基于labview的示波器設(shè)計

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）</p><p>　　題目：基于labview的示波器設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　設(shè)計：基于labview的示波器設(shè)計。</p><p>　　其主要介紹虛擬儀器的概念、組成和虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW，以及基于LabVIEW的數(shù)

2、據(jù)采集系統(tǒng)。同時具體LabVIEW軟件實現(xiàn)虛擬數(shù)字示波器。比較了虛擬儀器和硬件儀器的各自特點。分析了虛擬儀器的先進(jìn)性，介紹了LABVIEW系列軟件的應(yīng)用方法和最新功能</p><p>　　【關(guān)鍵詞】示波器、虛擬儀器、函數(shù)?？臁⑶懊姘?、程序框圖、接口板、控制件、數(shù)據(jù)采集。</p><p>　　Abstract </p><p>　　Design: Based on

3、labview oscilloscope design</p><p>　　Its main introduction hypothesized instrument concept, composition andhypothesized instrument development software labview as well as basedon Labview data acquisition sys

4、tem Simultaneously specificallyintroduced how uses the data acquisition card and the Labview softwarerealization hypothesized digital oscilloscope Compared withhypothesized instrument and hardware instrument respectivech

5、aracteristic Introduced the Labview series software application method and thenewest function.</p><p>　　[ Key word ] the oscilloscope, the hypothesized instrument, the letterdigital-analog are quick, the dat

6、a acquisition.</p><p><b>　　一、緒論</b></p><p><b>　　1、 虛擬儀器概況</b></p><p>　　虛擬儀器（virtual instrumention）是基于計算機(jī)的儀器。計算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機(jī)裝入

7、儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機(jī)。以通用的計算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。</p><p>　?。?）虛擬儀器的基本功能</p><p>　　虛擬儀器（virtual instrumention）是基于計算機(jī)的儀

8、器。計算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機(jī)。以通用的計算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。</p><p>　　圖1-1-（1） 常見的虛擬儀器方案圖

9、</p><p>　　虛擬儀器的主要特點有：</p><p>　　盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。 </p><p>　　可充分發(fā)揮計算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。 </p><p>　　用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 </p><p>　　虛擬儀器實際上是一

10、個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理。因為目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計算機(jī)語言是美國NI公司的LabVIEW。</p><p>　　現(xiàn)在的虛擬儀器是充分利用計算機(jī)技術(shù)，并可由用戶自己設(shè)計、自己定義的儀器通常由計算機(jī)、儀器模塊和軟件三部分組成。</p><p>　　儀器模塊的功能主要靠軟件實現(xiàn)，通過編程在顯示屏上構(gòu)成波形發(fā)生

11、器、示波器或數(shù)字萬用表等傳統(tǒng)儀器的軟面板，而波形發(fā)生器發(fā)生的波形、頻率、占空比、幅值、偏置等，或者示波器的測量通道、標(biāo)尺比例、時基、極性、觸發(fā)信號(沿口、電平、類型)等都可用鼠標(biāo)或按鍵進(jìn)行設(shè)置，如同常規(guī)儀器一樣使用，不過，虛擬儀器具有更強(qiáng)的分析處理能力。隨著計算機(jī)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的相應(yīng)發(fā)展，用戶只能使用制造商提供的儀器功能的傳統(tǒng)觀念正在改變，而用戶自己設(shè)計、定義的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大；同一臺虛擬儀器可在更多場合應(yīng)用，比如既可在電量測量中應(yīng)用

12、，又可在振動、運動和圖像等非電量測量中應(yīng)用，甚至在網(wǎng)絡(luò)測控中應(yīng)用。</p><p>　　軟件技術(shù)是虛擬儀器的核心技術(shù)。常用的虛擬儀器開發(fā)軟件有Labview、Labwindows/CVI、VEE等等。這些軟件已相當(dāng)完善，而且還在升級、提高。以LabVIEW為例，這是基于圖形化編程語言G的開發(fā)環(huán)境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI儀器及數(shù)據(jù)采集卡等硬件的系統(tǒng)構(gòu)成，而且，具有很強(qiáng)的分析處理能力。LabVIEW

13、6i的問世，將智能化測量與控制技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展到了Internet網(wǎng)。</p><p>　?。?）虛擬儀器的構(gòu)成</p><p>　　虛擬儀器系統(tǒng)是由計算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的。硬件是指獲得測試數(shù)據(jù)的各種硬件I/O 接口設(shè)備，大致可分為4 類：DAQ、GPIB、VXI、PXI，因此組成了4 種虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。無論哪種結(jié)構(gòu)，都是將硬件儀器嵌入到筆記本電腦、臺式計算機(jī)或工作站等各種計算機(jī)

14、平臺上，再加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的因而現(xiàn)在虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展步伐完全同步。</p><p>　　圖1-1-（2）、虛擬示波器的軟件結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　?。?）虛擬儀器軟件開發(fā)工具</p><p>　　測控軟件設(shè)計選用的美國NI公司推出的Labview。Labview是一種基于G語言（Graphical progranming language)

15、的可視化（圖形化）優(yōu)秀的開發(fā)平臺，主要用于數(shù)據(jù)采集、分析、處理、表達(dá)、總線借口、VXI儀器以及CPIB與串口儀器的驅(qū)動程序編制和驅(qū)動虛擬儀器。它是把復(fù)雜、繁瑣、費時的代碼編寫輸入簡化成使用菜單式圖表的提示的發(fā)法選擇功能，并用線條把各種功能（圖形）連接起來的簡單圖形編程方式。</p><p>　　LaBVIEW 前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量L4 J。由于程序前面板是模擬真實儀表的面板，輸入量被稱為Contro

