虛擬示波器的設(shè)計

1、虛擬示波器的設(shè)計一、設(shè)計目的設(shè)計示波器系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下功能：1.測量交流電壓和電流的瞬時值、顯示波形并實現(xiàn)動態(tài)刷新；2測量交流電壓和電流的頻率和有效值；3.對電壓電流信號進(jìn)行頻譜分析。二、總體思路查閱了眾多資料和結(jié)合書本知識后，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)在軟件的開放性和編程語言的豐富多樣化，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。該虛擬示波器軟件部分直接在pc機(jī)windows系統(tǒng)上運行，基于軟件實現(xiàn)設(shè)計目的；而數(shù)據(jù)的采集則由硬件高速數(shù)據(jù)采集卡完成，數(shù)據(jù)采集卡將采集到的信號傳入pc機(jī)的虛擬示波器分析后直接在虛擬示波器的圖

2、形界面給出相應(yīng)的參數(shù)和波形。該系統(tǒng)主要部分為pc端軟件分析模塊，這個模塊實現(xiàn)的功能為：數(shù)字濾波、頻譜分析、參數(shù)計算、波形顯示。是整個系統(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言c/c+和圖形化編程環(huán)境LabVIEW加文本變成環(huán)境LabWindows?？紤]到對軟件編程了解較少，軟件功能需要面向儀器，故選擇了LabView。LabVI

3、EW的優(yōu)勢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)傳遞的實時性以及數(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)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

4、除滿足這是設(shè)計的要求外，還具有經(jīng)濟(jì)實惠，方便易用的特點。該數(shù)據(jù)采集卡可直接通過usb接口和電腦連接，無需額外的輔助接口，數(shù)據(jù)傳輸快。通過usb連接電腦后，可自動裝載驅(qū)動程序，方便我們配置數(shù)據(jù)采集卡。，在驅(qū)動程序還需設(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)置首末通道實現(xiàn) 模擬量輸入方式：單端模擬輸入 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：10M圖一、USB2852數(shù)據(jù)采集卡由于USB2852的輸入量程默認(rèn)為10v，而本示

5、波器是用于市電測量，故需要將測量的信號降壓處理。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。市電為220v，而輸入量程為10v，故需要一個變比大于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小型電源變壓器。圖二、10V220V400w小型電源變壓器電壓測量采用靜電電壓表直接測量獲得；電流測量用在被測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40-100mv；選擇熱穩(wěn)定性好的電阻；交流下采用無感電阻。選擇100和1串聯(lián)，可

6、以在1上得到小于100mv的電壓，然后測量1上的電壓值，即可計算得到電流值。五、系統(tǒng)的軟件設(shè)計數(shù)字濾波該軟件部分基于LabVIEW設(shè)計，需要實現(xiàn)的功能有：數(shù)字濾波、頻譜分析、參數(shù)計算、波形顯示。數(shù)據(jù)儲存頻率分析數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理參數(shù)計算其他波形顯示1、主面板設(shè)計：Labview主面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出值，用于模擬真實示波器的前面板。設(shè)計的系統(tǒng)包括了27個控件，其中輸入控件12個，顯示控件15個。通過信號類型選擇器可以從信號發(fā)生器中選擇不同類型的波形，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)前波形及其分析儲存起來，以待后來查看；數(shù)據(jù)回放是輸入已經(jīng)存儲的波形信號；頻譜

7、分析是對輸入的波形進(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。2、濾波功能設(shè)計濾波器是指允許某一特定頻帶內(nèi)的游泳信號通過而濾除無用信號的系統(tǒng)考慮到這次試驗的設(shè)計要求，有以下幾個方面（1）測量信號是50Hz市電下，有用信號頻率較低，故采用低通濾波器（2）阿爾泰公司的USB2852數(shù)據(jù)采集卡采集到的是模擬信號，故需要模擬濾波器來濾除無用信號考慮到以前兩點，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)計和實現(xiàn)

8、帶來很多不便。 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足在較低階次實現(xiàn)濾波指標(biāo)要求，便于設(shè)計和實現(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。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。是與通帶波動有關(guān)的一個參數(shù)，通帶波動表示成 式中，表示通帶幅度響應(yīng)的最大值，而故 因而 給定通帶波紋值后，就能求得。階數(shù)N對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，也就是過渡帶內(nèi)幅頻特性越陡，則需用的階數(shù)N越高。在這個示波器中，采用二階無限增益多路反饋切比雪夫低通濾波器電路電路圖如下而

