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基于LabVIEW的双通道虚拟示波器设计
作者：莫娇 等
来源：《价值工程》2013年第01期
摘要： 本文基于LabVIEW软件，采用模块化的设计思路，开发了双通道虚拟示波器。软件设计主要包含通道选择模块、时间和幅值分度调节模块、触发耦合模块、参数测量模块及信号发生模块。通道选择模块可以选择两个通道单独显示、两个通道同时显示以及两个通道叠加显示，时间和幅值分度调节模块可以分别调节示波器的时间分度和幅值分度。通过信号发生模块产生仿真信号，参数测量模块完成波形的各种参数测量。仿真结果表明该系统基本实现了传统示波器的功能，且测量精度和可靠性等性能指标优于传统仪器。具有较强的可操作性和可维护性。
Abstract： According to the designing idea of modularization， a virtual dual-channel digital oscilloscope based on LabVIEW is developed. The software system includes modules of channel
selecting， time and amplitude indexing regulation， triggering and coupling， parameter measuring and signal generating. In channel selecting module， signals can be displayed individually，
simultaneously or superimposedly. Simulation signal is produced via module of signal generating and all kinds of parameters can be measured via parameter measuring module. Simulation results show the virtual oscilloscope has realized the functions of traditional oscilloscope and performs better in precision and reliability. It has a high manipulability and maintainability. 关键词： 虚拟仪器；示波器；信号发生器；LabVIEW
Key words： virtual instrument；oscilloscope；signal generator；LabVIEW 中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）01-0203-02 0 引言
虚拟仪器（Virtual Instruments，VI）技术是当今计算机辅助测试（CAT）领域的一项重要的新技术。虚拟仪器就是在通用计算机上使用相应软件创建测试仪器，实现“软件即仪器”[1]。在虚拟仪器系统中，软件是仪器的关键，硬件是为了解决信号的输入输出。用户可通过修改软件实现仪器功能的改变。虚拟仪器技术可以将许多信号处理方法应用于测量中，彻底打破了传统仪器的框架[2]。用户可根据自身需求设计个性化仪器系统，以满足多样性需求。
虚拟示波器是虚拟仪器技术的一种典型应用，它首先将现场信号经放大调理后，再通过数据采集卡将其数据传输到计算机，并借助LabVIEW软件模拟示波器的操作面板，实现信号采集、分析处理、显示输出及网络远程监控等功能[3-4]。显然，虚拟示波器是一种非常个性化的测量仪器，它完全可根据某些特定的需要实现其功能。
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本文基于LabVIEW开发平台，开发了多功能虚拟示波器，实现并扩展了传统示波器的功能。由于引入微处理器，虚拟示波器具有较高的测量准确度和较强的数字化处理能力。此外，通过修改程序代码可以自定义其他功能，开发出不同功能的虚拟示波器。 1 虚拟示波器前面板设计
前面板主要包括波形显示、测量、选择和变换区域。对于通道选择区域，用户可以根据自己的需要，通过选项卡实现对CH1通道与CH2通道的选择，从而实现输入信号的参数设置。实验中，有不同频率与幅值的正弦波，三角波等波形供以选择，这有利于观察不同输入信号下的实验结果。针对波形变换区域，我们设置了“Double”和“Add”选项，以丰富示波器的功能。测试中，我们可以实现双通道波形同时显示以及不同波形的叠加。在输入方式模块，设置了 “AC”、“DC”和“GND”三种输入耦合方式选择，以完善示波器波形的显示功能[5]。除此之外，前面板上还提供了针对交流信号几种常用电参数的测量模块，可直接读出所测波形的峰峰值、有效值等多个参数。各种功能的实现都有与之对应的按钮，通过选项卡，枚举下拉列表，滑动杆，仪表等控件完成前面板的设计。