16、ls，輸出量被稱為Indicators。 用戶可以從控制工具箱中選用許多圖板，如旋鈕、開關(guān)、按鍵、數(shù)字顯示、LED 顯示器、圖表、數(shù)據(jù)存儲等當(dāng)完成設(shè)計后，只需在程序執(zhí)行時按一下開關(guān)，撥動一下旋鈕，就可以完全操控整個儀器。</p><p>　　(4)虛擬儀器優(yōu)勢所在</p><p>　　虛擬儀器技術(shù)取代傳統(tǒng)儀器成為必然趨勢。虛擬儀器相對于傳統(tǒng)儀器，具有明顯的優(yōu)點：靈活性、高性價比、技術(shù)更新快

17、、易于網(wǎng)絡(luò)化、實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器不可能實現(xiàn)的功能。它的靈活性體現(xiàn)在，用戶可以自定義功能，選擇自己喜歡的界面圖標(biāo)符號，而不象傳統(tǒng)儀器那樣，一出廠其功能及外觀已經(jīng)固化，用戶只是被動應(yīng)用。高性價比主要指，用戶擁有一臺計算機(jī)，運行不同的應(yīng)用程序就得到相應(yīng)的儀器。換句話就是，一臺計算機(jī)完全可以取代實驗室里的所有儀器實現(xiàn)測量，從而節(jié)約大筆資金。由于虛擬儀器中軟件是關(guān)鍵，所以更新軟件使之功能更新所需時間大大減少。借助于計算機(jī)，實現(xiàn)測量系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、在線測量

18、已成為可能。此外，傳統(tǒng)儀器基于硬件、性能必然受到硬件的種種限制。如普通示波器無法捕捉很窄的脈沖，國外生產(chǎn)的特殊示波器能夠作到這一點，其價格又不菲，而通過數(shù)據(jù)采集卡與計算機(jī)組成的虛擬儀器則可輕松實現(xiàn)。</p><p><b>　　2、.設(shè)計目的</b></p><p>　　由于LABVIEW的強(qiáng)大功能和廣闊的市場前景，本文將介紹利用LABVIEW8.2制作簡單的示波器，

19、以學(xué)習(xí)這一軟件。通過軟件將計算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體，從而把計算機(jī)強(qiáng)大的計算處理能力和儀器硬件的測量，控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。實現(xiàn)了“軟件即儀器”的概念。</p><p>　　要求程序要實現(xiàn)有通道選擇，信號發(fā)生，觸發(fā)控制，時基幅值控制，信號測量，波形輸出并能輸出被測信號隨時間變化的圖形。</p><p>

20、;　　3、設(shè)計方案的比較與選擇</p><p>　　針對以上設(shè)計要求有以下設(shè)計方案：</p><p>　　介紹一款USB接口的虛擬示波器的設(shè)計方案，重點介紹了USB總線接口芯片CH371的原理及應(yīng)用，降低了USB系統(tǒng)開發(fā)的門檻，并達(dá)到令人滿意的效果。</p><p>　　對于學(xué)校教學(xué)實驗以及某些特定需求來說，目前市場上的模擬及數(shù)字示波器也許并不適用，價格高昂、體積較

21、大且很多專業(yè)功能并不實用。而現(xiàn)在電腦的普及程度也達(dá)到了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，利用電腦以及附加的數(shù)采模塊實現(xiàn)一個靈活便捷的虛擬示波器能夠滿足大多數(shù)的工作、學(xué)習(xí)和開發(fā)需要，并且可以通過較低代價的硬件和軟件升級實現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜的信號處理功能，能夠以較低的成本、較小的體積實現(xiàn)配置靈活的智能儀器組合；完全可以與便攜電腦結(jié)合，構(gòu)成便攜式檢測維修工作站。目前已經(jīng)有計算機(jī)并口通信的數(shù)據(jù)采集器但是USB的應(yīng)用日趨廣泛和深入，如果將USB功能融合在里面則可以實現(xiàn)更高的數(shù)

22、據(jù)傳輸率、更方便的使用方式，更為優(yōu)越的體現(xiàn)出虛擬儀器的性能。</p><p>　　此虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集器由以下功能模塊組成：前端信號變換模塊、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、高速數(shù)據(jù)緩沖模塊、單片機(jī)控制模塊、USB接口模塊和電源模塊。前端信號變換、高速數(shù)據(jù)采集有成熟的方案并且可根據(jù)需要的指標(biāo)，譬如采樣率、量程控制、采樣深度等進(jìn)行設(shè)計，我們這里主要討論USB接口部分的開發(fā)。</p><p><b&

23、gt;　　4、硬件設(shè)計</b></p><p>　　單片機(jī)對于CH371的控制依靠對其內(nèi)部的16個寄存器的操作來實現(xiàn)。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的要求我們設(shè)計硬件如下。</p><p>　　USB接口提供數(shù)據(jù)交換及電源供應(yīng)（經(jīng)適當(dāng)變換后供高速AD使用），CH371在12M晶振下倍頻工作，提供與單片機(jī)接口的同時提供看門狗復(fù)位輸出功能，I2C主控功能沒有

24、使用，A3~A0可以由計算控制驅(qū)動4只LED作為工作顯示信號。單片機(jī)89C52的P1口組用于控制數(shù)據(jù)采集模塊，包括量程轉(zhuǎn)換控制、AD觸發(fā)信號、采集數(shù)據(jù)溢出信號等；高速緩存62256通過低功耗的CPLD控制存放高速AD采集的結(jié)果，單片機(jī)定時將其中數(shù)據(jù)讀出經(jīng)CH371傳送到計算機(jī)的數(shù)據(jù)顯示和分析軟件，實現(xiàn)虛擬示波器功能。</p><p><b>　　5、軟件設(shè)計</b></p>&

