張婧 朱俊 武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430072

虛擬示波器在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

張婧 朱俊 武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430072

應(yīng)用LabVIEW軟件及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)計出適用于物理實驗教學(xué)的雙通道虛擬示波器。它具有程序可調(diào)倍率的輸入放大功能，還可實現(xiàn)遠程控制。與常用示波器不同，該示波器的諸多按鍵與旋鈕，如觸發(fā)電平等，都需要經(jīng)過適當?shù)恼{(diào)整后才能得到正確的測試結(jié)果，從而克服了真實示波器由于設(shè)置相對固定等不利于實驗教學(xué)的弊端。

實驗教學(xué)；虛擬示波器；LabVIEW

引言

示波器是最常用的測量儀器之一，也是當前理工科大學(xué)生必須熟練掌握的儀器[1]。目前，應(yīng)用于實驗教學(xué)的通用示波器功能單一，設(shè)置相對固定，維護升級成本高。在長期的實驗教學(xué)中，我們深深感到這種設(shè)置相對固定的示波器，雖然有利于科研測量，但卻不利于實驗教學(xué)[2]。

隨著計算機、信息技術(shù)等的發(fā)展，出現(xiàn)了一種基于計算機，加上少量外設(shè)的新型儀器——虛擬儀器。近十幾年來，有大量的文獻從各個不同的角度闡述了虛擬儀器的特點，尤其是關(guān)于虛擬示波器的文獻層出不窮。然而，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到示波器等實驗教學(xué)中的文獻并不多見，有實用教學(xué)意義的虛擬示波器還未見到。虛擬示波器能克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的許多弊端，充分發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)的遠程控制技術(shù)優(yōu)勢，使學(xué)生更容易了解示波器的工作原理，并且能方便地進行考核。也就是說，虛擬示波器的使用能夠提高實驗教學(xué)的質(zhì)量。本文將在示波器實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上設(shè)計一種實用的雙通道虛擬示波器。

1 示波器與虛擬儀器技術(shù)的簡介

示波器是一種能顯示各種電信號周期性變化的電子測量儀器。它通常可用來測量交流信號的幅度、周期、相位差等波形參數(shù)，也可測量直流電壓信號。眾所周知，示波器的顯示是一個光點重復(fù)掃描過程。只有在“觸發(fā)”作用下，強迫掃描周期與被測信號的周期保持一致，才能在示波器上得到穩(wěn)定的波形。而對“觸發(fā)”等相關(guān)概念的理解一直是示波器教學(xué)中的難點。

虛擬儀器技術(shù)是以通用計算機為核心，并根據(jù)用戶對儀器的設(shè)計來定義的。它是用軟件實現(xiàn)虛擬控制面板和測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。它主要通過硬件及軟件系統(tǒng)來完成所需的測量過程。虛擬示波器[3]是虛擬儀器技術(shù)的一種典型的應(yīng)用，它首先將現(xiàn)場信號經(jīng)放大調(diào)理后，再通過數(shù)據(jù)采集卡將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，并借助LabVIEW軟件模擬示波器的操作面板，實現(xiàn)信號采集、分析處理、再顯示，及網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控等功能。顯然，虛擬示波器是一種非常個性化的測量儀器，它完全可根據(jù)某些特定的需要實現(xiàn)其功能。

2 虛擬示波器的設(shè)計

虛擬示波器的設(shè)計包括硬件和軟件兩方面的設(shè)計[4,5]。其中硬件設(shè)計是虛擬示波器的基礎(chǔ)，它主要實現(xiàn)待測信號放大、采集與傳輸功能。硬件設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計框圖

雖然數(shù)據(jù)采集卡NI USB-6009有多個模擬輸入端口，但考慮到采樣率及兩采樣端口的隔離性，在設(shè)計過程中，我們?nèi)圆捎脙蓚€NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡分別與計算機的兩個USB插槽相接。在NI USB-6009之前，還有譯碼電路及可調(diào)倍率的放大電路。通過調(diào)節(jié)虛擬示波器的Y軸衰減擋，NI USB-6009的邏輯輸出端口及譯碼驅(qū)動電路的選擇，可分別對兩個通道(A通道和B通道)進行獨立控制，使得被測電路的信號經(jīng)適當?shù)姆糯蠛?，輸入到?shù)據(jù)采集卡上的10V電壓對應(yīng)為顯示的滿程(在校準狀態(tài)下)，以確保顯示與測量的精度。目前，其譯碼電路及運算放大電路仍采用外部電源供電，每通道的放大電路仍為一獨立放大電路，并通過繼電器來選擇所需要的倍率。

