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1、摘 要本文设计了LabVIEW虚拟示波器。它是一种集波形显示和波形叠加于一体的虚拟仪器，可以实现传统示波器的各项功能如：产品测试、控制和设计。本文先对虚拟仪器的概念、构成、开发语言与平台进行比较详细的介绍，并与传统仪器进行比较，体现出虚拟仪器研发费用低、更新快、实用性高、易携带和兼容性高的优势。然后介绍了数据采集的相关理论，阐述了LabVIEW软件编写程序来实现传统示波器的功能。文章从界面及功能设计、软件结构与数据采集技术等几个方面具体介绍了LabVIEW虚拟示波器的设计思想和实现方法。文章最后给出了本设计实现的结果，通过鼠标调节数值控件来设置波形参数，运行程序来显示波形和叠加波形。关键词：虚
2、拟仪器；LabVIEW；虚拟示波器AbstractThis paper designed an oscilloscope by LabVIEW. Its a visual instrument which could display or overlay waves, and it included all function as traditional ones such as product testing, controlling and designing.At first I introduced the concept, composing, designing language
3、and platform of visual instrument in detail. The visual instrument has cheaper designing cost, the faster updating, and more useful, portable, and better compatibility than the traditional ones. And then I introduced the theory of data collection, and the program I designed to carry out the function
4、s of traditional oscilloscopes. The paper explain the designing thought and way to carry out the oscilloscope based on LabVIEW from function designing, software structure and data collection. At last is the result of the designing. Using mouse numerical value controlling to set parameter of waves, a
5、nd run the program to show and overlay waves. Key words: Virtual Instrument; LabVIEW; Virtual Oscilloscope目 录绪 论11 系统设计理论41.1 虚拟仪器41.1.1 虚拟仪器概念41.1.2 虚拟仪器的构成与分类41.1.3 虚拟仪器和传统仪器的比较51.2 虚拟仪器的开发软件71.2.1 虚拟仪器的开发语言71.2.2 图形化虚拟仪器开发平台81.3 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计82 硬件平台的实现102.1 虚拟示波器功能结构102.2 数据采集理论知识102.2.1 数
6、据采集技术概论102.2.2 采集系统的一般组成122.2.3 传感器122.2.4 信号调理122.2.5 输入信号的类型132.3 数据采集卡的选择152.3.1 数据采集卡的主要性能指标152.3.2 数据采集卡的组成163 程序设计173.1 总体设计173.2 前面板的设计183.3 程序框图的设计193.4 简化程序213.4.1 正弦波程序性能指标213.4.2 正弦波信号发生器简介213.4.3 虚拟正弦波发生器的程序框图223.4.4 虚拟信号采集224 采集信号软件仿真244.1 双通道显示波形244.2 双通道波形叠加举例24结 论26致 谢27参考文献28附录A 中英文
7、文献对译29附录B 虚拟示波器核心代码41IV沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文绪 论虚拟仪器可广泛应用于航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗等很多需要高性能测控设备进行电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断等科学分析的场合。在大专院校使用虚拟仪器，可以让学生使用到那些一般学校买不起的昂贵的高性能测控设备和精密仪器设备，在节约了大量仪器设备经费投入的同时还开阔了学生们的眼界和思路。虚拟仪器可以非常灵活地进行教学中的原理设计实验，并进行直观的演示，为提高教学质量与效率创造了条件。随着网络技术的发展，虚拟仪器有着十分光明的前景，将虚拟仪器应用于网络技术，
8、可以为远程教学和远程实验提供强大的功能，进一步提高实验室设备的利用率，并为异地实验数据及更广泛的学术交流提供了高效的平台。虚拟仪器是微电子、通信、计算机等现代科学技术高速发展的产物。自从1785年库仑发明静电扭秤，1834年哈里斯提出静电电表结构以来，随着相关技术的进步、仪器仪表元器件质量的提高和测量理论方法的改进，电子仪表和电子仪器得到飞速发展1。有一种较普遍地说法将测量仪器的发展分为五个阶段：模拟仪器阶段、电子仪器阶段、数字仪器阶段、智能仪器阶段和虚拟仪器阶段。从十九世纪初到二十世纪末，测量仪器经历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，发展到现在的虚拟仪器。模拟仪器主要有模拟式电
