基于LabVIEW的虚拟示波器设计讲解

本科毕业论文（设计）

题目基于LabVIEW的虚拟示波器设计

学生

指导教师讲师

年级2011级

专业电子信息工程

二级学院信息工程学院

信息工程学院

2015年5月

郑重声明

本人的毕业论文（设计）是在指导教师的指导下独立撰写完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。

毕业论文（设计）作者（签名）：

年月日

基于LabVIEW的虚拟示波器设计

摘要

虚拟仪器技术发展很快，以美国国家仪器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。虚拟仪器发展至今已经算是比较成熟，和传统仪器相比有明显的优势虚拟仪器技术拥有强大的模块化硬件和高效灵活的软件使其能完成各类测试、测量和自动化的应用，极大的提高了产品开发和生产效率。

本次虚拟示波器设计软件是基于美国NI公司的LabVIEW。LabVIEW在是在计算机上进行数据采集、数据分析处理。实现虚拟示波器的功能主要有从外界采样模拟信号，转化为相应的数字信号，在计算机上实现波形的显示，并能够进行简单的波形处理，可以显示波形的最大值、最小值、平均值，并能够根据需要放大波形的倍数，最后进行调试完成。

关键词：LabVIEW 虚拟仪器虚拟示波器

Design of Oscillogrape based on LabVIEW

Xing Long Directed by Jia Sumei[Lecturer]

ABSTRACT

Virtual instrument technology is developing rapidly now,national instruments as a representative of a number of manufacturers have been launched in the market based on virtual instrument technology and design instrument the commercialization of the products.Virtual instrument system in the United States and its graphical programming language,has been as a required course for the university of science and engineering students.Since the virtual instrument development is very mature, and has obvious advantage in comparison to traditional instruments virtual instrument technology has a strong modular hardware and highly efficient and flexible software can make it do all kinds of test, measurement and automation applications, greatly improve the efficiency of product development and production.

The virtual oscilloscope design software is based on the NI company LabVIEW. LabVIEW is in on the computer for data acquisition, data analysis and processing. Realize the function of the virtual oscilloscope mainly include sampling analog signals from the outside world, into the corresponding digital signal, realizes the waveform display on the computer, and able to perform simple waveform processing, can display the waveform of maximum, minimum, average, and can according to need to amplify multiples of waveform, the final debugging.

KEY WORDS：LabVIEW Virtual instrument Virtual oscilloscope

目录

1 绪论 (2)

2 虚拟仪器的概述 (3)

2.1 虚拟仪器的基本概念 (3)

2.1.1 虚拟仪器的产生 (3)

2.1.2 虚拟仪器的概念 (3)

2.1.3 虚拟仪器的结构 (4)

2.1.4 虚拟仪器的特点 (4)

2.2 虚拟仪器发展现状 (4)

2.2.1 虚拟仪器的现状 (4)

2.2.2 虚拟仪器的发展趋势 (5)

2.3 LabVIEW图形化编程语言 (5)

2.3.1 什么是LabVIEW (5)

2.3.2 LabVIEW的特点 (6)

3 虚拟示波器的原理 (6)

3.1 数字示波器 (6)

3.2 虚拟示波器 (7)

4 虚拟示波器的总体设计 (8)

4.1 虚拟示波器的设计方案 (8)

4.2 虚拟示波器的主要功能 (9)

5 虚拟示波器的软件设计 (10)

5.1 虚拟示波器的波形显示 (10)

5.2 虚拟示波器的其功能 (12)

5.2.1 虚拟示波器的存储和读取 (12)

5.2.2 虚拟示波器参数测量显示 (14)

5.2.3 虚拟示波器应用程序文件生成 (16)

5.2.4 虚拟示波器其他子程序 (16)

6 结论 (18)

参考文献 (19)

致谢 (20)

