基于聲卡和LabVIEW的虛擬數(shù)字示波器的設計

曾明崗，賴萬昌，毛 偉，王廣西

（成都理工大學 核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059）

示波器是現(xiàn)今電子行業(yè)測量最常用的儀器之一。盡管隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的示波器從外型笨重及功能單一，發(fā)展到了現(xiàn)在功能比較復雜的數(shù)字示波器。但是由于制作工藝水平的原因，導致示波器的價格比較昂貴。虛擬儀器技術的出現(xiàn)，改變了現(xiàn)狀，我們可以利用虛擬儀器技術開發(fā)出操作界面友好操作簡單實用的廉價的虛擬示波器。針對于成本問題，文中采用的聲卡代替專業(yè)數(shù)據(jù)卡對數(shù)據(jù)進行采集，開發(fā)出一款虛擬示波器，完全能應付實驗室教學。

1 硬件部分

聲卡本身就是一個很有優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它同時兼有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，不僅價格低廉，而且性能穩(wěn)定，靈活通用。現(xiàn)如今市面上的聲卡多的采樣位數(shù)多為16位，高級一點的聲卡的采樣位甚至達到了32位。聲卡采用左右聲道的雙聲道設計方式，可以同時采集兩路信號，當要實現(xiàn)多通道采集數(shù)據(jù)時，可以考慮采用高級一些是聲卡或者配置多塊聲卡。特別注意的是聲卡的輸入端最高電壓限制為1 V，對于高于1 V的信號可以通過衰減電路度后輸入，這樣一來就能適合多種場合的需要。

2 軟件部分

LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering work beneh—實驗室虛擬儀器工程平臺）是美國國家儀器公司（NI公司）推出的一種基于“圖形”方式的集成化程序開發(fā)環(huán)境，它是NI司開發(fā)的面向儀器與測控過程的圖形化開發(fā)平臺，它的概念，是直觀的前面板與流程圖式的編程方法的結合。本設計中采用最新版的LabVIEW2011。系統(tǒng)軟件總體上包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測量、頻譜分析、功率譜分析以及數(shù)據(jù)存儲和讀取、截圖。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集是虛擬示波器器軟件的核心部分，文中是主要實現(xiàn)對聲卡進行數(shù)據(jù)采集的配置以及數(shù)據(jù)的獲取。利用Labview2011自帶的豐富是數(shù)據(jù)采集函數(shù) （位于Function-Programming AGaphic&Sound sound子模板中）實現(xiàn)本課題的數(shù)據(jù)采集任務。調(diào)用了Acquire.vi，configure.vi，等函數(shù)實現(xiàn)信號的采集。為了防止在連續(xù)采集過程中數(shù)據(jù)的丟失，這里設置了一個緩沖區(qū)對才具的數(shù)據(jù)進行暫存。因為對于X86系列處理器而言，在保護模式下，內(nèi)存以8KB為單位被分成很多頁。對內(nèi)存的任意訪問都是按頁進行的，CPU保證了在讀寫8 kB長度的內(nèi)存緩沖區(qū)是，速度足夠快，并且一般不會被外來事件中斷。通常設置8 192字節(jié)或者其倍數(shù)（例如32 768字節(jié)）大小的緩存，可以較好的保證聲卡與CPU的協(xié)調(diào)工作。

2.2 觸發(fā)控制模塊

虛擬示波器的觸發(fā)控制模塊的輸入端有兩路波形數(shù)據(jù)輸入（通道 A、通道 B）、觸發(fā)極性（正觸發(fā)、負觸發(fā)）、觸發(fā)電平、觸發(fā)源輸入（立即觸發(fā)、通道A、通道B）。程序運行時，很據(jù)用戶觸發(fā)源的選擇分別執(zhí)行相應的case，該過程運用到了子程序“觸發(fā)電平.vi”。