9、压表、电流表等，这些仪表解决了当时对某些量的测量的需求。从二十世纪初到二十世纪五十年代左右，出现了电子管，使测量仪器的材料性能得到提高，同时测量理论和方法与电子技术、控制技术相结合，出现了以记录仪和示波器为代表的电子仪表。五十年代以后随着晶体管和集成电路的出现以及应用电子技术的发展将数字技术成功地应用到测量仪器，这时电子控制集成电路和计算机技术开始融为一体成为测量仪器的主要特征。七十年代初第一片微处理器问世，微型计算机技术从此迅猛发展，在其影响下测量仪器呈现出新的活力并取得了长足进步。伴随微电子技术、计算机技术、网络技术的迅速发展及在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器也不断进步和发展，出现了
10、智能仪器。智能仪器是将微机置于仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力及解决测量技术问题的深度和广度等方面都有明显的进步。这种内置微处理器的仪器，既能进行自动测试又能完成数据处理，可取代部分的脑力劳动。随着电子技术、微计算机技术的发展，智能仪器的智能水平不断提高。但是在数字化仪器、智能仪器阶段基本上没有摆脱传统仪器那种独立使用、手动操作的模式，难以胜任更复杂、多任务的测量需求。为解决这样的问题，总线式仪器与系统应运而生。人们发明制造出CAMAC、RS-232和GPIB等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能仪器连在一
11、起，以构成更复杂的测试系统。1982年美国西北仪器公司总裁德伯克提出了微机化仪器的概念，也就是人们现在常提到的卡式仪器。卡式仪器是虚拟仪器的雏形，是将传统独立式仪器的测量电路部分与接口部分集合在一起制成仪器功能卡，将其插入微机的内部插槽或外部插件箱中形成的仪器。PC总线仪器系统是卡式仪器的一种，它是利用PC机内部的总线，把若干块仪器卡插在PC机内部或外部扩展机箱上而组成的。插卡总线机箱与PC机间的通信，可利用RS-232、GPIB接口总线或以太网电缆等进行。虽然许多厂家通过定义新的仪器总线，不断对卡式仪器进行改进，但其大多是在微机内总线的插槽上进行开发，没有统一标准，且各厂家生产的插卡的尺寸大
12、小不一，设备兼容性较差。在这种情况下，用户自然会提出标准化的要求。1987年，美国的惠普和泰克等5家公司在VME总线的基础上，联合提出了一种新型总线系统VXI（VME Extension For Instrumentation）总线，即由微机总线VME扩展而成的微机化仪器专用总线。1997年美国NI公司推出了一种新的仪器总线标准PXI总线标准。制定PXI规范的目的是为了将PC的性能价格比优势和PCI总线面向仪器领域的必要扩展结合起来，以期形成一种主流的虚拟仪器测试平台。相对VXI仪器，按PXI总线标准制成的PXI仪器具有成本低、便于组成便携式测试系统等优点2。这些以PC为核心、由测量功能软件支
13、持，具有虚拟控制面板、仪器硬件和通信能力的PC仪器或VXI仪器就是虚拟仪器。虚拟仪器技术的出现，使得用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，满足多种多样的实际需求。随着虚拟仪器软件开发平台及硬件的发展，基于虚拟仪器的仪器系统的开发周期更短，费用更低，测量速度、准确度及可复用性提高，且更便于相应仪器系统的维护和扩展3。当今社会正处于一个高速发展的状态中，需要在有限的时间内实现大量的信息交换，随之而来的是信息密度急剧增大，因而在研究和生产过程中要求数据采集系统对信息的处理速度越来越快，功能越来越先进。先进的数据采集系统，不仅希望设备能够单独进行数据采集，还希望他们之间能够互相通信，构成数据采集系
14、统，甚至是测试网络系统，实现信息共享，以便对众多的被测信号进行对比、综合和自动分析、从而得出准确的判断。然而传统的数据采集仪器在此方面受到很大的限制。在虚拟仪器系统中，信号的获取与采集是由以计算机为核心的硬件平台来完成的。在此硬件平台基础上，调用测试软件来完成某种功能的测试任务，便可构成该种功能的虚拟测量仪器。在同一硬件平台上，调用不同的测试软件的可构成不同功能的虚拟仪器。因此，出现了软件就是仪器的概念。如对采集的数据通过测试软件进行标定和数据点的显示就构成了一台数字示波器；如对采集的数据利用软件进行FFT变换，则构成了一台频谱分析仪，信号分析与处理要求取的特征值，如峰值，真有效值，均值，均方
15、值，方差，标准差，以及频谱，相关函数，概率密度函数等，如用硬件电路来获取，其电路是复杂的，昂贵的，甚至是不易实现的，然而用软件编程来获取是很容易实现的。这是虚拟仪器比传统仪器具有的绝对优势。基于虚拟仪器技术的数据采集系统的提出在一定程度上解决了传统数据采集所面临的问题，虚拟仪器数据采集系统成为当今数据采集系统发展的重要方向。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新趋势和新方向，并且是信息技术的重要扩充领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。本文主要介绍了基于LabVIEW虚拟示波器的设计。全篇论文共分为四部分，具体内容安排如下：第一部分：详细介绍了课题论文的背景及意义、虚拟仪器技术的国内外发展现状与发展趋势。第二部分：概述数据采集理论，介绍了数据采集的主要性能指标、组成和体系结构。第三部分：介绍了虚拟示波器的总体设计思想和具体设计过程。第四部分：总结全文内容，列举本课题的设计成果和不足之处。1 系统设计理论1.1 虚拟仪器1.1.1 虚拟仪器概念虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的。所谓虚拟仪器是基于计算机的软
