基于虚拟仪器的双通道示波器设计.docx

《虚拟仪器技术》结课报告
――基于LabVIEW虚拟示波器设计

一． 虚拟仪器及Labview的简介：
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。20年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。  
  美国国家仪器公司NI（National Instruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I／O部件来构建虚拟仪器。I／O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。
本学期，我们学的版本是ＬａｂＶＩＥＷ８．５。当然，也有后续的版本陆续问世。不同的版本之间在一些细节功能上可能存在差异，但总体上还是差不多的，这次的结课作业我就用的是ＬａｂＶＩＥＷ８．５这一版本。

二． 总体设计构思
本次作业的要求是设计一个基于ＬａｂＶＩＥＷ的双通道示波器。示波器是我们专业的同学所熟悉的，因为我们许多实验都是在示波器的帮助下才顺利完成的。示波器有模拟示波器和数字示波器两种，而且这两种示波器我都经常用，它们的功能很齐全，设计也很专业，想用ＬａｂＶＩＥＷ设计出与真实示波器完全一样的功能，对于现在的我来说还是有一定难度的，但是示波器最基本的功能我还是能够实现的。想想示波器都有哪些基础的功能呢？最起码的得有波形显示屏，这得通过波形图控件来实现。双通道CH1、CH2也不能少，波形得靠这两个通道才能输入示波器在显示屏上显示出来。为了能够调节波形的幅值，还得有波形幅值控制控件，这是对竖轴的调节。横轴的调节也少不了，为了能够改变波形的周期（频率），要设置周期控制控件。当然，若能实现波形在Y轴的上下移动，那就更好了，这同样得依靠输入控件来实现。竖直分度调节与水平分度调节也是少不了的基本功能。双通道能够显示，那单通道也就容易实现了，所以还得有通道选择控件。再加上一些辅助控件，本次作业基本上就实现了。

三． 具体设计流程

（１） 通道CH1、CH2的波形发生及波形选择
因为CH1、CH2的实现步骤基本一样，所以这里以介绍CH1为例。在程序框图中创建一个条件结构，再利用基本函数发生器创建波形发生模块，用菜单下拉列表（即CH1）来控制条件输入端，条件结构的分支０、１、２、３分别加入正弦波、方波、三角波、锯齿波模拟波形信号，如此便实现了波形选择功能，同时波形发生功能也随之完成。具体程序框图及前面板控件见下图。

　　　图1-1　正弦波的生成及显示

　　　　　　　　图1-2　方波的生成及显示

　　　　　　　　图1-3　三角波的生成及显示

　　　　　　　　图1-4　锯齿波的生成及显示

（２） 幅值调节与周期调节
实现这两部分功能要用到一般的数值输入控件，为了更加具体化，我将其转换为转盘，操作更加的灵活了。调节转盘的刻度，可以改变波形的幅值或频率。具体图形如下：

图2-1 幅值调节按钮 图2-2 周期调节按钮

（３） Y轴偏移量的调节
为了能使波形上下移动，我又设置了Ｙ轴调节输入控件，类似于调节幅值和周期控件，我将其转换为旋钮，以便更加灵活的调节。详见下图。

图3　Ｙ轴偏移量调节按钮

（４） 波形幅值、频率、相位的具体显示
在前面已经介绍了如何调节波形的幅值及频率，那么怎样精确的把幅值与频率显示出来呢？这就用到了提取单频信息部件，在程序框图中单击右键，在信号处理的波形测量目录下面便可选中此部件，其功能是给它输入一个波形信号，它会显示波形的频率及幅值或者相位等。详细图形如下：

图4-1ＣＨ１的幅值、频率、相位显示 图4-2ＣＨ２的幅值、频率、相位显示

（５） 竖直分度调节与水平分度调节
不论什么类型的示波器都有分度值，即竖直分度值与水平分度值，一般都分为好几个档位，而且大同小异。我在设计这部分内容时，把竖直分度值设为０.１、０.２、０.５三个档位，将水平分度值设为０.０２、０.０５、０.１三个档位。这部分用到了条件结构，而且还用到了波形图的属性节点。详见下图：

图5-1 竖直分度调节

图5-2 水平分度调节

（６） 通道选择设计
既然是双通道示波器，那么双通道、单通道都应该能够显示，所以要实现这部分的功能要用到条件结构，即单独显示ＣＨ１、ＣＨ２波形与ＣＨ１ＣＨ２波形同时显示。通道选择０时双通道显示，选择１时显示ＣＨ１，选择２时显示ＣＨ２。详见下图：