25、lt;p><b>　　單片機(jī)端軟件：</b></p><p>　　單片機(jī)端軟件主要完成數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)報告這兩個功能。</p><p><b>　　計算機(jī)端軟件：</b></p><p>　　計算機(jī)端軟件主要功能是模擬一個示波器的界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示以及滿足不同需要的分析功能，同時完成對數(shù)據(jù)采集硬件的參數(shù)設(shè)定。在這

26、個設(shè)計中已經(jīng)實現(xiàn)了基本的功能，虛擬示波器的界面如下圖。進(jìn)一步開發(fā)后可以實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的深度分析（譬如波形測量、頻譜分析等），甚至可以結(jié)合硬件的升級實現(xiàn)波形發(fā)生器、邏輯分析儀、掃頻儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等功能。</p><p>　　計算機(jī)端有關(guān)USB通信的開發(fā)不需要了解USB底層驅(qū)動，并且芯片生產(chǎn)商已經(jīng)以動態(tài)鏈接庫的形式封裝好了面向功能應(yīng)用的API函數(shù)，開發(fā)者可以在多種高級語言中調(diào)用，功能強(qiáng)大且靈活方便。CH37

27、1動態(tài)鏈接庫提供的API函數(shù)主要包括：設(shè)備管理API、數(shù)據(jù)傳輸API、中斷查詢API、I2C 操作API和直接控制API。</p><p><b>　　5、結(jié)束語</b></p><p>　　虛擬示波器有以下幾個特點：(1)集成度高，模塊化特性明顯 (2)性能提高， 基于LabVIEW 的虛擬示波器在穩(wěn)定性、精度等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的測試儀器。(3)具有“虛擬儀器”特征

28、，整個系統(tǒng)只有輸入、輸出端，其它儀器功能鍵都在可視化軟面板上完成，這樣的系統(tǒng)既有高度集成化，又具有操作簡單、方便等優(yōu)點。</p><p><b>　　。</b></p><p>　　二、LabVlEW 開發(fā)軟件</p><p>　　在必要儀器硬件支持下，開發(fā)和使用VI的關(guān)鍵就是軟件。VI開發(fā)軟件可采用各種編程軟件，如C、BA—SIC、c++、V

29、isual C、Visual BASIC等目前，圖形化編程語言正成為發(fā)展主流， 它使科研和工程人員從編程中解脫出來，專注于VI的設(shè)計，同時縮短了開發(fā)周期(與傳統(tǒng)軟件相比，開發(fā)時間節(jié)省80 )。最具代表性的圖形化vI軟件開發(fā)平臺首推NI的LV</p><p>　　1、LabVIEW的背景</p><p>　　美國國家儀器公司（NI）成立于1976年，30年來NI一直是虛擬儀器技術(shù)的技術(shù)先鋒與

30、領(lǐng)導(dǎo)者——虛擬儀器技術(shù)這一創(chuàng)新概念已經(jīng)改變了各個領(lǐng)域的工程師和科學(xué)家們進(jìn)行測試測量和自動化的方式。通過采用PC和現(xiàn)成即用商業(yè)技術(shù)，虛擬儀器技術(shù)通過易于集成的軟件，如圖形化開發(fā)環(huán)境NI LabVIEW，以及基于PXI、PCI、PCI Express、PXI Express、USB和以太網(wǎng)的模塊化測量和控制硬件，為用戶降低測試、控制和設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用的成本，并大幅提高生產(chǎn)效率。NI總部設(shè)于美國德克薩斯州的奧斯汀，在40個國家中設(shè)有分支機(jī)構(gòu)。 &

31、lt;/p><p>　　LabVIEW 軟件是NI公司提供的一種圖形方式編程軟件。同C、BASIC等一樣，它是一種程序開發(fā)軟件。但它有別于其它開發(fā)軟件利用文本代碼創(chuàng)建程LabVIEW 利用圖形化編程語言(G語言)，以“流圖一方式刨建程序。如DOS與WINDO WS兩種操作系統(tǒng)的對比，LabVIEW 是一種可視化編程軟件。</p><p>　　LabVIEW 軟件含有豐富的函數(shù)庫，如數(shù)據(jù)采樣庫、

32、數(shù)字信號處理和數(shù)值分析庫、數(shù)據(jù)表達(dá)庫、數(shù)據(jù)存儲庫以及儀器接口控制庫(支持串口、GPIB、DAQ、VXI等I／0硬件)；免費提供幾十家儀器廠商的數(shù)百種源代碼及儀器驅(qū)動程序，為用戶開發(fā)儀器控制系統(tǒng)提供便利；集成了大量的生成圖形界面模板；另外，它還具備常規(guī)程序的開發(fā)調(diào)試功能，可以方便地設(shè)置斷點、單步跟蹤、模擬及運行間數(shù)據(jù)分析等，直觀地對程序進(jìn)行動態(tài)調(diào)試并實時記錄。</p><p>　　LabVIEW 面向的是沒有編程經(jīng)

33、驗的用戶而不是編程專家，尤其適合從事科研、開發(fā)的科學(xué)家、工程技術(shù)人員，被譽為“工程師和科學(xué)家的語言”。</p><p>　　2、LabVIEW 開發(fā)環(huán)境</p><p>　　LabVIEW 為開發(fā)者提了一個交互式人機(jī)界面，包括下拉式菜單和圖形模板 利用此界面，完成包括前面板、數(shù)據(jù)流框圖以及圖標(biāo)和連接器三部分應(yīng)用程序的設(shè)計，形象地仿真測控環(huán)境。</p><p>　　交

