虛擬示波器在醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

劉小利

(長治醫(yī)學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部，山西 長治 046000)

示波器是一種直接觀察和測(cè)量電壓波形及其參數(shù)(如周期、頻率和相位差)的電子儀器，使用非常廣泛，但使用方法相對(duì)復(fù)雜。在醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)“示波器的使用”中，如果使用普通示波器，每套實(shí)驗(yàn)設(shè)備除了示波器之外，還需配備信號(hào)發(fā)生器、電壓表等設(shè)備[1]，而數(shù)字示波器價(jià)格較為昂貴，不利于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言[2]。虛擬示波器基于LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生、控制、數(shù)據(jù)分析和處理以及測(cè)試結(jié)果的顯示等，用戶可方便地對(duì)虛擬示波器進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)。

根據(jù)“示波器的使用”實(shí)驗(yàn)所用到的真實(shí)示波器面板和功能的要求，設(shè)計(jì)虛擬示波器主要功能有通道選擇、波形顯示、波形控制、波形存儲(chǔ)、參數(shù)測(cè)量以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄、刪除等。

1 前面板

虛擬示波器前面板由“波形顯示”和“李薩如圖形”兩個(gè)模塊構(gòu)成。

1.1 波形顯示前面板

波形顯示前面板主要由兩個(gè)基本函數(shù)發(fā)生器VI、一個(gè)波形圖控件、各種旋鈕和布爾控件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 零輸入狀態(tài)下的波形顯示前面板

1.2 李薩如圖形前面板

李薩如圖形前面板主要由兩個(gè)波形圖、一個(gè)XY圖、一個(gè)數(shù)據(jù)表格以及各種布爾控件構(gòu)成，如圖2所示?！皹?biāo)準(zhǔn)信號(hào)”波形圖為XY圖中的X方向提供正弦波信號(hào)，“待測(cè)信號(hào)”波形圖為XY圖中的Y方向提供正弦波信號(hào)。XY圖用來顯示兩列正弦波合成之后的圖形。

圖2 零輸入狀態(tài)下的李薩如圖形前面板

2 虛擬示波器基本功能

2.1 波形顯示模塊

(1)信號(hào)來源

利用LabVIEW的基本函數(shù)發(fā)生器VI產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波四種基本模擬信號(hào)，通過下拉列表選擇輸出的波形形式。測(cè)試者可對(duì)這四種信號(hào)的幅值、頻率、相位以及方波占空比各參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(2)波形顯示與控制

采用布爾型條件結(jié)構(gòu)，設(shè)置兩個(gè)開關(guān)分別控制CH1和CH2兩個(gè)通道的波形顯示，“ON”顯示波形，“OFF”不顯示，同時(shí)選擇“ON”在波形圖上同時(shí)顯示兩個(gè)波形?！癈H1垂直位移”和“CH2垂直位移”兩個(gè)旋鈕分別控制兩個(gè)波形的垂直位置?！皶r(shí)間ms/div”旋鈕調(diào)節(jié)波形圖時(shí)間軸上每單位表示多少時(shí)間?！胺礦/div”旋鈕調(diào)節(jié)波形圖上每單位表示多少電壓。

通過波形圖控件自帶的圖形工具選板，可以在程序運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)波形的動(dòng)態(tài)調(diào)控，如放大、縮小或移動(dòng)所顯示的波形。當(dāng)兩個(gè)波形同時(shí)顯示時(shí)，為了直觀的區(qū)分不同的波形，可通過波形圖控件的曲線圖例設(shè)置波形曲線的顏色、曲線顯示方式等。

通過波形圖，可以觀察頻率、相位、幅值等參數(shù)對(duì)波形的影響[3-5]，測(cè)量波的周期、頻率等物理量。以正弦波為例，兩通道選擇輸出波形為正弦波，CH1和CH2開關(guān)都為“ON”時(shí)，示波器顯示兩個(gè)正弦波波形，如圖3所示。

圖3 兩通道波形同時(shí)顯示

其中藍(lán)色曲線為CH1波形，紅色曲線為CH2波形。選擇其中一個(gè)完整的波形，通過“時(shí)間ms/div”和“幅值V/div”旋鈕以及下方的數(shù)值顯示控件，可測(cè)算出正弦波的周期T，即T=水平距離×?xí)r間ms/div，然后求出正弦波的頻率f=1/T；正弦波電壓峰-峰值Up-p=垂直距離×幅值V/div。

(3)波形存儲(chǔ)

點(diǎn)擊前面板“保存波形”按鈕可以將波形以JPG格式圖片的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的任意路徑下。

(4)停止運(yùn)行

通過while循環(huán)的“停止”按鈕使示波器停止工作。

2.2 李薩如圖形模塊

“標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)”波形圖與 “待測(cè)信號(hào)”波形圖分別為XY圖中的X方向、Y方向提供正弦波信號(hào)。由于兩個(gè)信號(hào)的頻率、振幅和相位的不同，在示波器上將顯現(xiàn)出各種不同的波形，一般得不到穩(wěn)定的圖形，但當(dāng)兩信號(hào)的頻率成簡單整數(shù)比時(shí)，將出現(xiàn)穩(wěn)定的封閉曲線，稱為李薩如圖形[6]。

