示波器設(shè)計詳細文檔

1、第三章虛擬示波器的設(shè)計本章介紹各個功能模塊及其生成過程。3.1程序流程圖程序流程框圖如圖3-1所示。流程圖簡介：首先對設(shè)計中運用到的模塊進行初始化，然后可以選擇用聲卡對數(shù)據(jù)進行采集或通過自制的信號發(fā)生器生成仿真信號，然后把采集到的信號或生成的仿真信號送入信號處理和參數(shù)測量模塊中，通過各個模塊的程序運行，把信號用波形圖的形式顯示出來。在前面板通過相應(yīng)的控制和調(diào)節(jié)按鈕可以對波形 進行調(diào)節(jié)控制，根據(jù)需要可以選擇所需的信號處理和參數(shù)測量。初始化圖3-1虛擬示波器程序流程圖3.2程序結(jié)構(gòu)圖程序結(jié)構(gòu)圖如圖3-2信號獲取存儲/回放濾波波形顯示信號數(shù)據(jù)(聲音/仿真信號)數(shù)據(jù)處理參數(shù)測量控制調(diào)節(jié)圖3-2示波器的

2、結(jié)構(gòu)框圖3.3虛擬示波器信號獲取模塊信號獲取的程序結(jié)構(gòu)圖，如圖3-3所示:參數(shù)設(shè)置 .數(shù)據(jù)采集 信號生成函數(shù)信號發(fā)生器圖3-2信號獲取信號的獲取途徑主要有：(1)自制信號發(fā)生器以獲得仿真信號(2)基于聲卡的信號采集獲得聲音信號(3)讀取已有的信號數(shù)據(jù)(如 ecg.lvm )自制簡單的信號發(fā)生器獲得仿真信號EXPRESS V中的“仿真信號”本身就是屬于一個簡單的仿真信號發(fā)生器， 通過打開已封裝好的“仿真信號”程序模塊，將其復(fù)制在一個新建的VI中，命名為電壓采集，修改其程序圖，將一些端口所接的常量改為輸入控件， 再將生成 的信號數(shù)據(jù)在波形圖和數(shù)組中顯示出來， 即可獲得所需單路信號。為實現(xiàn)雙蹤示 波

3、器的功能，可采用同樣的方法再添加一路信號，最后做成一個子VI形式，輸入為信號頻率，信號噪聲類型，采樣點等控制，輸出兩路信號數(shù)據(jù)，方便調(diào)用。通過設(shè)置信號的頻率、采樣點、噪聲類型、信號類型可以生成各種仿真信 號，根據(jù)采樣定律，采樣率應(yīng)大于信號最高頻率的2倍。信號發(fā)生器如圖 3-3所示。A Frequency信號發(fā)生，aQ采樣點仿斯號控制E Nu is;白 Ri ng電出采集B Frequrnc/Generate B信號發(fā)生器 獲得仿真信號| A Noise Ringi rj IJnifor采禪點Generate AE Noise Ring Generate B rlGaussi |圖3-3信號發(fā)生

4、器基于聲卡的信號采集獲得聲音信號數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬示 波器軟件的硬件驅(qū)動部分，在這里主要是利用 LABVIEM面的聲卡函數(shù)完成聲卡的硬件參數(shù)設(shè)置、啟動聲卡采集數(shù)據(jù)、等待采 樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿的消息、通知聲卡停止采集等任務(wù)。具體的數(shù)據(jù)采集流程是：(1)初始化；對聲卡中與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的一些硬件參數(shù)進行設(shè)置；(2)打開寫入聲音文件，默認名稱為test.wav,可以在對話框中手動修改名(3)啟動聲音采集，聲卡采集數(shù)據(jù)的暫存在緩沖區(qū)中;(4)從聲音設(shè)備讀入聲音數(shù)據(jù)，通過保存控件可以將聲音波形數(shù)組寫入聲音文件，通過“停止”控件可以停止讀取聲音；(5) 一方面，得到緩沖區(qū)滿的消息后，通知聲卡暫時停止采集外部數(shù)據(jù)