34、互式用戶界面又稱前面板(front pane1)，它模仿實際儀器的操作面板，選擇control圖形模板，可在前面板上創(chuàng)建按鈕、旋鈕、圖表顯示框等多種控制和指示部件，完成測量的輸入和顯示的輸出。</p><p>　　數(shù)據(jù)流框圖(block diagram)的設(shè)計是選擇tool圖形模板和function圖形模板，構(gòu)成數(shù)據(jù)傳送途徑，類似于實際儀器的原理流圖 它實際上是圖形化的程序源代碼，是LabVIEW程序的主要部分。

35、測量數(shù)據(jù)輸入后，由前面板送人框圖，完成流程后送前面板顯示。</p><p>　　LabVIEW 是面向虛擬儀器的應(yīng)用語言，支持模塊化和層次化程序結(jié)構(gòu)可將任務(wù)分為多個子任務(wù)．分別編程、調(diào)試，然后組合；通過圖標(biāo)選擇和連接器連線實現(xiàn)各種庫函數(shù)和子任務(wù)的調(diào)用，具有良好的代碼重復(fù)使用性能；具有支持DDE和TcP／P 等網(wǎng)絡(luò)功能{具有與其它語言，如C語言的接口；此外，LabVIEW 開發(fā)環(huán)境下提供了大量應(yīng)用程序工具。 <

36、;/p><p>　　3、LabVIEW的特點</p><p>　　（1） 簡單的圖形化編程環(huán)境</p><p>　　LabVIEW使用了G(圖形化)的數(shù)據(jù)流編程模式,它有別于基于文本語言的線性結(jié)構(gòu)。在LabVIEW中執(zhí)行程序的順序是由塊之間的數(shù)據(jù)流決定的，而不是傳統(tǒng)文本語言的按命令行次序連續(xù)執(zhí)行的方式。</p><p><b>　?。?

37、） 具有開放性</b></p><p>　　LabVIEW是開放型的開發(fā)環(huán)境，它擁有大量的與其它應(yīng)用程序進(jìn)行通信的VI庫。因此，LabVIEW可從眾多的外部設(shè)備獲取或傳送數(shù)據(jù)，這些設(shè)備包括GPIB、VXI、PXI、串行設(shè)備、PLCs、和插件式DAQ板等，LabVIEW甚至可以通過Internet取得外部數(shù)據(jù)源本。</p><p>　　三、示波器的結(jié)構(gòu)與組成</p

38、><p>　　示波器是一種測量電壓波形的電子儀器,它可以把被測電壓信號隨時間變化的規(guī)律,用圖形顯示出來。使用示波器不僅可以直觀而形象地觀察被測物理量的變化全貌,而且可以通過它顯示的波形,測量電壓和電流,進(jìn)行頻率和相位的比較,以及描繪特性曲線等。</p><p>　　1、示波器的類型和工作原理</p><p>　　示波器分為數(shù)字示波器和模擬示波器。模擬示波器采用的是模擬電

39、路（示波管，其基礎(chǔ)是電子槍）電子槍向屏幕發(fā)射電子,發(fā)射的電子經(jīng)聚焦形成電子束,并打到屏幕上。屏幕的內(nèi)表面涂有熒光物質(zhì),這樣電子束打中的點就會發(fā)出光來。 而數(shù)字示波器則是數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換，軟件編程等一系列的技術(shù)制造出來的高性能示波器。數(shù)字示波器一般支持多級菜單，能提供給用戶多種選擇，多種分析功能。還有一些示波器可以提供存儲，實現(xiàn)對波形的保存和處理。 </p><p>　　示波器工作原理是：利用顯示在示波器上的波

40、形幅度的相對大小來反映加在示波器Y偏轉(zhuǎn)極板上的電壓最大值的相對大小，從而反映出電磁感應(yīng)中所產(chǎn)生的交變電動勢的最大值的大小。因此借助示波器可以研究感應(yīng)電動勢與其產(chǎn)生條件的關(guān)系。</p><p><b>　?。?）示波管</b></p><p>　　陰極射線管(CRT)簡稱示波管，是示波器的核心。它將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。正如圖1所示，電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分密封在一

41、個真空玻璃殼內(nèi)，構(gòu)成了一個完整的示波管。 </p><p><b>　　（2）偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)</b></p><p>　　偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子射線方向，使熒光屏上的光點隨外加信號的變化描繪出被測信號的波形。圖8．1中，Y1、Y2和Xl、X2兩對互相垂直的偏轉(zhuǎn)板組成偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。Y軸偏轉(zhuǎn)板在前，X軸偏轉(zhuǎn)板在后，因此Y軸靈敏度高(被測信號經(jīng)處理后加到Y(jié)軸)。兩對偏轉(zhuǎn)板分別加上電壓，使兩

42、對偏轉(zhuǎn)板間各自形成電場，分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉(zhuǎn)。 </p><p><b>　?。?）電子槍及聚焦</b></p><p>　　電子槍由燈絲(F)、陰極(K)、柵極(G1)、前加速極(G2)(或稱第二柵極)、第一陽極(A1)和第二陽極(A2)組成。它的作用是發(fā)射電子并形成很細(xì)的高速電子束。燈絲通電加熱陰極，陰極受熱發(fā)射電子。柵極是一個頂部有小孔的金屬園

