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摘要：

針對在大學(xué)物理實驗中模擬示波器損壞折舊嚴重的問題，本文提供了一個基于LabVIEW平臺的模擬示波器仿真實驗。文中詳細介紹了實現(xiàn)仿真模擬示波器(虛擬示波器)各功能的程序結(jié)構(gòu)。通過此仿真實驗，學(xué)生可了解傳統(tǒng)模擬示波器的操作，又可體會LabVIEW的強大功能和圖形化編程特點。本文為模擬示波器仿真實驗提供多樣性。

關(guān)鍵詞:

LabVIEW；模擬示波器；仿真實驗

0引言

模擬示波器實驗是許多理工科大學(xué)生必作的實驗內(nèi)容。然而，由于在實驗中的頻繁使用和誤操作等原因，模擬示波器的損壞和折舊也相當(dāng)嚴重。常出現(xiàn)的損壞元件是電位器旋鈕，由于高頻率的使用磨損，在較短的時間就不得不更換。這給儀器的維護帶來很大的工作量。針對實際實驗中儀器成本高易損壞等問題，大學(xué)物理仿真實驗應(yīng)運而生[1]。仿真實驗具有成本低，不需購置儀器也不損壞儀器的優(yōu)點。學(xué)生通過仿真實驗的練習(xí)，在實際實驗時就可能避免誤操作或過度頻繁的嘗試操作，從而減少對儀器的損耗。仿真實驗和實際實驗相輔相成，兩者的結(jié)合可使實驗教學(xué)取得更好的效果。此前已有一些基于LabVIEW的仿真模擬示波器的報告[2-6]。本文將側(cè)重于將虛擬示波器應(yīng)用于模擬示波器的仿真實驗。仿照傳統(tǒng)模擬示波器的實驗儀器，本仿真實驗設(shè)計有信號發(fā)生器和虛擬示波器兩部分。虛擬示波器設(shè)計有時間坐標(biāo)調(diào)節(jié)，電壓幅度調(diào)節(jié)，觸發(fā)調(diào)節(jié)，信號通道選擇，交/直流信號選擇等模擬示波器的常用功能。通過仿真練習(xí)，學(xué)生既可熟悉模擬示波器旋鈕的功能，又了解一些LabVIEW的編程特點。

1虛擬示波器實驗介紹

虛擬示波器實驗儀的前面板。實驗時，學(xué)生先在信號發(fā)生器上設(shè)定待測信號，包括波形、頻率、幅值等，然后操作虛擬示波器以正確測量待測信號的上述參數(shù)。

1.1信號發(fā)生器

信號發(fā)生器可設(shè)定兩路獨立的待測信號。每路信號可設(shè)定信號的波形、幅值、頻率、采樣率和采樣點數(shù)。波形設(shè)定可選擇正弦、三角波、方波、鋸齒波和直流共五類信號類型。此待測信號不是真正連續(xù)的模擬信號，而是由計算機生成的由有限數(shù)據(jù)點組成的離散數(shù)字信號。采樣率設(shè)置1秒的數(shù)字信號由多少數(shù)據(jù)點組成，而采樣點數(shù)則設(shè)置信號發(fā)生器每次發(fā)出的信號包含多少數(shù)據(jù)點。信號發(fā)生器是用了Sub信號發(fā)生器模塊的五個參數(shù)設(shè)置功能來實現(xiàn)的。Sub信號發(fā)生器模塊還具有更多參數(shù)的設(shè)置選項。學(xué)生在實驗時還可以嘗試增加噪聲、占空比、相位等參數(shù)設(shè)置以進一步豐富待測信號的多樣性。

1.2時間和幅值顯示調(diào)節(jié)旋鈕

時間和幅值顯示調(diào)節(jié)旋鈕位于右下端。模仿模擬示波器的相應(yīng)功能，這兩個旋鈕是用來調(diào)節(jié)示波器顯示窗口的時間和幅值坐標(biāo)軸的示值范圍。該功能的實現(xiàn)主要是利用了LabVIEW波形圖的屬性節(jié)點功能。首先旋鈕連接到一個條件結(jié)構(gòu)框圖，框圖內(nèi)部預(yù)設(shè)一些想要的示值范圍。然后旋鈕控制的示值范圍發(fā)送給示波器波形圖的屬性節(jié)點，達到波形圖示值范圍的調(diào)節(jié)。

1.3觸發(fā)功能的實現(xiàn)

