1、攀枝花学院本科毕业设计（论文）基于 LabWindows/CVI 的示波器设计学生姓名： 翟 果 学生学号： 200810504039 院（系）： 电器信息工程学院 年级专业： 2008 级测控技术与仪器指导教师： 伍维根 教授 助理指导教师： 范方灵 副教授 二一二年五月摘 要随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化，美国国家仪器公司于 20 世纪 80 年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。经过十几年的发展，虚拟仪器技术将高速发展的计算机技术、电子技术、通信技术
2、和检测技术结合起来，开创了个人计算机仪器时代，是测量仪器工业发展的一个里程碑。本课题在掌握了虚拟仪器的基本结构及信号处理的相关知识基础之上，设计了一套虚拟示波器。对虚拟仪器的概念，结构，发展趋势进行了相关分析。介绍了与信号处理相关的基础知识。虚拟仪器主要由硬件和软件两个部分构成。本文对虚拟示波器的硬件即数据采集卡进行了简单的介绍，对其软件部分进行了详细研究，并对该设计的应用及意义作出了详细介绍。在此基础上完成了虚拟双踪示波器的基本功能的设计。关键词 虚拟仪器，虚拟示波器，数据采集，设计应用ABSTRACT Along with computer technology, large scale
3、integrated circuit technology and the rapid development of communication technology, instrument technology field has undergone tremendous changes, the United States National Instruments Corporation in the nineteen eighties medium is put forward based on the computer technology the concept of virtual
4、 instrument, virtual test technology into a new period of development, then developed and introduced based on multiple bus system virtual instrument. After ten years of development, virtual instrument technology will speed the development of the computer technology, electronic technology, communicat
5、ion technology and detection technology together, created a personal computer equipment era, is a measuring instrument of industrial development of a milepost.This topic is in the grasp of the virtual instruments basic structure and signal processing of the knowledge base, design a set of virtual os
6、cilloscope. On the concept of virtual instrument, structure, development trend and the correlation analysis. Introduces the basic knowledge related with signal processing. Virtual instrument is mainly composed of hardware and software in two parts. The virtual oscilloscope data acquisition card hard
7、ware is introduced in brief, on the part of the software were studied in detail, and the design of the application and significance of making detailed introduction. Based on this virtual oscilloscope function of the basic design.Key words：virtual instrument, virtual oscilloscope, data acquisition, d
8、esign and Application目 录摘 要 .IAbstract.II1 绪论 11.1 虚拟仪器的概述 .11.1.1 虚拟仪器的优势 11.1.2 虚拟仪器技术 .21.1.3 虚拟仪器的组成 21.1.4 虚拟仪器的发展现状 .41.1.5 虚拟仪器的发展趋势 .41.2 Labview 简介 41.2.1 Labview 的概念 41.2.2 LabVIEW 软件设计基本原理 51.2.3LABVIEW 的应用领域 61.3 数据采集技术与 NI USB-6251 BNC 简介 71.3.1 数据采集和数据采集卡 .71.3.2 基于计算机的数据采集系统各部分的作用 .71