1 绪论

测量仪器发展至今，大体发展可分为四个时期，即模拟仪器、分立式元件仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。传统仪器和虚拟仪器相比，不管是开发或者应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟示波器是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，也是传统仪器观念的一次巨大变革。随着科技发展时代前进虚拟技术也在迅速的发展，虚拟仪器技术在很多方面打破了传统仪器的观念，虚拟仪器灵活多变的编程方式和传统仪器产生了巨大的差异，不仅包含传统仪器的特点及功能也灵活的发展出更多的功能和新的领域。虚拟仪器就是在这种背景下产生的，其主要是应用计算机强大的信息处理能力，使本来需要硬件实现的技术软件化，最大程度地降低了系统的成本，增强系统的灵活性。具体发展如图1-1所示。

图1-1 测量仪器的发展

示波器的发展大致为初期发展、中期然后发展至今。初期主要为模拟示波器：二十世纪四十年代是电子示波器兴起的时代，这个时期产生了近代示波器的基础。五十年代电子示波器的带宽达到100MHz。六十年代出现带宽6GHz的取样示波器、带宽4GHz的行波示波管、1GHz的存储示波管。七十年代模拟式电子示波器达到高峰，测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器。模拟示波器从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器。二十世纪八十年代数字示波器异军突起，模拟示波器逐渐从退至后台。进入中期数字示波器独领风骚：八十年代的数字示波器处在转型阶段。进入九十年代，数字示波器除了提高带宽到1GHz以上，更重要的是它的全面性能超越模拟示波器。此时的数字示波器已经比较成熟并且综合了模拟示波器的优点，并且发展出自己的特点。

2 虚拟仪器的概述

2.1虚拟仪器的基本概念

虚拟仪器技术利用强大的模块化硬件和高效灵活的软件完成各类测试、测量和自动化的应用。虚拟仪器技术于1986年问世以后，LabVIEW图形化开发工具已经被世界各国的工程师和科学家们应用于产品设计周期的各个环节中，改善了产品的质量并且减少了产品投放市场的时间，产品开发和生产效率获得极大的提高，使用集成化的虚拟仪器环境分析实际的信号数据以获取实用信息，共享信息结果，有利于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器具备的多方面的功能能满足我们对大部分项目需求。

2.1.1虚拟仪器的产生

20世纪70年代，伴随个人计算机技术的出现，人们开始思考用电脑来处理传统仪器测试的数据；20世纪80年代，计算机技术的进一步发展，计算机主板上有了多个扩展槽，并研发出插在计算机里的数据采集卡，这时系统已经可以做一些简单的数据采集工作，由计算机进行对数据的处理，形成了虚拟仪器技术的雏形。电脑强大的运算及分析能力以及相关的硬件及软件，组合成所需的各种仪器，对一些信号进行处理，这既是虚拟仪器的兴起。

2.1.2虚拟仪器的概念

虚拟仪器（Virtual Instruments.简称VI）的概念，是美国国家仪器公司（National Instruments Corp.简称NI）于1986年提出。NI公司还提出了“软件即仪器”的口号，引起了仪器和自动化工业的一场革命。虚拟仪器的出现使得传统的测量工作产生了巨大变化，传统仪器封闭固定，而虚拟仪器的出现初次使使用者能根据自身需求去改变仪器的面板显示及运行程序。虚拟仪器参照传统仪器功能，在传统仪器的基础上进行拓展及创新，其方便快捷的程序编写以及灵活的操作面板编辑，使其在应用于测量测试任务是异常便利，正因其高效强大的能力结合计算机硬件使其有了飞速的发展，图形化的编程语言以及直观的面板表现，使其能更容易被使用者所接受，也因此能被广泛的应用在各个领域和环境。一般虚拟仪器主要是由硬件和软件构成，计算机的便利灵活结合虚拟仪器的功能，使测量更加高效，也使数据的存储、读取、分享更加便利灵活。

