基于LabVIEW的虛擬示波器的仿真設計

徐國鑫

（陸軍炮兵防控兵學院士官學校基礎部，遼寧沈陽 110867）

示波器作為高校實驗室中不可缺少的電子測試實驗儀器之一，無論是實驗室中使用的模擬示波器還是數字示波器在教學上都存在著一些限制因素，采用虛擬示波器與實驗室中的示波器進行結合能夠在教學上發揮重要作用。因此，本文設計一種能夠實現實驗室教學使用的虛擬示波器系統，采用圖形化編程設計軟件LabVIEW 與PCI8532采集卡軟硬件載體，實現示波器具有數據采集與控制、波形輸出顯示、數據處理與數據存儲功能。通過實驗驗證，設計的虛擬示波器具有更加靈活、高效、經濟、可擴展性強等優勢。能夠滿足實驗室日常教學使用。

1 虛擬示波器系統設計

1.1 系統硬件選擇

數據采集卡是虛擬示波器系統的核心部件，該部分主要完成外部信號的采集，將其轉化為計算機可識別處理的數字信號。結合設計的虛擬示波器系統使用要求，采用的采集卡為PCI8532高速采集卡。

1.2 虛擬示波器的整體設計方案

設計的虛擬示波器系統具備傳統示波器的功能，兼顧計算機及虛擬示波器優勢。工作具體流程闡述為：首先，設計的虛擬示波器選擇合適采樣頻率、通道號、觸發方式等數據；其次，進行數據采集、數據傳輸，通過調用程序實現波形顯示、參數測量等功能；最后，采集停止后，能夠實現對波形以文件形式存儲至指定的空間，并通過程序實現存儲波形的調出，方便對波形的分析與處理。

1.3 人機交互界面設計

人機交互界面是用戶和虛擬示波器的交互窗口，通過人機交互界面的圖標實現對虛擬示波器的控制。通過在人機交互界面使用LabVIEW 提供圖形按鍵、旋鈕等對示波器進行操作。人機交互界面主要分為：調控區域、顯示區域、數據處理區域三部分。調控區域主要是控制采樣參數；顯示區主要是顯示波形；數據處理區域對輸入波形分析、變換和處理操作。具體的交互界面如圖1所示。

圖1 人機交互界面

1.4 虛擬示波器主要模塊的設計

1.4.1 數據采集模塊設計

數據采集模塊是虛擬示波器系統的核心，主要實現采集數據及通道選擇、觸發控制、時基控制等。觸發方式通常選擇的是軟件觸發；通道選擇主要是選擇單、雙通道采集和顯示。

圖2 數據采集程序框圖

數據采集模塊采用PCI8532高速采集卡與LabVIEW 圖形化編程語言實現數據通信和采集，數據采集程序框圖如圖2所示。

1.4.2 數據處理模塊設計

（1）波形顯示模塊設計

波形顯示模塊包括：波形顯示區、橫縱坐標軸、圖例等。波形顯示界面設計中X 坐標被定義為時間，Y 坐標被定義為幅值。通過幅值控制旋鈕和時基控制旋轉分別來動態控制Y軸量程和X 軸量程。

（2）參數測量模塊設計

參數測量模塊功能實現采用LabVIEW 函數VI。測量參數的配置框圖如圖3所示，參數測量程序框圖如圖4所示。

圖3 參數配置

圖4 參數測量

圖5 讀取二進制數據程序框圖

（3）數據存取模塊設計

設計的數據存儲模塊文件類型是二進制文件（dat）。使用時，只需對文件路徑、字節順序設置即可。當按下保存按鈕時，程序判斷當前信號的采集卡通道，保存在設定的目錄下。當按下導出按鍵時，即可響應波形數據存儲任務，實現導出在波形顯示界面上，程序設計如圖5所示。

2 虛擬示波器的性能分析及系統調試

2.1 系統調試

在實現設計后，需要對傳輸的數據進行采集、數據傳輸、波形顯示、參數測量、濾波、頻譜分析、波形存儲和導出幾個方面進行測試示波器預定設計功能。

2.2 系統功能測試

2.2.1 數據采集驗證

利用實驗室中已有信號發生器輸出一個1 kHz，峰峰值5 V的正弦信號。在虛擬示波器的人機交互界面中觀察到采集波形如圖6，則證明本文設計的虛擬示波器可以采集到外部信號。

圖6 虛擬示波器波形

2.2.2 波形精度測量

表1 幅值的真實值與測量值

為了驗證示波器測量精度性能，采用函數發生器產生模擬波形進行測量，通過幅值旋鈕和頻率旋鈕添加數值現實控件，設置數據精度為四位浮點型數據，以實現驗證精度，經測量頻率值與函數發生器一致，幅值存在誤差，隨機抽測10組數據見表1。

計算最大誤差時，采用10組數據中誤差較大的一組數據（最后一組）進行計算，因此計算相對誤差為：

5.0000-4.9505＝0.0459

0.0459/5.0000×100%＝0.99%

因此設計的虛擬示波器的誤差在5%以內，能夠滿足實驗教學使用。

2.2.3 分度調節驗證

通過調節人機界面中的水平及分度調節旋鈕，波形圖中的X 軸和Y 軸的最大幅值隨之改變，因此分度調節功能模塊正常。

2.2.4 存儲功能驗證

波形存儲的結果顯示如圖7所示。

圖7 示波器導出波形顯示

3 結束語

虛擬示波器利用計算機來完成對信號的一系列處理，前面板設計美觀，能完成基本的示波器功能，主要有以下優點：

（1）功能多。在進行模擬信號演示時，本示波器資源是現成的，不需要接線，可以節約大量的時間。參數測量是自動的，直接進行測量，數據直觀，不需要用戶在實驗結束后在進行數據整理而浪費時間。波形和圖片可以進行存儲，以便日后再次研究。

（2）成本低。以計算機為基礎，計算機價格較傳統示波器低，且可根據實際需要再拓展示波器的功能，成本較低。

（3）軟件升級方便。可通過下載更高版本的軟件進行升級，操作簡單快捷。