9、.3.3 NI USB-6251 BNC.91.3.4 驱动及应用软件 91.3.5 USB-6251 详细规格 .102 课题设计内容与设计方案 122.1 设计内容 122.2 实现功能 122.3 工作原理 132.4 设计思路 132.5 方案的实现 .142.5.1 前面板的设计 .142.5.2 设计原理及设计步骤 .143 课题应用及意义 .213.1 转化为学生实验条件 .213.1.1 转化的意义 .213.1.2 转化方式 213.2 组建自动测试系统 .253.2.1 自动测试系统简介 253.2.2 GPIB 接口板简介 253.2.3 自动测试系统与示波器的结合 .2
10、64 结 语 28参 考 文 献 29致 谢 .301 绪论1.1 虚拟仪器的概述随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化，美国国家仪器公司（National Instruments，简称 NI）于 20世纪 80 年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。经过十几年的发展，虚拟仪器技术将高速发展的计算机技术、电子技术、通信技术和检测技术结合起来，开创了个人计算机仪器时代，是测量仪器工业发展的里程碑。所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚
11、拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟示波器相比传统示波器具有价格低廉、功能丰富、可编程性以及显示直观等众多优势。使用者用鼠标点击虚拟面板，就可操作这台计算机系统硬件平台，就如同使用一台专用测量仪器一样。虚拟仪器的“虚拟”二字主要包含以下两个方面的含义：第一， 虚拟仪器的面板是虚拟的。虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的：“通” 、 “断” ；被测信号的“输入通道” 、 “放大倍数”等参数的设置；测量结果的“数值显示” 、“波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是“实物” ，而且是由“手动”
12、、 “触摸” 、来进行操作的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相象的“图标” ，每个图标的“通” 、 “断” 、 “放大”等，对应着相应的软件程序。这些软件已经设计好，我们只需选用代表该种软件程序的图形“控件”即可。因此，设计虚拟仪器前面板,就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。第二,虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。在以 PC 为核心的硬件平台支持下，虚拟仪器不仅可以通过软件编程设计来实现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。因此在硬件平台确定后就有了“软件就是仪器”的说法，这也体现了测试技术与计算机技术深层
13、次的结合。1.1.1 虚拟仪器的优势虚拟仪器的出现，彻底改变了传统仪器的结构固定，功能单一、价格昂贵、可扩展性差等不足，并且具有的灵活方便的功能扩展、美观友好的人机界面、得心应手的操作、优良的性能价格比和用户可自行定义仪器功能等一系列优点。虚拟仪器将计算机和测量系统融合于一体，用计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器物理面板。虚拟仪器对于传统仪器的最大优势是“传统的独立仪器由制造商来定义它的功能，而虚拟仪器完全由用户定义仪器的功能” 。传统的单台仪器只有一块仪器面板，例如，示波器只有示波器面板，信号发生器也只有信号发生器的面板。但是，虚拟仪器的“面板”显示在PC
14、的屏幕上，以软件的形式存在于计算机中，一套完整的虚拟仪器系统可以包含多个可切换的操作面板。仪器的操作是通过鼠标选中不同的按键和旋钮来完成的。根据实际生产的需要，采用不同的软硬件组合，用户就能在屏幕上定义自己的仪器，通过修改软件来修改或增减仪器的功能，生成各种不同的“仪器面板” ，最大限度的满足各种测量系统的需要，从而真正体现了“软件就是仪器”这一新概念。1.1.2 虚拟仪器技术虚 拟 仪 器 技 术 （ NI） 就 是 利 用 高 性 能 的 模 块 化 硬 件 ， 结 合 高 效 灵 活 的 软 件来 完 成 各 种 测 试 、 测 量 和 自 动 化 的 应 用 。 灵 活 高 效 的 软
