虛擬示波器的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、虛擬示波器的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)示波器系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下功能：1. 測(cè)量交流電壓和電流的瞬時(shí)值、顯示波形并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)刷新；2測(cè)量交流電壓和電流的頻率和有效值；3.對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。二、總體思路查閱了眾多資料和結(jié)合書(shū)本知識(shí)后，了解到虛擬示波器是現(xiàn)代示波器發(fā)展的 主流方向，考慮到現(xiàn)在軟件的開(kāi)放性和編程語(yǔ)言的豐富多樣化，已經(jīng)硬件設(shè)備的成本較高，硬件集成配置較麻煩，故采用了以虛擬示波器為主的示波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 該虛擬示波器軟件部分直接在 pc機(jī)windows系統(tǒng)上運(yùn)行，基于軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目 的；而數(shù)據(jù)的采集則由硬件一一高速數(shù)據(jù)采集卡完成，數(shù)據(jù)采集卡將采集到的信號(hào)傳入pc機(jī)的虛擬示波器分析后直接在

2、虛擬示波器的圖形界面給出相應(yīng)的參數(shù) 和波形。被測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡pc端軟件分析模塊圖形顯示界面該系統(tǒng)主要部分為pc端軟件分析模塊，這個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能為：數(shù)字濾波、 頻譜分析、參數(shù)計(jì)算、波形顯示。是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。虛擬示波器主要有硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件部分主要是普通PC機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡，在這里選擇的是北京阿爾泰科技有限公司的 USB2852數(shù)據(jù)采集卡；軟 件部分則包括了前面板，采集卡驅(qū)動(dòng)程序及相關(guān)的應(yīng)用軟件（主要有頻譜分析， 數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取，波形顯示）三、系統(tǒng)的軟硬件選擇軟件部分研究了可視化編程語(yǔ)言 C/C+和圖形化編程環(huán)境LabVIEW加文本變 成環(huán)境LabWindows考慮到

3、對(duì)軟件編程了解較少，軟件功能需要面向儀器，故 選擇了 LabView。LabVIEW勺優(yōu)勢(shì)在于程序是框圖的形式，用框圖代替了傳統(tǒng)的 程序代碼。因而可在很短的時(shí)間內(nèi)被掌握并應(yīng)用，而且labview具有成熟的波形分析處理模塊，可以直接使用。硬件部分pc機(jī)市面上大部分電腦均可。數(shù)據(jù)采集卡考慮到數(shù)據(jù)傳遞的實(shí)時(shí) 性以及數(shù)據(jù)接口的方便性，在查閱了大量資料后選擇北京阿爾泰科技有限公司的 USB2852數(shù)據(jù)采集卡。USB2852卡是一種基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接 和計(jì)算機(jī)的USB接口相連，使用便捷、性能穩(wěn)定、四、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)硬件包括pc機(jī)和數(shù)據(jù)采集硬件，pc機(jī)就不在此介紹，主要介紹數(shù)據(jù)采集硬 件。數(shù)據(jù)

4、采集硬件使用的是北京阿爾泰科技有限公司的USB2852數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡除滿(mǎn)足這是設(shè)計(jì)的要求外，還具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，方便易用的特點(diǎn)。該數(shù)據(jù)采集卡可直接通過(guò)usb接口和電腦連接，無(wú)需額外的輔助接口，數(shù)據(jù) 傳輸快。通過(guò)usb連接電腦后，可自動(dòng)裝載驅(qū)動(dòng)程序，方便我們配置數(shù)據(jù)采集卡。 在驅(qū)動(dòng)程序還需設(shè)置如下采樣速率（Frequency） : 31Hz250KHz物理通道數(shù)：32通道（單端SE），16通道（雙端DI）采樣通道數(shù)：設(shè)置首末通道實(shí)現(xiàn)模擬量輸入方式：?jiǎn)味四M輸入采集方式（ADMode）連續(xù)（異步）采集觸發(fā)模式（TriggerMode）:軟件觸發(fā)（內(nèi)觸發(fā)）模擬輸入阻抗：10血圖一、USB285

5、2數(shù)據(jù)采集卡由于USB2852的輸入量程默認(rèn)為土 10v,而本示波器是用于市電測(cè)量，故需 要將測(cè)量的信號(hào)降壓處理。這里的降壓電路選擇采用小型變壓器降壓。 小型變壓 器具有體積小，原副線圈不共地，降壓比精確，設(shè)置方便等優(yōu)勢(shì)。市電為220v， 而輸入量程為10v，故需要一個(gè)變比大于62的變壓器。在這里使用的是東莞漢爾電子科技有限公司的10V220V400W、型電源變壓器'圖二、10V220V400W、型電源變壓器電壓測(cè)量采用靜電電壓表直接測(cè)量獲得；電流測(cè)量用在被測(cè)電路中直接串入電阻的方法獲得。取樣電壓采取變壓器輸出的電壓提供，串入的電阻有以下要求：R的數(shù)值要選擇合理，一般使電阻上的電壓在

