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1、基于LabVIEW虚拟示波器的设计摘 要 当今世界信息与计算机技术发展日新月异，软件开发技术更是不可同日而语。在数据采集、实时分析与处理、显示与存储等方面，基于计算机的虚拟仪器技术比传统仪器有着明显的优势。由于传统仪器功能单一且价格长期居高不下，计算机性价比却不断提升，因此虚拟仪器的发展已是大势所趋。美国NI公司率先发起对虚拟仪器的研究与开发，建立了LabVIEW软件开发平台。以计算机为辅助的虚拟仪器技术，推动了传统仪器朝着智能化、数字化、网络化、模块化、人性化的方向发展。本文基于LabVIEW虚拟仪器开发平台，设计虚拟示波器界面，实现数据采集、滤波处理、时域分析、频域分析、波形存储与读取等功
2、能，程序调试、演示设计结果，分析系统性能。关键词 虚拟仪器，虚拟示波器，频域分析，数据采集ABSTRACTIn the contemporary world, information and computer technology develop rapidly with each passing day. The Software Development Technology is quite different, too. Compared with the traditional instrument technology, the virtual instrument technolo
3、gy based on computer has more advantages from the aspects of data acquisition, real-time analysis and processing, display and storage. Because of traditional instruments single function and high price for always and the continuous improvement of computers cost performance, the technology of virtual
4、instrument is irreversible. The NI (National Instrument) took the lead in the technology of virtual instrument research and development, and established the LabVIEW software development platform. The technology of computer-assisted virtual instrument promoted the traditional instruments to the direc
5、tion of intelligent, digitizing, networking, modular and user-friendly. This article, based on LabVIEW virtual instrument development platform, design virtual oscilloscope interface and realize the function of data acquisition, filtering process, time domain analysis, frequency domain analysis, wave
6、form storage and recall, and debug program, illustrate design results, analyze the system performance.KeyWords: Virtual instrument, Virtual oscilloscope, Frequency domain analysis, Data acquisition目 录1绪论11.1前言11.2设计背景与意义11.3国内外现状21.4设计研究方案22.虚拟仪器概述32.1虚拟仪器系统的组成42.2虚拟仪器的构成52.2.1虚拟仪器的硬件系52.2.2虚拟仪器的软件系