2.1.3虚拟仪器的结构

虚拟仪器的构成主要是计算机、虚拟仪器的软件、仪器采集硬件、以及各种接口模块等组成的，其中硬件是输入输出的通道，而软件则是整个虚拟仪器的核心所在。不同标准虚拟仪器分类也有所不同：从虚拟仪器采用的软件分类有应用LabWindows软件、LabVIEW 软件、SignalExpress软件等等；从采用总线方式分类有PCI、GPIB、VXI、PXI等方式的虚拟仪器系统，其中问世最早的是GPIB在1978年，VXI问世于1987而PXI则是近年1997年才问世的。不仅是总线，接口方式的不同也区分不同的虚拟仪器种类：PC插卡式，并口式，串口USB方式等，问世最早的要算是PC插卡式，80年代就问世了，并口式方式的虚拟仪器是在1995年问世的，串口USB方式的虚拟仪器也在1999年问世。

2.1.4虚拟仪器的特点

虚拟仪器经过很长时间发展后，如今已经算是比较成熟，和传统仪器相比有明显的优势，比如说：开放、灵活、可与计算机技术保持同步发展、系统性能升级方便通过网络下载升级程序即可、价格低廉、仪器间资源可重复利用率高、用户可定义仪器功能、可以与网络及周边设备方便互连、软件使得开发和维护费用降至最低、技术更新周期短等优点。

2.2虚拟仪器发展现状

2.2.1虚拟仪器的现状

虚拟仪器技术目前在国外发展迅速，以美国国家仪器公司为代表的一批制造商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术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，已作为大学理工科学生的一门必修课。近年来，虚拟仪器的开发平台也变得多种多样，越来越多的开发平台被开发出来并应用在不同需求环境中，便利了用户组建自己的虚拟仪器测试系统，并编制测试软件。

目前虚拟仪器技术的扩展功能越来越强大，能够在PC上开发测试程序，在嵌入式处理器和FPGA上设计硬件等。这些为用户设计测试系统，定义硬件功能等提供了一个独立环境。虚拟仪器也逐渐取代着传统仪器在各个领域发挥着重要作用，其应用领域将会越来越广泛。在国内已有部分院校的实验室建立了虚拟仪器系统，比如上海复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。另外，有一些国内企业已在研制PC虚拟仪器，其中有哈工大仪器王电子有限责任公司等等。国内的虚拟仪器技术也在迅猛发展，越来越多的实验室引进虚拟仪器技术，更多的大学开展虚拟仪器的课程。

2.2.2虚拟仪器的发展趋势

虚拟仪器在很多领域表现出传统仪器所不具备的优势使得其能迅猛的发展，集合众多优点的虚拟仪器，其表现出的经济灵活，在技术开发、学术研究和教学等领域迅速的发展着。虚拟仪器的图形化编程平台，友好和方便的界面受到越来越多的人喜好。目前虚拟仪器模块和系统正朝着通用化、标准化发展。近年，计算机技术的快速发展，也影响着虚拟仪器朝着性能更高、功能更全面、集成度更高和网络化的方向迅猛发展。国内有专家预测说在未来几年国内有近一半的将会是虚拟仪器，并且将会有更多企业使用虚拟仪器。虚拟仪器的出现是一个巨大的改变，其出现就具备巨大的价值，比如说可以加强实验室基础建设、缩短同类系统的研发时间、并且具备远程数据的测量控制，仪器也更加的方便智能。

2.3LabVIEW图形化编程语言

2.3.1什么是LabVIEW

由美国国家仪器公司研发出来的LabVIEW最早运行应用是在1986年，LabVIEW与其他计算机语言的显著区别在于LabVIEW使用的是图形化编程语言，产生的是程序框图。这样更加直观形象的表现了程序的编写。图2-1所示是LabVIEW的前面板。软件的后面板如图2-2所示。

图2-1 软件前面板

图2-2 软件后面板

2.3.2 LabVIEW 的特点

LabVIEW 的直观方便使其成为测量和控制系统开发的理想选择，LabVIEW 的开发平台汇集了研究者需要的快速构建各种应用程序的所有工具，切实的帮助了使用者解决问题，提高了使用者的生产效力，并且还在不断的创新。

LabVIEW 平台尽可能的采用了通用的硬件设备，软件是各种仪器的差异所在；并且LabVIEW 尽可能的发挥了计算机的强大能力，充分利用其优秀的数据处理能力，从而创造出更为强大的工具；因为它是图形化的编程语言，使其学习起来更为简单、直观，具备了用户可以根据自身需求自行定义和制造各种仪器。

