廠家設(shè)計并定義好功能的一個封閉結(jié)構(gòu)，它有固定的輸入／輸出接口和儀器操作面板，每種儀器實現(xiàn)一類特定的測量功能，并以確定的方式提供給用戶。從一般的儀器設(shè)計模型看，一種儀器無非是由數(shù)據(jù)采集、分析處理、人機(jī)交互和顯示等幾部分功能模塊組成的整體。因此，我們可以設(shè)想在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用計算機(jī)支持下，通過軟件設(shè)計實現(xiàn)儀器的全部功能，這就是虛擬儀器設(shè)計的核心。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器除了在性能、易用性、用戶可定制性等方面具有更多優(yōu)點外，在工程應(yīng)用和社會經(jīng)濟(jì)效益方面也具有突出優(yōu)勢。一方面，目前我國高檔臺式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進(jìn)口，這些儀器加工工藝復(fù)雜、對制造水平要求高，生產(chǎn)突破有困難，采用虛擬儀器技術(shù)可以通過只采購必要的通用數(shù)據(jù)采集硬件來設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)；另一方面，用戶可以將一些先進(jìn)的數(shù)字信號處理算法應(yīng)用于虛擬儀器設(shè)計，提供傳統(tǒng)臺式儀器不具備的功能，而且完全可以通過軟件配置實現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計。因此，可以說虛擬儀器代表了未來測量儀器設(shè)計發(fā)展的方向。

虛擬儀器技術(shù)目前在國外發(fā)展很快，以美國國家儀器公司（ni公司）為代表的一批廠商已經(jīng)在市場上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計的商品化儀器產(chǎn)品。數(shù)字示波器是在科學(xué)研究和工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。下面結(jié)合一個虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計開發(fā)具體介紹虛擬儀器的基本組成和基于圖形化編程語言labview的虛擬儀器編程方法與實現(xiàn)技術(shù)。

１ 虛擬示波器的結(jié)構(gòu)與組成

本虛擬數(shù)字示波器主要由一塊pci總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的軟件組成。將它們安裝在一臺運(yùn)行windows95/98/nt的pc機(jī)上（建議配置在pentiumⅱ／233以上），即構(gòu)成一個功能強(qiáng)大的可存儲數(shù)字示波器。該數(shù)字示波器操作與顯示主面板如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集卡

pci總線傳輸速率高數(shù)據(jù)吞吐量大是今后數(shù)據(jù)采集板卡設(shè)計的主流。本設(shè)計采用的pci－1200數(shù)據(jù)采集卡是一塊性價比較好的產(chǎn)品，支持dma方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實時信號不間斷采集與存儲。它支持單極和雙極性模擬信號輸入，信號輸入范圍分別為－5～＋5v和0～10v。提供16路單端／8路差動模擬輸入通道、2路獨立的da輸出通道、24線的ttl型數(shù)字i／o、3個16位的定時計數(shù)器等多種功能。這些功能使得我們不僅可以用該卡設(shè)計虛擬示波器，也可以設(shè)計虛擬函數(shù)發(fā)生器或虛擬計數(shù)器，做到一卡多用。當(dāng)然，限于經(jīng)費條件，我們選擇的pci－1200卡的采樣速率只能達(dá)到100ks／s，對實際示波器而言，這遠(yuǎn)不能滿足信號帶寬的要求。目前市場上采樣速率達(dá)200ms／s的pci數(shù)據(jù)采集卡已有成熟產(chǎn)品，技術(shù)上實現(xiàn)高帶寬的虛擬示波器不存在問題。實際測量時輸入信號通過bnc接頭從輸入端子進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。

1.2 儀器功能

本虛擬數(shù)字示波器設(shè)計參考了hp公司的雙通道臺式數(shù)字存儲示波器hp54603b的功能，并在儀器分析和處理功能上有所擴(kuò)展。儀器主要功能包括：雙通道信號輸入、觸發(fā)控制、通道控制、時基控制、波形顯示、參數(shù)自動測量、頻譜分析、波形存儲和回放等。本虛擬數(shù)字示波器還提供網(wǎng)絡(luò)接口，允許通過tcp／ip協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)儀器共享或遠(yuǎn)程控制。表1是本虛擬數(shù)字示波器與hp54603b的功能對照表。

由表1可以看出，除了由于經(jīng)費原因使得所選數(shù)據(jù)采集卡采樣速率低于hp54603b外，本虛擬示波器在顯示、測量、分析、存儲和外部連接等