虚拟示波器在物理实验教学中的应用

张婧 朱俊 武汉大学物理科学与技术学院，湖北 武汉 430072

虚拟示波器在物理实验教学中的应用

张婧 朱俊 武汉大学物理科学与技术学院，湖北 武汉 430072

应用LabVIEW软件及相应的数据采集系统，设计出适用于物理实验教学的双通道虚拟示波器。它具有程序可调倍率的输入放大功能，还可实现远程控制。与常用示波器不同，该示波器的诸多按键与旋钮，如触发电平等，都需要经过适当的调整后才能得到正确的测试结果，从而克服了真实示波器由于设置相对固定等不利于实验教学的弊端。

实验教学；虚拟示波器；LabVIEW

引言

示波器是最常用的测量仪器之一，也是当前理工科大学生必须熟练掌握的仪器[1]。目前，应用于实验教学的通用示波器功能单一，设置相对固定，维护升级成本高。在长期的实验教学中，我们深深感到这种设置相对固定的示波器，虽然有利于科研测量，但却不利于实验教学[2]。

随着计算机、信息技术等的发展，出现了一种基于计算机，加上少量外设的新型仪器——虚拟仪器。近十几年来，有大量的文献从各个不同的角度阐述了虚拟仪器的特点，尤其是关于虚拟示波器的文献层出不穷。然而，将虚拟仪器技术应用到示波器等实验教学中的文献并不多见，有实用教学意义的虚拟示波器还未见到。虚拟示波器能克服传统实验教学中的许多弊端，充分发挥了网络的远程控制技术优势，使学生更容易了解示波器的工作原理，并且能方便地进行考核。也就是说，虚拟示波器的使用能够提高实验教学的质量。本文将在示波器实验教学的基础上设计一种实用的双通道虚拟示波器。

1 示波器与虚拟仪器技术的简介

示波器是一种能显示各种电信号周期性变化的电子测量仪器。它通常可用来测量交流信号的幅度、周期、相位差等波形参数，也可测量直流电压信号。众所周知，示波器的显示是一个光点重复扫描过程。只有在“触发”作用下，强迫扫描周期与被测信号的周期保持一致，才能在示波器上得到稳定的波形。而对“触发”等相关概念的理解一直是示波器教学中的难点。

虚拟仪器技术是以通用计算机为核心，并根据用户对仪器的设计来定义的。它是用软件实现虚拟控制面板和测试功能的一种计算机仪器系统。它主要通过硬件及软件系统来完成所需的测量过程。虚拟示波器[3]是虚拟仪器技术的一种典型的应用，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、再显示，及网络远程监控等功能。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。

2 虚拟示波器的设计

虚拟示波器的设计包括硬件和软件两方面的设计[4,5]。其中硬件设计是虚拟示波器的基础，它主要实现待测信号放大、采集与传输功能。硬件设计框图如图1所示。

图1 硬件设计框图

虽然数据采集卡NI USB-6009有多个模拟输入端口，但考虑到采样率及两采样端口的隔离性，在设计过程中，我们仍采用两个NI USB-6009数据采集卡分别与计算机的两个USB插槽相接。在NI USB-6009之前，还有译码电路及可调倍率的放大电路。通过调节虚拟示波器的Y轴衰减挡，NI USB-6009的逻辑输出端口及译码驱动电路的选择，可分别对两个通道(A通道和B通道)进行独立控制，使得被测电路的信号经适当的放大后，输入到数据采集卡上的10V电压对应为显示的满程(在校准状态下)，以确保显示与测量的精度。目前，其译码电路及运算放大电路仍采用外部电源供电，每通道的放大电路仍为一独立放大电路，并通过继电器来选择所需要的倍率。

图2 虚拟示波器的前面板

虚拟示波器的软件设计是用来实现示波器的相关功能，它包括前面板的设计、数据采集、波形显示调节、波形参数测量、网络远程控制、复位等。前面板为学生与虚拟示波器接口提供了一个友好的界面。设计前面板时既要符合真实仪器的风格习惯，又要利用LabVIEW平台的各种优势通过使用鼠标对控制面板上的旋钮(或按键)进行操作，实现对虚拟示波器的控制。该虚拟示波器的前面板如图2所示，它可以分别显示和测量两个通道的信号波形。

虚拟示波器总框图程序中有很多模块，它主要包括数据采集、通道选择、触发选择、触发电平、Y轴衰减与微调、扫描范围调节与微调、网络远程控制、模拟信号输出等模块。在前面板的左下角有个数据采集按键，它用来选择采集通道中的真实信号还是采集机内的仿真信号。在其上面有两个通道选择的按键，既可单独采集A或B通道的信号，也可同时采集A和B通道的信号。在控制面板的右上部分有触发选择的按键，它包括电源触发、内触发和外触发。其触发原理在于采样信号的上升沿(或下降沿)与触发电平相比较后产生一个逻辑“触发”信号，去驱动X轴扫描。这样，示波器每刷新一次，把满足触发条件的点都放在屏幕的相同位置，那么屏幕上就能显示稳定同步的波形。反之，如果触发电平在所显示的波形之外，波形就无法稳定。因而，只有按了“内触发”键，且对“触发电平”进行调节，才能使波形稳定。为了使学生在使用时必须调节“触发电平”，程序中设置了某一触发电平(且为初始值)为空值，使其解读时变成无穷大。只有当调节“触发电平”而改变其初始值后波形才有可能稳定。

在控制面板的中部，通过通道选择可以分别显示各个通道的波形，也可显示两个通道的波形之和。对于“Y轴衰减”档及“扫描范围”档而言，为了更直观地显现出其量程，我们用相应的字符串显示其标度；与此同时，通过DAQ助手输出相应的数字值，以驱动译码电路进行放大倍率的选择，“Y轴衰减”的部分程序如图3所示。