7、统52.3虚拟仪器与传统仪器优缺点对比63.LabVIEW的软件概述73.1LabVIEW软件的特点73.2 LabVIEW程序的构成83.3 LabVIEW的操作选板104传统示波器与虚拟示波器134.1传统示波器134.1.1传统示波器工作原理134.1.2传统示波器的分类154.2虚拟示波器154.2.1虚拟示波器的组成结构164.2.2虚拟示波器的性能指标164.2.3传统示波器与虚拟示波器对比175.虚拟示波器的软件设计185.1数据采集模块195.1.1数据采集系统的构成205.1.2采样原理215.2用户登陆界面225.3虚拟示波器主界面245.4滤波模块265.4时域分析与参数
8、测量模块285.5频谱分析模块295.6 波形存储和回放316.虚拟示波器的调试及分析326.1程序调试326.2虚拟示波器数据显示336.3噪声干扰的防止方法377总结与展望387.1总结387.2展望39参考文献40致 谢411绪论1.1前言虚拟仪器是计算机技术与仪器技术完美结合的产物，代表着仪器的发展方向，它实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统；目前这一领域，使用较为广泛的计算机语言和开发环境是美国NI公司的LabVIEW，LabVIEW与虚拟仪器成为测控领域关注的热点技术；它在数据采集(DAQ)、虚拟仪器软件框图(VISA)、通用接口总线(GPIB)及串口仪器控制、图像处理、运动
9、控制、数据分析和图标显示等方面具有强大优势1。1.2设计背景与意义示波器是工程测量中重要测量工具之一，由于大型数字示波器加工工艺复杂、制造水平要求高，目前我国大部分数字示波器主要依赖进口。若用户能够将一些数字信号处理的先进算法应用于虚拟仪器中，通过软件配置实现多功能集成的仪器设计，提供传统台式仪器所不具备的功能，能够满足测试的速度、精度、实时性、数据可信度、完整性以及测试系统的可靠性、智能化、开放性等要求，就能完善传统仪器不具备的功能，给用户带来巨大的经济效益。因此，研制一种结构简单、操作方便、费用低的虚拟示波器是非常必要的。1.3国内外现状随着计算机技术、信息处理技术和电子技术的发展，近年来
10、，出现了基于计算机和软件的新型仪器-虚拟仪器。虚拟仪器是以计算机为核心，功能由用户定义和设计，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现。其中以美国NI公司开发的LabVIEW的软件平台上设计的虚拟示波器较为先进，例如该公司利用LabVIEW的软件设计的多功能虚拟示波器主要由参数测量、频谱分析、加窗和波形显示等模块组成，具有实时采集、波形显示、测量参数、存储、打印的功能。我国在虚拟仪器方面，起步较为缓慢，只是部分院校实验室引进虚拟仪器系统。微型计算机的发展日新月异，不久将来将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。因此，从引进国外先进的仪器技术和产品入手，大力发展虚拟仪器技术，设
11、计具有我国自主知识产权的产品，无论对加快发展电子仪器工业，还是提高工业测试水平都是大有裨益的。1.4设计研究方案(1)开发工具选型LabVIEW(Laboratory VirtualInstrument Engineering Work Bench)是美国国家仪器公司(National Instruments，NI)开发的应用于工业测试测量的集成开发环境，也是工业上广泛使用的一种功能强大的图形化系统设计编程软件2。它的功能包括函数数值运算、数据采集、数据分析、信号生成、信号处理、输入和输出控制，以及图像获取、处理和传输等等。(2)系统设计的基本方案掌握虚拟仪器的软件开发环境LabVIEW，了解
12、虚拟示波器系统的组成及工作原理，利用虚拟仪器LabVIEW软件技术中提供的布尔逻辑量及运算符搭建虚拟示波器系统的各个模块；如：数据采集模块、滤波处理模块、时域分析与测量模块、频谱分析模块、波形存储与显示模块等。各模块之间通过高层功能VI调用一个或多个底层的特殊功能的VI，完成虚拟示波器系统的仿真。本系统可以从虚拟硬件和软件两方面考虑：(1)虚拟硬件设计：主要利用数据采集系统（DAQ），它包括：传感器和变换器、信号调理设备、数据采集卡、驱动程序、硬件配置管理软件。 (2)软件设计：主要采用LabVIEW设计，虚拟仪器的界面开发主要由LabVIEW软件完成，其实现数据的采集、处理、分析等人机交互的