15、 件 能 帮 助 您 创 建 完 全 自定 义 的 用 户 界 面 ， 模 块 化 的 硬 件 能 方 便 地 提 供 全 方 位 的 系 统 集 成 ， 标 准 的 软 硬件 平 台 能 满 足 对 同 步 和 定 时 应 用 的 需 求 。 这 也 正 是 NI 近 30 年 来 始 终 引 领 测试 测 量 行 业 发 展 趋 势 的 原 因 所 在 。 只 有 同 时 拥 有 高 效 的 软 件 、 模 块 化 I/O 硬件 和 用 于 集 成 的 软 硬 件 平 台 这 三 大 组 成 部 分 ， 才 能 充 分 发 挥 虚 拟 仪 器 技 术 性 能高 、 扩 展 性 强 、 开
16、发 时 间 少 ， 以 及 出 色 的 集 成 这 四 大 优 势 。 1.1.3 虚拟仪器的组成虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成方式上讲则由以 DAQ 板和信号调理为仪器硬件而组成的 PC-DAQ 测试系统，或以 GPIB，VXI，Serial 和 Field bus 等标准总线仪器为硬件组成的 GPIB 系统、VXI 系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图 1.1 所示。信号 信号输入 输出图 1.1 虚拟仪器构成图显示器入机接口 信号分析与处理 各类接口A/D 转换器 数据发生器信号调理器 D/A 转换器信号调理器 信号调理器 高效的
17、软件软 件 是 虚 拟 仪 器 技 术 中 最 重 要 的 部 份 。 使 用 正 确 的 软 件 工 具 并 通 过 调 用 特定 的 程 序 模 块 ， 工 程 师 和 科 学 家 们 可 以 高 效 地 创 建 自 己 的 应 用 以 及 友 好 的 人 机交 互 界 面 。 NI 公 司 提 供 的 行 业 标 准 的 图 形 化 编 程 软 件 NI LABVIEW， 不仅 能 轻 松 方 便 地 完 成 与 各 种 软 硬 件 的 连 接 ， 更 能 提 供 强 大 的 数 据 处 理 能 力 ， 并将 分 析 结 果 有 效 地 显 示 给 用 户 。 此 外 ， NI 还 提
18、供 了 许 多 其 它 交 互 式 的 测 量 工具 和 系 统 管 理 软 件 工 具 ， 例 如 连 接 设 计 与 测 试 的 交 互 式 软 件 SignalExpress、基 于 ANSI-C 语 言 的 LabWindows/CVI、 支 持 微 软 Visual Studio 的Measurement Studio 等 等 ， 这 些 软 件 均 可 满 足 客 户 对 高 性 能 应 用 的 需 求 。 拥 有 了 功 能 强 大 的 软 件 ， 您 就 可 以 在 仪 器 中 创 建 智 能 性 和 决 策 功 能 ， 通过 对 程 序 的 修 改 ， 便 可 以 实 现 功
19、 能 的 调 整 ， 从 而 发 挥 虚 拟 仪 器 技 术 在 测 试 应用 中 的 强 大 优 势 。 模块化的 I/O 硬件面 对 如 今 日 益 复 杂 的 测 试 测 量 应 用 ， NI 提 供 了 全 方 位 的 软 硬 件 解 决 方 案 。无 论 您 是 使 用 PCI, PXI, PCMCIA, USB 或 者 是 IEEE 1394 总 线 ， NI 都 能 提供 相 应 的 模 块 化 硬 件 产 品 ， 产 品 种 类 从 数 据 采 集 及 信 号 调 理 、 模 块 化 仪 器 、 机器 视 觉 、 运 动 控 制 、 仪 器 控 制 、 分 布 式 I/O 到
20、CAN 接 口 等 工 业 通 讯 ， 应 有 尽有 。 NI 高 性 能 的 硬 件 产 品 结 合 灵 活 的 开 发 软 件 ， 可 以 为 负 责 测 试 和 设 计 工 作的 工 程 师 们 创 建 完 全 自 定 义 的 测 量 系 统 ， 满 足 各 种 灵 活 独 特 的 应 用 需 求 。 目 前 ， NI 已 经 达 到 了 每 2 个 工 作 日 推 出 一 款 硬 件 产 品 的 速 度 ， 大 大 拓 宽了 用 户 的 选 择 面 ： 例 如 NI 数 据 采 集 系 列 产 品 为 工 程 师 们 提 供 了 从 分 布 式 、 便携 性 到 工 业 级 的 全 方
21、 位 测 量 测 试 应 用 的 解 决 方 案 。 用于集成的软硬件平台NI 首 先 提 出 的 专 为 测 试 任 务 设 计 的 PXI 硬 件 平 台 ， 已 经 成 为 当 今 测 试 、测 量 和 自 动 化 应 用 的 标 准 平 台 ， 它 的 开 放 式 构 架 、 灵 活 性 和 PC 技 术 的 成 本优 势 为 测 量 和 自 动 化 行 业 带 来 了 一 场 翻 天 覆 地 的 改 革 。 由 NI 发 起 的 PXI 系统 联 盟 现 已 吸 引 了 70 家 厂 商 ， 联 盟 属 下 的 产 品 数 量 也 已 超 过 一 千 种 。 PXI 作为一种专为工业
22、数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的 I/O 硬件和相应的测试测量开发软件 ，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助 PXI 高性能的硬件平台，您都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。 1.1.4 虚拟仪器的发展现状虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司（N I 公司）为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯福坦大学的机械工程系要