3 虚拟示波器的原理

3.1 数字示波器

数字示波器是汇集数据采集，A/D 转换，软件编程等一系列的技术的高性能示波器。数字示波器通常支持多级菜单，可以为用户提供多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储读取功能，实现对波形的保存和处理。在数字示波器中，被测输入模拟信号首先送至A/D 转化器进行采样，量化和编码，成为数字“1” 、“0”代码，存储到内存中，这个过程称为存储器的“写”过程。然后，再将这些“1” 、“0”码从内存中依次取出按顺序排列起来，经过D/A 转换使其包络重现输入模拟信号，这就是“读”过程。图3-1所示即是示波器大致结构及工作流程。取样定律证明，对于一个最高频率为0f 的信号，当取样频率02f f s s f 称为奈奎斯特频率。当取样频率s f 等于输入信号频率0f 时，显示波形的频率信息还能保留，

但是幅度信息将大量损失。通过计算可以得到，当一个周期中取样点数N 为4时，即取样频率04f f s 时，失真波形的最大值是波形幅度的0.707，故数字示波器的等效带宽为4/z f 。若采用正弦内插显示，等效带宽可达5.2/s f 。数字示波器通过数据总线、地址总线和控制总线相互联系和交换信息，以完成各种测量功能。

图3-1 数字示波器的基本构成

3.2 虚拟示波器

虚拟示波器主要是由计算机软件和硬件及外部插件构成，外围的硬件包括采集卡总线模块等等。虚拟示波器主要由软件来完成信号的采集、处理和输出。经过对数据的处理分析再通过前面板呈现给使用者。使用者与虚拟仪器间信息的交流是通过前面板也就是软面板的。在工作时通过前面板控制虚拟示波器系统。并且使用者可以根据自身需要自定义虚拟仪器的面板。并且可以方便的加载各种不同模块程序使其符合测量需求。

4 虚拟示波器的总体设计

4.1虚拟示波器的设计方案

本次所选设计课题是基于LabVIEW的虚拟示波器设计。利用LabVIEW开发平台的软件设计一个虚拟示波器。设计前要了解虚拟示波器的概念，产生设计轮廓，进一步学习明确具体设计思路，具体设计思路如图4-1所示，首先明确虚拟示波器的总体设计思路，然后进一步的思考明确设计的示波器具体的功能，有对信号电压的测量，对信号周期平路测量，以及能同时显示两路信号的波形，并且能控制每路信号的通断，最后能进行数据的存储，以及对保存的数据的读取。明确思路以及具体任务、要实现的功能进入下一步设计，首先要先明确使用的软件，本次设计是基于LabVIEW的虚拟示波器设计，故软件采用NI公司的LabVIEW进行设计，最后对整体进行完善及测量，完成最后的设计。总体就是这样，采用模块化的设计思想，逐步进行设计，一个一个实现预期功能，有调理的进行设计。

图4-1 虚拟示波器的总体设计

本次虚拟示波器软件课题设计采用NI公司的虚拟仪器开发工具LabVIEW。使用LabVIEW开发平台编制的程序VI包括3个部分：程序前面板、框图程序和图标/连接器。LabVIEW的前面板用于设置数据输入值和观察输出数据，生成仿照传统仪器控制面板的直

观界面。其中每一个在前面板实现的功能都对应着一段后面板上的程序框图。框图程序是用LabVIEW图形编程语言在其后面板编写的框图程序，和传统程序的代码相似。图标/连接器则是方便其他VI程序调用所设置的，通过连线板连接VI中的控件，这样在其他VI 调用时可以通过连线控制该VI程序，极大的增加了灵活性。本次基于LabVIEW的虚拟示波器设计是基于传统示波器的功能上进行设计的，融合了虚拟仪器的特点使其在计算机上实现波形的显示，并能够进行简单的波形处理，比如说可以显示波形的最大值、最小值、平均值，并能够根据需要放大波形的倍数，可以调节波形在图表上的显示位置，能进行简易的运算，在任何时期可以结束。

