虚拟示波器在医学物理实验中的应用

刘小利

(长治医学院 基础医学部，山西 长治 046000)

示波器是一种直接观察和测量电压波形及其参数(如周期、频率和相位差)的电子仪器，使用非常广泛，但使用方法相对复杂。在医学物理实验“示波器的使用”中，如果使用普通示波器，每套实验设备除了示波器之外，还需配备信号发生器、电压表等设备[1]，而数字示波器价格较为昂贵，不利于实验设备的更新。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言[2]。虚拟示波器基于LabVIEW开发平台，可实现信号的产生、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，用户可方便地对虚拟示波器进行维护、扩展和升级。

根据“示波器的使用”实验所用到的真实示波器面板和功能的要求，设计虚拟示波器主要功能有通道选择、波形显示、波形控制、波形存储、参数测量以及实验数据的记录、删除等。

1 前面板

虚拟示波器前面板由“波形显示”和“李萨如图形”两个模块构成。

1.1 波形显示前面板

波形显示前面板主要由两个基本函数发生器VI、一个波形图控件、各种旋钮和布尔控件构成，如图1所示。

图1 零输入状态下的波形显示前面板

1.2 李萨如图形前面板

李萨如图形前面板主要由两个波形图、一个XY图、一个数据表格以及各种布尔控件构成，如图2所示。“标准信号”波形图为XY图中的X方向提供正弦波信号，“待测信号”波形图为XY图中的Y方向提供正弦波信号。XY图用来显示两列正弦波合成之后的图形。

图2 零输入状态下的李萨如图形前面板

2 虚拟示波器基本功能

2.1 波形显示模块

(1)信号来源

利用LabVIEW的基本函数发生器VI产生正弦波、三角波、方波、锯齿波四种基本模拟信号，通过下拉列表选择输出的波形形式。测试者可对这四种信号的幅值、频率、相位以及方波占空比各参数进行调节。

(2)波形显示与控制

采用布尔型条件结构，设置两个开关分别控制CH1和CH2两个通道的波形显示，“ON”显示波形，“OFF”不显示，同时选择“ON”在波形图上同时显示两个波形。“CH1垂直位移”和“CH2垂直位移”两个旋钮分别控制两个波形的垂直位置。“时间ms/div”旋钮调节波形图时间轴上每单位表示多少时间。“幅值V/div”旋钮调节波形图上每单位表示多少电压。

通过波形图控件自带的图形工具选板，可以在程序运行中实现波形的动态调控，如放大、缩小或移动所显示的波形。当两个波形同时显示时，为了直观的区分不同的波形，可通过波形图控件的曲线图例设置波形曲线的颜色、曲线显示方式等。

通过波形图，可以观察频率、相位、幅值等参数对波形的影响[3-5]，测量波的周期、频率等物理量。以正弦波为例，两通道选择输出波形为正弦波，CH1和CH2开关都为“ON”时，示波器显示两个正弦波波形，如图3所示。

图3 两通道波形同时显示

其中蓝色曲线为CH1波形，红色曲线为CH2波形。选择其中一个完整的波形，通过“时间ms/div”和“幅值V/div”旋钮以及下方的数值显示控件，可测算出正弦波的周期T，即T=水平距离×时间ms/div，然后求出正弦波的频率f=1/T；正弦波电压峰-峰值Up-p=垂直距离×幅值V/div。

(3)波形存储

点击前面板“保存波形”按钮可以将波形以JPG格式图片的形式存储在计算机的任意路径下。

(4)停止运行

通过while循环的“停止”按钮使示波器停止工作。

2.2 李萨如图形模块

“标准信号”波形图与 “待测信号”波形图分别为XY图中的X方向、Y方向提供正弦波信号。由于两个信号的频率、振幅和相位的不同，在示波器上将显现出各种不同的波形，一般得不到稳定的图形，但当两信号的频率成简单整数比时，将出现稳定的封闭曲线，称为李萨如图形[6]。

其他虚拟示波器实验只是对李萨如图形做简单的演示[7-9]，或者只测量未知信号的频率[10]。因为

本设计在以上实验的基础上，不仅可以通过两信号的频率比获得待测频率，而且可以得到两信号的相位差，并且将李萨如图形及实验数据进行记录与保存。

(1)信号输入

在程序框图中设定待测信号的频率为50 Hz、相位为0、幅度5 V，且在前面板不显示待测信号的参数值。标准信号的频率、相位、幅值可在前面板输入任意数值。

(2)波形显示

在前面板输入“标准信号”幅值为2 V，相位为0，频率为25 Hz，此时前面板显示的标准信号波形、待测信号波形及李萨如图形如图4所示。

图4 标准信号为幅值2 V、相位0，频率25 Hz时的前面板

(3)参数测量

在前面板输入标准信号的频率、幅值和相位，在李萨如图形右侧，会自动显示出该李萨如图形对应的相位差，相位差=待测信号相位-标准信号相位，单位为“度”，若相位差为负值，表示待测信号落后于标准信号。

(4)幅值等参数对李萨如图形的影响

按照实验需求，改变标准信号的参数，观察频率、相位、幅值对李萨如图形的影响。设置两次测量的标准信号频率fx均为50 Hz、相位为90°，幅值分别为2 V和4 V，可观察幅值对李萨如图形的影响，如图5、图6所示；设置两次测量的标准信号幅值均为2 V、相位为0，频率分别为25 Hz和50 Hz，则相应的频率比分别为2.0和1.0，则可观察频率比对李萨如图形的影响，如图4、图7所示；设置两次测量的标准信号幅值均为2 V、频率为50 Hz，相位分别为0和45°，则相应的相位差分别为0和-45°，则可观察相位差对李萨如图形的影响，如图7、图8所示。

图5 标准信号为频率50 Hz、相位90°、幅值2 V时的李萨如图形

图6 标准信号频率为50 Hz、相位90°、幅值4 V时的李萨如图形

图7 标准信号为频率50 Hz、相位0、幅值2 V时的李萨如图形

图8 标准信号为频率50 Hz、相位45°、幅值2 V时的李萨如图形

(5)数据记录和删除

在前面板点击“添加数据”，在李萨如图形下方的“数据记录”表格中出现一行新的实验数据，记录该李萨如图形对应的信息，包括标准频率fx、幅值、相位差、水平交点数、垂直交点数、频率比以及待测频率fy。点击“删除数据”可以删除本次测量的实验数据。

(6)数据保存

根据实验的需要，可任意设定标准信号的参数，得到不同幅值、不同相位差以及不同频率比情况下的李萨如图形，每次测量结果均可保存在“数据记录”中，点击“保存表格”，将“数据记录”以JPG格式的图片进行保存，如图9所示。

图9 实验数据记录

3 结 语

本文基于LabVIEW平台设计的虚拟双踪示波器功能多样，操作简单。可以显示双通道波形，每个通道都可以输出任意频率、相位、幅值等参数的基本波形。通过波形图可以更加直观地了解各种波形的特点，观察相位、频率等参数对波形的影响。可以显示任意幅值、相位差和频率比的李萨如图形。利用李萨如图形可以测量未知信号的频率和相位差。波形图和测量数据都可以保存为图片，有助于学生完成实验报告。与传统示波器相比，虚拟示波器可以根据实验内容发展的需要，灵活、方便地修改仪器的功能和面板。如果配以数据采集卡采集外部信号，可以测量外部信号的频率以及相位差。将虚拟示波器实验与实物实验相结合，可以使学生更加有效地掌握示波器的使用方法，提高实验效果。