5、，并進一步清空緩存里的內(nèi)容；另一方面，根據(jù)需要，保存完所需的數(shù)據(jù)后，停止 采集數(shù)據(jù)并將緩存中的數(shù)據(jù)清零。如圖3-4所示：聲音信號采集模塊圖3-4聲音信號采集模塊程序圖有通道采樣數(shù)直通道采樣率CS/s)-144 lOOEMi設(shè)備ID，訃口 一 一果樣模式聲音采集number of charmebits per 5Mpi“1也圖3-5聲音信號采集控制前面板1、程序說明：(1)在LabVIEW軟件中，對于聲卡的聲道可以分為單通道(單聲道)，雙通 道(立體聲)。單聲道采樣，左右聲道信號都相同，而且每個聲道的幅值只有原 信號幅值的1/2 ;采用立體聲采樣，左右聲道互不干擾，可以采兩路不同的信號， 而且采

6、樣的信號幅值與原幅值相同。 另外，單聲道得到的數(shù)據(jù)是標(biāo)量，不能組成 數(shù)組，進而不便于數(shù)據(jù)的各種處理。(2)通道采樣位數(shù)有8位，16位；其中，16位聲道比8位聲道采樣信號的 質(zhì)量好，而在采樣位數(shù)相同情況下立體聲比單聲道采樣信號好，采用雙通道 16 位采樣得到波形穩(wěn)定，而且干擾小。所以在設(shè)計中我采用立體聲 16-bit進行雙 聲道采樣。(3)聲卡的采樣頻率(rate )有4種選擇，即 8000Hz, 11025Hz, 22050Hz 和44100Hz,采樣頻率不同，采到的波形的質(zhì)量也不同，應(yīng)視具體情況采用合適 的頻率，在設(shè)計中，為了得到良好的演示效果，采用了44100Hz的采樣頻率。2、主要操作說

7、明：(1)采集設(shè)置：在while循環(huán)中將控件：每通道采樣數(shù)，采樣模式，設(shè)備號， 采樣率，通道，通道采樣位數(shù)捆綁，以便能在前面板進行對聲音信號采集進行設(shè) 置。(2)在while循環(huán)中從聲音設(shè)備讀入聲音數(shù)據(jù)，加入一個 case語句控制對 讀進的聲音數(shù)據(jù)進行存儲并保存到目標(biāo)文件中。3.3.3聲音信號讀取通常，為了能隨時觀察和分析采集到的信號， 在采集完后將采集到的信號存 入硬盤或其他存儲器中，借助于聲音回放模塊讀取已存在的聲音信號，調(diào)節(jié)示波器觀察聲音信號頻率幅度等特性。本設(shè)計的聲音回放模塊控制面板如圖 3-6所示。圖3-6聲音回放控制面板聲音信號讀取程序說明：(1)選擇一個路徑合法的*wav文件(2

8、)獲得* wav的文件文件數(shù)據(jù)，如每通道采樣數(shù)，聲音格式(波形文件采樣 率，通道數(shù)，每采樣比特數(shù))。(3)打開用于讀取的*.wav文件，配置聲音輸出格式，將*.wav文件以波形數(shù) 組形式讀出，根據(jù)需要設(shè)置聲音輸出量，調(diào)整聲音大小。(4)最后將聲音輸出到指定的輸出設(shè)備，并將其聲音文件的波形數(shù)組在示波器面板上顯示出來?？偮曇糇x取程序如圖 3-7所示圖3-7聲音讀取總程序框圖3.4虛擬示波器信號顯示控制模塊(1)時基控制time base/div屬于時間軸調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)每刻度顯示的時間長度。在該控件 中設(shè)置3個檔位0、1、2。0檔的值為50ms/div,1檔的值為100ms/div , 2檔值 為200

9、ms/div。Volts/div 屬于電壓軸調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)每刻度顯示的電壓值， 在該控 件中設(shè)置3個檔位0、1、2。0檔的值為0.5V/div , 1檔的值為1V/div , 2檔的 值為 2V/div。 操作說明：用case語句的3個分支0、1、2分別表示0檔,1檔,2檔。 顯示波形的控件命名為示波器，創(chuàng)建“示波器”的屬性節(jié)點一X標(biāo)尺一 范圍一 全部元素(最小值，最大值，增量，次增量，起始值)。由圖3-8可知：Tite Base100 ms/div50 m/div 200 is/4Vdts/DiT1 Y/DIV圖3-8時基控制I、time base/div中0檔表示時間軸是從0s到1s,增量為0