43、筒，套在陰極外面。由于柵極電位比陰極低，對陰極發(fā)射的電子起控制作用，一般只有運動初速度大的少量電子，在陽極電壓的作用下能穿過柵極小孔，奔向熒光屏。初速度小的電子仍返回陰極。如果柵極電位過低，則全部電子返回陰極，即管子截止。調(diào)節(jié)電路中的W1電位器，可以改變柵極電位，控制射向熒光屏的電子流密度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)亮點的輝度。第一陽極、第二陽極和前加速極都是與陰極在同一條軸線上的三個金屬圓筒。前加速極G2與A2相連，所加電位比A1高。G2的正電位對

44、陰極電子奔向熒光屏起加速作用?！　‰娮邮鴱年帢O奔向熒光屏的過程中，經(jīng)過兩次聚焦過程。第一次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的第一電子透鏡。第二次聚焦發(fā)生在G2、A1、A2區(qū)域，調(diào)節(jié)第二陽極A2的電位，能使電子束正好會聚于熒光屏上的一點，這是第二次聚焦。A1上的電壓叫做聚焦電壓，A1又被叫做聚焦極。有時調(diào)節(jié)A1</p><p><b>　?。?）示波管的電源</b>&l

45、t;/p><p>　　為使示波管正常工作，對電源供給有一定要求。規(guī)定第二陽極與偏轉(zhuǎn)板之間電位相近，偏轉(zhuǎn)板的平均電位為零或接近為零。陰極必須工作在負(fù)電位上。柵極G1相對陰極為負(fù)電位(—30V~—100V)，而且可調(diào)，以實現(xiàn)輝度調(diào)節(jié)。第一陽極為正電位(約+100V~+600V)，也應(yīng)可調(diào)，用作聚焦調(diào)節(jié)。第二陽極與前加速極相連，對陰極為正高壓(約+1000V)，相對于地電位的可調(diào)范圍為±50V。由于示波管各電極電

46、流很小，可以用公共高壓經(jīng)電阻分壓器供電。 </p><p><b>　　2、示波器的結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　由上面的介紹可以知道示波器由示波管、Y軸系統(tǒng)、X軸系統(tǒng)、Z軸系統(tǒng)和電源等五部分組成。</p><p>　　圖3-2 示波器的結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　四、設(shè)計過程和步驟</b&

47、gt;</p><p>　　1、利用LabVIEW 開發(fā)VI</p><p>　　利用LabVIEW 豐富的軟件資源，配備DAQ板卡，可設(shè)計多種測量及分析vI，如虛擬示波器，虛擬頻譜分析儀，虛擬信號分析儀等。所有的LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器（VI），它包括前面板（front panel）、流程圖（block diagram）以及圖標(biāo)/連結(jié)器(icon/connector)三部分。&

48、lt;/p><p><b>　?。?）前面板</b></p><p>　　前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示</p><p>　　輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制（control）和顯示對象（indicator）。</p><p>　　圖4-1-（1）中所示是一個隨

49、機(jī)信號發(fā)生和顯示的簡單VI是它的前面板，上面有一個顯示對象，以曲線的方式顯示了所產(chǎn)生的一系列隨機(jī)數(shù)。還有一個控制對象——開關(guān)，可以啟動和停止工作。顯然，并非簡單地畫兩個控件就可以運行，在前面板后還有一個與之配套的流程圖。</p><p>　　圖4-1-（1）隨機(jī)數(shù)曲線圖</p><p>　　流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程

50、圖中包括前面板上的控件的連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。圖4-1-（2）是與圖4-1-（1）對應(yīng)的流程圖。我們可以看到流程圖中包括了前面板上的開關(guān)和隨機(jī)數(shù)顯示器的連線端子，還有一個隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的函數(shù)及程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通過連線將產(chǎn)生的隨機(jī)信號送到顯示控件，為了使它持續(xù)工作下去，設(shè)置了一個While Loop循環(huán)，由開關(guān)控制這一循環(huán)的結(jié)束。</p><p>　　

51、圖4-2-（1）隨機(jī)信號發(fā)生器的流程圖</p><p>　　2、虛擬示波器的功能</p><p>　　虛擬示波器的軟件實現(xiàn)采用了基于G 語言的編程工具LabVIEW。LabVIEW采用圖形化的儀器編程環(huán)境，具有內(nèi)置的程序編譯器，程序調(diào)試手段靈活，函數(shù)庫功能強(qiáng)大，支持網(wǎng)絡(luò)功能。由于數(shù)據(jù)采集卡采樣速率的限制，對于高頻信號而言，還不能滿足帶寬的要求，可采用高速的數(shù)據(jù)采集卡，示波器實現(xiàn)原理基本一致

52、。</p><p>　　數(shù)據(jù)的接收包括數(shù)據(jù)采集和通信部分。數(shù)據(jù)采集部分主要完成數(shù)據(jù)采集卡的配置，包括設(shè)備號、通道選擇控制、緩沖區(qū)大小、采樣速率、采樣點數(shù)等的控制。通信部分包括數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，利用TCP/IP 協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。</p><p>　　波形顯示包括觸發(fā)控制、時基控制、幅度控制、波形的清除。</p><p>　　參數(shù)測量模塊完成包括電壓參數(shù)、頻率和周期等

53、參數(shù)的測量功能，具體為：</p><p>　　上升時間（Risetime）、下降時間（Falltime）、頻率（Frequency）、周期（Period）、正脈寬（＋width）、負(fù)脈寬（－width）、占空比（Duty cy）、延遲（Delay）、峰峰值（V P-P） 、最小值（V-MIN）、最大值(V -MAX)、均方值(V- RMS)、幅度(V-AMP)、平均值（V-AVG）。</p><

