1、基于 LabVIEW 的信号源和示波器的设计摘要：随着计算机技术与测量仪器技术的结合，促使了一种新的测量仪器虚拟的出现。虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，由个人计算机、仪器硬件及应用软件组成。介绍一种基于 LabVIEW 软件新型低频信号发生器。与传统信号发生器相比，该仪器具有界面友好，动态范围宽、性能稳定、操作简便等特点。PC 上配置声卡即可构成信号发生器，在 LabVIEW 环境中对声卡编程，实现常用周期信号的输出，具有相关参数调整，同步显示功能。利用虚拟仪器平台开发平台 LabVIEW 和声卡设计了虚拟示波器。该示波器不但具有传统示波器的的波形显示控制功能，而且还对传统示波器的功能进行了扩
2、展，实现了波形存储和频率响应等功能。关键字：LabVIEW，虚拟仪器，信号发生器，声卡Design the signal generator and oscilloscope base on LabVIEWAbstract: The combination of computer technology and measure technology make a kind of new measure instruments-virtual instruments. Virtual instruments is a kind of instruments of functional meanin
3、g, it is composed of personal computer, hardware and applied software.This paper presents the design of a new-type low frequency signal generator which based on LabVIEW. In comparison with the traditional signal generator, it has advantages of friendly interface, wide dynamic range, steady performan
4、ce and operation simple. A sound card configured in a PC, its feasible to build a signal generator. By programming sound card in LabVIEW, it implements analog output of general cycle signals, with relevant parameters adjusted and synchronized display. Based on the soft LabVIEW of virtual instrument
5、and sound card, the virtual arbitrary virtualoscilloscope are designed in this thesis. The virtual oscilloscope not only has the functions achieved in traditional scope such as waveform display and control, but also achieves some expanded functions. For example, the waveform can be saved and the fre
6、quency response can be analyzed.Keywords: LabVIEW, Virtual instruments, signal generator, sound card中北大学 2008 届毕业设计说明书第 I 页 共页目 录1 绪论 .11.1 研究背景和课题的提出 .11.2 国内外研究现状 .11.3 课题要研究解决的问题 .22 虚拟仪器 .42.1 虚拟仪器的概念 .42.2 虚拟仪器的主要特点和与传统仪器的比较 .42.3 虚拟仪器的组成 .52.3.1 软件组成 .62.3.2 硬件组成 .62.4 虚拟仪器的分类、应用和发展方向 .62.4.1
7、虚拟仪器的分类 .62.4.2. 虚拟仪器的应用 .82.4.3 虚拟仪器的发展方向 .92.4.4 PXI 模块化仪器平台 .93 虚拟仪器开发平台 LabVIEW.113.1 LabVIEW 简介 .113.2 LabVIEW 的特点 .113.3 LabVIEW 的应用 .113.4 LabVIEW 编程 .123.4.1 前面板简介 .123.4.2 后面板简介 .134 信号源的设计 .154.1 信号源的简介 .154.2 仪器设计的实现 .164.2.1 前面板的设计 .164.2.2 后面板的设计 .185 示波器的设计 .20中北大学 2008 届毕业设计说明书第 II 页
8、共页5.1 示波器简介 .205.2 示波器设计的实现 .205.2.1 设计方案比较 .205.2.2 声卡的工作原理 .215.2.3 声卡的性能指标 .215.2.4 软件模块设计 .236 设计总结 .286.1 全文小结 .286.2 展望 .286.3 结束语 .28致 谢 .30中北大学 2008 届毕业设计说明书第 1 页 共 30 页1 绪论1.1 研究背景和课题的提出20 世纪 80 年美国国家仪器公司首先提出了”软件就是仪器” 这一基于计算机的虚拟仪器概念。虚拟仪器是以计算机的软件和硬件为测试平台，可代替示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等传统测量仪器的一种新型测