10、.2s ,起始時刻 為0; 1檔表示時間軸是從0s到2s,增量為0.4s,起始時刻為0; 2檔表示時間 軸是從0s到4s；增量為0.8s,起始時刻為00而信號頻率在0檔時值為10HZ； 1檔時值為20HZ； 2檔時值為40H乙并且獲得的波形成分中，0檔時相鄰兩個采 樣點間距dt為0.002 ; 1檔時dt為0.004 , 2檔時dt為0.008。時基設(shè)置如下表3-1所示：表3-1 time base相關(guān)參數(shù)time base0檔1檔2檔起始值(s)000增量(s)0.20.40.8范圍(s)0-10-210-4心所(HZ)102040波形數(shù)據(jù)dt(s)0.0020.0040.008每刻度采樣數(shù)

11、100100100采樣率(HZ)200020002000每刻度時間長度 (ms/div)50100200(采樣數(shù)/采樣率)II、Volts/div 中0檔表示電壓軸是從-2V到+2V,增量為0.5V,起始電壓為-2V; 1檔表示電壓軸是從-4V至U+4V,增量為1V,起始電壓為-4V; 2檔表示電壓 軸是從-8V到+8V,增量為2V,起始電壓為-8V。用case語句的3個分支0, 1, 2分別表示0檔，1檔，2檔。創(chuàng)建“示波器”的屬性節(jié)點一Y標(biāo)尺一 范圍一 全部元素(最小值，最大值，增量，次增量,起始值)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下表3-2所示表3-2 volts/div 相關(guān)參數(shù)volts/div0檔1

12、檔2檔起始值(V)-2-4-8增量(V)0.512范圍(V)-2 +2-4 +4-8 +8每刻度電壓值(V/div )0.512(2)增益調(diào)節(jié)與平移圖3-9增益調(diào)節(jié)與平移增益調(diào)節(jié)：設(shè)置增益調(diào)節(jié)控件值的范圍為0.01-10，該控件與信號數(shù)據(jù)相乘即可使得信號幅值為正數(shù)部分成倍數(shù)向正方向增加而信號幅值為負數(shù)部分成 倍數(shù)向負方向增加。平移：設(shè)置平移控件調(diào)節(jié)的范圍為-10+10,通過與信號數(shù)據(jù)相加即可得 到信號數(shù)據(jù)幅值整體增加(向上平移)或整體減小(向下平移)。(3)通道選擇與信號顯示控制通過前面板控件一 系統(tǒng)一 系統(tǒng)單選按鈕，用布爾按鈕代替原控件，然后 分別命名為通道A,通道B,雙通道，使之成為通道選

13、擇的控件。在后面板創(chuàng)建“示波器”的屬性節(jié)點一 活動曲線再添加屬性元素選擇可見，0號曲線代表通道A曲線，1號曲線代表通道B曲線，通過case語句選擇所需通道的活動曲線在示波器上顯示。如圖 3-10所示(4)復(fù)位控制示波器通道選擇Visible?ActFlotklot. Visible?圖3-11通道選擇與信號顯示控制通常，示波器帶有復(fù)位功能，以便能回到初始狀態(tài)。在本設(shè)計中，復(fù)位的功 能是回到開始時刻的狀態(tài)，以便重新調(diào)節(jié)信號。圖3-12 復(fù)位調(diào)整設(shè)置復(fù)位時示波器數(shù)據(jù)清零，time base和volts/div 都在0檔，增 益為1,即信號不放大也不縮小，A通道信號向下移1V, B通道信號向上移 1

14、V。使得兩個通道的信號錯開，便于觀察。(5)暫停示波器的信號是動態(tài)顯示的，這會對某一時刻的波形觀察分析或者數(shù)據(jù)記錄 帶來很多不便，本設(shè)計采用波形Graph顯示圖形。它的基本顯示模式是等時間問隔地顯示數(shù)據(jù)點,而且在每一時刻只有一個數(shù)據(jù)值與之對應(yīng),波形Graph在接收新數(shù)據(jù)時，先把已有數(shù)據(jù)曲線完全清除，然后根據(jù)新數(shù)據(jù)重新繪制整條曲線。因 此可以利用一個case結(jié)構(gòu)，使得暫停時波形Graph不接收新數(shù)據(jù)，保留原有的 舊數(shù)據(jù)，對舊數(shù)據(jù)進行Time base和Volts/div 調(diào)節(jié)，可以放大或縮小波形，可 以更好的觀察和分析波形圖的細節(jié)。信號處理模塊此處的信號處理模塊主要通過濾波器對信號進行處理，如圖

