示波器仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃 勇，陳長(zhǎng)鵬，何長(zhǎng)英

(武漢理工大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢 430070)

示波器是電子測(cè)量領(lǐng)域最常用的儀器之一，通過它不但可以清晰地觀察信號(hào)波形，還可以定量測(cè)量信號(hào)的周期、振幅和兩信號(hào)的相位差等參數(shù)[1]。LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，與傳統(tǒng)的模擬示波器相比，其軟件系統(tǒng)仿真硬件功能可以大大節(jié)約儀器成本、節(jié)省開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用。有許多對(duì)虛擬示波器的設(shè)計(jì)與開發(fā)進(jìn)行研究的文獻(xiàn)，如文獻(xiàn)[2－4]介紹了如何開發(fā)自定義儀器功能的虛擬示波器，論述了虛擬儀器技術(shù)在測(cè)量領(lǐng)域中的應(yīng)用。研究虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的應(yīng)用也有重要的意義，針對(duì)特定型號(hào)示波器用LabVIEW開發(fā)相應(yīng)的仿真軟件，以滿足教學(xué)演示和學(xué)生預(yù)習(xí)需要，而這方面的研究還很缺乏。因此，筆者以LabVIEW 8.6為平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了適合本校實(shí)驗(yàn)課使用的示波器仿真軟件系統(tǒng)。

1 仿真軟件運(yùn)行界面的設(shè)計(jì)

前面板是用戶與系統(tǒng)交互的窗口，用戶通過它輸入和獲取信息。為了設(shè)計(jì)與真實(shí)XJ4328示波器一致的操作面板，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)自定義控件[5]放在前面板上，將XJ4328示波器面板圖片作為自定義控件的文本部分，旋鈕和按鍵控件放在圖片中的相應(yīng)位置，將設(shè)計(jì)的旋鈕顏色設(shè)置為透明。波形圖與XY圖重疊放在示波器圖片的顯示屏位置，X軸、Y軸標(biāo)尺與圖片的顯示屏大小一致，網(wǎng)格線設(shè)置為透明。

參照示波器使用實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[6]，在示波器CH1與CH2通道信號(hào)接入處設(shè)置了仿真信號(hào):方波S1、三角波S2、正弦波S3和正弦波S4(S4與 S3有一定的相位差，頻率相同)，供學(xué)生觀察與測(cè)量。在CH2通道還設(shè)置了一個(gè)外部標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，該信號(hào)源的參數(shù)調(diào)節(jié)面板結(jié)合在教學(xué)中使用的GFG－8016函數(shù)發(fā)生器圖像設(shè)計(jì)，并作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源與CH1通道的正弦波完成各種形狀的李薩育圖形測(cè)量頻率，設(shè)計(jì)的運(yùn)行界面如圖1所示。

圖1 XJ4328示波器仿真軟件運(yùn)行界面

2 仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 仿真軟件總體結(jié)構(gòu)

程序框圖是軟件的核心，它以圖形化的方法表示程序源代碼，類似于真實(shí)儀器中用來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器功能的零部件。示波器的功能繁多，設(shè)計(jì)中將具有一定功能的程序模塊定義為子VI供其他VI調(diào)用，從而減少程序框圖的節(jié)點(diǎn)與連線，提高代碼的可讀性和可維護(hù)性。

程序采用while循環(huán)結(jié)構(gòu)，示波器的電源開關(guān)狀態(tài)作為循環(huán)的控制條件，程序的總體結(jié)構(gòu)[7]如圖2所示。

圖2 示波器仿真軟件總體結(jié)構(gòu)

2.2 仿真信號(hào)生成

通過信號(hào)處理中的波形信號(hào)生成函數(shù)生成所需要的信號(hào)，CH1與CH2通道有參數(shù)固定的方波、三角波和正弦波可選，CH2通道還有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源可選，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的參數(shù)在GFG－8016函數(shù)發(fā)生器面板圖像界面中調(diào)節(jié)。

2.3 觸發(fā)控制

根據(jù)模擬示波器顯示波形的原理，當(dāng)掃描周期不為被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍關(guān)系時(shí)，顯示的波形不穩(wěn)定。因此示波器中有觸發(fā)掃描電路，根據(jù)觸發(fā)源與觸發(fā)電平的值控制掃描的起點(diǎn)，以保證每次掃描的起點(diǎn)都在信號(hào)周期的同一位置，從而使顯示波形穩(wěn)定[8]。在軟件設(shè)計(jì)中，可以通過設(shè)置觸發(fā)點(diǎn)來(lái)保證每次顯示時(shí)得到信號(hào)周期的同一位置，根據(jù)觸發(fā)電平的值找到觸發(fā)點(diǎn)，在觸發(fā)點(diǎn)后截取一段相同長(zhǎng)度的波形顯示出來(lái)。該軟件中觸發(fā)源可以來(lái)自CH1或CH2通道信號(hào)，找觸發(fā)點(diǎn)就是根據(jù)輸入的信號(hào)，與觸發(fā)電平的數(shù)值進(jìn)行比較后輸出產(chǎn)生觸發(fā)的數(shù)組的序號(hào)，用數(shù)組子集取出從序號(hào)開始的一段信號(hào)[9]。

2.4 水平分度調(diào)節(jié)