圖2 虛擬示波器的前面板

虛擬示波器的軟件設(shè)計是用來實現(xiàn)示波器的相關(guān)功能，它包括前面板的設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、波形顯示調(diào)節(jié)、波形參數(shù)測量、網(wǎng)絡(luò)遠程控制、復(fù)位等。前面板為學(xué)生與虛擬示波器接口提供了一個友好的界面。設(shè)計前面板時既要符合真實儀器的風(fēng)格習(xí)慣，又要利用LabVIEW平臺的各種優(yōu)勢通過使用鼠標對控制面板上的旋鈕(或按鍵)進行操作，實現(xiàn)對虛擬示波器的控制。該虛擬示波器的前面板如圖2所示，它可以分別顯示和測量兩個通道的信號波形。

虛擬示波器總框圖程序中有很多模塊，它主要包括數(shù)據(jù)采集、通道選擇、觸發(fā)選擇、觸發(fā)電平、Y軸衰減與微調(diào)、掃描范圍調(diào)節(jié)與微調(diào)、網(wǎng)絡(luò)遠程控制、模擬信號輸出等模塊。在前面板的左下角有個數(shù)據(jù)采集按鍵，它用來選擇采集通道中的真實信號還是采集機內(nèi)的仿真信號。在其上面有兩個通道選擇的按鍵，既可單獨采集A或B通道的信號，也可同時采集A和B通道的信號。在控制面板的右上部分有觸發(fā)選擇的按鍵，它包括電源觸發(fā)、內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)。其觸發(fā)原理在于采樣信號的上升沿(或下降沿)與觸發(fā)電平相比較后產(chǎn)生一個邏輯“觸發(fā)”信號，去驅(qū)動X軸掃描。這樣，示波器每刷新一次，把滿足觸發(fā)條件的點都放在屏幕的相同位置，那么屏幕上就能顯示穩(wěn)定同步的波形。反之，如果觸發(fā)電平在所顯示的波形之外，波形就無法穩(wěn)定。因而，只有按了“內(nèi)觸發(fā)”鍵，且對“觸發(fā)電平”進行調(diào)節(jié)，才能使波形穩(wěn)定。為了使學(xué)生在使用時必須調(diào)節(jié)“觸發(fā)電平”，程序中設(shè)置了某一觸發(fā)電平(且為初始值)為空值，使其解讀時變成無窮大。只有當調(diào)節(jié)“觸發(fā)電平”而改變其初始值后波形才有可能穩(wěn)定。

在控制面板的中部，通過通道選擇可以分別顯示各個通道的波形，也可顯示兩個通道的波形之和。對于“Y軸衰減”檔及“掃描范圍”檔而言，為了更直觀地顯現(xiàn)出其量程，我們用相應(yīng)的字符串顯示其標度；與此同時，通過DAQ助手輸出相應(yīng)的數(shù)字值，以驅(qū)動譯碼電路進行放大倍率的選擇，“Y軸衰減”的部分程序如圖3所示。

圖3 衰減顯示與放大選擇值輸出框圖

在設(shè)計該虛擬示波器時，我們特別注重了所有旋鈕(或按鍵)初始值的設(shè)置，以確保每位學(xué)生擁有相同的實驗操作環(huán)境。如該程序運行初始時，觸發(fā)源選擇為電源觸發(fā)，兩個Y軸衰減擋都為5V/div，掃描范圍為0.5?S/div，兩個衰減微調(diào)和掃描微調(diào)都置3(非校準狀態(tài))，兩個通道的中心位置都為0，當前采集信號為仿真信號等。

3 虛擬示波器在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

該虛擬示波器的優(yōu)勢在物理實驗教學(xué)中能得到充分的體現(xiàn)，它有目的地讓學(xué)生理解觸發(fā)同步等示波器的相關(guān)原理，加深操作印象[6]。其具體步驟為：在計算機上打開虛擬示波器的應(yīng)用程序，學(xué)生可看到雙通道虛擬示波器的界面，如圖2所示。點擊面板右側(cè)的“開始”按鍵，選擇輸入通道，在面板的顯示屏上即出現(xiàn)所測波形曲線(或模擬波形)。為了得到穩(wěn)定的波形，需要點擊“內(nèi)觸發(fā)”，同時還要選擇觸發(fā)輸入通道，調(diào)節(jié)“觸發(fā)電平”，這樣才能使其同步。通過對“觸發(fā)電平”等多項的調(diào)節(jié)，可得到不同的波形。例如，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)電平，可以在示波器上觀察到模擬的正弦波形的起始點的變化(也可看做正弦波的平移)，表現(xiàn)為觸發(fā)電平的變化導(dǎo)致正弦波形的變化。