4.2虚拟示波器的主要功能

本次设计的虚拟示波器实现了预期设定功能，其主要功能有以下几种：

（1）通道控制

本次设计的虚拟示波器是双通道的示波器，和传统双通道示波器相似，可以实现对两路通道的分别显示控制，即可以显示单独的A或者B通道波形，也可以一起显示A和B通道。

（2）时基控制

时基控制是实现对虚拟示波器显示水平方向(X轴)所代表的时间值的调整。

（3）波形显示功能

由于是虚拟仪器界面，波形的显示和传统仪器显示方法有差异，在LabVIEW中只需编程框图程序即可在计算机上显示想要显示的波形。

（4）波形存储

本次课题设计可以实现对波形的存储功能，波形数据可以用文件存储在用户指定路径下，并且可以自己命名保存文件名。

（5）波形回放

本次课题设计可以实现对存储波形的回放功能，用户指定路径读取数据文件进行显示，波形数据可以用文件回放显示以及对读取数据的操作，更加便利的观察保存的数据。

以上综合介绍了虚拟示波器系统的组成，设计思路以及具体功能。比较详细的描述了预期的具体功能及实现效果，比较全面的概述了本次的虚拟示波器设计框架。

5 虚拟示波器的软件设计

5.1虚拟示波器的波形显示

虚拟示波器模仿传统示波器的功能及形态，LabVIEW的前面板用于设置输入数据值和观察输出数据，生成仿照传统仪器控制面板的直观界面。其中每一个在前面板实现的功能都对应着相应的后面板上的程序框图。框图程序是用LabVIEW图形编程语言在其后面板编写的框图程序，和传统程序的代码相似。虚拟示波器的各个功能模块就是通过各模块的互相联系及调用实现的互相通信。在程序的前面板上的控制和显示是以各种图标形式出现的控件，如旋钮、图表、数值显示框、数值输入框等，多种形态的按钮和各类控件组成的前面板和传统仪器更加相像。虚拟示波器的设计前面板大致如图5-3所示样式。

图5-3 虚拟示波器的基本面板

此次虚拟示波器的软件程序主要有波形显示控制模块、数据分析处理模块和数据的写入与读出模块，后面板程序框图如图5-4所示，波形的显示和控制处理都是两路分开进行，对波形的操作主要有对两个通道信号的位置的调节和对信号的增益调节，通过数值运算实现对信号的控制。利用数组索引分别分出AB两路信号的值再利用选择函数节点控制通道的通断，这样即可对两路信号分别控制调整，再把调整完的信号经过捆绑创建数组形成一

路信号传递给图形显示控件，这样就完成了信号的调整、显示和控制。图5-5是虚拟示波器的一个信号仿真模块。

图5-4 虚拟示波器显示框图

图5-5 虚拟示波器波形VI显示程序

本次设计的虚拟示波器是双通道的，对于通道的选择有多种方式，可以采用条件判断结构，也就是所说的case结构；也可用判断选择运算，也就是对输入控制开关的值做分析比较分别判断两路信号的通断等等方法，这次设计采用的是刚刚介绍的第二种方法，也就是分别判断两路信号的通断，如图5-6所示，两个布尔开关控制两路信号的选择，当布尔开关的值为真时返回值1，当布尔开关值为假时返回值0，信号与返回值相乘，就实现了不用case结构也能选择通道的目的。使程序框图变得更加简洁精炼。

图5-6 虚拟示波器波形通道选择程序框图

5.2虚拟示波器的其功能

5.2.1虚拟示波器的存储和读取

虚拟示波器的存储程序模块主要由“路径”控件及“写入电子表格”函数组成，图5-7就是“写入电子表格文件”的函数节点。路径控件控制数据存储的路径，可以新建文件也可以覆盖原有文件，后面板框图如图5-8所示。本次存储采用“写入电子表格文件”函数，这个函数节点位于后面板中的文件I/O中，其功能是把数组信号以电子表格文件类型的方式存储起来，在这里首次应了“局部变量”这一新功能，局部变量可以在一个VI程序中代替连线，有效解决了连线过长及不方便、杂乱等问题。

