多功能DAQ卡和LabVIEW的虚拟示波器设计
多功能DAQ卡和LabVIEW的虚拟示波器设计[20200121205611]
摘要
随着微电子集成技术与微型计算机技术的飞速发展，虚拟仪器的出现成为了仪器测量领域的一匹黑马。与传统仪器相比其功能强大、适用面广、廉价灵活、研发简单等特点让其逐渐成为未来仪器测量领域的一个重要的发展方向，而虚拟示波器作为虚拟仪器重要的成员之一，不再像传统示波器那样束缚于单一的功能以及昂贵的造价，因此对于它的研发便显得尤为重要。
本文通过NI公司推出的LabVIEW软件开发平台设计了一款多功能的虚拟数字示波器，该示波器系统由数据采集、数据分析以及波形显示三部分组成。将计算机与数据采集平台ELVISⅡ连接起来后，可通过运行计算机上的虚拟数字示波器程序来实现一系列传统示波器的功能。本文主要完成对于虚拟数字示波器软件的设计。
对于该示波器软件的设计，本文采用模块化设计方案，将其分为7大模块，分别实现其对应的功能，使示波器具备数据采集、仿真、滤波、波形显示、信号处理、频谱分析以及波形存储与回放等功能。
最后本文验证了该虚拟示波器的功能，并对该虚拟数字示波器的设计进行了总结与展望。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:虚拟仪器labVIEW虚拟数字示波器ELVISⅡ
目 录
第一章 绪论 1
1.1虚拟仪器的基本概念 1
1.2 虚拟仪器的组成 2
1.2.1虚拟仪器的硬件 2
1.2.2 虚拟仪器的软件 3
1.3虚拟仪器的发展前景 3
第二章 LabVIEW软件的介绍 5
2.1 LabVIEW的概述 5
2.2 LabVIEW的编程环境 5
2.2.1 前面板和程序框图 5
2.2.2控件选板 6
2.2.3 函数选板 7
2.2.4 工具选板 7
第三章 数据采集的介绍 9
3.1 何谓ELVISⅡ 9
3.2 数据采集原理 9
3.2.1 何谓数据采集 9
3.2.2 数据采集系统的构成 9
3.2.3 信号采集 10
3.2.4 采样定理 10
3.2.5 信号调理 11
3.2.6 模拟输入信号的类型 12
3.2.7 测量系统的分类 13
3.3 数据采集卡的介绍 14
3.3.1 数据采集卡的功能介绍 14
3.3.2 数据采集卡的设置 15
第四章 虚拟示波器程序的介绍 16
4.1 数据采集模块的设计 16
4.2 仿真信号的设计 19
4.3 信号测量模块设计 20
4.4 数字滤波模块设计 21
4.5 频谱分析模块设计 22
4.6 波形显示模块 22
4.7 波形存储和回放模块设计 23
4.8 完整的程序与前面板设计 23
第五章 程序的调试 25
5.1仿真信号的采集 25
5.1.1程序自带仿真功能验证 25
5.1.2基于LabVIEW自带仿真功能验证 26
5.2直流信号的采集 27
5.3 交流信号的采集 28
5.4 波形的存储与回放 31
第六章 结论与展望 33
参考文献 34
致 谢 36
第一章 绪论
1.1虚拟仪器的基本概念
虚拟仪器（Virtual Instrument，VI），是一种以计算机作为硬件平台，由测试软件来实现测试功能的仪器系统，其操作面板可由用户自行定义与设计。虚拟仪器不再像传统电子仪器一样将硬件作为主体，用户只需操作计算机上的测量软件便可进行测量。虚拟仪器名称的由来也正是因为用户测量时仿佛正在使用一台虚拟电子仪器。相比于传统仪器，它更加的简单通用，能更好的适应现代高速发展的科技水平对测量仪器所提出的不断变化的要求，它正推动着传统仪器向数字化、模块化、虚拟化和网络化方向的发展。