6、40-100mv;選擇熱穩(wěn)定性好的電阻；交流下 采用無(wú)感電阻。選擇100Q和1Q串聯(lián)，可以在1Q上得到小于100m v的電壓，然后測(cè)量1Q 上的電壓值，即可計(jì)算得到電流值。五、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)該軟件部分基于LabVIEW設(shè)計(jì)，需要實(shí)現(xiàn)的功能有：數(shù)字濾波、頻譜分析、參數(shù)1、主面板設(shè)計(jì):Labview主面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出值，用于模擬真實(shí)示波器的前 面板。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括了 27個(gè)控件，其中輸入控件12個(gè)，顯示控件15個(gè)。通過(guò) 信號(hào)類(lèi)型選擇器可以從信號(hào)發(fā)生器中選擇不同類(lèi)型的波形， 如正弦波形，方波波 形，三角波波形，鋸齒波形等。保存是將當(dāng)前波形及其分析儲(chǔ)存起來(lái)，以待后來(lái)查看；數(shù)據(jù)回放是輸入已

7、經(jīng) 存儲(chǔ)的波形信號(hào)；頻譜分析是對(duì)輸入的波形進(jìn)行分析， 并給出參數(shù)顯示，包括有 波形的頻率，峰峰值，占空比等。LicJcrt 彌id ren Xeixrt|OHMipsrrtl pLZ-.BJ IL9IKBB dlil fliLfll時(shí)一 r 一-bh-"*掙車(chē)v _ W-1|咐百1建114009跖弓歎證At4sflnri qbitaWST町陌4Trrjly:Mr2、濾波功能設(shè)計(jì)濾波器是指允許某一特定頻帶內(nèi)的游泳信號(hào)通過(guò)而濾除無(wú)用信號(hào)的系統(tǒng)考慮到這次試驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求，有以下幾個(gè)方面（1）測(cè)量信號(hào)是50Hz市電下，有用信號(hào)頻率較低，故采用低通濾波器（2）阿爾泰公司的USB2852數(shù)據(jù)采集卡

8、采集到的是模擬信號(hào)，故需要模擬 濾波器來(lái)濾除無(wú)用信號(hào)考慮到以前兩點(diǎn)，我們較為熟悉的切比雪夫I型低通濾波器和巴特沃斯低通 濾波器均可滿(mǎn)足以上要求。但由于巴特沃斯低通濾波器在通帶范圍內(nèi)的幅度是單 調(diào)下降的，為了在通帶范圍內(nèi)和阻帶截止頻率上的衰減滿(mǎn)足指標(biāo)要求，往往需要使用較高階次的濾波器，這樣給設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)帶來(lái)很多不便。綜合以上分析，所以選擇切比雪夫I型低通濾波器。切比雪夫I型低通濾波器可以滿(mǎn)足在較低階次實(shí)現(xiàn)濾波指標(biāo)要求，便于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該示波器在課本上也有較為詳細(xì)的介紹，可以作為參見(jiàn)。以下是切比雪夫I型低通濾波器的確定方法預(yù)先給定通帶邊界頻率c O 是與通帶波動(dòng)有關(guān)的一個(gè)參數(shù)，通帶波動(dòng)表示成10lg

9、Ha jHa jmax220lgminHa jHa jmaxmin式中，Ha j max 1，表示通帶幅度響應(yīng)的最大值，而因而Ha jmin2、1 210lg 11010 1給定通帶波紋值 dB后，就能求得2。階數(shù)N對(duì)濾波器特性有極大的影響，N越大，逼近特性越好，但是相應(yīng)的濾 波器結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。若要求阻帶邊界頻率處的衰減越大， 也就是過(guò)渡帶內(nèi)幅頻特 性越陡，則需用的階數(shù)N越高。在這個(gè)示波器中，采用二階無(wú)限增益多路反饋切比雪夫低通濾波器電路而濾波器模塊在labview里面有相應(yīng)的濾波模塊子 VI，可以直接調(diào)用3、頻譜分析功能設(shè)計(jì)要用計(jì)算機(jī)完成頻譜分析和其它方面的工作，通常的處理方法是模擬信號(hào) x

10、（t）進(jìn)入數(shù)字計(jì)算機(jī)前先經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）中的采樣器，將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變 為離散時(shí)間信號(hào)，成為采樣信號(hào)而后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器在幅值上量化變?yōu)殡x散的數(shù) 字信號(hào)。（1）香農(nóng)采樣定理說(shuō)明采樣頻率與信號(hào)頻譜之間的關(guān)系，是連續(xù)信號(hào)離散化的 基本依據(jù)。取樣定理論述了在一定條件下，一個(gè)連續(xù)時(shí)間信號(hào)完全可以用該信號(hào) 在等時(shí)間間隔上的瞬時(shí)值（或稱(chēng)樣本值）表示。理想低通信道的最高碼元傳輸速率 W=2B（其中W是理想）理想信道的極限信 息速率（信道容量）C = B * Iog2 N （ bps ）在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)采樣頻率fs.max大于信號(hào)中最高頻 率fmax的2倍時(shí)（fs.max>=2

