虚拟示波器的研究与设计任重江西科技师范学院，江西省光电子与通信重点实验室，江西南昌（330013）E-mail：renzhong81@摘要：本文首先介绍了虚拟仪器技术,高校实验室仪器的现状和解决方法，然后从总体的角度提出了虚拟示波器的设计方案,另外介绍了DAQ卡Kpci-3100，然后比较详细地从功能的角度用LabVIEW语言分别设计了虚拟示波器的功能模块。
最后，整个系统经过调试和实验表明，该虚拟示波器具有传统示波器无法比拟的诸多优势。
关键词:虚拟仪器，虚拟示波器，DAQ卡，LabVIEW中图分类号：TP216+.1 文献标识码：A1.引言虚拟仪器是由美国国家仪器公司（National Instrument）首先提出来的，虚拟仪器（Virtual instrument）的核心是：以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，并结合相应的I/O接口设备，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统[1]。
目前，在多数院校的电子学实验教学中，常用的仍然是功能固定的台式仪器，主要有示波器、函数发生器、实验箱和电源等。
对于一所高等院校而言，进行电子类实验教学至少需要配备30套设备，每一套近万元，在经费紧张的情况下，很难满足教学的需要。
另外，台式机操作复杂，功能单一、调试困难，学生不易掌握其使用方法，测定结果也不精确。
而采用虚拟仪器实验系统，可以解决上述问题：（1）虚拟仪器可以由用户自定义其功能，并可以把几种仪器集成在一个系统中，运用不同切换过程，实现同样的教学目的。
这样，一台计算机就是一个实验平台。
（2）由于虚拟仪器的内容丰富，人机界面好，可以减轻教师的教学负担，加深学生对知识的理解。
（3）提高实验效率，降低教学成本，参数输入简便，结果显示明确，实验设备如有更新，只需更新一下软件。
（4）借助虚拟技术把仪器与计算机相连接，可以充分利用实验资源。
2.虚拟示波器的总体设计本虚拟示波器[2]主要由硬件和软件两部分组成。
其中硬件是以PC机为基础，加上一块基于PCI总线的多功能数据采集卡;软件是以WIN98/2000/XP为操作系统的基础上的一个应用程序，如：VC++，VB，Dephi，Labwindows/c及LabVIEW[3][4][5]以及仪器驱动程序。
虚拟示波器的结构如图1所示。
图1 虚拟示波器的组成结构被检测信号通过信号检测电路，从混合信号中提取出待测的微弱信号，输出的信号是已经放大和滤波后的标准信号，然后送入数据采集板卡采集信号并进行A/D 转换后，通过系统总线送入计算机进行处理。
3. 数据采集卡[6]（DAQ ）本虚拟示波器采用DAQ 卡和应用软件LabVIEW 相结合的方式来实现的。
本设计所使用的数据采集卡由美国Keithley 公司提供的kpci-3110，此卡设计基于PCI 总线，由于PCI 总线传输速率高，数据采集卡设计的主流，它是一块性价比较好的产品，主要性能如下：(1)该数据采集卡的分辨率为16bit ，存储容量为4K ，输入采样频率为1.5MHZ ；(2)它支持单极性和双极性模拟信号输入，信号输入范围分别为-10V~+10V ；(3)提供32路/16路双端差动模拟输入通道；(4)具有2个独立的D/A 输出通道，24线型I/O ，4个定时/计数器；(5)支持DMA 方式及双缓冲模式，保证实时的信号不间断采集与存储；数据采集卡的内部原理框图如图2所示。
图2数据采集卡的内部原理框图4.虚拟示波器软件系统设计虚拟示波器软件系统主要由设备驱动程序、分析处理程序两部分组成。
4.1设备驱动程序设备驱动程序是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。
通常一些虚拟仪器开发软件，如LabVIEW和HPVEE，不但提供世界各地主要厂家生产的多种仪器驱动程序，为用户程序设计节约了时间和精力，而且为用户提供了重要的模块化代码，使用户很方便地进行仪器驱动程序的开发设计[6]。
本设计是使用的设备驱动程序是由Keithley公司提供的数据采集卡KPCI-3110自带的DriverLINX，它提供了相关的VIs模块，可供LabVIEW直接调用。
4.2前面板设计笔者设计的虚拟示波器前面板如图3所示。
图3虚拟示波器面板前面板主要分为显示区及操作控制区。
显示区主要完成信号的动态显示和分析处理后的信号波形显示。
操作控制区主要完成示波器信号输入通道、触发形式的选择及扫描速度、通道的输入电平范围及信号的处理等控制。
其中信号的处理控制包括：参数测量，可测得电压、周期、频率、均方值等20多个参数；窗函数、滤波函数的选择；存储和停止按扭。
所有这些按钮都用鼠标来控制，简单方便。
4.3数据分析处理软件设计笔者设计的虚拟示波器是采用模块化的软件设计思想来编写的，虚拟示波器模块功能总体上包括数据采集模块、时基控制模块，幅值控制模块，波形显示、参数测量模块、频谱分析模块、功率谱分析模块、加窗及滤波和数据存储等模块组成。
最终能实现数据采集、处理、测量、显示、数据存储等功能。
4.3.1数据采集模块数据采集模块是虚拟示波器的软件的核心，主要完成数据采集的控制，包括触发控制、通道控制、时基控制等。
笔者设计的虚拟示波器的采集模块采用了功能模块→Data Aquisition 子模块→Analog Input 子模块Analog Input Utilities 子模块中的AIWaveform scan .vi 控制数据采集卡进行数据采集，数据采集模块程序如图4所示。