54、;p>　　多波形顯示與運算模塊提供了A＋B、A－B、A、B、—A、—B、XY 以及A 和B 同時顯示等顯示</p><p>　　圖4-3-2虛擬示波器的功能模塊</p><p>　　3、虛擬示波器的設(shè)計與制作</p><p>　　利用Labview中vi中的basic function generator.vi來產(chǎn)生正弦波，三角波，方波鋸齒波這4種波形，并且對

55、這幾種波形分別設(shè)定出它們的幅值、頻率、相位、方波占空比、采樣信息等常量，讓這幾鐘波形在運行中能完整而清晰的在波形圖在圖形顯示控件中顯示出來。</p><p>　　“生成信號”前面板 </p><p>　　圖4-4“生成信號”前面板框圖</p><p>　　在設(shè)計“生成信號”的前面板的過程中，我運用到Labview軟件中的控件中新型控件中的“旋鈕”控件和新型控件中的“

56、下拉列表”控件，并且對它們做了相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置讓整個“生成信號”前面板能更加醒目和美觀。</p><p>　　其中運用到控制模板（Control Palette）</p><p>　　注意：只有打開前面板時才能調(diào)用該模板</p><p>　　該模板用來給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對象和輸入控制對象。每個圖標(biāo)代表一類子模板。如果控制模板不顯示，可以用Windows菜單

57、的Show Controls Palette功能打開它，也可以在前面板的空白處，點擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板。</p><p>　　該模板用來給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對象和輸入控制對象 。每個圖標(biāo)代表一類子模板。如果控制模板不顯示，可以用Windows菜單的Show Controls Palette功能打開它，也可以在前面板的空白處，點擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板。</p><p>　

58、　控制模板如右圖所示，它包括如下所示的一些子模板。子模板中包括的對象，我們在功能中用文字簡要介紹。</p><p>　　在設(shè)計制作“生成信號”模塊的時候，對“旋鈕”和“下拉列表”做了相關(guān)的參數(shù)設(shè)置。首先是對“旋鈕”控件的參數(shù)設(shè)置：在前面板上點擊鼠標(biāo)反鍵，在控制模板中找到“數(shù)值”控件，在“數(shù)值”控件中找到“旋鈕”控件，然后在“旋鈕”控件上點擊鼠標(biāo)反鍵選擇“屬性”，然后就會出現(xiàn)“旋鈕”控件的屬性設(shè)置界面</p&

59、gt;<p>　　在“旋鈕”控件的屬性設(shè)置界面中，先在外觀屬性設(shè)置窗口中，“標(biāo)簽”欄中分別打上各個控件的名稱；在“顯示數(shù)字顯示框”前面的框格中打上“√”。然后在用鼠標(biāo)點“旋鈕”控件的屬性設(shè)置界面中的標(biāo)尺屬性設(shè)置窗口，來設(shè)置各個“旋鈕”控件所對應(yīng)的刻度范圍；如：頻率的刻度范圍是0—10，相位的標(biāo)尺是-360—360等。同時在“顯示顏色剃度控件”前面的框格中打上“√”，設(shè)置完畢后點“確定”。</p><p&

60、gt;　　然后用同樣的操作步驟對“下拉列表”控件進(jìn)行屬性設(shè)置，在“下拉列表”控件點擊鼠標(biāo)反鍵，選擇“屬性”，來到“下拉列表”控件的屬性窗口，進(jìn)入編輯項屬性設(shè)置窗口</p><p>　　然后輸入列表中所要輸出的內(nèi)容，設(shè)置完畢后點“確定”。</p><p>　　工具模板（Tools Palette）</p><p>　　該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具

61、。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在Windows菜單下選擇Show Tools Palette命令以顯示該模板。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會變成該工具相應(yīng)的形狀。當(dāng)從Windows菜單下選擇了Show Help Window功能后，把工具模板內(nèi)選定的任一種工具光標(biāo)放在流程圖程序的子程序（Sub VI）或圖標(biāo)上，就會顯示相應(yīng)的幫助信息。</p><p>　　下述工具中注意１和２的區(qū)別，２用于編程時，１用于

62、運行程序時。 ４是一個特有的工具，它并不是一個簡單的畫線工具，而是一個符合LabVIEW語言規(guī)定的對象連接工具。</p><p>　　常用的幾種工具圖表如下：</p><p>　　經(jīng)過對“生成信號”這個板塊前面板的設(shè)計，根據(jù)Labview的功能也就同時產(chǎn)生了“生成信號.VI”程序框圖</p><p>　　圖4-5 “生成信號.VI”程序框圖</p>

63、<p>　　其中的原理是用Labview中的一個基本函數(shù)發(fā)生器（Basic Function generator.vi）來產(chǎn)生正弦波，三角波，方波，鋸齒波，經(jīng)過采樣然后Chart來顯示?；竞瘮?shù)發(fā)生器（Basic Function generator.vi）各個角的功能分別如下</p><p>　　圖4-6 基本函數(shù)發(fā)生器引角功能圖</p><p>　　offset（偏移量）

64、： offset is the DC offset of the signal. The default is 0.0.（垂距是信號的DC 垂距。缺省是0.0.）</p><p>　　signal type（信號類型）：信號類型是類型信號波形引起</p><p>　　frequency（頻率）：requency is the frequency of the waveform in uni

65、ts of hertz. The default is 10. （頻率是信號波形的頻率，單位是赫茲，缺省是10 ）</p><p>　　amplitude（幅值）：amplitude is the amplitude of the waveform. The amplitude is also the peak voltage. The default is 1.0. （幅值是信號波形的高度幅值也是高峰電壓。缺省