11、fmax），理論上能不失真的再現(xiàn)原信號(hào)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最咼頻率的510倍。(2)頻譜分析采用快速傅立葉FFT算法，完成頻域信號(hào)分析，可以獲得對(duì)應(yīng)的 頻譜圖。Labview提供了與信號(hào)分析有關(guān)的大量函數(shù)可以直接使用，在本文中采 用FFT PowersPectrum作為主要數(shù)據(jù)處理子 VI進(jìn)行功率譜分析。按照傅里葉級(jí)數(shù)的定義，凡是滿(mǎn)足狄利克雷條件的周期函數(shù)都能寫(xiě)成傅里葉 級(jí)數(shù)的形式，函數(shù)的周期為T(mén)1,各次諧波成分的幅度值按以下各式計(jì)算：直流分量a01 toT1 t0T1f(t)dt(4-1 )余弦分量的幅度an2 t0T1 t0Tl

12、f(t)cos(i 1t)dt(4-2)正弦分量的幅度bn 2T f(t)sinn 1t)dt(4-3)其中n=1,2,.。(4-4)以上為三角函數(shù)的形式，或者轉(zhuǎn)換成復(fù)指數(shù)形式:x(t)Cmejm根據(jù)實(shí)際分析的需要，選擇合適的 Vf ，由此可以確定采樣點(diǎn)數(shù)N=fs / Vf，雖 然Vf選取的越小越好，但隨著Vf的減小N在增大，相對(duì)的計(jì)算量和對(duì)計(jì)算機(jī)系 用的要求也迅速增加，所以Vf要選擇合適。為了用快速傅立葉變化 FFT對(duì)采樣 信號(hào)進(jìn)行分析，選取N為2的整數(shù)次幕，由fs和N,就可以確定采樣信號(hào)的長(zhǎng)度 T=N/ fs。因?yàn)樵瓉?lái)的信號(hào)是周期信號(hào)，它的頻譜本身是離散的，有DFT求取的就是其離散譜，故不

13、會(huì)產(chǎn)生柵欄效應(yīng)，故信號(hào)不需要再有額外的補(bǔ)零處理。為了防止頻譜信號(hào)產(chǎn)生泄漏，在對(duì)信號(hào)采樣是選擇的采樣頻率和截取的信號(hào)長(zhǎng)度要合適，應(yīng)使窗的寬度 為信號(hào)周期的整數(shù)倍。4、參數(shù)測(cè)量功能設(shè)計(jì)該部分主要對(duì)采集信號(hào)各種參數(shù)測(cè)試包含信號(hào)的頻率、周期、最大值、最小 值、占空比、周期均方根。測(cè)試模塊調(diào)用LABVIEW中自帶的提取單頻信息模塊、量大值晝小值1,.11615塚率D. 529665周期煙烽值0.0162L相位（度）.5S649 (-2CL51 |均方根值占空比 .880380.+96 斗 76最大值:XP|x t |maxt To最小值XP|X t |mint To峰峰值XPPXPXP均方根值1 T0

14、2Pav X tT° odt測(cè)頻率模塊vi頻率是單位時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)f Nt以上為計(jì)數(shù)法測(cè)頻原理圖，下面為labview中計(jì)數(shù)法測(cè)頻的實(shí)現(xiàn)而占空比，相位等參數(shù)測(cè)量，在labview中也有成熟的VI模塊，可直接調(diào)用在 這里不一一列舉4、波形儲(chǔ)存回放功能設(shè)計(jì)波形存儲(chǔ)和回放波形主要適用于因特殊原因不能實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，或者是數(shù)據(jù)有重要的參考價(jià)值，我們需要先把數(shù)據(jù)保存下來(lái)，日后再讀取出來(lái)，此時(shí)讀出的 數(shù)據(jù)就和實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)一樣，也能進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)測(cè)量，頻譜分析等。在本文用 Labview實(shí)現(xiàn)的虛擬示波器中，當(dāng)用軟件完成數(shù)據(jù)采集、處理等工作后，可以將 采集到數(shù)據(jù)以及處理后的數(shù)據(jù)回放出來(lái)，

15、以便繼續(xù)研究。這樣的功能就依靠波形 存儲(chǔ)回放顯示模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。E名番或才日對(duì)歸徑irark Mter r?runiLitn otI止匚I 六、結(jié)論和總結(jié)本次設(shè)計(jì)是一個(gè)基于labview的虛擬示波器，其優(yōu)點(diǎn)在于硬件設(shè)施簡(jiǎn)單，軟 件部分有成熟的labview子模塊可以調(diào)用，這就給設(shè)計(jì)減少了很多的麻煩。通過(guò) 查閱課本和資料，確定了一個(gè)示波器所需要的器件及軟件功能。硬件部分的高速 數(shù)據(jù)采集卡和小型變壓器也均采用已經(jīng)做好的器件直接使用，軟件部分是依托 labview的強(qiáng)大界面功能和模塊設(shè)計(jì)，只需要輸入一定的參數(shù)并將各個(gè)模塊組合 起來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的即可。這次報(bào)告，從一開(kāi)始的查找資料確定實(shí)現(xiàn)方法一直到最后撰寫(xiě)報(bào)告，都學(xué)到 了很多，無(wú)論是硬件設(shè)施的集成