示波器仿真软件的设计与实现

2012-08-01陈长鹏何长英

武汉理工大学学报（信息与管理工程版） 2012年2期

黄勇，陈长鹏，何长英

(武汉理工大学理学院，湖北武汉 430070)

示波器是电子测量领域最常用的仪器之一，通过它不但可以清晰地观察信号波形，还可以定量测量信号的周期、振幅和两信号的相位差等参数[1]。LabVIEW是美国国家仪器公司推出的虚拟仪器软件开发平台，与传统的模拟示波器相比，其软件系统仿真硬件功能可以大大节约仪器成本、节省开发与维护费用。有许多对虚拟示波器的设计与开发进行研究的文献，如文献[2－4]介绍了如何开发自定义仪器功能的虚拟示波器，论述了虚拟仪器技术在测量领域中的应用。研究虚拟仿真技术在实验教学方面的应用也有重要的意义，针对特定型号示波器用LabVIEW开发相应的仿真软件，以满足教学演示和学生预习需要，而这方面的研究还很缺乏。因此，笔者以LabVIEW 8.6为平台设计开发了适合本校实验课使用的示波器仿真软件系统。

1 仿真软件运行界面的设计

前面板是用户与系统交互的窗口，用户通过它输入和获取信息。为了设计与真实XJ4328示波器一致的操作面板，笔者设计了一个自定义控件[5]放在前面板上，将XJ4328示波器面板图片作为自定义控件的文本部分，旋钮和按键控件放在图片中的相应位置，将设计的旋钮颜色设置为透明。波形图与XY图重叠放在示波器图片的显示屏位置，X轴、Y轴标尺与图片的显示屏大小一致，网格线设置为透明。

参照示波器使用实验教学内容[6]，在示波器CH1与CH2通道信号接入处设置了仿真信号:方波S1、三角波S2、正弦波S3和正弦波S4(S4与 S3有一定的相位差，频率相同)，供学生观察与测量。在CH2通道还设置了一个外部标准信号源，该信号源的参数调节面板结合在教学中使用的GFG－8016函数发生器图像设计，并作为标准信号源与CH1通道的正弦波完成各种形状的李萨育图形测量频率，设计的运行界面如图1所示。

图1 XJ4328示波器仿真软件运行界面

2 仿真软件的设计与实现

2.1 仿真软件总体结构

程序框图是软件的核心，它以图形化的方法表示程序源代码，类似于真实仪器中用来实现仪器功能的零部件。示波器的功能繁多，设计中将具有一定功能的程序模块定义为子VI供其他VI调用，从而减少程序框图的节点与连线，提高代码的可读性和可维护性。

程序采用while循环结构，示波器的电源开关状态作为循环的控制条件，程序的总体结构[7]如图2所示。

图2 示波器仿真软件总体结构

2.2 仿真信号生成

通过信号处理中的波形信号生成函数生成所需要的信号，CH1与CH2通道有参数固定的方波、三角波和正弦波可选，CH2通道还有一个标准信号源可选，标准信号源的参数在GFG－8016函数发生器面板图像界面中调节。

2.3 触发控制

根据模拟示波器显示波形的原理，当扫描周期不为被测信号周期的整数倍关系时，显示的波形不稳定。因此示波器中有触发扫描电路，根据触发源与触发电平的值控制扫描的起点，以保证每次扫描的起点都在信号周期的同一位置，从而使显示波形稳定[8]。在软件设计中，可以通过设置触发点来保证每次显示时得到信号周期的同一位置，根据触发电平的值找到触发点，在触发点后截取一段相同长度的波形显示出来。该软件中触发源可以来自CH1或CH2通道信号，找触发点就是根据输入的信号，与触发电平的数值进行比较后输出产生触发的数组的序号，用数组子集取出从序号开始的一段信号[9]。

2.4 水平分度调节

XJ4328示波器扫描速率从0.5 μs/DIV～0.2 s/DIV，共分18挡，X轴共有10个分度格。将水平分度旋钮的选择数值作为case－switch的分支选择条件，case“0～17”中，时间间隔、频率和波形图控件属性节点的X标尺范围属性的设定值乘以或除以不同的数值，使Time/DIV控件的值不同，波形图中显示的完整波形的数目不同，用微调旋钮对水平分度在两挡之间进行连续调节。

2.5 竖直分度调节

示波器波形显示屏的高度是固定的，若被测信号幅值较大，显示图形将超出屏幕，幅值太小，波形的细节就看不清楚，竖直分度调节的功能就是将幅值大的信号进行缩小，将幅值小的信号进行放大，以便于观察与测量。XJ4328示波器两通道灵敏度开关从10 mV/DIV～5 V/DIV共分9档，当通道灵敏度开关处于不同的挡位时，将仿真信号的幅值放大或缩小一定倍数即可。