66、是1.0 。）</p><p>　　phase（相位）：phase is the initial phase, in degrees, of the waveform. The default is 0. The VI ignores phase if reset signal is FALSE. （相位是信號波形初始階段波形程度，VI 忽略階段如果復(fù)位信號是假的。）</p><p>　　

67、sampling info（采樣信息）：sampling info contains sampling information. </p><p>　　Fs is the sampling rate in samples per second. The default is 1000。（樣品每秒的采樣率）</p><p>　　#s is the number of samples in t

68、he waveform. The default is 1000. （樣品信號波形的數(shù)）</p><p>　　采樣： 虛擬儀器采樣是用數(shù)據(jù)采集卡將外界的模擬信號采集到計算機(jī)中來。其中數(shù)據(jù)采集卡完成對輸入測量信號的調(diào)理采集、緩存，并通過計算機(jī)PCI總線送入內(nèi)存；計算機(jī)在應(yīng)用程序控制下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運算，最后完成各種電量測試并在屏幕上用圖形或數(shù)據(jù)形式顯示。　　所謂采樣就是采集模擬信號的樣本。　　采樣是

69、將時間上、幅值上都連續(xù)的模擬信號，在采樣脈沖的作用，轉(zhuǎn)換成時間上離散（時間上不再連續(xù)）、但幅值上仍連續(xù)的離散模擬信號。所以采樣又稱為波形的離散化過程。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)：</b></p><p>　　圖4-7 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)原理框圖</p><p>　　運行“生成信號”控件程序，拿正弦波為例子演示結(jié)果：頻率=2.56034

70、、幅值=5.38168相位=256.518 方波占空比=76.5058、Fs=1.00k、采樣數(shù)#S=1000</p><p>　　圖4-8 “生成信號”控件程序正弦波運行結(jié)果</p><p>　　接下來設(shè)計制作的是“測量數(shù)據(jù)”控件模塊，根據(jù)制作“生成信號”模塊的步驟，首先確定程序前面板的所需要的控件，其控件為“數(shù)值”控件中的“數(shù)值顯示”控件。</p><p>　　

71、圖4-9“測量數(shù)據(jù)”控件模塊前面板圖</p><p>　　將“測量數(shù)據(jù)”控件模塊和“生成信號”模塊的程序框圖結(jié)合起來，運行程序后我們便能夠在前面板中得出正弦波，三角波，方波鋸齒波這4種波形周期平均、均值（直流）周期均方根、反峰、峰峰值、正峰、均方根、頻率、周期、占空比、持續(xù)期、THD、指定諧波等的數(shù)據(jù)測量值。</p><p>　　在“測量數(shù)據(jù)”控件模塊和“生成信號”模塊的程序結(jié)合程序模板用

72、工具 連接完畢后，運行程序檢驗是否存在錯誤，如果程序沒錯誤，在“高亮顯示執(zhí)行過程”的條件下我們能清晰的看到“信號”的流動。</p><p>　　圖4-10 “測量數(shù)據(jù)”控件模塊和“生成信號”控件模塊的程序結(jié)合框圖</p><p>　　運行“測量數(shù)據(jù)”控件模塊和“生成信號”模塊的程序后得到結(jié)果：均值=0.251、周期平均=0.00011、均方根=3.1417、周期均方根=3.80226、

73、峰峰值=10.7452、正峰=5.3726</p><p>　　反峰=-5.3726、持續(xù)期=0.13172、THD=2.0968、指定諧波=5.3726、SINAD (dB)=113.889</p><p>　　圖4-11 測量數(shù)據(jù)結(jié)果圖</p><p>　　為了能夠清晰的體現(xiàn)出我所制作的示波器的功能和特點，于是我在接下來的設(shè)計過程中在前面設(shè)計好的“測量數(shù)據(jù)”控件

74、模塊和“生成信號”控件模塊的基礎(chǔ)上做了錦上添花的一部，增加了“添加噪聲”控件模塊。</p><p>　　4-11“添加噪聲”控件模塊前面板圖</p><p>　　根據(jù)前面板可以看到“添加噪聲”控件模塊程序流程圖：</p><p>　　圖4-12“添加噪聲”控件模塊程序圖</p><p>　　其中運用到了均勻白噪聲、周期性隨機(jī)噪聲、高斯白噪聲、

75、泊松噪聲這4中噪聲</p><p>　　圖4-13“均勻白噪聲”控件引角功能圖</p><p>　　白噪聲：白噪聲是指功率譜密度在整個頻域內(nèi)均勻分布的噪聲。 </p><p>　　白噪聲或白雜訊，是一種功率頻譜密度為常數(shù)的隨機(jī)信號或隨機(jī)過程。換句話說，此信號在各個頻段上的功率是一樣的，由于白光是由各種頻率（顏色）的單色光混合而成，因而此信號的這種具有平坦功率譜的性質(zhì)

76、被稱作是“白色的”，此信號也因此被稱作白噪聲。相對的，其他不具有這一性質(zhì)的噪聲信號被稱為有色噪聲。 </p><p>　　理想的白噪聲具有無限帶寬，因而其能量是無限大，這在現(xiàn)實世界是不可能存在的。實際上，我們常常將有限帶寬的平整訊號視為白噪音，因為這讓我們在數(shù)學(xué)分析上更加方便。然而，白噪聲在數(shù)學(xué)處理上比較方便，因此它是系統(tǒng)分析的有力工具。一般，只要一個噪聲過程所具有的頻譜寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它所作用系統(tǒng)的帶寬，并且在該帶

