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1、.专业整理.毕业论文题目：基于LABVIEW的虚拟示波器设计 专 业：电气自动化技术班 级：一班学 号：201002050042学生姓名：王青松校内指导教师：马金元二零一三年 五月 .学习帮手.基于LABVIEW的虚拟示波器设计摘 要本文从虚拟仪器的起源、发展入手，简单介绍虚拟仪器的功能，比较虚拟仪器与传统仪器的不同之后，全面的介绍了虚拟仪器设计技术,并用软件仿真的方法设计了一台虚拟示波器，实现了从数据采集到数据分析的全过程。虚拟仪器的设计分成两个方面。硬件方面，本文从最基本的传感器、信号调理开始介绍数据采集过程以及DAQ板卡。除此之外，本文还介绍了虚拟仪器总线技术，重点为专用于虚拟仪器的VX
2、I总线系统以及PXI总线系统 。软件方面，主要利用现今最有代表性的图形化编辑软件LabVIEW，并用之模拟从示波器板卡中采集到信号，显示其波形，并分析、显示其幅频特性曲线以及相频特性曲线。另外本文还根据LabVIEW中的子程序，实现了虚拟示波器的设计。本文还从市场出发对虚拟仪器的配置投资做了具体阐述，指明了构造虚拟仪器平台所需要的投资，为今后的学习工作打下了基础。并对国内外虚拟仪器的部分应用案例作了介绍，指出虚拟仪器是仪器历史的一次革命。关键词 ： 虚拟仪器； 数据采集；示波器； LabVIEW 目录前 言1第1章绪论211 虚拟仪器概述2111 虚拟仪器的产生2112 虚拟仪器的概念2113
3、 虚拟仪器的构成31.1.4 虚拟仪器的优点512 虚拟仪器的现状6121 国外虚拟仪器的现状6122 国内虚拟仪器的现状6123 虚拟仪器的发展趋势713本文的研究内容7第2章虚拟示波器的原理921 示波器的基本原理9211 示波器波形显示原理9212 通用示波器的组成部分1022 数字示波器的基本原理14221 数字示波器基本原理14222 数字示波器基本方框图1423 虚拟示波器的工作原理15第3章虚拟示波器的设计1831 虚拟仪器创建过程1832 设计方案的比较18321 软件比较19322 声卡采集数据的特点2033 LABVIEW 中有关声卡函数介绍22第4章软件模块的设计244.
4、1 程序的流程图2442 程序的结构图2543 LABVIEW 简介25431 G语言简介25432 LABVIEW 程序组成2644 数据采集和处理模块2646 频谱分析模块28第5章程序设计显示2951 虚拟示波器的性能指标29511 控制面板29512 示波器的性能指标2952 程序的总框图30结论31谢辞32参考文献33附录35前 言 自20世纪90年代以来，在计算机技术的推动下，以虚拟仪器为标志的通用化、智能化和网络化测量仪器及测试系统得到了迅猛的发展，使得测量仪器和数据采集系统的设计方法和实现技术产生了深刻的变化。所谓虚拟技术，就是用户在通用的计算机平台上，根据测试任务的需要来定义
5、和设计仪器的测试功能，其实质是充分利用计算机 来实现和扩展传统仪器的功能。虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程方法，代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展法方向。“软件就是仪器”反映了虚拟仪器技术的本质。 以图形化软件编程方法和集成开发环境为标志的虚拟仪器开发环境是虚拟仪器技术研究的重要内容，也是虚拟仪器技术应用和发展的技术基础。美国国家仪器公司（NATIONALINSTRUMENTS）的创新产品LABVIEW是目前最成功、应用最为广泛的虚拟仪器软件开发环境。本次设计就是在labviews 6i软件开发环境下设计的虚拟信号发生器和示波器。题目是“用Labv
6、iew设计虚拟信号发生器示波器”，作为信号发生器它可以产生一个信号又可以显示这个信号，而且它可以测出外部输入的信号。以下我们将会详细介绍本次设计的设计思想及设计过程。 在此次设计中得到了路刚跟赵旎两位老师的耐心的指导、建议和帮助。在此向他们表示衷心的感谢。第1章 绪论11 虚拟仪器概述111 虚拟仪器的产生虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能一起和虚拟仪器。第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室里还能看到，它是以
7、电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、晶体管电压表、指针式电流表等。第二代数字化仪器，这类仪器现在相当普遍，这类仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量，如数字万用表、数字频率计等。第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，可以进行自动测试和数据处理功能，可能代替部分脑力老公，习惯上称为智能仪器。它的功能模块全部都是以硬件或固定软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器，它是现在计算机软件技术、通信技术和测试技术高速发展孕育出的一项革命性技术，其导致了传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大的变革，它的出
8、现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。虚拟仪器（Virtual Instruments.简称VI）的概念，是美国国家仪器公司（National Instruments Corp.简称NI）于1986年提出的。NI公司同时也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。随着现在硬件和软件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化成为各级实验室以及研究机构发展的方向。虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器。它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快
9、捷。112 虚拟仪器的概念虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（通常叫做虚拟前面板，简称前面板）来操作这台计算机就像在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、判断、显示、数字存储等。虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源（如微处理器、显示器等）和仪器硬件（如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等）的测试能力和控制能力结合起来。虚拟一起突破了传统仪器以硬件为主体的模式，实际上使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。虚
10、拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器的数据的分析、处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。虚拟仪器还可以广泛用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。113 虚拟仪器的构成虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软
11、件和仪器硬件等构成；从构成分式上讲则由以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统，或已GPIB，VXI，Serial和Field bus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图1.1所示。显示器信号分析及处理器入机接口各类接口A/D转换器数据发生器信号调理器信号调理器输入信号D/A转换器信号调理器信号输出图1-1 虚拟仪器的结构目前，虚拟仪器的构成方式有以下几种：（1） PC-DAQ插卡式的VI这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源
12、以及软件的便利，其关键在于A/D转换技术。这种方式受PC机机箱、总线限制，存在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏障，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。随着基于PC的工业控制计算机技术的发展，PC-DAQ方式存在的缺点已经和正在被克服。因个人计算机数目非常庞大，插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适用于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。（2） 并行口式的VI最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种VI功能。它的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC相连，实现台式和便携式两用，非常方便。（3） GP
13、IB总线方式的VIGPIB（General Purpose Interface Bus）技术是IEEE488标准的VI早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台的手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的GPIB系统由一台PC机，一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口卡可带多达14台的仪器，电缆长度可达20m。GPIB技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，很方便的把多台机器组合起来，形成大的自动测试系统。GPIB测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求和
14、总线控制实时性要求不高的场合应用。（4） VXI总线方式的VI VXI总线是VMEbus eXtension for Instrumentation的缩写，是高速计算机总线VME在VI领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但VXI系统要求有专用的机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。（5） PXI总线
15、形式的VIPXI总线是PCI eXtension for Instrumentation 的缩写，是PCI在VI领域的扩展。这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。（6） 网络接口方式的VI尽管Internet 技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司已经开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便的将虚拟仪器组成计算机网络。利用计算机网络将分散在不同地理位置不同功能的设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关MCN（Measur