15、4-9所示。由圖4-10可知，選項卡選項按鈕設(shè)為：無、低通、高通、帶通、帶阻、平滑。在前 面板根據(jù)信號的特征輸入相應(yīng)的濾波參數(shù)，如圖3-13所示。本設(shè)計中濾波器均默認為采用IIR（無限沖激響應(yīng)）濾波器，3階巴特沃斯拓撲結(jié)構(gòu)。濾波器需 錯誤輸入（無錯 ,低截止頻率一空茶窗掙茶癖璃低通LUh 帶陰l 麗Value*圖3-13信號處理方式選擇無 低通高通常逋帶陽平滑圖3-14濾波選項卡圖3-15濾波參數(shù)設(shè)置說明：由于本設(shè)計的信號都屬于低頻信號，所以高通濾波器和帶通，帶阻濾 波器濾波效果不明顯，但是針對將來可能需要對其他信號采用相關(guān)濾波方式所以 有必要設(shè)置各種濾波方式。參數(shù)測量模塊(1)單頻測量 查找

16、具有最高幅值的單頻，或在指定范圍內(nèi)查找具有最高幅值的單頻。 也可查找單頻的頻率和相位。如圖 3-16所示幅值一計算檢測到的單頻的幅值，以峰值電壓 (Vp)為單位。頻率一計算 單頻信號頻率，以赫茲為單位。相位一計算檢測到的單頻的相位， 以度為單位。 如圖3-15所示。一單頻 幅值.失真一頻譜,相關(guān)-統(tǒng)計|單螂分析通道息幅值通道趣率通道端目位1.268722 49965-54.491單頻分析E通道通道E幅值通道E頻率通道B相位0. 033789.58S77-118.4S圖3-15單頻測量顯示T3單嬲量4圖3-16單頻測量幅值和電平測量直流一一采集信號的直流分量。均方根一一計算信號的均方根值。峰峰值

17、一一測量信號最高正峰和最低負峰之間的距離如圖3-17所示，圖3-17幅值和電平測量顯示圖3-18幅值和電平測量(3)失真測量SINAD (dB)計算測得的信號與噪聲失真比(SINAD)o信號與噪聲失真比 (SINAD)是信號RMSIt量與信號RMStt量減去基波能量所得結(jié)果之比，以dB為單 位。如需以dB為單位計算總諧波失真加噪聲，可取消選擇 SINAD總諧波失真一一計算測量到的總諧波失真，測量范圍包括最高諧波。THC諧波的均方根總量與基頻幅值之比。如需將THD乍為百分比使用，乘以100即可?；娖揭灰恢付ㄖC波次數(shù)為1,指定在諧波搜索中僅包含低于 Nyquist頻 率，即采樣頻率的一半的頻率

18、。失真測量顯示如圖3-19所示單頻 幅值失真 頻譜 相關(guān) 統(tǒng)計除其測量通道A THD A SIIIAD 墟波電平n ri 1H200 11EFR |o. 45407 IB失真測量通道B THD B SIWAIB基波電平0. ijlijijT |O. 11530. 45407圖3-19失真測量顯示（4）頻譜測量幅度（均方根）一測量頻譜，并以均方根（RMS用形式顯示結(jié)果。用均方根 測量衡量頻譜的幅度。例如，幅值為A的正弦波可在正弦的相應(yīng)頻率上產(chǎn)生幅值 0.707*A 。3.7圖像保存為了記錄任意時刻信號在示波器上的顯示，保存相關(guān)圖像可直觀的再現(xiàn)圖 形，還可以根據(jù)需要打印圖片。因此本設(shè)計采用bmp圖