除了可在現(xiàn)場操作外，還可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸與遠程控制。將虛擬示波器應(yīng)用軟件的前面板嵌入Web瀏覽器頁面中，其對客戶端計算機要求很低，只需從服務(wù)端得到URL地址，而不需安裝相關(guān)的虛擬軟件，便可直接觀察和控制虛擬示波器的運行。由于基于LabVIEW的虛擬示波器在以Web瀏覽器的發(fā)送方式是一對一的，即在服務(wù)器計算機上打開一個虛擬示波器程序?qū)?yīng)于一個學(xué)生客戶端的使用；所以，如果現(xiàn)場外只有一個學(xué)生客戶提出要求，則我們運行帶雙采集卡的虛擬示波器程序；如果現(xiàn)場外有兩個客戶提出要求，那么我們就在服務(wù)器上分別運行兩個帶單采集卡的雙通道虛擬示波器程序；如果現(xiàn)場外有兩個以上客戶提出要求，雖然，可以在服務(wù)器端計算機(假定運算速度足夠快)上打開多個虛擬示波器應(yīng)用程序，以便更多的學(xué)生同時控制和操作各自的虛擬示波器，加深學(xué)習(xí)印象，但是，這時我們必須對有些客戶提供只能顯示仿真信號的虛擬示波器(即在該虛擬示波器程序中不含DAQ助手)。

4 結(jié)論

本文通過設(shè)計雙通道虛擬示波器，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到物理實驗教學(xué)，不僅降低了實驗教學(xué)的成本，并且有利于提升實驗的綜合特性，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，表現(xiàn)出良好的教學(xué)效果。在虛擬示波器的程序設(shè)計后，經(jīng)過多次反復(fù)修改和試運行，在實驗教學(xué)中表現(xiàn)出一定的實用價值。在此基礎(chǔ)上，我們還引入了一些模擬信號與幫助說明。與一般的示波器相比，虛擬示波器還能充分發(fā)揮微機強大的功能和軟件設(shè)計的靈活性，有其獨特的優(yōu)點，該儀器不會重復(fù)原正確的實驗設(shè)置，從而克服了每次實驗后示波器上各個旋鈕和按鍵都還處于實驗結(jié)果狀態(tài)的弊端。由于每次打開此程序時都處于初始默認的狀態(tài)，對于前面學(xué)生的操作結(jié)果都已清除，這樣為每個學(xué)生提供一個良好的初始實驗環(huán)境，同時減少了實驗老師的工作量。虛擬儀器技術(shù)必將成為未來教學(xué)的重要方法。

面向?qū)嶒灲虒W(xué)的虛擬示波器是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，而讓學(xué)生了解“觸發(fā)”等相關(guān)功能只是其中一個重要的組成部分。如何運用虛擬示波器讓學(xué)生全面地掌握真實示波器的工作原理，以及有效地監(jiān)控學(xué)生的操作，例如，對正弦波周期與幅值的測量判定，還有很多工作需要做。

[1] 林占江. 電子測試儀器原理與使用[M].北京:電子工業(yè)出版社.2006

[2] 李旭華.虛擬技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報.2008，30（2）：96

[3] 陳永明，王紅超，黃元慶，等.基于LabVIEW的虛擬示波器[J].國外電子測量技術(shù).2006，25（4）：65～67

[4] 王莉，楊鵬. 基于LabVIEW的虛擬示波器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索.2010,29(1):62～64

[5] 張玉生，高繼賢，李曉媛. 虛擬示波器的設(shè)計[J]. 中國科技信息.2007（4）：81～82

[6] 鄧耀華，湯秀春，吳黎明.多功能虛擬示波器教學(xué)實驗平臺設(shè)計與課程教學(xué)改革的思考[J].中國現(xiàn)代教育裝備.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

湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項目“LabVIEW仿真物理實驗平臺的建設(shè)及在實驗教學(xué)中的應(yīng)用”(批準號：2008012)

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.188

張婧（1987-），女，江西宜春人，武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究虛擬儀器的應(yīng)用與設(shè)計。