9、量仪器。由于性价比,开放性等优势迅速占领了市场，虚拟仪器成为新的经济增长点和发展方向，是计算机技术与仪器技术完美结合的产物，代表了仪器仪表的发展方向。1.2 国内外研究现状虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司（NI 公司）为代表的一批厂商己经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品191。在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯坦福大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。近些年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发软件,供使用者开发绘制测试软件，组建自己的虚拟仪器或测试系统。美
10、国国家仪器公司的LabVIEW 软件是最早和最具影响的开发软件。此软件提供了网络开发工具，利用它可以较容易的实现各种网络通信功能，如：发送包含测控信息的的电子邮件。将文件或数据传送到 FTP 服务器,利用浏览器浏览虚拟仪器，编写 CGI 程序实现服务端操作等。为了降低开发难度,LabVIEW 还提供了远程面板技术。通过具体的配置利用 IE 来控制用 LabVIEW 设计的虚拟仪器程序。当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的 RS232 串行总线、GPBI 通用接口总线、VXI 总线，以及己经被 PC 机广泛采用的 USB 通用串行总线和正EE1394 总线 (即 Firewire，也叫做火
11、线)。世界各国的公司，特别是美国 NI 公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件( 插件 )，可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。美国 NI 公司在1997 年 9 月 1 日推出模块化仪器的主流平台 PXI，这是与 Comnact PCI 完全兼容中北大学 2008 届毕业设计说明书第 2 页 共 30 页的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台 PXI/Comnact PCI 的传输速度己经达到100Mb/s，是目前己经发
12、布的最高传输速度。虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开工具库倒如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函处理、微积分、峰值和阀值检测、波形发生噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等)，使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。而在国内虚拟仪器技术的研究起步于 90 年代中期，至今有多家科研院所，高校从事虚拟仪器技术的研究与产品。己有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，上海复旦大学、上海交通学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。
13、近一、两年来这些学校在有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中理工学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。四川联合大学的师于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将 8 台仪器集成于体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。主要检测发动机的功率特、负荷特性等。一台发动机检测完后，就可打印出完整的检测报告。此外，国内有几家企业在研制 PC 虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一，的产品己达到一定的批量。其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器频率计系列
14、、多通道大容量波形一记录仪系列。国内专家预测:未来的几年内，我将有 50%的仪器为虚拟仪器。国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的试仪器而成为测试仪器的主流。 虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。1.3 课题要研究解决的问题本课题用 LabVIEW 设计基于声卡的低频信号发生器和示波器.要求信号发生器的频率低于 50Hz,能输出正弦波、三角波、方波。要求设计的示波器具有波形显示、频谱分析、波形暂停、波形存储等基本功能。中北大学 2008 届毕业设计说明书第 3 页 共
15、 30 页下面介绍本设计文章章节的分配情况：第一章 绪论介绍了虚拟仪器的背景及国内外的发展现状。第二章 虚拟仪器详细介绍了虚拟仪器。第三章 虚拟仪器的开发平台 LabVIEW详细介绍 LabVIEW 软件特点、应用太其使用。第四章 信号源的设计介绍了如何设计基于 LabVIEW 的虚拟信号发生器。第五章 示波器的设计介绍了如何利用 LabVIEW 来设计一个虚拟的简单示波器。第六章 设计总结整篇论文的总结。中北大学 2008 届毕业设计说明书第 4 页 共 30 页2 虚拟仪器2.1 虚拟仪器的概念随着计算机技术、电子测量技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生着巨大的变化，各种创新的积累使