虚拟仪器通过应用程序将计算机和功能化硬件相结合，使用户可通过前面板来操作这台计算机，进而完成对被测量的采集、分析、调理、显示和数据储存等。其内部功能划分如图1-1所示。
图1-1 虚拟仪器的内部功能划分
虚拟仪器是美国国家仪器公司在1986年首次提出的概念，但是其雏形却可以追溯到1981年美国西北仪器系统公司推出的以Apple II作为基础的数字存储示波器。但由于当时技术的限制无法普及开来，直到20世纪80年代微软公司推出的windows操作系统，极大地提高了计算机操作系统的图形支持功能。因此在1986年，NI公司推出了图形化的编程软件LabVIEW，标志着虚拟仪器软件开发平台的基本成型，虚拟仪器从概念结构过渡到了了可实现的具体对象。
1.2 虚拟仪器的组成
1.2.1虚拟仪器的硬件
随着测试测量被广泛的应用，目前市场上的模块化硬件产品越来越多，如总线类型所支持的PCI、PXI、PCMCIA、USB以及1394总线等。根据硬件接口的不同，可以将虚拟仪器分为4种标准体系结构，分别是基于GPIB总线、PC总线、VXI总线以及PXI总线。
（1）基于GPIB总线的虚拟仪器
GPIB（General Purpose Interface Bus,通用接口总线）在现在专业的仪器上多有配备，此类仪器在构建基于计算机的虚拟仪器上都通过GPIB来实现。将GPIB接口卡和其对应的仪器连接起来，利用计算机来增强传统仪器的功能，可快速有效的完成各种不同规模的测量任务。并且能够预先编好测试程序，从而实现自动测试，进一步的提高了测试效率。
（2）基于PC总线的虚拟仪器
由于现在的个人计算机相当的普及，基于PC总线的虚拟仪器越来越受到人们的青睐。这种以多功能DAQ数据采集卡作为硬件的PC总线可分为ISA、PCI、PC/104等。这种虚拟仪器依靠计算机的诸多优点，使得整个测试系统变得更加的灵活和通用。
其原理是通过A/D转换将外部模拟信号转化成数字信号输入到计算机当中，然后对这些信号进行分析处理和显示等，并经过D/A转换输出信号来实现控制。该方式是构建虚拟仪器方式中最基础和最廉价的方式。
（3）基于VXI总线的虚拟仪器
VXI（VMEbus Extension for Instrumentation）系统最多可容纳256个装置，是一种高速计算机总线 ，具有即插即用，模块化设计，传输速度快，结构紧凑，定时精确，使用方便等优点。在组织大规模、集成化系统上，其优点胜过其他同类虚拟仪器，但是由于其价格相对较高，主要被用在高尖端的测试领域。
（4）基于PXI总线的虚拟仪器
PXI（PCI eXtension for Instrumentation）总线是NI公司推出的一款新的总线规范，它是以PCI为基础的进一步拓展型，并借鉴了VXI中的一些先进的技术，使其具备较高的传输速率与良好的性价比，越来越受到专业技术人员的青睐。
1.2.2 虚拟仪器的软件
软件作为虚拟仪器的核心，在硬件平台建立好了以后，就要开始进行应用程序的编制任务。通过安装在计算机上的软件，编制出符合两条要求的应用程序。其一，具备虚拟仪器图形化的仪器界面以及能让用户观察参数、选择功能、修改操作等的人机接口。其二，能使计算机接收到采集的信号并进行分析、处理从而完成数据的输入、存储、分析与输出等功能。其结构如图1-2所示。
图1-2
（1）输入/输出（I/O）接口软件
I/O接口软件被用来连接仪器与仪器驱动程序，其功能主要是对仪器内部寄存器单元直接进行数据读取从而为驱动程序提供信息，是虚拟系统必不可少的一部分。其结构、特点以及实现规范在VPP（即VXI即插即用）系统中有明确规定。