23、求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制.当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的 RS232 串行总线、G PIB 通用接口总线、VXI 总线，以及已经被 PC 机广泛采用的 USB 串行总线和 IEEE1394总线（即 Fire wire，也叫做火线） 。世界各国的公司，特别是美国 NI 公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件（插件） ，可以灵活的组建不同复杂程度的虚拟仪器自动检测系统。传统仪器有复杂的工艺问题和知识产权问题，发达国家的传统仪器市场已具有相当规模。而虚拟仪器是一个全新的领域，大力发展虚拟仪器技术可以略过传统仪器
24、的发展阶段，迅速进入虚拟仪器发展阶段，与国外大公司处于同一起跑线，形成跨越式发展。目前，虚拟仪器技术在中国越来越受到人们重视，研究高潮方兴未艾，应用范围越来越广，虚拟仪器技术必然会有突飞猛进的发展。1.1.5 虚拟仪器的发展趋势NI 公司提出的“软件即仪器” ，引发了仪器概念的革命性改变，而随着计算机通讯技术的发展，虚拟仪器逐渐向网络化方向发展，研究人员又提出了“网络即仪器”的概念。降低仪器支持和维护成本的技术，将成为虚拟仪器市场的主流技术之一。随着个人电脑的小型化，虚拟仪器也将朝小型化、大众化方向发展，将会出现个人能随身携带的分析仪器，打造出个人“拎着走的实验室” 。复用是成熟工程领域的一个
25、基本特征，使用经过时间检验的标准零部件，可使常规的设计问题直接利用现成的解决方案来解决，避免了项目开发时的重复设计，从而大幅度地降低开发成本，提高生产效率和产品质量。虚拟仪器系统的设计也正在朝着这个方向发展。随着自动化系统的设计复杂化、大型化和智能化，虚拟仪器软件的设计可复用性、较好的稳定性、对应用对象的宽适应性和用户的可维护性，已是工业控制领域的重要研究方向，虚拟仪器构件库的建立、构件自动组装工具的开发，能够使普通用户组装出符合要求的虚拟仪器系统。1.2 LABVIEW 简介1.2.1 LABVIEW 的概念LABVIEW（Laboratory Virtual instrument Engi
26、neering）是美国NationalInstruments 公司推出的一个图形化软件开发环境，利用一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制。LABVIEW 集成了与满足 GPIB、 VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。传统文本编程语言根据指令的先后顺序决定程序执行顺序，但 LABVIEW 则采用数据流编程方式，程序框
27、图中节点之间的数据流向决定了 VI 及函数的执行顺序。LABVIEW 提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LABVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G 代码。 LABVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图。1.2.2 LABVIEW 软件设计基本原理虚拟仪器的软件设计由两部分组成：前面板和流程图。在前面板，输入用输入控件(Control)来实现，程序运行的结果由输出控件(Indicator)来完成。流程图是完成程序功能的图形化源代码，通过它
28、对信号数据的输入和输出进行指定，完成对信号采集及分析处理功能的控制。 前面板。前面板是图形用户界面，也就是 VI 的虚拟仪器面板，前面板直接面向用户，是用户使用虚拟仪器的基本操作面板。这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。 程序框图提供 VI 的图形化程序。它的功能是对前面板上的控件进行定义、操作和连线以实现虚拟仪器的功能，是 LABVIEW 程序设计的核心。在程序框图中存在着对 VI 编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出。它包括前面板上的控件和控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。如果将
29、VI 与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用 VI 可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。 图标/连接器。VI 具有层次化和结构化的特征，一个 VI 可以作为子程序，这里称为子 VI，被其他 VI 调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。LABVIEW 的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的 VI 程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而这种调用的层次是没有限制的。在 VI 设计过程中，可以利用工具选板、前面板中的控件选板、程序框图中的函数选板进行
