趙業(yè)佳，文曉剛，應(yīng)宇佳，李燕玲，葛西洋

（嘉興南湖學(xué)院，浙江嘉興，314001）

0 引言

示波器在教育教學(xué)、科研軍事、電子設(shè)備生產(chǎn)等電子電工領(lǐng)域是最基礎(chǔ)，最不可或缺的測量儀器。傳統(tǒng)的數(shù)字模擬示波器失真比較大，且采樣率種類有限，對復(fù)雜信號的處理能力較差，在使用過程中容易出現(xiàn)測量誤差[1,2]，因此出現(xiàn)了虛擬示波器。虛擬示波器主要是利用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)硬件，并且與高效、通用的軟件相結(jié)合，從而進(jìn)行各種各樣的測試、測量和自動化應(yīng)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的分析和處理。與此同時(shí)，如果將計(jì)算機(jī)軟件、標(biāo)準(zhǔn)化的I/O硬件以及用于集成的計(jì)算機(jī)軟件和硬件平臺這三個(gè)部分有效結(jié)合，那么虛擬儀器技術(shù)就能將高性能、可拓展性、低開發(fā)期限以及出色的集成等優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮的淋漓盡致[3]。

1 虛擬儀器及LabVIEW軟件簡介

1.1 虛擬儀器概述

虛擬儀器技術(shù)指的是利用先進(jìn)的模塊化軟硬件，并結(jié)合高效靈活的應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。通過軟件可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)界面的建立，利用硬件能夠完成系統(tǒng)的集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺能滿足不同的需求[4]。

相較于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器具有較大的優(yōu)勢。

表1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器區(qū)別

對硬件需求較高 軟件為核心開發(fā)維護(hù)費(fèi)用高周期長 開發(fā)維護(hù)便利系統(tǒng)封閉，可擴(kuò)展性差 多種多樣的模塊構(gòu)成儀器，多元化

1.2 LabVIEW概述及編程環(huán)境

LabVIEW是由NI公司自主開發(fā)的一個(gè)程序開發(fā)軟件，與C和BASIC開發(fā)環(huán)境相似。但LabVIEW和不同的計(jì)算機(jī)語言之間的區(qū)別是，不同的計(jì)算機(jī)語言使用基于文本的語言來獲得代碼，而LabVIEW則是利用G語言進(jìn)行編寫，最終產(chǎn)生的程序是以圖形的方式呈現(xiàn)[5,6]。

LabVIEW 程序也稱之為 VI（Virtual Instrument，即虛擬儀器），它可以根據(jù)開發(fā)者的需要進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，最終得到和傳統(tǒng)實(shí)際儀器功能類似的產(chǎn)品。一般來說，VI由兩部分組成：前面板和程序圖[7]。前面板，即一個(gè)具象化的界面，用來設(shè)置輸入量和觀察輸出量，模擬真正的儀表面板[8]。前面板主要包括各種手動輸入控制控件，如旋鈕、按鈕、數(shù)值和顯示控制。程序框圖用G語言進(jìn)行編寫，這相當(dāng)于傳統(tǒng)程序中的源代碼文本文件，每一個(gè)前面板都與程序圖相匹配[9]。

2 虛擬示波器

2.1 虛擬示波器構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器主要是由硬件和軟件兩部分組成[10]。其中硬件是以計(jì)算機(jī)中的聲卡為基礎(chǔ)，軟件是由LabVIEW來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器的程序結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 程序結(jié)構(gòu)示意圖

首先利用聲卡進(jìn)行信號采集，然后通過軟件進(jìn)行濾波操作，接下來可以對濾波后的信號進(jìn)行頻譜分析、波形顯示、信號測量、數(shù)據(jù)保存以及界面打印等。

2.2 前面板設(shè)計(jì)