摘要
随着微电子集成技术与微型计算机技术的飞速发展，虚拟仪器的出现成为了仪器测量领域的一匹黑马。与传统仪器相比其功能强大、适用面广、廉价灵活、研发简单等特点让其逐渐成为未来仪器测量领域的一个重要的发展方向，而虚拟示波器作为虚拟仪器重要的成员之一，不再像传统示波器那样束缚于单一的功能以及昂贵的造价，因此对于它的研发便显得尤为重要。
本文通过NI公司推出的LabVIEW软件开发平台设计了一款多功能的虚拟数字示波器，该示波器系统由数据采集、数据分析以及波形显示三部分组成。将计算机与数据采集平台ELVISⅡ连接起来后，可通过运行计算机上的虚拟数字示波器程序来实现一系列传统示波器的功能。本文主要完成对于虚拟数字示波器软件的设计。
对于该示波器软件的设计，本文采用模块化设计方案，将其分为7大模块，分别实现其对应的功能，使示波器具备数据采集、仿真、滤波、波形显示、信号处理、频谱分析以及波形存储与回放等功能。
最后本文验证了该虚拟示波器的功能，并对该虚拟数字示波器的设计进行了总结与展望。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:虚拟仪器labVIEW虚拟数字示波器ELVISⅡ
目 录
第一章 绪论 1
1.1虚拟仪器的基本概念 1
1.2 虚拟仪器的组成 2
1.2.1虚拟仪器的硬件 2
1.2.2 虚拟仪器的软件 3
1.3虚拟仪器的发展前景 3
第二章 LabVIEW软件的介绍 5
2.1 LabVIEW的概述 5
2.2 LabVIEW的编程环境 5
2.2.1 前面板和程序框图 5
2.2.2控件选板 6
2.2.3 函数选板 7
2.2.4 工具选板 7
第三章 数据采集的介绍 9
3.1 何谓ELVISⅡ 9
3.2 数据采集原理 9
3.2.1 何谓数据采集 9
3.2.2 数据采集系统的构成 9
3.2.3 信号采集 10
3.2.4 采样定理 10
3.2.5 信号调理 11
3.2.6 模拟输入信号的类型 12
3.2.7 测量系统的分类 13
3.3 数据采集卡的介绍 14
3.3.1 数据采集卡的功能介绍 14
3.3.2 数据采集卡的设置 15
第四章 虚拟示波器程序的介绍 16
4.1 数据采集模块的设计 16
4.2 仿真信号的设计 19
4.3 信号测量模块设计 20
4.4 数字滤波模块设计 21
4.5 频谱分析模块设计 22
4.6 波形显示模块 22
4.7 波形存储和回放模块设计 23
4.8 完整的程序与前面板设计 23
第五章 程序的调试 25
5.1仿真信号的采集 25
5.1.1程序自带仿真功能验证 25
5.1.2基于LabVIEW自带仿真功能验证 26
5.2直流信号的采集 27
5.3 交流信号的采集 28
5.4 波形的存储与回放 31
第六章 结论与展望 33
参考文献 34
致 谢 36
第一章 绪论
1.1虚拟仪器的基本概念
虚拟仪器（Virtual Instrument，VI），是一种以计算机作为硬件平台，由测试软件来实现测试功能的仪器系统，其操作面板可由用户自行定义与设计。虚拟仪器不再像传统电子仪器一样将硬件作为主体，用户只需操作计算机上的测量软件便可进行测量。虚拟仪器名称的由来也正是因为用户测量时仿佛正在使用一台虚拟电子仪器。相比于传统仪器，它更加的简单通用，能更好的适应现代高速发展的科技水平对测量仪器所提出的不断变化的要求，它正推动着传统仪器向数字化、模块化、虚拟化和网络化方向的发展。
虚拟仪器通过应用程序将计算机和功能化硬件相结合，使用户可通过前面板来操作这台计算机，进而完成对被测量的采集、分析、调理、显示和数据储存等。其内部功能划分如图1-1所示。