13、界面设计。2.虚拟仪器概述虚拟仪器（VI，Virtual Instrumentation）就是通过应用软件将通用计算机与各种功能的硬件设备（例如数据采集卡、运动控制卡，GPIB控制线缆等）结合起来，用户可通过丰富和易操作的图形界面来操作计算机，对被测试设备进行各种物理量的采集、分析、判断、显示和数据存储等3。 2.1虚拟仪器系统的组成虚拟仪器系统一般分为数据采集、数据分析处理、数据结果显示三大功能，如图2-1所示。插入式DAQGPIB仪器VIX仪器RS-232 信号处理数字滤波统 计分 析网络传输硬复制文件I/O图形用户接口数据采集数据处理与分析数据结果显示 图2-1虚拟仪器的内部功能(1)数
14、据采集：虚拟仪器是由计算机和仪器硬件组成硬件平台，实现对信号的采集、测量、转换与控制。(2)数据分析与处理：虚拟仪器充分利用计算机的存储、运算功能，并通过软件实现对输入数据信号的分析与处理。处理内容包括数字滤波、数据统计、数值分析等。从数据分析上看，虚拟仪器比传统仪器具有更强大的数据分析能力。(3)数据结果显示：虚拟仪器充分利用计算机的资源，如显示器、存储器等，把测量结果进行多种方式的表达与输出，其输出形式包括通过总线网络的远距离数据传输，通过光盘、磁盘的拷贝输出，在硬盘上存储数据以及通过计算机屏幕等图形接口的输出方式。2.2虚拟仪器的构成虚拟仪器通常由硬件和软件两部分组成，包括计算机、应用软
15、件和仪器硬件，计算机及其测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器硬件平台的基础。2.2.1虚拟仪器的硬件系虚拟仪器的硬件系统通常包括通用计算机和外围硬件设备。硬件结构的基本框图如图2-2所示。-测控对象信号调理数据采集卡GPIB接口仪器GPIB接口卡VXI总线仪器串行接口仪器/PLC现场总线设备其他计算机硬件计算机 图2-2硬件结构的基本框图2.2.2虚拟仪器的软件系统虚拟仪器的软件系统从底层到顶层共包括三部分，即VISA(I/O)库、仪器驱动程序与应用软件。(1)VISA库VISA实质是标准的I/O函数库及其相关规范的总称，它驻留在计算机系统之中，起着连接计算机与仪器的作用，来实现对仪器的控制；(2)
16、仪器驱动程序仪器驱动程序是指实现仪器系统控制与通信的软件程序集，是应用程序实现仪器控制的桥梁，应用程序对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的，而仪器驱动程序对于仪器的操作与管理是通过调用VISA库函数来实现的；(3)应用软件应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，该软件建立在仪器驱动程序之上，通过应用程序提供的操作界面及其后台的数据分析与处理功能完成测试任务；虚拟仪器应用软件的编写大致有两类：一类是文本式编程语言，如Visual、Basic、Visual C+、Delphi等，另一类是图形化编程语言，具有代表性的有LabVIEW、HP VEE等4。2.3虚拟仪器与传统仪器优缺点对比虚
17、拟仪器与传统仪器相比，具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，具体差异表格-1所示：虚拟仪器传统仪器开发与维护费用低开发与维护开销高技术更新周期短技术更新周期长软件是关键硬件是关键价格低，可重配置性强价格昂贵仪器功能由用户定义仪器功能由厂商定义开放灵活、同计算机技术发展同步封闭固定与网络及其他设备互联方便仪器系统功能单一，互联有限独立设备技术更新周期短技术更新周期长数据可编辑、存储及打印数据无法编辑 表格-1虚拟仪器与传统仪器对比3.LabVIEW的软件概述LabVIEW（Laborary Virtual Instrument Engineering Workben