程序的前面板包括參數(shù)設(shè)置、信號測量、數(shù)據(jù)保存三部分區(qū)域。參數(shù)設(shè)置主要包括聲音采集參數(shù)設(shè)置、濾波參數(shù)設(shè)置以及控制按鈕的設(shè)置。聲音采集參數(shù)包括采樣率、通道數(shù)、每通道采樣數(shù)等設(shè)置；濾波參數(shù)主要設(shè)置濾波方式以及濾波截止頻率；控制按鈕包括暫停按鈕以及停止按鈕。暫停按鈕，用于暫停波形顯示。但此時(shí)數(shù)據(jù)仍在正常采集，再次點(diǎn)擊該按鈕即可恢復(fù)實(shí)時(shí)顯示。停止按鈕，用于終止整個(gè)程序。信號測量分為坐標(biāo)軸調(diào)節(jié)、測量方式選擇、游標(biāo)、倍率調(diào)節(jié)、以及結(jié)果顯示。坐標(biāo)軸調(diào)節(jié)包括X、Y軸上下限三個(gè)旋鈕，用于設(shè)置波形圖的坐標(biāo)軸范圍；測量方式有手動測量和自動測量兩種；游標(biāo)調(diào)節(jié)包括游標(biāo)選擇以及位置調(diào)整，主要是用于手動測量模式中調(diào)整游標(biāo)的位置，同時(shí)可以觀察當(dāng)前游標(biāo)的位置，從而實(shí)現(xiàn)信號周期、頻率、幅值等參數(shù)的測量；倍率調(diào)節(jié)主要是用于調(diào)整游標(biāo)的移動范圍，從而實(shí)現(xiàn)粗調(diào)和微調(diào)不同模式的切換；結(jié)果顯示包括數(shù)值以及波形兩種顯示方式。其中波形顯示分為原始波形圖以及濾波后波形圖，波形圖的橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)代表幅值。數(shù)值顯示主要包括游標(biāo)的位置以及信號周期、頻率和幅值。數(shù)據(jù)保存用于設(shè)置保存的文件名和打印界面。具體框圖如圖2所示。

圖2 前面板

2.3 基本功能實(shí)現(xiàn)

2.3.1 聲音采集

LabVIEW軟件提供了一系列有關(guān)聲音采樣的函數(shù)，因此在聲音采集過程中，直接通過配置相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行聲音采集[11]。首先配置聲音輸入，然后讀取聲音，讀取結(jié)束之后進(jìn)行聲音清零。具體程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 聲音采集模塊

2.3.2 信號濾波

計(jì)算機(jī)采集到的信號包括三大類：目標(biāo)信號、無用信號以及噪音。因此若想要得到目標(biāo)信號，首先需要進(jìn)行濾波處理。通過使用LabVIEW中自帶的濾波器模塊，可以將信號按用戶需求進(jìn)行濾波。濾波方式包括低通濾波、高通濾波、帶通濾波以及帶阻濾波四種，同時(shí)也可以選擇不進(jìn)行濾波。需要注意的是，在參數(shù)設(shè)置過程中低截止頻率必須要小于高截止頻率[12]。濾波后的波形通過“自功率譜”VI[13]可以顯示出信號頻譜，只需要輸入指定的時(shí)域信號和時(shí)域信號的采樣周期，便能返回單邊功率譜和功率譜的頻率間隔。具體模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 濾波及頻譜顯示模塊

2.3.3 信號測量

信號測量分為自動測量和手動測量兩種模式。自動測量最主要是通過系統(tǒng)自主分析，找到當(dāng)前顯示波形的最大值及最小值并實(shí)現(xiàn)信號測量及標(biāo)定。手動測量主要是通過手動調(diào)節(jié)旋鈕來控制游標(biāo)的移動，從而實(shí)現(xiàn)信號測量及標(biāo)定。

傳統(tǒng)示波器會有一個(gè)旋鈕來專門控制旋鈕靈敏度，而本設(shè)計(jì)的虛擬示波器也是設(shè)置了一個(gè)旋鈕來對應(yīng)傳統(tǒng)示波器的功能?！罢{(diào)整倍率”旋鈕只有五個(gè)檔，即1至5檔，對應(yīng)著0.005、0.002、0.001、0.0005、0.0001五個(gè)旋鈕精度。判斷“調(diào)節(jié)倍率”旋鈕的值，將對應(yīng)的數(shù)值輸入給旋鈕“Pos.X”和“Pos.Y”的屬性中的增量參數(shù)。