图4 数据采集模块程序4.3.2参数测量模块参数测量模块主要模拟台式数字存储示波器的参数测量功能，可以完成包括AC （V ）、DC （V ）等12个电压参数，f （HZ ）、T （ms ）、Duty （%）、w i d t h T（ms ）、r i s e t （ms ）、f a l l t（ms ）等7个时间参数的测量并显示其测量结果。
该模块采用了AC&DC estimator.vi 、RMS.vi 、Mean.vi 、extract signal tone information.vi 和pulse parameters.vi 来设计。
4.3.3频谱分析模块频谱分析模块采用快速FFT 算法，完成频域信号分析。
实现的频谱分析控制是：Windows 选择，提供了9种频谱分析窗口；Log Linear 选择，提供了2种坐标显示模式；Display Unit 选择，提供了8种单位。
这部分模块主要用到了windows constants. vi ,Amplitude& phase spectrum .vi 及scale units conversion. vi 三个subVI 。
信号经过频谱分析可以分别得到幅度谱和相位谱。
4.3.4功率谱模块在模块程序的设计过程中，调用子Function 模板→Analyze 子模板→Signal Processing 子模板→Frequency Domain 子模板→Auto Power Spectrum. vi 节点来对信号进行功率谱分析处理，Spectrum Unit Conversion. Vi 节点进行显示单位的转换，Power &Frequency Estimate .vi 节点来计算出信号的基频。
4.3.5存储模块本模块化程序设计按照case 结构，需要有存储条件时，通过按下前面板中的存储按键，即可实现波形数据的存储，并同时弹出一个对话框，供用予输入需保存数据文件的文件名及路径。
在这部分程序设计中，利用了3个子模块，分别为write waveform data to a file.vi,Read waveform file.vi 及write the data to a spreadsheet file .vi，经存储后的数据格式是电子表格的形式。
5.结论实践证明,在计算机强大的硬件资源资源下,利用LabVIEW图形化编程语言和性价比好的DAQ卡,设计出了功能强大、操作方便的虚拟示波器,与传统仪器比较,它有许多优点: （1）测量准确度高：虚拟示波器采用自动测量或光标测量，能减少输入放大器和示波管线性度的影响，可以获得较高的准确度；（2）波形均匀、稳定、无闪烁, 同时还能跟随观察窗口的放大、缩小而放大、缩小，为用户作细致的观测提供方便；（3）通过用户编程模块，可扩充用户自己的数据处理和分析。
因此，虚拟示波器适合对系统进行性能测试和故障诊断；（4）成本低：PC机在价格上通常只有数据存储示波器的1/5到1/10左右，此外，PC 机的资源并非全部为测试专用, 当不需要进行测量时，PC机可用作其它用途。
参考文献[1]林正盛，虚拟仪器技术及其应用[J].微型机与应用，1997，（8）：2～5。
[2]江伟，袁芳，黄乡生多功能虚拟示波器的设计[J]。
中国测试技术2004.7，30卷NO.4.[3]LabviewUser mannual，NationalInstuments，2002.[4]Robert H.Bishop（美），LabVIEW6i实用教程[M].。
乔瑞萍，林欣译。
北京：电子工业出版社，2003.[5]刘君华，虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M]。
西安：西安电子科技大学出版社，2001.[6]Keithley data aqusition based on PCI user mannual ,Keithley,2005.The research &design of virtual oscilloscopeRen ZhongJiang Xi science&technology normal university, photo-electronic&communication key laboratoryof Jiangxi province Jiangxi NanChang (330013)AbstractThis paper introduces firstly the technology of virtual instrument,recently situation and methlods of eqiupment of laboratery on some colleges.then,integretlly gives the designning theme of the virtual oscilloscope ,introduces the DAQ (Kpci-3110),and from the angle of the function,respectlly designed funtional modules of the virtual oscilloscope using LabVIEW.finally,the system is tested and practiced to illusture that the virtual oscilloscope has some advantages that the traditionaloscilloscope without.Keywords: virtual instrument, virtual oscilloscope, DAQ,LabVIEW.作者简介：任重，男，汉族，助教，主要研究领域：虚拟仪器的研究与开发。