圖1 觸發(fā)電平.vi Fig.1 Trigger level.vi

2.3 時基及幅值控制

在虛擬示波器中，時基的設置是為了保證對輸入信號采集到足夠數(shù)量的采樣值，并且每個采樣值取的正確的時刻。根據(jù)：

采樣速率=1/采樣間隔

采樣間隔=實際設置（s/格）/采樣點數(shù)

設置每個采樣點數(shù)，即可得到時基設置值。這里設置了5 ns/格，10 ns/格，20 ns/格，50 ns/格，20 ns/格，20 ns/格，5 ms/格，10 ms/格，20 ms/格。

在測量過程中，操作者往往需要觀察信號某一段幅值的細節(jié)變化，就需要細化幅值刻度，這里設置了2 mV/格，5 mV/格 ，10 mV/格 ，20 mV/格 ，50 mV/格 ，100 mV/格 ，200 mV/格 ，500 mV/格，1 V/格，2 V/格，5 V/格。

2.4 參數(shù)測量

參數(shù)測量模塊包括峰峰值、頻率以及實現(xiàn)雙通道信號采集時的相位差測量并顯示結果。

圖2 參數(shù)測量Fig.2 Parameters measurement

2.5 波形顯示

程序利用case結構，實現(xiàn)單通道A，單通道B以及雙通道A&B 3種顯示方式的切換。然后將處理后的波形數(shù)據(jù)按序使用Bundle節(jié)點打包直接輸入波形顯示控件Waveform Graph，實現(xiàn)單通道波形顯示。對于雙通道顯示，采用Build Array節(jié)點把兩個通道的波形數(shù)據(jù)組成一個二維數(shù)組后再送入波形顯示控件Waveform Graph，從而實現(xiàn)雙通道波形的同時顯示。

2.6 頻譜分析

因為時域分析工具較少，對于測量時采集到的時域信號，常常轉(zhuǎn)換到頻域進行處理。信號的頻域分析，即根據(jù)信號的頻域來估計和分析信號的組成及其特征量。通常頻域分析包括頻譜分析（Spectral Measurements.VI）、功率譜分析（FFT Power Spectrum.VI）以及相干函數(shù)分析。

圖3 通道選擇Fig.3 Channel selection

2.7 數(shù)據(jù)存儲和回讀、打印

為了方便事后對測量結果的分析，本軟件分別設計了獨立的存儲和回讀功能。

保存按鈕：實現(xiàn)波形數(shù)據(jù)的存盤。LabVIEW支持兩種文件類型的保存方式：流文件（Byte Steam File）和塊記錄文件（Datalog File）。流文件的優(yōu)點在于除了G語言之外，使用任何文本編輯器都可以進行查看。塊記錄是LabVIEW獨有的一種文件形式，是將數(shù)據(jù)作為由相同結構的記錄組成的一個序列來保存。每一行是一個記錄（record），每一個記錄都必須包含相同的數(shù)據(jù)結構。LabVIEW把每一個記錄作為一個簇寫入文件，記錄每一個組成元素可以使任何類型的。

數(shù)據(jù)回讀按鈕：從存儲的波形數(shù)據(jù)文件中讀取獲得歷史波形進行分析。

截圖按鈕：可以方便的捕捉到信號波形圖，方便事后快捷查看歷史波形的形狀進行初步分析。

圖4 捕捉波形Fig.4 Capture of waveform

3 結 論

文中采用圖形化編程語言LabVIEW和面向?qū)ο缶幊碳夹g設計出了一款虛擬示波器，不僅能具有一般示波器的功能，而且實現(xiàn)了高級示波器上才有的頻譜分析充分發(fā)揮了PC機的強大功能，軟件的擴展性強，只需要通過對軟件簡單的的升級和擴展，示波器就可瞬間變成掃描儀等，大大縮短了研發(fā)周期，同時使原有的投入的資源被遺棄，減少了不必要的浪費，可替代實驗室傳統(tǒng)的示波器進行一般的實驗教學，從能節(jié)省實驗室的傳統(tǒng)設備資金投入，擁有很好的應用前景。

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