對于自動測量只需利用前面板X軸和Y軸上下限設(shè)置調(diào)整波形圖表的顯示范圍，然后選擇自動測量即可實(shí)現(xiàn)。對于手動測量則需要選擇手動測量模式，通過倍率調(diào)整旋鈕設(shè)置游標(biāo)的移動間隔，然后選擇需要調(diào)整的游標(biāo)并利用對應(yīng)的調(diào)整旋鈕進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)信號幅值以及頻率等參數(shù)的測量。具體程序框圖如圖5和圖6所示。

圖5 自動測量程序框圖

圖6 手動測量程序框圖

2.3.4 數(shù)據(jù)保存及界面打印

虛擬示波器作為以計(jì)算機(jī)為平臺的虛擬儀器，也同樣具備數(shù)據(jù)保存和界面打印的功能[14]。用戶只需在開始程序前在前面板中輸入想要保存的文件名稱，就能自動保存在當(dāng)前VI的文件目錄下，程序如圖8。而在前面板上按下“保存圖像”按鈕，便能在當(dāng)前VI的文件目錄下找到當(dāng)前波形的PNG格式的圖片。

圖7 測量結(jié)果前面板

圖8 數(shù)據(jù)保存程序框圖

3 功能測試與驗(yàn)證

3.1 濾波驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)的虛擬示波器濾波模塊包括低通濾波、高通濾波、帶通濾波以及帶阻濾波四種。通過疊加不同頻率的信號和噪聲，來驗(yàn)證濾波是否成功，頻率如表2所示。

表2 不同頻率的信號和噪聲（單位：Hz）

使用MATLAB軟件編寫程序，使聲卡播放疊加特定頻率的信號和噪音后，啟動虛擬示波器VI進(jìn)行測試。程序代碼如圖9，圖左為輸出信號頻率4000Hz和噪聲頻率2000Hz的混合信號，圖右輸出信號頻率2000Hz和噪聲頻率4000Hz的混合信號。

圖9 MATLAB代碼

低通濾波，低截止頻率為3000Hz，結(jié)果如圖10所示。

圖10 低通濾波后信號頻譜

高通濾波，高截止頻率為3000Hz，結(jié)果如圖11所示。

圖11 高通濾波后信號頻譜

帶通濾波，低截止頻率為3000Hz，高截止頻率為5000Hz，結(jié)果如圖12所示。

圖12 帶通濾波后信號頻譜

帶阻濾波，低截止頻率為1000Hz，高截止頻率為3000Hz，結(jié)果如圖13所示。

圖13 帶阻濾波后信號頻譜

最后不濾波情況如圖14所示。

圖14 不濾波后信號頻譜

3.2 信號驗(yàn)證

由于環(huán)境中存在不同頻率的噪聲信號，因此在信號驗(yàn)證過程中利用MATLAB軟件生成具有高斯白噪聲的信號，信號頻率依舊設(shè)為4000Hz。采用帶通濾波的方式對采集到的信號進(jìn)行處理，其中低截止頻率設(shè)置為3500Hz，高截止頻率設(shè)置為4500Hz。測量濾波之后的信號頻率及幅度。MATLAB程序如圖15所示。

圖15 加入高斯白噪聲的代碼

虛擬示波器采集到的原始信號如圖16所示。

圖16 具有高斯白噪聲的原始信號

帶通濾波后信號如圖17所示。

圖17 濾波后信號

信號參數(shù)測量結(jié)果如圖19所示。

圖18 信號測量過程

圖19 測量結(jié)果

信號頻率理論值為4000Hz，測得值為4000Hz，表明該示波器能夠?qū)崿F(xiàn)信號參數(shù)的測量。

4 結(jié)語

本文完成了基于聲卡的虛擬示波器設(shè)計(jì)，該示波器具有信號采集、數(shù)據(jù)濾波、頻譜分析、波形顯示、信號測量、數(shù)據(jù)保存以及界面打印等多種功能。該虛擬示波器面板清晰，易于上手，實(shí)用性強(qiáng)，且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出系統(tǒng)功能齊全，數(shù)據(jù)采集正常，測量準(zhǔn)確，在實(shí)驗(yàn)中可以替代傳統(tǒng)示波器。此外，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分也可以通過數(shù)據(jù)采集卡完成，這樣可以使虛擬示波器的應(yīng)用更加廣泛。