19、像保存格式。實現(xiàn)方法如 圖3-21所示，用一個case結(jié)構(gòu)，當(dāng)按下“保存圖像”按鈕時，獲取“示波器” 節(jié)點圖像，將圖像數(shù)據(jù)寫入bmp文件，實現(xiàn)保存bmp圖像功能；再添加”文件對 話框”為創(chuàng)建新bmp文件選擇位置，默認文件名為test ,根據(jù)需要可以改變要 保存的圖像名稱。圖像保存路徑可以顯示圖像保存的位置，方便查找。圖3-21保存圖像3.8小結(jié)本章是設(shè)計的關(guān)鍵部分，主要介紹了虛擬示波器的各個功能模塊具體設(shè)計和 實現(xiàn)，包括：數(shù)據(jù)采集和處理模塊、測量模塊、頻譜分析模塊、參數(shù)顯示模塊等。 將這些模塊在主VI的框圖程序中按照一定的邏輯關(guān)系組合起來，就形成了一個 完整的虛擬示波器。這將在下一章中具體介紹

20、。第四章 結(jié)果顯示與分析虛擬示波器的控制與信號顯示控制顯示面板本論文設(shè)計的虛擬示波器波形顯示通過圖 4-1顯示面板顯示，聲音采集控制 與聲音讀取控制面板如圖4-2所示，得到的聲音信號和仿真信號在顯示面板上顯 示出來。圖4-1示波器顯示面板配置吟蜩放 氏需采集通道A)1道B取通道設(shè)備品一設(shè)置完畢采樣模式圖4-2聲音采集與控制面板惟益A增益B單頰幅值失耳頸諳.法目測超illSA THD A SINU)11. Zfi575 |0,4531T |b.震H失具測量通道E THD B SIIJU) E基迪|. 03785 10.05261 |7Tt圖4-3示波器的控制面板4.1.2示波器的控制與程序調(diào)試結(jié)

21、果(1)仿真信號控制顯示通道A選擇方波，通道B選擇正弦波，噪聲幅值為0.4 ,增益A為1,增益B為 1,平移 A為-1，平移 B 為 1 ,time base 為 50mv/div, volts/div 為 0.5V/div 。A通道波形顯示如圖5-4所示，B通道波形顯示如圖4-5所示，雙通道波形顯示如圖4-6所示。無低通高通帶通帶陽平滑圖4-4 A通道波形顯示圖4-5 B通道波形顯示圖4-6雙通道波形顯示改變“平移A”的值，令其為0, “平移B”的值也為0,設(shè)置time base為 100ms/div, Volts/div 為1V/div。A通道波形如圖 4-7所示,B通道波形如圖 4-8所

22、示，雙通道波形如圖5-9所示。在圖中我們可以看到通道 A的波形向上移 了 1V,通道B的波形向下移了 1V,同時電壓軸沒亥J度值由原來的 0.5V變?yōu)?V, 時間軸每刻度值由0.2變?yōu)?.4.圖4-7調(diào)節(jié)后通道A的波形顯示圖4-8調(diào)節(jié)后通道B的波形顯示圖4-9調(diào)節(jié)后雙通道波形顯示由于噪聲幅值太大，而信號頻率此時只有 20HZ所以在此采用低通濾波器，濾 波后A通道圖如圖4-10所示，B通道波形圖如圖4-12所示，雙通道波形圖如圖 4-13所示。圖4-10濾波后A通道波形圖顯示圖4-11濾波后B通道波形圖顯示圖4-12濾波后雙通道波形圖顯示(2)聲音信號控制顯示：播放聲音文件時，可以從示波器上讀出

23、該聲音的旋律圖，可以調(diào)節(jié)增益、平移、時基等方便觀察旋律圖的細節(jié)部分。圖 4-13是正在播放test.wav聲音的旋律圖。九低通商通帶通帝阻平滑圖4-13播放聲音文件的旋律圖顯示(3)讀取測量信號，例如讀取文件 ecg.lvm ,心電信號如圖4-14所示圖4-14顯示讀取的心電信號4. 2小結(jié)由調(diào)試結(jié)果可知，在LABVIEVffl形編程語言環(huán)境下設(shè)計實現(xiàn)了一種方便、靈 活性強的虛擬示波器，對一些應(yīng)用領(lǐng)域是一種很好的選擇。第五章總結(jié)與展望設(shè)計的虛擬示波器不僅具有臺式數(shù)字示波器的功能，而且充分發(fā)揮了計算機強大的功能和軟件設(shè)計的靈活性。設(shè)計的研究工作和主要研究結(jié)果總結(jié)如下：（一）設(shè)計的虛擬示波器主要的優(yōu)點為：（1）用圖形化編程語言LABVIEW面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，軟件開發(fā)效率高，可 操作