18、ch）是一种图形化的编程语言和开发环境，它广泛的被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公认为标准的数据采集和仪器控制软件；LabVIEW不仅提供了与遵从GPIB，VXI，RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的功能，还内置支持TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数，而且其图形化的界面使得设计编程过程变得生动有趣5。3.1LabVIEW软件的特点归纳起来LabVIEW软件开发平台具有以下优点：（1）图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言；（2）提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数；（3）既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同
19、时提供有独到的高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷；（4）32bit的编译器编译生成32bit的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行；（5）囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI/RS-232、485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准就口设备与仪器；（6）提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DLLs(动态连接库)、DDE（共享库）、ActiveX等；（7）强大的Internet功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发6。3.2 LabVIEW程序的构成L
20、abVIEW软件开发平台包括两个部分：前面板和后面板；其中前面板用来显示图形用户界面，而后面板用来实现程序框图。 (1)前面板前面板是VI的面板，这一界面有输入型控件和输出型控件；输入型控件一般包括旋钮、按钮、转盘、数值和字符以及布尔输入控件，用来模拟仪器的输入装置，为VI程序框图提供数据输入。输出型控件一般包括图表、指示灯、数组以及簇等，用来模拟仪器的输出装置，为VI子程序框图获取或者生成数据。LabVIEW的前面板如图3-1所示，图3-1前面板窗口(2)后面板(即程序框图)用户在前面板正确的设计出虚拟仪器的界面，还是不能按照预计的要求实现其相应的功能操作，还需要与之配套的程序框图，以完成与
21、前面板上控件间的数据传递和交换、数据信号的处理、显示及分析等任务。程序框图提供VI的图形化源程序，在其中利用函数、各种结构和连线对VI进行编程，以控制和操纵定义在前面板的输入输出功能。在编写程序时经常需要在前面板和后面板之间切换，可以在前面板通过菜单“窗口”|“显示程序窗口”切换到后面板，在后面板通过菜单“窗口”|“显示前面板”切换到前面板，或者运用快捷键Ctrl+E来轮流切换。LabVIEW的后面板窗口如图3-2所示，图3-2 后面板窗口3.3 LabVIEW的操作选板LabVIEW用户界面主要提供了工具(Tools)选板、函数(Functions)选板、控件(Controls)选板三大类选
22、板，以供用户通过该软件完成前面板和程序框图的设计，最终实现虚拟仪器的设计。 (1)工具(Tools)选板 工具选板提供了各种用于创建、修改、调试VI的工具。在前面板设计窗口或者后面板程序设计窗口菜单中，执行“查看”|“工具选板”命令，即可打开工具选板，工具选板中的每个工具图标都有不同的功能，在操作过程中，用户可以选择合适的工具图标，鼠标单击该工具图标即可对前面板或者程序框图中的对象进行相应的操作和修改。LabVIEW编程过程中正是引用函数节点的大量引用，充分体现了它图形化编程的优越性。LabVIEW的工具(Tools)选板如图3-3所示 图3-3工具选板(2)函数(Functions)选板函数
23、选板只能在后面板程序框图才能打开，函数选板是创建程序框图时用到的对象集合，它包含“编程”、“测量I/O”、“仪器I/O”、“数学”、“信号处理”、“互连接口”等众多子面板。函数选板提供的不同信号处理函数可以很方便的拖放到程序框图设计区，这些函数被称作为节点。用户在调用这些函数节点时候只需要对这些函数节点参数进行简单的设计，可以满足用户信号处理得大部分要求。在后面板程序窗口菜单中，执行“查看”|“函数选板”命令，即可打开函数选板，如图3-4(a)所示；或者在后面板鼠标右键单击即可获得函数选板，如图3-4(b)所示。图3-4(a)菜单打开函数选板 图3-4(b)右键单击打开函数选板(3)控件(Co