30、设计。这些选板的详细功能及用法通过不断的学习设计 VI 的过程逐渐地掌握。1.2.3 LABVIEW 的应用领域LABVIEW 有很多优点，尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出。测试测量：LABVIEW 最初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在 LABVIEW 最广泛的应用领域。经过多年的发展，LABVIEW 在测试测量领域获得了广泛的承认。至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的 LABVIEW 驱动程序，使用 LABVIEW 可以非常便捷的控制这些硬件设备。同时，用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的 LABVIEW 工具包。这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有
31、功能，用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了。有时甚至于只需简单地调用几个工具包中的函数，就可以组成一个完整的测试测量应用程序。控制：控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的LABVIEW 自然而然地首先拓展至控制领域。LABVIEW 拥有专门用于控制领域的模块-LabVIEWDSC 。除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的 LABVIEW 驱动程序。使用 LABVIEW 可以非常方便的编制各种控制程序。仿真：LABVIEW 包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。在设计机电设备之前，可以现在计算机上用 LABVIEW 搭建
32、仿真原型，验证设计的合理性，找到潜在的问题。在高等教育领域，有时如果使用 LABVIEW 进行软件模拟，就可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会。儿童教育：由于图形外观漂亮且容易吸引儿童的注意力，同时图形比文本更容易被儿童接受和理解，所以 LABVIEW 非常受少年儿童的欢迎。对于没有任何计算机知识的儿童而言，可以把 LABVIEW 理解成是一种特殊的“积木”：把不同的原件搭在一起，就可以实现自己所需的功能。著名的可编程玩具“乐高积木”使用的就是 LABVIEW 编程语言。儿童经过短暂的指导就可以利用乐高积木提供的积木搭建成各种车辆模型、机器人等，再使用 LABVIEW 编写控制其运动和
33、行为的程序。除了应用于玩具，LABVIEW 还有专门用于中小学生教学使用的版本。快速开发：根据笔者参与的一些项目统计，完成一个功能类似的大型应用软件，熟练的 LABVIEW 程序员所需的开发时间，大概只是熟练的 C 程序员所需时间的 1/5 左右。所以，如果项目开发时间紧张，应该优先考虑使用 LABVIEW，以缩短开发时间。跨平台：如果同一个程序需要运行于多个硬件设备之上，也可以优先考虑使用 LABVIEW。LABVIEW 具有良好的平台一致性。 LABVIEW 的代码不需任何修改就可以运行在常见的三大台式机操作系统上：Windows、Mac OS 及 Linux。除此之外，LABVIEW 还
34、支持各种实时操作系统和嵌入式设备，比如常见的 PDA、FPGA 以及运行 VxWorks 和 PharLap 系统的 RT 设备。1.3 数据采集技术与 NI USB-6251 BNC 简介1.3.1 数据采集和数据采集卡数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集的目的是为了测量电压、电流、温度、压力或声音等物理现象。基于 PC 的数据采集，通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合，进行测量。尽管数据采集系统根
35、据不同的应用需求有不同的定义，但各个系统采集、分析和显示信息的目的却都相同。数据采集系统整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件。 数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、 PXI、PCI 、PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、 485、 232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。数据采集卡，绝大多数集中在采集模拟量、数字量、热电阻、热电偶，其中热电阻可以认为是非电量（其实本质上还是要用电流驱动来采集） 。其中模拟量采集卡和数字量采集卡用得是最广泛的。1.3.2 基于计算机的数据