图6-1　双通道显示波形

图6-2　单通道ＣＨ１波形显示

图6-3单通道ＣＨ２波形显示

（７） 示波器关闭按钮
为了模拟真实的示波器，我设置了示波器关闭按钮，即当我想停止模拟示波器时只需按下此停止按钮便可，这部分设计的实现通过while循环来实现。具体见下图。

　　　　　　　图7　停止按钮

（８） 延时操作
这部分设计是为了更清楚的观测波形，运行期间信号变化很快，不利于做详细的观测比较，解决该问题的方法是设置一个延迟时间模块，以此来延缓波形的扫描的速度。详见下图：

图8　实现延时功能的部件

四． 程序最终调试结果
在多次调试修改之后，最终的示波器界面如图８－１，首先设有显示屏横轴是时间（频率），纵轴为幅值。配有ＣＨ１、ＣＨ２两种通道，每一通道皆有正弦波、方波四种波形可选，而且可以有选择的进行单通道、双通道显示。每一通道的幅值、周期（频率）都可以调节，并可以精确数值显示。同时每一通道的Ｙ偏移也可调节。调节分度值控件可以改变X轴与Y轴的分度值。改变延时时长可以控制波形的扫描速度。若想停止正在运行的示波器，可以按下停止按钮，示波器即可关闭。实现这一虚拟示波器的图形化程序在图８－２的程序框图中完成。

图9-1　最终作业前面板

图9-2　最终作业程序框图（双通道为例）

五． 工作中遇到的问题及解决办法
开始时的设计我只想到了同时显示出双通道的波形，但如何显示单个通道的波形我却没有实现。如何实现既能双通道显示又能单通道显示成了摆在我面前的问题，反复想了以后我认为选用条件结构比较合适，即用一个数值输入控件连接到条件结构来实现双通道、单通道各分支的选择。
工作的时候还遇到了一个问题。将实现各功能部件放入ＷＨＩＬＥ循环中后，在显示屏上显示出的波形扫描的非常快，波形变化不定无法清晰的观察，怎样使波形相对稳定下来呢？我想到了延时功能，通过延时部件的加入，调节延时时长，可以有效的解决这一问题。

六． 心得体会
首先，我对什么是虚拟仪器有了进一步的了解。我没想过虚拟仪器会有这么便捷，功能这样强大，随着工作完成的深入我也逐渐认识到虚拟仪器的特点和优势：虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势，但它并不否定传统仪器的作用，它们相互交叉又相互补充，相得益彰。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。就拿这次我设计的虚拟示波器来说，真实示波器的一些基本的功能在我这上面还是能够实现的，比如说测一下波形的幅值、周期等。这就给很多人特别是我们学生带来了许多便捷。因为一台真实的示波器价格不菲，一般学生是买不起的，我们学生可以通过虚拟仪器自己设计出虚拟示波器来，进行各种信号的测量，确实方便。
通过这次作业的完成，我对虚拟仪器的应用操作又有了更深一步的了解，在程序编写中，我使用了层叠式顺序结构、条件结构（case-switch）、while循环结构等变成结构。也用到了数据结构，如数组、簇等函数控件。同时还用到了多种VI控件，如波形生成VI控件（方波、三角波等）、旋钮VI、转盘VI等多个LabVIEW控件。了解各种控件的作用以及如何进行不同控件的组合搭配也是锻炼我的重点部分，熟能生巧的道理就在于此。通过多次改错和调试，我便不停的调用各种控件，做的越多就越熟悉，越熟悉就会越了解，这是一个良性循环。
当然，由于我的现有水平限制，我的这次设计还有许多的不足，比如真实示波器上的一些细节功能我没有实现，有些控件的布置及选取可能也存在着不合理之处。这让我认识到了我的不足，所以这将成为我更加深入的了解
ＬａｂＶＩＥＷ的动力，促使我学好它并且用好它。

　　　　　　　　　　　参考文献

[1] 吴成东、孙秋野、盛科.《LabVIEW虚拟仪器程序设计及应用》. 人民邮电 出版社. 2008年12月第一版.

[2] 汪敏生.《LabVIEW基础教程》. 北京：电子工业出版社，2007

[3] 王磊、陶梅.《精通LABVIEW8.0》.北京：电子工业出版社，2007

[4] 沈茜．虚拟仪器在电子技术实验教学中的应用及前景[J]．煤炭技术，2010，
29(3)：59～61．

[5]  Neumann．Electronic Circuit Analysis and Design(Analog Electronic Technology)[Ｍ]．Third Edition．Tsinghua University Press．2007．
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