24、ntrols)选板控件选板只能通过前面板才能打开，控件选板包括创建前面板所需的输入控件和显示控件，LabVIEW将所有控件分为“新式”、“系统”、“经典”、“Express”等类型，各个类型中包含着众多的子模块。用户可以将设计所需的控件放置到前面板上，类似于实际仪表面板上的各种输入/输出口、按键、旋钮、显示屏等，通过合理布局就能设计出满意的虚拟仪器操作前面板。在前面板菜单中，执行“查看”|“控件选板”命令，即可打开LabVIEW的控件选板，如图3-5(a)所示，或者在前面板的设计窗口中鼠标右键单击，即可弹出控件选板，如图3-5(b)所示，图3-5(a)菜单打开控件选板 图3-5(b)右键单击打
25、开控件选板4传统示波器与虚拟示波器4.1传统示波器示波器是一种能够反映任何两个参数互相关联的X-Y坐标的显示仪器。它可以将被测信号(电量、非电量转化成的电信号)随时间的变化规律，直观形象地用图形表示出来。也可以定量地测量被测信号的一系列参数，如信号的电压、电流、周期、频率、相位、幅度、上升或下降时间、重复周期等。4.1.1传统示波器工作原理在示波器的荧光屏上，显示电压波形的原理如下：被测电压是时间的函数，在直角坐标系统中，可以用的曲线表示；示波器的两副偏转板使电子束在两个互相垂直的方向偏转，这两个方向可以看成是坐标轴；因此，要在管子的荧光屏上显示被测电压的波形，就必须使射线沿水平方向的偏转同时
26、间成正比，而在垂直方向同被测电压成正比（每一瞬间）；所以，锯齿波电压加到水平偏转板上，它迫使射线以恒定的速度从左向右沿水平方向偏转；并且很快的返回到起始位置；射线沿水平轴经过的距离跟时间成正比；被测电压加到垂直偏转板上，因而，每一瞬间射线的位置单值的对应于这一瞬间被测信号的值；在锯齿波电压作用期间，射线就绘出了被测信号的曲线，示波器波形显示原理如图4-1所示， 图4-1示波器波形显示原理图以上图形是锯齿波的重复周期等于输入信号周期整数倍的情况（一倍），荧光屏上显示出的信号图形是稳定不动的，如果不是整数倍，则每次出现的信号波形就不会重合，图形将不断移动，不利于观测，为了保证锯齿波的周期等于输入信
27、号的整数倍，示波器必须具有同步或触发电路7。4.1.2传统示波器的分类传统示波器大致可以分为模拟示波器和数字示波器两大类。(1)模拟示波器模拟示波器一直是测量波形的工具之一，它可以把各种抽象的电信号较为直观地显示出来，易于对信号进行定性的分析。它由垂直偏转系统(主要包括垂直放大)、水平偏转系统(主要包括扫描和水平放大)和显示电路组成。但是模拟示波器只能用来分析和观察重复出现的周期信号，对于慢速信号或偶尔出现的高频信号，难以进行观察和分析，模拟示波器突出的优点是模拟带宽可以做到很高。(2)数字示波器数字示波器是将被测连续模拟信号用A/D转换器变换成离散数字信号，存储于存储器中。最后在示波管上或直
28、接显示在LCD上将模拟波形显示。数字示波器的核心内容是将模拟连续被测信号转换为数字信号，即采样。采样方式可分为实时采样和非实时采样。根据采样的方法不同，数字示波器可以分为实时采样数字存储示波器、随机采样数字存储示波器，顺序采样数字示波器。4.2虚拟示波器虚拟示波器使用功能强大的微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不同的方式(如数据、图形、图表等)表示测量结果，完成各种规模的测量任务。虚拟示波器的功能可以由用户自己定义，但其所能达到的性能指标和系统能力不仅与采集模块的数字化能力有关，而且与其体系结构有关。目
29、前，虚拟仪器的四种体系结构中，在虚拟示波器中应用最多的是PC-DAQ体系。DAQ(Data Acquisition)，即数据采集仪器，它的出现和发展与微型计算机密切相关；DAQ仪器以微型计算机为平台，配以用于测量和测试的数据采集卡及计算机软件(虚拟示波器应用软件)，实现示波器的功能。本文中研究的虚拟示波器即是基于这种体系结构8。4.2.1虚拟示波器的组成结构基于Labview的虚拟示波器主要由支持软件、数据采集卡及PC机构成，其结构如图4-2所示数据采集卡计算机软件程序图4-2虚拟示波器组成结构4.2.2虚拟示波器的性能指标虚拟示波器的性能指标直接关系到示波器的性能好坏，如示波器能测量的频率范