36、采集系统各部分的作用要从一个基于计算机的数据采集系统得到合理的结果，依赖于系统的每一个组成部分，即计算机、传感器、信号调理、数据采集硬件和软件。下面逐一予以讨论说明。 传感器。传感器将被测试的物理量转化成电信号的最基本的环节。例如，热电偶、热敏电阻、集成电路传感器、应变片等，都可以将温度转化成电压和电阻。对于每一种传感器，电信号的大小都与被监测信号的物理参数成正比。 信号调理。信号调理器是传感器和数据采集卡之间的桥梁，负责将传感器的输出信号和数据采集模块可以接受的信号联系起来，从传感器输出的信号必须经过调理才能够连入数据采集板，信号调理包括放大和衰减、隔离、滤波、传感器激励、线性化处理。放大和
37、衰减。数据采集卡接收的信号是范围很广的电压信号，如果太强，就需要衰减器把被测信号减弱后再输入给数据采集卡，这样一方面可以保证数据采集卡可以顺利采数，另一方面有利于系统的安全运行。而对于微弱信号要进行放大，以提高分辨率和降低噪音，也使调理后信号的最大电压值和 ADC 最大输入值相等，这样可以提高精度。在设定调理电路的放大或衰减倍数时，一般应满足这样一个条件:经调理后的信号其最大值应尽可能地达到数据采集卡可以接受的电压范围，最大限度地提高数据的准确度。隔离。隔离是指使用变压器、光或电容祸合等方法阻碍被测系统和测试系统之间传递信号，避免发生直接连接，使用祸合主要有两个方面原因:一是从安全的角度把传感
38、器信号同计算机隔离，因为被监测系统可能产生瞬时高压，另一个原因是隔离可以使从数据采集卡出来的数据不受地电位和输入模式的影响，减少误差。滤波。滤波的目的是消除噪音信号，提高输入信号的信噪比。噪音滤波器通常用于直流信号;交流信号通常需要抗失真的低通滤波器，因为这样的滤波器有一陡峭的截止频率，因而几乎能够完全消除高频干扰信号。激励。由于电工测量试验中经常要要用到正弦波、方波等信号，且有时需要为一些传感器提供激励信号，故由虚拟信号发生器产生各种信号并由信号调理电路进行功率放大后输出。线性化。很多传感器对被测量都有非线性响应，因而需要对输出信号进行线性化。 数据采集硬件。数据采集硬件与众多因素有关，要根
39、据具体情况进行分析，下面是通用的特征:采样频率: 采样频率高，就能在一定时间内获得更多的原始信息。为了再现原始信号，必须有足够高的采样频率。显然，如果信号变化比采样板的数字化要快，或采样太慢，就会产生波形失真。根据采样定理，采样频率至少是输入最高频率的两倍，才可能不产生失真。采样方法: 要从多个通道得到数据，通常使用多路开关把每个信号端连接到A/D 转化器(ADC)。采用连续扫描方法，要比给每个通道一个放大器和 ADC 要经济得多，但这仅仅实用于在采样点之间对时间不是很重要的场合。如果采样点之间对时间要求严格，则必须同时采样。对于低频信号，可以用间隔扫描办法来产生同时采样的效果，而不必增加采样
40、保持电路。这种方法一定时间间隔扫描输入通道，用脉冲来计算各通道两次扫描的时间间隔。分辨率: ADC 的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。电压范围: 电压范围指 ADC 能扫描到最高和最低电压。一般情况下，由于DAQ 卡的电压范围可以调节，所以将信号电压范围调到与微机相匹配以便利用其可靠的分辨率范围。范围、增益、分辨率决定了可分辨的最小电压变化，它表示ILSB。模拟输出: 模拟输出电路通常是为 DAQ 板的系统提供激励电压或电流。DAQ 输出信号由停滞、转换率、分辨率等构成。停滞时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。定时 I/0: 许多场合都要用到定时器，如数字脉冲定时、产生方波等
41、。定时器包括三个重要信息:门限信号、计时信号、输出。门限信号实际上是触发信号一使它工作或不工作;计时信号也就是信号源，它提供了继续其操作的时间基准;输出是在输出线上产生方波和脉冲。他们最重要的参数是分辨率和时钟频率。高分辨率意味着计数器可以计更多的数，时钟频率决定了产生数据信号输入的快慢，频率越高，计数增长得越快，因而输入端的信号频率高，就可以产生高频的脉冲波和方波。 驱动软件。没有软件，甚至没有好的软件，数据采集硬件系统不可能发挥很大的作用。数据系统一个主要方面是驱动软件的使用。驱动软件是直接对数据采集硬件系统来进行设计的软件层，管理着系统的操作以及和计算机资源的组合，比如 CPU 中断、D
42、MA 传送、存储器等。驱动软件在保持高性能、提高给用户易于理解的基础的同时，隐藏了复杂、详细的硬件及程序设计。NI 一 DAQ 就是NI 公司高性能数据采集及驱动程序。数据采集技术是电子测量仪器的基础，当然也是虚拟仪器的基础。只有当数据采集部分正确工作，整个虚拟仪器系统才能正确工作。1.3.3 NI USB-6251 BNC本设计数据采集的硬件部分采用的是 NI 公司的 USB-6251BNC。NI USB-6251 BNC 是一款 USB 高性能 M 系列多功能 DAQ 模块，在高采样率下也能保持高精度。实物如图 1.2 所示。NI USB-6251 BNC 是数据记录类应用和台式传感器测量
