内容发布更新时间 : 2024/4/29 0:57:50星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

虚拟数字存储示波器设计论文

摘 要：采用PC技术和LabVIEW技术设计了虚拟数字存储示波器，实现了信号输入、数据处理、波形显示和存储等功能。测试结果表明，利用声卡采集外部待测信号数据，整个系统的性价比高，通用性强，界面友好，数据存储方便，性能稳定、可靠。

示波器是工程和教学中使用非常广泛的一种仪器，尤其是在与电气工程相关的专业中，数字存储示波器已经成为了比较流行的信号采集和分析工具。由于其固有的高输入阻抗，所以，数字示波器可以用于分析高精度模拟和数字电路。

近年来，数字存储示波器已经实现了与PC连接的附加功能，可以将信号存储在电脑中供日后分析。然而，示波器具有的功能越多，价格就越昂贵，不适合本科层次的初学者使用。这些市面上销售的示波器往往得不到充分的利用，它们的先进功能与本科实验室中低功耗、低频率的要求相比就显得有些浪费。此外，在实验室中使用个人电脑分析数据，在很大程度上促进了数字示波器与PC的功能衔接。本文提出了基于PC的数据采集硬件方案、软件和显示模块集成系统，设计了一款基于声卡的虚拟数字存储示波器，充分利用声卡A/D转换的优越性能，配合LabVIEW强大的数据采集和处理功能的高性能数据采集系统。同时，为了便于实际使用，在虚拟示波器上集成了虚拟信号发生器，这样就可以产生多种信号，并可以在声卡采集和虚拟信号输入之间切换，以满足不同应用场合的需要。

1 设计方案和软件实现

1.1 虚拟数字存储示波器的系统组成

虚拟数字存储示波器与传统的示波器有同样的功能，它是由信号输入模块、数据处理模块和波形显示及存储模块三大部分组成，其系统框图如图1所示。

信号输入模块将声卡输入的外部信号或虚拟信号发生器产生的信号输入虚拟数字存储示波器进行信号处理和显示。其中，数据采集单元是由计算机自带声卡完成的，声卡的A/D转换性能稳定，分辨率较高，用于数据采集可以大大节省硬件资源，构建一个高性价比的数据采集系统。但是，声卡只能接受弱电信号，如果输入信号的电压超出规定范围，就必须衰减后再输入。

数据处理模块是虚拟数字存储示波器的核心部分，它主要是由信号调理单元、同步触发单元、运算单元和双通道信号合成单元构成。信号调理单元将输入的信号进行必要的增益调整和直流偏移量调整，以实现屏幕显示时的衰减度调节和波形位置移动。同步触发单元主要完成扫描信号的产生和扫描方式的选择。作为虚拟数字存储示波器，最关键的是要自动生成扫描信号实现扫描功能。运算单元和双通道信号合成单元主要是完成单通道或双通道信号的叠加与合成。

波形显示和存储模块将处理后的前端信号合成为波形图像显示，同时，将数字化的波形信号以文件的形式存储起来，方便后期数据处理时调用。

1.2 虚拟数字存储示波器的软件设计

虚拟数字存储示波器是利用LabVIEW编程的。LabVIEW是美国国

家仪器公司开发的软件产品，它是一种图形化编程语言——G语言的开发环境，具有简单、直观、便于使用的特点。虚拟示波器的前面板完全仿照真实的仪器面板，使用者使用鼠标点击前面板上相应的按键或旋钮操作时，与真实仪器的操作过程是完全相同的。

1.2.1 信号输入模块

信号输入模块使用1个布尔开关选择信号源的种类。当开关指向“SOUND CARD SIGNAL”时，由声卡采集信号；当开关指向“VIRTUAL SIGNAL GENERATER”时，由虚拟信号发生器输入信号；当输入方式选择“SOUND CARD SIGNAL”时，由声卡采集信号，SI Config.vi和SI Start.vi2个节点分别用于配置和开启声卡。声卡数据采集的背面板程序框图如图2所示。声卡设置为立体声采样，保证左右两声道分别采集两路信号，以实现示波器的双通道工作。外部模拟信号经过声卡A/D转换后，转化为数字信号进入数据缓冲区，通过SI Read.vi将缓冲区中的数据整块读出，暂存到内存中的用户数组，这样就将外部模拟信号转化为计算机可以处理的数字信号，为后续信号的数据处理和显示创造了条件。每次循环结束后，经过SI Clear.vi将声卡释放，为下一次采集作准备。

当输入方式选择“VIRTUAL SIGNAL GENERATION”时，由虚拟信号发生器产生信号，其前面板如图3所示。通过前面板上的控件可以控制产生的虚拟信号的波形、幅度和频率等参数。虚拟信号的产生主要是由“Basic Function Generation.vi”实现的，它将波形、频率、幅度和相位等参数控件分别连接到相应节点上，这样就可以从输出端