30、围，波形显示的清晰度等，主要由分辨率、精度以及带宽所决定的。(1)分辨率（resolution）就是屏幕显示图像的精度，即显示器显示图像的像素的多少。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多。通常情况下，图像的分辨率越高，所包含的像素就越多，图像就越清晰，印刷的质量也就越好，所以分辨率决定了显示图像的细节的精细程度，是示波器重要的性能指标之一。(2)精度 (Accuracy)是观测结果、计算值或估计值与真值之间的接近程度。在测量中，任何一种测量的精密程度高低都只能是相对的，皆不可能达到绝对精确，总会存在有各种原因导致的误差
31、，为使测量结果准确可靠尽量减少误差，提高测量精度。通常在测量中有基本误差、绝对误差、相对误差、系统误差等等。(3)带宽(Bandwidth) 是指在固定的的时间可传输的资料数量，亦即在传输管道中可以传递数据的能力。示波器的带宽定义为示波器在屏幕上能以不低于真实信号3dB的幅度来显示信号的最高频率。4.2.3传统示波器与虚拟示波器对比虚拟示波器在使用和功能上具有许多优点与传统示波器比较，如表格4-2所示：虚拟示波器传统示波器波形便于存储及打印波形只能用户自己记录测量精度高，适用性强测量精度不高，适用性弱波形均匀稳定，无闪烁，波形稳定度不高，存在闪烁，多窗口多波形显示波形显示个数有硬件设备决定成本
32、低、体积小、便于携带成本高、体积大、不便携带表格-2传统示波器与虚拟示波器有缺对比5.虚拟示波器的软件设计本文关于虚拟示波器的设计参阅双踪台式数字示波器的功能。基于LabVIEW软件所提供的工具选板、函数选板和控件选板搭建虚拟示波器的主界面和程序框图，用以实现波形显示、滤波分析、时域分析、频谱分析、波形存储和读取等功能。运用虚拟信号发生器产生不同频率、幅值和相角的典型波形：正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等。通过虚拟示波器来显示、测量、处理和分析这些波形，来检测虚拟示波器的性能。虚拟示波器的总体流程图如图5-1所示 前面板参数赋值 开 始 数据采集开始 数据读取 采集停止 波形存储与回放 结 束
33、波形显示滤波处理频谱分析时域分析YN 图5-1虚拟示波器总体流程图5.1数据采集模块对于示波器而言数据采集无疑是重要部分，然而由于相应的硬件设备无法完成数据采集模块的具体设计，本文就数据采集系统及采样原理介绍如下：5.1.1数据采集系统的构成基于计算机的数据采集系统由传感器、信号调理、数据采集(DAQ)硬件、个人计算机、软件等基本要素构成。其结构如图5-2所示被测对象传感器信号调理数据采集硬件接口计算机分析软件信号调理数模转换 图5-2数据采集系统的结构(1)传感器传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出的器件或装置，它通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路组成9。常见的传感器
34、有应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器以及光电式传感器等等。对于每种传感器，都是将被监测的物理参数成比例转换成电信号。(2)信号调理信号调理是将外部开关变量信号输入到计算机时经过转换、放大、滤波、保护、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑电平10。通过信号调理之后才能够有效地进行数据采集，以保证测量的精度。信号调理中主要就是放大器，它可以将弱小的电信号放大后提高分辨率和减小噪声。对于常见的测试系统，一般都混入有高频噪声，所以测试系统中一般采用低通滤波器，用于直流、低频交流信号。通过滤波可以去掉被测信号中的噪声信号。被监测系统可能产生瞬时高电压损坏计算机，因此应采
35、用变压器隔离或者光电隔离将传感器信号同计算机隔离开。(3)数据采集硬件数据采集硬件部分的功能包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输出、定时I/O和触发等。模拟量输入通道分为单端和差分两种。单端输入通道有公共信号地，常用于输入信号幅度较大的场合，而差分输入通道，各路输入信号都有自己的参考地电位，有利于消除共模噪声干扰的影响。模拟量输入通道的分辨率是指ADC用于表示模拟信号的二进制位数。ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。数字量I/O常用于实现过程控制、测试系列的生成、与外设进行通信等功能。5.1.2采样原理数据采集最主要的功能之一是将外部模拟信号转化为离散信号传递到计算机中，这一过