图3 衰减显示与放大选择值输出框图

在设计该虚拟示波器时，我们特别注重了所有旋钮(或按键)初始值的设置，以确保每位学生拥有相同的实验操作环境。如该程序运行初始时，触发源选择为电源触发，两个Y轴衰减挡都为5V/div，扫描范围为0.5?S/div，两个衰减微调和扫描微调都置3(非校准状态)，两个通道的中心位置都为0，当前采集信号为仿真信号等。

3 虚拟示波器在实验教学中的应用

该虚拟示波器的优势在物理实验教学中能得到充分的体现，它有目的地让学生理解触发同步等示波器的相关原理，加深操作印象[6]。其具体步骤为：在计算机上打开虚拟示波器的应用程序，学生可看到双通道虚拟示波器的界面，如图2所示。点击面板右侧的“开始”按键，选择输入通道，在面板的显示屏上即出现所测波形曲线(或模拟波形)。为了得到稳定的波形，需要点击“内触发”，同时还要选择触发输入通道，调节“触发电平”，这样才能使其同步。通过对“触发电平”等多项的调节，可得到不同的波形。例如，通过调节触发电平，可以在示波器上观察到模拟的正弦波形的起始点的变化(也可看做正弦波的平移)，表现为触发电平的变化导致正弦波形的变化。

除了可在现场操作外，还可实现网络传输与远程控制。将虚拟示波器应用软件的前面板嵌入Web浏览器页面中，其对客户端计算机要求很低，只需从服务端得到URL地址，而不需安装相关的虚拟软件，便可直接观察和控制虚拟示波器的运行。由于基于LabVIEW的虚拟示波器在以Web浏览器的发送方式是一对一的，即在服务器计算机上打开一个虚拟示波器程序对应于一个学生客户端的使用；所以，如果现场外只有一个学生客户提出要求，则我们运行带双采集卡的虚拟示波器程序；如果现场外有两个客户提出要求，那么我们就在服务器上分别运行两个带单采集卡的双通道虚拟示波器程序；如果现场外有两个以上客户提出要求，虽然，可以在服务器端计算机(假定运算速度足够快)上打开多个虚拟示波器应用程序，以便更多的学生同时控制和操作各自的虚拟示波器，加深学习印象，但是，这时我们必须对有些客户提供只能显示仿真信号的虚拟示波器(即在该虚拟示波器程序中不含DAQ助手)。

4 结论

本文通过设计双通道虚拟示波器，将虚拟仪器技术应用到物理实验教学，不仅降低了实验教学的成本，并且有利于提升实验的综合特性，极大地提高了学生的学习兴趣，表现出良好的教学效果。在虚拟示波器的程序设计后，经过多次反复修改和试运行，在实验教学中表现出一定的实用价值。在此基础上，我们还引入了一些模拟信号与帮助说明。与一般的示波器相比，虚拟示波器还能充分发挥微机强大的功能和软件设计的灵活性，有其独特的优点，该仪器不会重复原正确的实验设置，从而克服了每次实验后示波器上各个旋钮和按键都还处于实验结果状态的弊端。由于每次打开此程序时都处于初始默认的状态，对于前面学生的操作结果都已清除，这样为每个学生提供一个良好的初始实验环境，同时减少了实验老师的工作量。虚拟仪器技术必将成为未来教学的重要方法。

面向实验教学的虚拟示波器是一个复杂的系统，而让学生了解“触发”等相关功能只是其中一个重要的组成部分。如何运用虚拟示波器让学生全面地掌握真实示波器的工作原理，以及有效地监控学生的操作，例如，对正弦波周期与幅值的测量判定，还有很多工作需要做。

[1] 林占江. 电子测试仪器原理与使用[M].北京:电子工业出版社.2006

[2] 李旭华.虚拟技术在实践教学中的应用研究[J].电气电子教学学报.2008，30（2）：96

[3] 陈永明，王红超，黄元庆，等.基于LabVIEW的虚拟示波器[J].国外电子测量技术.2006，25（4）：65～67

[4] 王莉，杨鹏. 基于LabVIEW的虚拟示波器的设计与实现[J].实验室研究与探索.2010,29(1):62～64

[5] 张玉生，高继贤，李晓媛. 虚拟示波器的设计[J]. 中国科技信息.2007（4）：81～82

[6] 邓耀华，汤秀春，吴黎明.多功能虚拟示波器教学实验平台设计与课程教学改革的思考[J].中国现代教育装备.2010，28（9）：50～53

The application of the virtual oscilloscope in the teaching of physics experiment

Zhang Jing Zhu Jun School of Physics and Technology, Wuhan University, Wuhan, Hubei, 430072

Based on the LabVIEW software as well as DAQ we schemed out a general virtual oscilloscope wit two channels for the teaching of physics experiment The virtual oscilloscope had an input amplifying function of the program adjustable ratio, and a function that was controlled remotely. Compared with real oscilloscope, the main measuremen parameters of the virtual oscilloscope, such a trigger level etc, were required to adjust properly in order to get the correct results. Thus, w overcame the disadvantage of relatively fixed settings in the real oscilloscope in the experiment teaching.

experiment teaching; virtual oscilloscope; LabVIEW,h.tses

TP311

湖北省高等学校省级教学研究项目“LabVIEW仿真物理实验平台的建设及在实验教学中的应用”(批准号：2008012)

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.188

张婧（1987-），女，江西宜春人，武汉大学物理科学与技术学院在读硕士研究生，主要研究虚拟仪器的应用与设计。