图1-1 虚拟仪器的内部功能划分
虚拟仪器是美国国家仪器公司在1986年首次提出的概念，但是其雏形却可以追溯到1981年美国西北仪器系统公司推出的以Apple II作为基础的数字存储示波器。但由于当时技术的限制无法普及开来，直到20世纪80年代微软公司推出的windows操作系统，极大地提高了计算机操作系统的图形支持功能。因此在1986年，NI公司推出了图形化的编程软件LabVIEW，标志着虚拟仪器软件开发平台的基本成型，虚拟仪器从概念结构过渡到了了可实现的具体对象。
1.2 虚拟仪器的组成
1.2.1虚拟仪器的硬件
随着测试测量被广泛的应用，目前市场上的模块化硬件产品越来越多，如总线类型所支持的PCI、PXI、PCMCIA、USB以及1394总线等。根据硬件接口的不同，可以将虚拟仪器分为4种标准体系结构，分别是基于GPIB总线、PC总线、VXI总线以及PXI总线。
（1）基于GPIB总线的虚拟仪器
GPIB（General Purpose Interface Bus,通用接口总线）在现在专业的仪器上多有配备，此类仪器在构建基于计算机的虚拟仪器上都通过GPIB来实现。将GPIB接口卡和其对应的仪器连接起来，利用计算机来增强传统仪器的功能，可快速有效的完成各种不同规模的测量任务。并且能够预先编好测试程序，从而实现自动测试，进一步的提高了测试效率。
（2）基于PC总线的虚拟仪器
由于现在的个人计算机相当的普及，基于PC总线的虚拟仪器越来越受到人们的青睐。这种以多功能DAQ数据采集卡作为硬件的PC总线可分为ISA、PCI、PC/104等。这种虚拟仪器依靠计算机的诸多优点，使得整个测试系统变得更加的灵活和通用。
其原理是通过A/D转换将外部模拟信号转化成数字信号输入到计算机当中，然后对这些信号进行分析处理和显示等，并经过D/A转换输出信号来实现控制。该方式是构建虚拟仪器方式中最基础和最廉价的方式。
（3）基于VXI总线的虚拟仪器
VXI（VMEbus Extension for Instrumentation）系统最多可容纳256个装置，是一种高速计算机总线 ，具有即插即用，模块化设计，传输速度快，结构紧凑，定时精确，使用方便等优点。在组织大规模、集成化系统上，其优点胜过其他同类虚拟仪器，但是由于其价格相对较高，主要被用在高尖端的测试领域。
（4）基于PXI总线的虚拟仪器
PXI（PCI eXtension for Instrumentation）总线是NI公司推出的一款新的总线规范，它是以PCI为基础的进一步拓展型，并借鉴了VXI中的一些先进的技术，使其具备较高的传输速率与良好的性价比，越来越受到专业技术人员的青睐。
1.2.2 虚拟仪器的软件
软件作为虚拟仪器的核心，在硬件平台建立好了以后，就要开始进行应用程序的编制任务。通过安装在计算机上的软件，编制出符合两条要求的应用程序。其一，具备虚拟仪器图形化的仪器界面以及能让用户观察参数、选择功能、修改操作等的人机接口。其二，能使计算机接收到采集的信号并进行分析、处理从而完成数据的输入、存储、分析与输出等功能。其结构如图1-2所示。
图1-2
（1）输入/输出（I/O）接口软件
I/O接口软件被用来连接仪器与仪器驱动程序，其功能主要是对仪器内部寄存器单元直接进行数据读取从而为驱动程序提供信息，是虚拟系统必不可少的一部分。其结构、特点以及实现规范在VPP（即VXI即插即用）系统中有明确规定。
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