基于LabVIEW的虚拟示波器的仿真设计

徐国鑫

（陆军炮兵防控兵学院士官学校基础部，辽宁沈阳 110867）

示波器作为高校实验室中不可缺少的电子测试实验仪器之一，无论是实验室中使用的模拟示波器还是数字示波器在教学上都存在着一些限制因素，采用虚拟示波器与实验室中的示波器进行结合能够在教学上发挥重要作用。因此，本文设计一种能够实现实验室教学使用的虚拟示波器系统，采用图形化编程设计软件LabVIEW 与PCI8532采集卡软硬件载体，实现示波器具有数据采集与控制、波形输出显示、数据处理与数据存储功能。通过实验验证，设计的虚拟示波器具有更加灵活、高效、经济、可扩展性强等优势。能够满足实验室日常教学使用。

1 虚拟示波器系统设计

1.1 系统硬件选择

数据采集卡是虚拟示波器系统的核心部件，该部分主要完成外部信号的采集，将其转化为计算机可识别处理的数字信号。结合设计的虚拟示波器系统使用要求，采用的采集卡为PCI8532高速采集卡。

1.2 虚拟示波器的整体设计方案

设计的虚拟示波器系统具备传统示波器的功能，兼顾计算机及虚拟示波器优势。工作具体流程阐述为：首先，设计的虚拟示波器选择合适采样频率、通道号、触发方式等数据；其次，进行数据采集、数据传输，通过调用程序实现波形显示、参数测量等功能；最后，采集停止后，能够实现对波形以文件形式存储至指定的空间，并通过程序实现存储波形的调出，方便对波形的分析与处理。

1.3 人机交互界面设计

人机交互界面是用户和虚拟示波器的交互窗口，通过人机交互界面的图标实现对虚拟示波器的控制。通过在人机交互界面使用LabVIEW 提供图形按键、旋钮等对示波器进行操作。人机交互界面主要分为：调控区域、显示区域、数据处理区域三部分。调控区域主要是控制采样参数；显示区主要是显示波形；数据处理区域对输入波形分析、变换和处理操作。具体的交互界面如图1所示。

图1 人机交互界面

1.4 虚拟示波器主要模块的设计

1.4.1 数据采集模块设计

数据采集模块是虚拟示波器系统的核心，主要实现采集数据及通道选择、触发控制、时基控制等。触发方式通常选择的是软件触发；通道选择主要是选择单、双通道采集和显示。

图2 数据采集程序框图

数据采集模块采用PCI8532高速采集卡与LabVIEW 图形化编程语言实现数据通信和采集，数据采集程序框图如图2所示。

1.4.2 数据处理模块设计

（1）波形显示模块设计

波形显示模块包括：波形显示区、横纵坐标轴、图例等。波形显示界面设计中X 坐标被定义为时间，Y 坐标被定义为幅值。通过幅值控制旋钮和时基控制旋转分别来动态控制Y轴量程和X 轴量程。

（2）参数测量模块设计

参数测量模块功能实现采用LabVIEW 函数VI。测量参数的配置框图如图3所示，参数测量程序框图如图4所示。

图3 参数配置

图4 参数测量

图5 读取二进制数据程序框图

（3）数据存取模块设计

设计的数据存储模块文件类型是二进制文件（dat）。使用时，只需对文件路径、字节顺序设置即可。当按下保存按钮时，程序判断当前信号的采集卡通道，保存在设定的目录下。当按下导出按键时，即可响应波形数据存储任务，实现导出在波形显示界面上，程序设计如图5所示。

2 虚拟示波器的性能分析及系统调试

2.1 系统调试

在实现设计后，需要对传输的数据进行采集、数据传输、波形显示、参数测量、滤波、频谱分析、波形存储和导出几个方面进行测试示波器预定设计功能。

2.2 系统功能测试

2.2.1 数据采集验证

利用实验室中已有信号发生器输出一个1 kHz，峰峰值5 V的正弦信号。在虚拟示波器的人机交互界面中观察到采集波形如图6，则证明本文设计的虚拟示波器可以采集到外部信号。

图6 虚拟示波器波形

2.2.2 波形精度测量

表1 幅值的真实值与测量值

为了验证示波器测量精度性能，采用函数发生器产生模拟波形进行测量，通过幅值旋钮和频率旋钮添加数值现实控件，设置数据精度为四位浮点型数据，以实现验证精度，经测量频率值与函数发生器一致，幅值存在误差，随机抽测10组数据见表1。

计算最大误差时，采用10组数据中误差较大的一组数据（最后一组）进行计算，因此计算相对误差为：

5.0000-4.9505＝0.0459

0.0459/5.0000×100%＝0.99%

因此设计的虚拟示波器的误差在5%以内，能够满足实验教学使用。

2.2.3 分度调节验证

通过调节人机界面中的水平及分度调节旋钮，波形图中的X 轴和Y 轴的最大幅值随之改变，因此分度调节功能模块正常。

2.2.4 存储功能验证

波形存储的结果显示如图7所示。

图7 示波器导出波形显示

3 结束语

虚拟示波器利用计算机来完成对信号的一系列处理，前面板设计美观，能完成基本的示波器功能，主要有以下优点：

（1）功能多。在进行模拟信号演示时，本示波器资源是现成的，不需要接线，可以节约大量的时间。参数测量是自动的，直接进行测量，数据直观，不需要用户在实验结束后在进行数据整理而浪费时间。波形和图片可以进行存储，以便日后再次研究。

（2）成本低。以计算机为基础，计算机价格较传统示波器低，且可根据实际需要再拓展示波器的功能，成本较低。

（3）软件升级方便。可通过下载更高版本的软件进行升级，操作简单快捷。