77、寬中其頻譜密度基本上可以作為常數(shù)來考慮，就可以把它作為白噪聲來處理。例如，熱噪聲和散彈噪聲在很寬的頻率范圍內(nèi)具有均勻的功率譜密度，通常可以認(rèn)為它們是白噪聲。</p><p>　　圖4-14“高斯白噪聲”控件引角功能圖</p><p>　　高斯白噪聲：高斯白噪聲是指信號中包含從負(fù)無窮到正無窮之間的所有頻率分量，且各頻率分量在信號中的權(quán)值相同。白光包含各個頻率成分的光，白噪聲這個名稱是由此由此

78、而來的。它在任意時刻的幅度是隨機(jī)的，但在整體上滿足高斯分布函數(shù)。</p><p>　　圖4-15“泊松噪聲”控件引角功能圖</p><p>　　泊松過程（Poisson process）：一種累計隨機(jī)事件發(fā)生次數(shù)的最基本的獨立增量過程 。例如隨著時間增長累計某電話交換臺收到的呼喚次數(shù)，就構(gòu)成一個泊松過程。泊松過程是描寫隨機(jī)事件累計發(fā)生次數(shù)的基本數(shù)學(xué)模型之一。直觀上，只要隨機(jī)事件在不相交時間

79、區(qū)間是獨立發(fā)生的 ， 而且在充分小 的區(qū)間上最 多只發(fā)生一次，它們的累計次數(shù)就是一個泊松過程。1943年C.帕爾姆在電話業(yè)務(wù)問題的研究中運用了這一過程，后來A.I.辛欽于50年代在服務(wù)系統(tǒng)的研究中又進(jìn)一步發(fā)展了它。</p><p>　　泊松過程除作為計數(shù)過程的一種重要數(shù)學(xué)模型外，又是眾多重要隨機(jī)過程的特例。 獨立增量過程的萊維- 伊藤分解表明，利用它還可構(gòu)成一般的獨立增量過程，因而它在隨機(jī)過程中占有特殊地位，也有

80、人把它與布朗運動一起稱之為隨機(jī)過程的基石。 </p><p>　　廣義泊松過程是一個對在同一瞬間發(fā)生一次以上的地震事件具有有限概率的模式.</p><p>　　將以上制作的3個程序模板——“測量數(shù)據(jù)”控件模塊、“生成信號”控件模塊和 “添加噪聲”控件模塊同時用工具 連接起來，再在其中加上“時間控制”控件模塊，邊組成了完整的虛擬示波器的程序框圖，也完成了整個設(shè)計的制作。

81、 圖4-16“時間控制”控件模塊 </p><p>　　4-17 “自制示波器”總程序框圖</p><p>　　演示示波器的工作過程，對“正弦波信號”為例子首先是不加噪聲的波形。</p><p>　　圖4-17 “正弦波波形”演示圖</p><p>　　演示示波器的工作過程，對“

82、正弦波信號”為例子加上高斯白噪聲的波形。</p><p>　　圖4-17 加了高斯白噪聲“正弦波波形”演示圖</p><p><b>　　五、總結(jié)</b></p><p>　　這次的畢業(yè)設(shè)計，考察我們對labview和示波器有一定的了解。 復(fù)習(xí)了labview的編程和示波器組成和工作原理，設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)有通道選擇，信號發(fā)生，觸發(fā)控制，時基幅值控制

83、，信號測量，波形輸出并能輸出被測信號隨時間變化的圖形。掌握了labview的基本使用，能夠設(shè)計一些小程序。如信號采樣的設(shè)計，觸發(fā)控制的設(shè)計。也鍛煉我們使用儀器和計算機(jī)輔助設(shè)計的技能，使學(xué)過的知識得到了鞏固與復(fù)習(xí)。</p><p>　　同時對示波器有了很好的認(rèn)識，了解了示波器的操作界面及其工作原理。每個程序的設(shè)計都要有完整的設(shè)計流程，這樣才能在編程時有良好的思路，便于查找出錯的原因。這次畢業(yè)設(shè)計給我們提供了一個應(yīng)用

84、自己所學(xué)知識的機(jī)會，增強(qiáng)了我查資料的能力。</p><p>　　設(shè)計過程也是一個考驗人耐心的過程，不能有絲毫的急躁、馬虎，對程序的設(shè)計要一步一步來，不能急躁，因為是剛接觸這個軟件，做起來困難很大，就要求我們有個良好的心態(tài)自覺去學(xué)，自己去發(fā)現(xiàn)問題，自己去解決問題。首先對自己要有信心，有信心就有了動力，就能夠克服困難。有信心還要有方法，也就是一個良好的設(shè)計思路，具備這兩點你已經(jīng)成功 了一半，因此我們應(yīng)該在設(shè)計前做好充

85、分的準(zhǔn)備，像查找詳細(xì)的資料，為我們設(shè)計的成功打下堅實的基礎(chǔ)。這次設(shè)計的軟件雖然我們沒有學(xué)，但我們通過課堂所學(xué)已積累良好的編程思維。通過這次使我們編程的意思進(jìn)一步鞏固了</p><p>　　該虛擬數(shù)字示波器不僅實現(xiàn)了一般通用數(shù)字存儲示波器的功能，而且充分發(fā)揮了計算機(jī)的強(qiáng)大功能和LabVIEW 在儀器開發(fā)方面的靈活性，用戶可根據(jù)需要增加儀器的功能，根據(jù)自己的喜好設(shè)計示波器界面，同時可利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程測量，做到硬件資源