36、程被称为采样。采样频率，即每秒采集所得数据个数，对采样过程是一个重要的参数，确定了合适的采样频率，才可能在采集设备允许的性能范围和硬件设备成本下进行正确而可靠的采样；过高的采样频率会增加采样设备的工作负担及软件计算的工作量；而过低的采样频率不足以正确恢复原始信号；采样定理指出，采样频率必须至少是原始信号中所包含最高频率的两倍时，所得的采样信号才能包含原始信号所有频率分量的全部信息，否则从采用信号恢复到原始信号时会发生畸变11。过高的采样频率和过低的采样频率下所得的采样结果如图5-3所示，图5-3过高的采样频率和过低的采样频率的结果5.2用户登陆界面虚拟仪器是一个面向用户的、图形化、易操作的仪器
37、技术，设计者可以灵活的设置仪器系统的界面，以供用户使用，为了使得用户使用时能够安全的保存自己的数据，用户登录界面自然必不可少的。(1)虚拟示波器的登录界面的前面板,如图5-4所示，图5-4虚拟示波器登陆界面如上图所示，主要有两个字符输入控件和一个字符显示控件，两个布尔控件，分别为确认按钮和取消按钮。当输入的姓名和密码均正确时，登录状态显示控件显示为“恭喜你！登录成功”，并且自动跳入主界面；如果输入密码错误，登录状态显示控件则显示为“密码错误，请重新输入”；如果输入用户姓名有误，登录状态显示控件则显示为“用户名输入有误，请重新输入”。若单击“取消”按钮，就会自动退出登录系统。(2)框.图程.序可
38、以分.为两.部分，结.构主.要为.条件.结构即条件，当输入条件为布尔值时，有“真”，或者“假”两种情况；当输入条件为多个变化的值时类似于case结构。当程.序运.行时，在前面板单击.确定或取.消按钮，来控制程序面板的条件结构，便.能够进.入系.统或者退.出系.统。虚拟示波器的登录界面的程序面板如图5-5(a)、5-5(b)、5-5(c)所示，图5-5(a)图5-5(b)图5-5(c)5.3虚拟示波器主界面 Labview前面板用于设置输入数值和观察波形的显示以及参数输出，用于模拟真实示波器的前面板。因此虚拟示波器主界面是虚拟示波器控制软件的核心。设计前面板时，主要考虑界面布局合理美观，操作方便
39、，用户能够简洁的通过前面板中的旋钮和开关来模拟传统示波器的操作，通过鼠标和键盘来控制虚拟示波器。主要有波形显示控件、布尔控件、枚举输入控件、滑动杆控件、数值输入控件(如旋钮)、数值显示控件、字符串显示控件等，完成波形的显示、通道的选择、典型输入波形的选择、参数的控制。滑动杆控件用来控制通道1或者通道2的选择，通道1和通道2 枚举输入控件中包含正弦波、三角波、矩形波、锯齿波可供选择，可以单通道选择不同输入信号，也可以同时打开两个通道，同时显示两个通道的波形，通过参数旋钮可以控制改变波形的幅值、频率、相角；数值显示控件显示波形的频率、幅值、相角等。前面板通过选项卡将滤波处理、时域分析、频谱分析、波
40、形存储与回放等子模块放入其中，上设有各个功能模块按钮，当按下相应按钮时，即可调用该子程序。(1)虚拟示波器的主界面前面板如图5-6(a)所示图5-6(a)虚拟示波器的主界面前面板(2)示波器的主界面程序面板，主要有While循环结构和条件结构组成的，通过前面板操作控制就可以实现控制目的。while循环结构主要由循环框架，条件端口，以及重复端口构成。重复端口初始值为0，每循环一次的递增步长为1。但在LabVIEW中，重复端口的步长和初始值是不会改变的，假如要运用不同的步长和初始值，即可使重复端口显示的数据进行数据运算。 本设计通过滑动杆控件控制通道的选择，条件端口为“0，默认”、“1”、“2”，
41、滑动杆滑到靠左时，打开通道1，靠左时通道1和通道2同时打开，居中时打开通道2，如图5-6(b)、5-6(c)、5-6(d)所示图5-6(b)示波器的通道1打开图5-6(c)示波器的通道2打开图5-6(d)示波器的通道1和通道2同时打开5.4滤波模块一般在工程测量中采集的信号或多或少都有噪声或者其他不需要的信号参杂在其中，需要经过信号滤波才能够在被噪声淹没的信号中提取真正所需要的信号，抑制不需要的干扰信号。LabVIEW中列有各种数字滤波器，如巴特沃斯滤波器、贝塞尔滤波器、等波纹低通滤波器、等波纹高通滤波器、FIR数字滤波器、IIR数字滤波器等，而这些数字滤波器都可以直接调用而不用考虑它的内部设