图5-7 写入电子表格文件函数节点

图5-8 虚拟示波器的数据保存

示波器的读取模块用到的是和存储模块相似的“读取电子表格文件”函数节点，如图5-9所示。这里的路径控件是读取的路径，通过case结构实现读取数据的开始。进行读盘操作时，需要先点击“读盘”按钮，使其处于开启状态，然后进行路径的选择即可进行数据的读取与显示。再读取数据后为了方便对波形数据的观察与比较，还设计了读取后对读取数据的调节同样可以改变数据的显示位置、放大等操作，读取后进行操作的模块如图5-10所示。

图5-9 读取电子表格文件函数节点

图5-10 读取保存的数据程序框图

这次设计还添加了对读取数据的操作，主要是方便当波形过于不明显时，或过大是能进行调整以达到能良好的观察存储数据的目的，为观察带来便利，更方便直观的看出波形数据。读取后进行操作的模块与波形调整模块相似，也是利用了选择函数节点以及数值的运算，搭配操作简易的旋钮式调节方法，极大的便利了对读取数据直观观察，同样如果保存数据是两路信号，读取后通过数组索引分离出A和B信号的数据，这样就能实现从保存的数据中能控制A、B的分别显示方便的对AB数据的逐个观察，之后能对A、B的分别放大及位置的调整，进一步便利观察读取的数据，之后进行显示，具体框图程序如图5-11，前面板如图5-12，简洁便利，按下读盘按钮即可对指定路径的文件进行读取操作，旋钮分别对应不同的调节，进而能根据观测需求调节存储的波形。

图5-11 读取后进行操作的程序框图

图5-12 读取数据的前面板

5.2.2虚拟示波器参数测量显示

虚拟示波器对信号的测量，包括峰峰值、周期、频率、最大最小值、方波占空比等参数的测量和显示，主要是通过labVIEW中信号处理选板中信号运算及波形测量函数节点，再结合数值的运算实现对信号的测量及显示，测量的框图如图5-13所示.前面板用数值显

示控件显示测量的数值，通道切换按钮可以切换测量通道A或者B，如图5-14所示。

图5-13 虚拟示波器的参数测量程序框图

图5-14 虚拟示波器的参数测量前面板

本次设计中虚拟示波器还可对信号进行运算：包括两信号相加、相减、信号之比等功能。利用case结构，实现运算方式的切换，运算模块的后面板框图如图5-15所示。此模块对信号运算主要方法是提取信号的值，对信号值进行加减和除的运算，再利用捆绑形成

一个簇，转换成数组形式最后用XY图显示出来。实现整个的信号运算模块。

图5-15 虚拟示波器的信号运算程序框图

5.2.3虚拟示波器应用程序文件生成

虚拟示波器的大致设计就是这样，软件面板程序框图完成后，还可以将编写的程序生成EXE应用程序文件，这样无论是在哪台计算机上也可以使用，即使这台计算机没有安装LabVIEW软件，这项功能十分便利，也增加了LabVIEW的实用性与灵活性。生成EXE应用程序文件是在其工具栏中的选项“通过VI生成应用程序”功能实现的，如图5-16所示选项。点击后弹出生成文件提示，按步骤设置要生成的源文件，输出路径等等，其中也可以自定义生成应用程序的图标，或者是生成安装程序等一些附加功能。

图5-16 LabVIEW生成EXE选项

等待生成结束即可在指定的路径下看到生成好的EXE文件，这时编写的VI程序就可以作为应用程序运行了。如图5-17所示就是在指定路径下生成的应用程序文件。双击即可运行该程序，此时与在LabVIEW中运行相似，也可以进行用户操作，具备工具栏和菜单栏，但是不能对其前面板和程序框图进行更改和编辑。

图5-17 生成的应用程序文件

5.2.4虚拟示波器其他子程序

本次设计还拓展了其他一些功能有显示利萨如图形的模块设计和简单的滤波演示模块。利萨如图形也称为李萨如图形或者李沙育图形，其图形产生是由两个沿着互相垂直方