16、得现代测量仪器的功能和作用发生了质的飞跃。尤其是以计算机为核心的设计思想以及仪器系统与计算机软件技术的紧密结合，导致了仪器的概念发生了突破性的变化，出现了一种全新的仪器概念一一虚拟仪器(Virtual instruments) 。虚拟仪器是基于计算机的仪器，它是在通用计算机上通过软件将计算机资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理、控制能力和仪器硬件的测量能力结合在一起，使得使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台由他自己设计的专用仪器一样。也就是说当仪器硬件平台I/O接口设备与计算机连接好，再编制某种具有测量功能的软件后，计算机就成为具备这种功能的测试仪器。这时通过计算机软
17、件就能实现对数据的显示、存储以及分析处理。总的来说，虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化应用的一种技术。而由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和相应的测试软件组成的模块化仪器系统则称为虚拟仪器系统。2.2 虚拟仪器的主要特点和与传统仪器的比较虚拟仪器是对传统仪器概念的重大突破，具有以下特点:(1)核心思想是软件。虚拟仪器的硬件确定后，它的功能主要是通过软件来实现。软件在虚拟仪器中具有关键的地位，是虚拟仪器的灵魂，并且软件的灵活性和复用性使得用户可以按照自己的需要来定义和设置测量功能，也就是说虚拟仪器使得用户能够自定义仪器功能。而传统仪器的核心是硬件
18、，并且仪器的功能由生产厂家确定，用户不能自己更改仪器功能。(2)具有良好的人机界面。在虚拟仪器中，测量结果是通过软件在计算机屏幕上生成，并且仪器的操作也是通过与传统仪器面板相似的图形界面软面板来实现。因此，用户可以根据自己的爱好，利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，通过编制软件来定义自己所喜爱的面板形式。(3)测量速度快。测量输入信号的多个特性(如电压、频率、上升时间)往往只需要一个数据模块，并且要测量的信号特性能被数据处理器快速计算出来，这种中北大学 2008 届毕业设计说明书第 5 页 共 30 页将多种测试集于一体的方法缩短了测试时间，从而提高了测试速度。(4)有更好的测量准确度。在
19、传统的自动测试系统中，必须把信号连接到每一台仪器上以完成对各种参数的测量。这样，测量往往受电缆长度、阻抗、仪器校准和修正因子差异等影响。而虚拟仪器受这些因素的影响较小，从而进一步提高了测量的准确度。(5)便于扩展。当测试系统需要增加新的测量功能或提高其性能时，用户只需要增加软件来执行新的功能;当需要重新组建测试系统时，可以通过增加或更换一个通用模块来实现，而不用购买一个全新的系统。(6)虚拟仪器具备和其他设备互联的能力。虚拟仪器不仅具备与 VXI 总线等其他总线的接口能力，还可以将虚拟仪器接入网络，如 Internet 等，以实现对现场生产的监控和管理。传统仪器则只可以连接有限的设备。(7)集
20、成和组合性能高。虚拟仪器技术从本质上来说是一个集成的软硬件概念。其各个功能模块都是清晰的模块化组合方式，选择不同的硬件、软件模块，进行不同的组合就可以组建不同的系统，达到不同的目的。(8)技术更新快。由于虚拟仪器技术是建立在当今世界最新的计算机技术、数据采集技术和通信技术基础上，因而技术更新速度快于传统仪器。总的来说，与传统仪器相比，虚拟仪器在各方面都具有明显的优势，能够满足科技高速发展对电子测量技术提出的新要求，也必然会成为电子测量仪器发展的趋势。2.3 虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成主要包括硬件和软件两个基本要素，具体组成如图2.1所示。测控对象GBIB 仪器DAQ 采集卡VXI 仪器PXI
21、 仪器LXI 仪器I/O 接口软件仪器驱动程序计算机应用软件开发环境图形显示操作控制文件管理数据处理图2.1 虚拟仪器的组成中北大学 2008 届毕业设计说明书第 6 页 共 30 页2.3.1 软件组成虚拟仪器系统的软件组成包括I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件开发环境三部分。(1)1/0接口软件I/O接口软件存在于仪器与计算机中的仪器驱动程序之间，是一个对仪器寄存器直接存取数据操作，并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。(2)仪器驱动程序仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序，是连接上层应用程序与底层1/0接口软件的
22、纽带和桥梁。每个仪器模块均有自己的仪器驱动程序。仪器驱动程序的实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集。其内容包括:操作接口、编程接口、功能库和子程序接口等。(3)应用软件开发环境应用软件开发环境将计算机的数据分析和显示功能与仪器驱动器融合在一起，为用户开发虚拟仪器提供了必需的软件工具与环境。目前，可供开发人员选择的虚拟仪器系统应用软件开发环境主要包括两种:基于传统的文本语言式的平台，如 NI 公司的 Lab Windows/CVI、Microsoft 公司的 VisualC+、Borland公司的 Delphi 等;基于图形化编程环境的平台，如 NI 公司的 LabVIEW 和 HP 公司的 HPVEE 等。软件是虚拟仪器技术中最重要的部份，在应用软件开发环境下，使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，就可以高效地创建自己的人机交互界面。2.3.2 硬件组成虚拟仪器的硬件由两部分组成，一部分是计算机硬件，另一部分是仪器硬件。计算机用于管理虚拟仪器的硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础和核心。仪器硬件则是与计算机硬件一起工作，用来采集数据、提供源信号和控制信号。2.4 虚拟仪器的分类、应用和发展方向2.4.1 虚拟仪器的分类测试与测量的发展以测试总线的发展为标志。测试总线从 GPIB 发展到 VXI、PXI，测试仪器也由机架式发展到了插卡式。虽然虚拟仪器更多地强调软件