其他虛擬示波器實(shí)驗(yàn)只是對(duì)李薩如圖形做簡單的演示[7-9]，或者只測(cè)量未知信號(hào)的頻率[10]。因?yàn)?/p>

本設(shè)計(jì)在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，不僅可以通過兩信號(hào)的頻率比獲得待測(cè)頻率，而且可以得到兩信號(hào)的相位差，并且將李薩如圖形及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與保存。

(1)信號(hào)輸入

在程序框圖中設(shè)定待測(cè)信號(hào)的頻率為50 Hz、相位為0、幅度5 V，且在前面板不顯示待測(cè)信號(hào)的參數(shù)值。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率、相位、幅值可在前面板輸入任意數(shù)值。

(2)波形顯示

在前面板輸入“標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)”幅值為2 V，相位為0，頻率為25 Hz，此時(shí)前面板顯示的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)波形、待測(cè)信號(hào)波形及李薩如圖形如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為幅值2 V、相位0，頻率25 Hz時(shí)的前面板

(3)參數(shù)測(cè)量

在前面板輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率、幅值和相位，在李薩如圖形右側(cè)，會(huì)自動(dòng)顯示出該李薩如圖形對(duì)應(yīng)的相位差，相位差=待測(cè)信號(hào)相位-標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相位，單位為“度”，若相位差為負(fù)值，表示待測(cè)信號(hào)落后于標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

(4)幅值等參數(shù)對(duì)李薩如圖形的影響

按照實(shí)驗(yàn)需求，改變標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的參數(shù)，觀察頻率、相位、幅值對(duì)李薩如圖形的影響。設(shè)置兩次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率fx均為50 Hz、相位為90°，幅值分別為2 V和4 V，可觀察幅值對(duì)李薩如圖形的影響，如圖5、圖6所示；設(shè)置兩次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)幅值均為2 V、相位為0，頻率分別為25 Hz和50 Hz，則相應(yīng)的頻率比分別為2.0和1.0，則可觀察頻率比對(duì)李薩如圖形的影響，如圖4、圖7所示；設(shè)置兩次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)幅值均為2 V、頻率為50 Hz，相位分別為0和45°，則相應(yīng)的相位差分別為0和-45°，則可觀察相位差對(duì)李薩如圖形的影響，如圖7、圖8所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為頻率50 Hz、相位90°、幅值2 V時(shí)的李薩如圖形

圖6 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率為50 Hz、相位90°、幅值4 V時(shí)的李薩如圖形

圖7 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為頻率50 Hz、相位0、幅值2 V時(shí)的李薩如圖形

圖8 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為頻率50 Hz、相位45°、幅值2 V時(shí)的李薩如圖形

(5)數(shù)據(jù)記錄和刪除

在前面板點(diǎn)擊“添加數(shù)據(jù)”，在李薩如圖形下方的“數(shù)據(jù)記錄”表格中出現(xiàn)一行新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄該李薩如圖形對(duì)應(yīng)的信息，包括標(biāo)準(zhǔn)頻率fx、幅值、相位差、水平交點(diǎn)數(shù)、垂直交點(diǎn)數(shù)、頻率比以及待測(cè)頻率fy。點(diǎn)擊“刪除數(shù)據(jù)”可以刪除本次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(6)數(shù)據(jù)保存

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，可任意設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的參數(shù)，得到不同幅值、不同相位差以及不同頻率比情況下的李薩如圖形，每次測(cè)量結(jié)果均可保存在“數(shù)據(jù)記錄”中，點(diǎn)擊“保存表格”，將“數(shù)據(jù)記錄”以JPG格式的圖片進(jìn)行保存，如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

3 結(jié) 語

本文基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)的虛擬雙蹤示波器功能多樣，操作簡單?？梢燥@示雙通道波形，每個(gè)通道都可以輸出任意頻率、相位、幅值等參數(shù)的基本波形。通過波形圖可以更加直觀地了解各種波形的特點(diǎn)，觀察相位、頻率等參數(shù)對(duì)波形的影響。可以顯示任意幅值、相位差和頻率比的李薩如圖形。利用李薩如圖形可以測(cè)量未知信號(hào)的頻率和相位差。波形圖和測(cè)量數(shù)據(jù)都可以保存為圖片，有助于學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。與傳統(tǒng)示波器相比，虛擬示波器可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容發(fā)展的需要，靈活、方便地修改儀器的功能和面板。如果配以數(shù)據(jù)采集卡采集外部信號(hào)，可以測(cè)量外部信號(hào)的頻率以及相位差。將虛擬示波器實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可以使學(xué)生更加有效地掌握示波器的使用方法，提高實(shí)驗(yàn)效果。