前面板是用户与虚拟示波器交换信息的接口，用户只需在前面板上进行相应的操作，虚拟示波器就能将测试结果反馈给用户，从而避免了繁琐的人工调试中可能产生的误差[6]。此外，设计过程中前面板界面友好且易于操作也十分重要，在设计中我们根据需要实现的功能，合理设计前面板，使界面简洁便于用户操作。其整体布局如图1所示。 2 虚拟示波器软件设计
2.1 软件设计程序框图 软件设计程序框图主要包括以下几个模块：通道选择模块、波形显示及测量模块、触发耦合模块、信号发生模块。其中通道选择模块可以实现双通道波形实时显示，也可以实现双通道同时显示或叠加波形的显示。波形显示及测量模块用来显示各个通道的波形并完成波形参数检测。信号发生模块主要功能是产生仿真波形，即产生方波、正弦波、矩形波以及三角波等信号，并通过虚拟示波器显示。控制面板上每个模块分配了对应的控制区域。前面板在完成一个区域设计后，切换到程序框图窗口，自行生成与前面板控件相对应的图标。然后根据虚拟示波器前面板各控件的作用和联系选择相应的功能模块，对其进行编辑、排版和连接，以实现相应功能。
2.2 示波器功能的实现 示波器功能模块主要包含通道选择模块、波形显示及测量模块和触发耦合模块。
通道选择模块。根据传统双通道示波器原理，本文所设计的虚拟示波器采用条件结构实现“CH1”通道、“CH2”通道、“Double”双通道波形的显示以及“Add”波形的叠加。通过枚举选择、条件结构等几个虚拟仪器共同作用可以实现通道选择功能。
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波形显示及测量模块。示波器主要功能是用于波形的显示与测量，在程序框图中使用条件结构实现不同通道的波形选择。对于双通道波形的显示，可以将两个输出波形进行捆绑并转化为数组在波形图上实时显示。在设计波形叠加的时候，应注意两个通道的采样频率应该一致，可采用“最大值最小值”比较函数，使波形发生器的采样频率为最大采样频率，将两个波形用“加法”、“簇捆绑”以及“簇转换为数组”函数实现波形的叠加[7]。为完善示波器功能，设计时加入了波形测量模块，将产生的信号通过不同形式的检波、计算得出不同电参数的测量结果。其中包括最大值、最小值、峰峰值以及有效值的测量。
输入耦合模块。输入耦合方式的选择是通过滑动杆以及条件结构实现示波器上的“AC”、“GND”和“DC”的选择。其中“AC”表示交流小信号，有滤直流通交流的功能。在设计时用高通滤波器滤去直流成分并显示波形。“GND”为接地方式，设计时分别将通道一和通道二输出的波形乘以数值常量“0”，通过簇捆绑与转换实现接地功能。
2.3 信号发生模块 信号发生模块主要包括波形产生和频率幅值调节两模块，用于产生仿真波形。能产生正弦波、方波、三角波及锯齿波等波形，且波形的频率和幅值可调。
波形产生模块。本次设计添加了波形产生模块，以便较好的实现示波器功能的仿真。为了方便，可利用LabVIEW软件直接产生仿真信号。选择“函数选板”中的“波形产生”函数作为正弦波、方波、三角波及锯齿波的发生器。在程序设计框图中，使用Case结构对四种波形进行选择，使用枚举下拉列表作为Case结构的条件。
频率幅值调节模块。与传统信号发生器界面上的频率选择旋钮一样，在进行频率调节时可预先设定合适的频率档位（如1K、10K等）。这样的设计使得调节更为方便，测量结果更加准确。除此之外，信号发生器不仅能实现简单的幅值调节，还可以通过20dB以及40dB的幅值衰减按钮，实现大幅度衰减。 3 仿真结果
实验中，我们将前面板上CH1通道设置为幅值为10，频率为1的正弦波。将CH2通道设置为占空比为50%，幅值为8，频率为10的方波。将输入触发方式选择在AC档。并将波形变换区域选在“ADD”处，以实现“CH1”通道与“CH2”通道的叠加功能，并对产生波形进行参数测量。实验结果如图2所示。 4 总结
本文设计了基于LabVIEW的双通道虚拟示波器，仿真调试结果表明虚拟示波器可正常显示波形，实现对波形的精确测量及选择变换。
利用LabVIEW图形化编程语言设计出的双通道虚拟示波器，与传统仪器相比，在性能价格比、开发效率、可操作性和可维护性等方面都具有明显优势。既缩短了开发和测试时间，又
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降低了开发成本。此外，也可以通过软件修改自定义其他功能，开发出不同功能的虚拟示波器。
参考文献：
[1]龙志强，赵海龙，罗辉.虚拟仪器测试技术研究[J].仪表技术，2000，3：17-19. [2]程刚，王肖剑.基于LabVIEW的过电压在线检测仪[J].计算机测量与控制，2012，20（3）：845-847.
[3]杨丰萍，姜志玲.基于虚拟仪器技术的示波器的设计[J].华东交通大学学报，2009，26（1）：47-51.
[4]陈昌鑫，靳鸿，冯彦君.数据采集卡和虚拟示波器系统[J]. 仪表技术与传感器，2012，3：67-69.
[5]冯静亚，于强，吕朝晖等．虚拟示波器的软件设计与应用[J]. 计算机工程与设计，2007，28（1）：211-273.
[6]史延龄．虚拟示波器的设计研究[J].仪表技术，2001，3：11-13.
[7]粱海泉，张逸成，杨挺等.基于虚拟仪器平台的多通道示波器设计[J].自动化仪表，2007，28（2）：61-62.