9、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)計要用計算機(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x(t)進(jìn)入數(shù)字計算機(jī)前先經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)中的采樣器，將連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間信號，成為采樣信號而后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器在幅值上量化變?yōu)殡x散的數(shù)字信號。（1）香農(nóng)采樣定理說明采樣頻率與信號頻譜之間的關(guān)系，是連續(xù)信號離散化的基本依據(jù)。取樣定理論述了在一定條件下，一個連續(xù)時間信號完全可以用該信號在等時間間隔上的瞬時值（或稱樣本值）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 * l

10、og2 N ( bps ) 在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率fs.max大于信號中最高頻率fmax的2倍時(fs.max=2fmax)，理論上能不失真的再現(xiàn)原信號，采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高頻率的510倍。（2）頻譜分析采用快速傅立葉FFT算法，完成頻域信號分析，可以獲得對應(yīng)的頻譜圖。Labview提供了與信號分析有關(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Vl進(jìn)行功率譜分析。按照傅里葉級數(shù)的定義，凡是滿足狄利克雷條件的周期函數(shù)都能寫成傅里葉級數(shù)的形式，函數(shù)的周期為T1，各次諧

11、波成分的幅度值按以下各式計算：直流分量 （4-1）余弦分量的幅度 （4-2）正弦分量的幅度 （4-3）其中n=1,2,.。以上為三角函數(shù)的形式，或者轉(zhuǎn)換成復(fù)指數(shù)形式： （4-4）根據(jù)實際分析的需要，選擇合適的 ，由此可以確定采樣點數(shù)N= /，雖然選取的越小越好，但隨著的減小N在增大，相對的計算量和對計算機(jī)系用的要求也迅速增加，所以要選擇合適。為了用快速傅立葉變化FFT對采樣信號進(jìn)行分析，選取N為2的整數(shù)次冪，由和N，就可以確定采樣信號的長度T=N/。因為原來的信號是周期信號，它的頻譜本身是離散的，有DFT求取的就是其離散譜，故不會產(chǎn)生柵欄效應(yīng)，故信號不需要再有額外的補(bǔ)零處理。為了防止頻譜信號產(chǎn)

12、生泄漏，在對信號采樣是選擇的采樣頻率和截取的信號長度要合適，應(yīng)使窗的寬度為信號周期的整數(shù)倍。4、參數(shù)測量功能設(shè)計該部分主要對采集信號各種參數(shù)測試包含信號的頻率、周期、最大值、最小值、占空比、周期均方根。測試模塊調(diào)用 LABVIEW 中自帶的提取單頻信息模塊、脈沖參數(shù)測量模塊、周期平均值和均方根測量模塊對波形進(jìn)行測量。用到的節(jié)點有：幅值和電平測量，信號的時間與瞬態(tài)特性測量參數(shù)測量模塊程序前面板最大值： 最小值峰峰值均方根值測頻率模塊vi頻率是單位時間內(nèi)被測信號重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)。 以上為計數(shù)法測頻原理圖，下面為labview中計數(shù)法測頻的實現(xiàn)而占空比，相位等參數(shù)測量，在labview中也有成熟的VI

13、模塊，可直接調(diào)用在這里不一一列舉4、波形儲存回放功能設(shè)計波形存儲和回放波形主要適用于因特殊原因不能實時處理數(shù)據(jù)，或者是數(shù)據(jù)有重要的參考價值，我們需要先把數(shù)據(jù)保存下來，日后再讀取出來，此時讀出的數(shù)據(jù)就和實時采集的數(shù)據(jù)一樣，也能進(jìn)行自動參數(shù)測量，頻譜分析等。在本文用Labview實現(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，以便繼續(xù)研究。這樣的功能就依靠波形存儲回放顯示模塊來實現(xiàn)。六、結(jié)論和總結(jié)本次設(shè)計是一個基于labview的虛擬示波器，其優(yōu)點在于硬件設(shè)施簡單，軟件部分有成熟的labview子模塊可以調(diào)用，這就給設(shè)計減少了很多的麻煩。通過查閱課本和資料，確定了一個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l(wèi)abview的強(qiáng)大界面功能和模塊設(shè)計，只需要輸入一定的參數(shù)并將各個模塊組合起來實現(xiàn)設(shè)計目的即可。這次報告，從一開始的查找資料確定實現(xiàn)方法一直到最后撰寫報告，都學(xué)到了很多，無論是硬件設(shè)施的集成化，還是軟件部分的全面智能化都讓