XJ4328示波器掃描速率從0.5 μs/DIV～0.2 s/DIV，共分18擋，X軸共有10個(gè)分度格。將水平分度旋鈕的選擇數(shù)值作為case－switch的分支選擇條件，case“0～17”中，時(shí)間間隔、頻率和波形圖控件屬性節(jié)點(diǎn)的X標(biāo)尺范圍屬性的設(shè)定值乘以或除以不同的數(shù)值，使Time/DIV控件的值不同，波形圖中顯示的完整波形的數(shù)目不同，用微調(diào)旋鈕對(duì)水平分度在兩擋之間進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。

2.5 豎直分度調(diào)節(jié)

示波器波形顯示屏的高度是固定的，若被測(cè)信號(hào)幅值較大，顯示圖形將超出屏幕，幅值太小，波形的細(xì)節(jié)就看不清楚，豎直分度調(diào)節(jié)的功能就是將幅值大的信號(hào)進(jìn)行縮小，將幅值小的信號(hào)進(jìn)行放大，以便于觀察與測(cè)量。XJ4328示波器兩通道靈敏度開關(guān)從10 mV/DIV～5 V/DIV共分9檔，當(dāng)通道靈敏度開關(guān)處于不同的擋位時(shí)，將仿真信號(hào)的幅值放大或縮小一定倍數(shù)即可。

2.6 豎直工作方式選擇

將豎直工作方式按鍵作為條件判斷，可以單獨(dú)顯示一個(gè)通道信號(hào)，可以同時(shí)顯示兩個(gè)通道信號(hào)，也可以顯示兩個(gè)通道信號(hào)的和。當(dāng)一個(gè)按鍵按下時(shí)，其余4個(gè)按鍵應(yīng)為抬起狀態(tài)，將此4個(gè)按鍵賦布爾值False。

2.7 灰度與聚焦控制

用數(shù)值改變波形圖控件屬性節(jié)點(diǎn)[10]的曲線顏色、線條寬度來(lái)模擬示波器的灰度、聚焦功能。

2.8 波形顯示

當(dāng)TIME/X－Y鍵抬起時(shí)，屏幕顯示波形圖，按下時(shí)屏幕顯示李薩育圖形，利用波形圖和XY圖的可見屬性來(lái)控制前面板上顯示波形圖還是李薩育圖形[11]。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的比較

該軟件提供的仿真信號(hào)參數(shù)為:S1～S44個(gè)信號(hào)的頻率為1 002 Hz，振幅為1.0 V，S3與S4信號(hào)的相位差為40°。為便于比較，真實(shí)實(shí)驗(yàn)中提供的S1～S44個(gè)信號(hào)的參數(shù)與仿真信號(hào)一樣，按照教學(xué)內(nèi)容用筆者編寫的軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并與真實(shí)示波器進(jìn)行對(duì)比。

3.1 觀測(cè)單一信號(hào)波形

用CH1通道測(cè)量S1信號(hào)的參數(shù)，圖3為用仿真軟件測(cè)量的波形顯示，圖4為用真實(shí)示波器測(cè)量的波形顯示，兩種儀器測(cè)量得到S1信號(hào)的峰谷電壓差都為2.0 V，周期都為1.0 ms。

圖3 仿真軟件測(cè)量信號(hào)周期和峰谷電壓差

3.2 觀測(cè)兩信號(hào)的相位差

相位差的測(cè)量有雙波法和李薩育圖形法，圖5、圖6為用仿真軟件測(cè)量的圖形顯示，圖7為用示波器測(cè)量的圖形顯示。測(cè)量結(jié)果對(duì)比如表1所示，表1中l(wèi)為滯后距離，λ為波長(zhǎng)，x0為李薩育圖形與X軸的交點(diǎn)，A為X方向的振幅。

圖4 示波器測(cè)量信號(hào)周期和峰谷電壓差

圖5 仿真軟件測(cè)相位差的雙波顯示

圖6 仿真軟件測(cè)相位差的李薩育圖形顯示

圖7 示波器測(cè)相位差的圖形顯示

表1 仿真軟件與示波器測(cè)量?jī)尚盘?hào)的相位差比較

3.3 觀測(cè)李薩育圖形

將S3作為待測(cè)信號(hào)，仿真示波器的CH1通道選擇信號(hào)S3，CH2通道選擇標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的頻率，使顯示屏上顯示各種頻率比下的李薩育圖形，圖1中顯示的是fx∶fy=1∶2的圖形，測(cè)量出S3信號(hào)的頻率為1 002 Hz，圖8為真實(shí)示波器的顯示結(jié)果，測(cè)得S3信號(hào)的頻率也為1 002 Hz。

圖8 示波器觀測(cè)李薩育圖形

通過比較，仿真軟件的操作界面與測(cè)量結(jié)果與真實(shí)示波器一致，仿真軟件完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

論述了XJ4328示波器仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，用簡(jiǎn)單的程序框圖模擬了復(fù)雜示波器操作面板上各旋鈕與按鍵的交互功能。該軟件已在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中演示使用，學(xué)生可以不受時(shí)間與空間的限制，就像在操作真實(shí)示波器一樣，進(jìn)行課前示波器實(shí)驗(yàn)的仿真操作和預(yù)習(xí)。

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