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1、虚拟示波器设计摘 要随着计算机技术的发展，仪器工业正在经历一场巨变。计算机强大的处理和显示能力，使它可以在数据采集、分析和表达中的任意一个方面提升仪器的性能。以虚拟仪器为代表的新型仪器改变了传统仪器的思想，它们充分利用了计算机强大的软硬件资源，把计算机技术和测量技术紧密结合起来，是融合了电子测量、信号处理、计算机和网络技术的新型测量仪器，由于成本低、使用方便等优点得到了广泛的应用。本文介绍了虚拟仪器的基本框架和总体设计思想。在此基础上，提出了了基于PC声卡的虚拟示波器的系统设计方案。文中重点讲解了该简易虚拟示波器各模块的详细设计，包括数据采集和处理、触发控制、波形显示、参数测量、频谱分析、波形
2、存储以及坐标转换等模块，并给出了具体的设计方法和实验结果。论文最后对虚拟示波器进行了系统测试和性能分析，达到了预先的设计要求。本设计的最大特点是成本低。该简易示波器的Y轴通道采用计算机中的声卡，它具有16位的转换精度和44.1KHz的采样频率，致使本虚拟示波器可以达到20K左右的模拟带宽，适合低频(020KHz)数据采集应用场合。关键词：虚拟仪器；虚拟示波器；声卡；波形显示Design of Virtual OscilloscopeAbstract The instrumentation industry is undergoing a variety of exciting changes
3、as a result of the development of PC, The PC revolution has equipped users with powerful processing and display capabilities of their own. The computer can enhance instrument functionality in any of the three areas-data acquisition, analysis, and presentation. Virtual instrument (VI) changed the ide
4、as of traditional instrument and made full use of the powerful resources of computer. It is a new-style instrument that combines the technologies of electronic measurement, signal processing, computer and network. It has been used widely because of lower cost and convenient application. This thesis
5、introduces the basic framework and design ideas of virtual machines. On this basis, present a virtual oscilloscope-based PC sound card in the system design. The article focuses on the simple virtual oscilloscope modules of the detailed design, including data collection and processing, trigger contro
6、l, waveform display, measuring parameters, spectrum analysis, waveform storage and coordinates conversion modules, and given specific design methodology and experimental results. Finally this paper tests system and analyses performance to the virtual oscilloscope, meet pre-design requirements. The m
7、ost important feature of this design is low cost. Easy access of the oscilloscope Y axis uses the computer card, which has 16 spaces and the conversion accuracy of the sampling frequency of 44.1KHz, has resulted in the virtual oscilloscope can reach around 20K analog bandwidth, suitable for low freq
8、uency (020KHz) data collection application occasions.Keywords: Virtual Instruments; Virtual Oscilloscope; Sound Card; Waveform Display目 录摘 要IAbstractII目 录IV第1章 绪 论11.1 虚拟仪器11.1.1 虚拟仪器的概述11.1.2 虚拟仪器的概念21.1.3 虚拟仪器的基本结构和类型31.2 虚拟仪器的发展51.3 本文的研究内容8第2章 虚拟示波器的基本原理102.1 示波器的基本原理102.1.1 示波器波形显示原理102.1.2 通用示
9、波器的组成部分112.2 数字示波器的基本原理122.2.1 数字示波器基本原理122.2.2 数字示波器基本方框图132.3 虚拟示波器的工作原理14第3章 虚拟示波器的设计173.1 虚拟仪器的创建过程173.2 设计方案的比较183.2.1 软件比较183.2.2 声卡采集数据的特点203.3 LabVIEW中有关声卡函数简介26第4章 软件模块设计284.1 LabVIEW简介294.1.1 G语言简介294.1.2 LabVIEW程序组成304.2 数据采集与处理模块314.3 触发控制模块344.3.1 触发控制模块354.3.2 子程序模块364.3.3 子子程序模块374.4
10、波形显示模块394.5 测量模块414.6 频谱分析模块424.7 波形暂停与存储模块434.8 坐标移动功能模块444.9 小结45第5章 性能测试与分析475.1 控制面板475.2 示波器的性能指标475.3 波形显示实验485.4 小结51第6章 结束语52参考文献54致 谢56IV第1章 绪 论1.1 虚拟仪器由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、方法、领域以及新的仪器结构的不断出现，电子测量仪器的功能和作用也发生了质的变化1。在这种背景下，20世纪80年代末，美国成功研制了虚拟仪器。本章将重点介绍虚拟仪器的概念和其结构、发展以及
11、开发虚拟仪器所需的软硬件选择和本文的主要内容2。1.1.1 虚拟仪器的概述 虚拟仪器是随着微电子技术、计算机技术、软件技术、现代测量技术、电子仪器技术的发展而产生的一种新型仪器，它经历了电磁指针式仪器、分立元件式仪器、数字式仪器、智能式仪器发展的一步步进程。特别是20世纪80年代末以来，新的测试理论，新的测试方法以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化，一种全新的虚拟仪器观念出现在人类面前，它从根本上更新了测量仪器的概念3。虚拟仪器的出现是测量仪器领域的一个突破，它彻底改变了传统的仪器观，代表着测量仪器发展的最新方向和潮流，开辟了测量
12、测试技术的新纪元。虚拟仪器技术的发展使现代测量技术和计算机技术真正结合在一起，是计算机技术和现代测量技术的高速发展和共同孕育出的一项革命性新技术。虚拟仪器广泛应用于工业自动化和控制系统、图象的采集和分析处理、系统仿真、运动控制、远程监控、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断、电子工程、电力工程及教学科研等诸多领域。它的出现对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响2,4,5,6。 虚拟仪器的概念首先由美国国家仪器公司NI（National Instruments）提出，并在1986年推出的LabVIEW1.0虚拟仪器软件平台，由此开创了虚拟仪器发展的新纪元，自1986年NI 公司推
13、出1.0版本以来，2004年5月相继有NI LabVIEW7.1版本面世。由LabVIEW开发的程序称为虚拟仪器(Virtual instrument)，简称VI3,7。1.1.2 虚拟仪器的概念虚拟仪器（Virtual instrument，简称VI）是虚拟技术在仪器仪表领域中的一个重要应用，它是现代计算机技术（硬件、软件和总线技术）和虚拟仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试（CAT）领域的一项重要技术7。即虚拟仪器就是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型仪器，它是利用计算机强大的图形环境，组合相应的硬件，编制不同的测试软件，建立界面友好的虚拟仪器面板（即软面板），通过友好的图形
14、界面及图形化编程语言控制仪器运行，构成多种仪器，完成对被测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成的仪器9。也就是说，虚拟仪器是：利用计算机显示器模拟传统仪器控制面板，以多种形式输出和显示结果；利用计算机软件实现信号数据的运算、分析和处理；利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。VI以透明的方式将计算机资源（如微处理器、内存、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）的测量与控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理与表达，如图1.1所示8。而软件就成为了虚拟仪器的关键，任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的
15、软件来改变它的功能，这就是美国NI公司“软件就是仪器”（The software is the instrument）一说的来历10。Acquisition and Control(采集与控制)Plug-in Data Acquisition(插入式数据采集板)GPIB(IEEE-488)(GPIB仪器)VXI（VXI仪器）RS-232（RS232仪器）Data Analysis（数据分析）Digital Signal Processing Board （数字信号处理）Digital Filtering（数字滤波）Statistics（统计）Numerical Analysis（数字分析）Data Presentation（数据表达）Networking（网络）Hardcopy Output（硬拷贝输出）File I/O（文件I/O）Graphical User Inter