43、的理想选择。它具有 8 路模拟输入、2 路模拟输出、8 个DIO、1 个 APFI 和 2 个用户自定义 BNC 端子。NI USB-6251 BNC 为移动应用或空间上有限制的应用专门设计。其即插即用的安装最大程度地降低了配置和设置时间，同时它能直接与螺丝端子相连，从而削减了成本并简化了信号的连接。 图 1.2 数据采集卡该模块还具有新的 NI 信号读写技术，实现了 USB 总线上类似 DMA 的双向高速数据流操作。更多有关 NI 信号读写的信息，请点击资源栏。每个模块还提供了 OEM 版。请参看资源栏或使用左侧导航，获取价格和技术信息。包含经认证的电源供电。 1.3.4 驱动及应用软件NI
44、-DAQmx 驱动程序和测量服务软件提供了简单易用的配置和编程界面，DAQ Assistant 等功能可帮助用户缩短开发时间。浏览资源栏，了解驱动软件的更多信息或下载驱动程序。NI M 系列设备与传统的 NI-DAQ(Legacy)驱动程序不兼容。每个 M 系列数据采集设备均包含一份 NI LabVIEW SignalExpress LE 的副本，使您无需编程即可快速采集、分析并显示数据。除了 LabVIEW SignalExpress，M 系列数据采集设备还与下列 NI 应用软件版本（或更高版本）兼容LabVIEW 7.1、LabWindows/CVI 7.x、或 Measurement S
45、tudio 7.x。NI M系列数据采集设备也兼容 Visual Studio .NET、C/C+和 Visual Basic 6。1.3.5 USB-6251 详细规格通用的 总线类型 USB操作系统 / 对象 Windows测量类型 正交编码器, 电压DAQ 产品家族 M 系列与 RoHS 指令的一致性 是模拟输入 通道数 8 SE/8 DI采样率 1.25 MS/s分辨率 16 bits同步采样 否最大电压范围 -1010 V精度范围 1.92 mV敏感度范围 112 V最小电压范围 -100100 mV精度范围 52 V敏感度范围 6 V量程数 7板上存储量 4095 样本模拟输出 通
46、道数 2更新率 2.86 MS/s分辨率 16 bits最大电压范围 -1010 V通用的 精度范围 2.08 mV最小电压范围 -55 V精度范围 1.045 mV电流驱动(通道/总计) 5 mA/10 mA数字 I/O 通道数 24 DIO定时 硬件, 软件最大时钟速率 1 MHz逻辑电平 TTL最大输入范围 05 V最大输出范围 05 V输入电流 源电流, 漏电流可编程输入滤波器 是输出电流 源电流, 漏电流电流驱动(通道/总计) 24 mA/448 mA看门狗定时器 否支持可编程上电状态? 是支持握手 I/O? 否支持模式 I/O? 是计时器/定时器 计数器/定时器数目 2分辨率 32
47、 bits最大信号源频率 80 MHz最小输入脉冲宽度 12.5 ns逻辑电平 TTL最大量程 05 V时基稳定度 50 ppmGPS 同步 否脉冲生成 是缓冲操作 是短时脉冲干扰消除 是DMA 通道数 0定时/触发/同步 同步总线(RTSI) 否触发 模拟, 数字2 课题设计内容与设计方案2.1 设计内容示波器是电子测量、测试仪器中使用范围非常广泛的设备。传统示波器包括宽带示波器、取样示波器和记忆示波器等，它们频带较宽，实时性较好，但功能比较单一，人机界面不够友好。而目前的数字存储示波器虽然测试准确度高，而且具有较强的数字化处理能力，但是这种示波器价格昂贵，仪器功能模块固定，不具备用户对仪器
48、进行定义和用户编程的功能。采用虚拟示波器技术可以以低廉的成本解决这些问题。虚拟示波器是虚拟仪器技术的应用，它使用数据采集卡采集现场信号，通过接口电路传输数据到计算机，再借助强大的监控软件模拟示波器的操作面板，实现信号采集、分析、处理、存储、再显示、打印输出等功能。虚拟示波器构造真实，操作现实感强，虚拟示波器的系统总体结构如图 2.1 所示。他由被测信号、限幅电路、数据采集卡和计算机组成。 图 2.1 虚拟示波器的系统总体结构本论文主要应用 美国国家仪器（NI）有限公司的 USB-6251 数据卡，自主开发研究虚拟数字存储示波器，即利用计算机、数据采集卡和简单的调整电路不仅实现示波器的功能，而且
49、大大降低成本，使用更加灵活方便，为进一步组建自动测试系统打下基础。介绍虚拟示波器软件的开发过程，以及相关数据处理的基础知识。虚拟示波器主要有硬件和软件两部分构成。硬件部分主要是普通 PC 机和数据采集卡；软件部分则包括了前面板，采集卡驱动程序及相关的应用软件（主要有频谱分析，数字滤波，数据存储和读取，波形显示等） 。2.2 实现功能虚拟示波器是虚拟仪器的一种，它不仅可以实现传统示波器的功能，并且具有存储、再现、分析、处理波形等特点，而且体积小，耗电少。虚拟示波器使用被测信号限幅电路数据采集卡计算机功能强大的微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不的方式（如数据、图形、图表等）表示测量结果，完成各种规模的测量任务。 实时显示：通过采集卡采集信号并能对输入信号实时显示在 PC 机终端。 数字滤波：采用数字 IIR 滤波器对信号进行滤波处理并实时显示，同时可以任意设置滤波器的最佳逼近函数类型、滤波器类型、阶次、上下截止频率等参数。 截波显示：即可满足波形的瞬态显示，同时也可以将瞬态波形进行保存。 波形存储：可随时将原始信号或处理后信号以 LabVIEW 特有的 L