42、计。IIR数字滤波器IIR数字滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈回路；但是相位特性不好控制，对相位要求较高时，需加相位校准网络。而FIR数字滤波器是有限的单位响应也有利于对数字信号的处理，便于编程。在本设计中采用FIR加窗滤波器，该节点可设置参数是采样频率低通截止频率、高通截止频率、滤波器阶数以及4种滤波器类型(低通、高通、带通和带阻)的选择12。其中低通截止频率的设置必须满足采样定理规则，截止频率不能高于采样频率的一半。数字滤波器即是以数值计算的方法来实现对离散化信号的处理，以减少干扰信号在有用信号中所占的比例，从而改变信号的质量，达到滤波或加工信号的目的。(1)本设计是将将两个通道采集
43、的信号，与高斯白噪声叠加之后，通过FIR加窗滤波器，选择低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波，观察选择不同滤波器时不通滤波效果。滤波模块的前面板如图5-7(a)如图所示， 图5-7(a) 滤波模块的前面板(2)滤波模块的程序面板如图5-7(b)所示图 5-7(b) 滤波模块的程序面板5.4时域分析与参数测量模块信号的时域分析是指在时间域下对信号进行波形变换、缩放、数值微分、积分等各类分析运算，通过对信号按不同时间段进行分析，得出各个阶段的最佳运行状态。自相关函数可以检测信号中是否含有周期成分。如果信号中有周期部分，则自相关函数在很大时都不衰减并具有明显的周期性。不含周期成分的随机信号在稍大时
44、自相关函数就趋近于零。本设计做了自相关系数的测量及信号的直流分量、交流分量、周期平均值、反峰、正峰、峰峰值、均方根等参数测量。(1)虚拟示波器的时域分析及参数测量前面板，如图5-8(a)所示。该面板主要有3个波形图表控件，用来显示原始信号，原始信号与噪声信号的叠加后的波形显示以及作自相关运算之后的波形显示。10个数值显示控件，用来显示波形的参数，如直流分量、交流分量、直流平均值、反峰、正峰、峰峰值、均方根、频率、周期、占空比等参数。图5-8(a) 时域分析及参数测量前面板(2)虚拟示波器的时域分析及参数测量程序面板如图5-8(b)所示。 图5-8(b) 时域分析及参数测量程序面板5.5频谱分析
45、模块单独对信号进行时域分析有时候不能反映信号的全部特征，因此需要对信号频域分析。信号的频域分析是对信号按频率进行分析，频域分析的关键是对数据进行相关的变换。LabVEW的频域分析模板提供了丰富的信号频域分析节点供设计者使用，如傅里叶变换、功率谱分析、联合时频分析、谐波分析等。本设计调用了实数快速傅立叶变换(FFT)作为信号频谱分析的子VI。(1)输入波形频谱分析模块前面板如图4-9(a)所示，该面板主要有3个波形显示控件用来显示原始信号波形、频域相角及频域幅值。一个布尔控件，用来控制该面板的开始。图5-9(a) 频谱分析模块前面板(2) 输入波形的频谱分析模块程序面板如图5-9(b)所示 图5
46、-9(b) 频谱分析模块程序面板5.6 波形存储和回放传统的示波器的数据一般无波形存储功能，而本设计的虚拟示波器使用的软盘或硬盘对波形及相应的数据进行存储，数据不易丢失且携带方便，实现了波形和数据的保存和读取，对波形的事后分析有很大的意义。本设计中的波形存储与读取模块中，按键“存储”控制是否进行波形和数据存储，当按下存储时将会将LabVIE中的数据流存储在Excel表格中；按键“读取”控制是否从数据表格文件中读取波形和数据。枚举型输入控件用来选择典型输入波形，两个文件名输入框，提供存储和读取波形和数据的路径。从软盘或硬盘上读取的数据同实时采集的数据一样，能够进行参数测量、显示波形以及波形打印等相应的操作。(1)波形存储和读取模块的前面板设计如图5-10(a)所示。图5-10(a) 波形存储和读取模块的前面板(2)波形存储和读取模块的程序框图设计如图4-10(b)所示。 图5-10(b)波形存储和读取模块的程序框图6.虚拟示波器的调试及分析6.1程序调试程序调试就是要快速定位问题之所，LabVIEW中探针和断点时最常用的两个工具。具体程序调试方法