觸發(fā)功能是模擬示波器必備的功能，也是學(xué)生們在學(xué)習(xí)示波器工作原理時的一個難點。當(dāng)示波器時間軸示值范圍不是待測信號周期的整數(shù)倍時，如果此時仍然連續(xù)采樣，則示波器顯示波形的起始點會位于信號周期的不同節(jié)點上，導(dǎo)致信號不能被穩(wěn)定地顯示。“觸發(fā)”功能讓示波器顯示波形的起始點在每次刷新時都會位于信號周期的固定節(jié)點上，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的波形顯示。觸發(fā)有多種方式，本虛擬示波器采用了最基本的邊沿觸發(fā)方式，即根據(jù)信號的電壓值和信號點處于上升還是下降沿兩個參數(shù)來確定波形顯示的起始數(shù)據(jù)點。觸發(fā)功能的控制區(qū)域位于右上端，包括兩個獨立的信號調(diào)節(jié)部分，可對兩路待測信號進行相互獨立的觸發(fā)設(shè)置。其中，“斜率”滑動開關(guān)用來設(shè)置觸發(fā)數(shù)據(jù)點是處于上升沿(正)還是下降沿(負)；“水平”旋鈕用來設(shè)置觸發(fā)點的電壓選取信號峰峰值的多大比值，本設(shè)計中取10%到90%，間隔為10%。觸發(fā)功能的編程是整個虛擬示波器編程的關(guān)鍵。(A)顯示了“判定范圍并強制轉(zhuǎn)換”模塊，對此模塊的靈活運用既可實現(xiàn)尋找與設(shè)定觸發(fā)電平最接近的數(shù)據(jù)點，又可判斷該數(shù)據(jù)點是處于上升沿還是下降沿。而此模塊本身的功能卻相對簡單，我們給它輸入上限，下限和X值，它將判斷X是否處于上/下限之間。圖4(B)顯示觸發(fā)功能的程序結(jié)構(gòu)。首先輸入的波形信號經(jīng)過一個索引數(shù)組，每次取出該數(shù)組的第i和第i+1號元素，分別賦值給上/下限(下降沿判定范圍模塊)和下/上限(上升沿判定范圍模塊)。觸發(fā)電平的設(shè)定值賦給兩個判定范圍模塊的X值。用一個FOR循環(huán)檢索全部元素。如果設(shè)定值在數(shù)組的第i和第i+1號元素之間，元素i為下限，元素i+1為上限，則讓檢索號i為上升沿起始數(shù)據(jù)點檢索，即為i上；反之，元素i+1為下限，元素i為上限，則讓檢索號i為下降沿起始數(shù)據(jù)點檢索，即為i下。在示波器顯示波形時，根據(jù)上升或下降沿觸發(fā)，分別從第i上或i下個元素開始顯示即可。

1.4信號通道選擇

下方“通道”區(qū)域所示，虛擬示波器也設(shè)置了信號通道選擇。它可以單獨顯示A通道，或B通道，或A和B通道同時顯示。當(dāng)單獨顯示A通道或B通道時，滑動開關(guān)右側(cè)的“幅值”和“頻率”示值顯示自動測量的單通道信號的幅值和頻率。信號通道選擇滑動開關(guān)連接到一個條件結(jié)構(gòu)，用來控制信號A，或信號B，或兩者同時接入波形圖顯示。同時，條件結(jié)構(gòu)中還包含了單頻測量模塊和幅值與電平測量模塊，可自動測量單通道信號的幅值和頻率。

1.5虛擬示波器的其余功能

1.5.1信號的DC（直流）和AC（交流）切換。這個功能的設(shè)計思路是，當(dāng)測量直流信號時，觸發(fā)功能將被屏蔽；當(dāng)測量交流信號時，則啟用觸發(fā)功能的相應(yīng)程序。

1.5.2索引A，索引B，和長度A/B。因為周期信號的每個周期都有一個上升沿和一個下降沿觸發(fā)數(shù)據(jù)點，所以在搜索上升/下降沿觸發(fā)點的索引時，應(yīng)取輸入信號的第1個周期內(nèi)的數(shù)據(jù)點即可。索引A，索引B定義了A，B兩信號在一個周期包含多少數(shù)據(jù)點。為了避免程序的過度繁雜，這個功能需要學(xué)生根據(jù)信號發(fā)生器設(shè)置的頻率和采樣點數(shù)進行手動輸入。另外，雖然信號發(fā)生器上定義了采樣點數(shù)，但是在顯示波形時，不一定要顯示所有的采樣點數(shù)。“長度A/B”設(shè)定虛擬示波器上實際顯示的數(shù)據(jù)點數(shù)，即A，B兩個信號顯示相同數(shù)量的數(shù)據(jù)點。

1.6虛擬示波器的運行界面

已顯示了一個虛擬示波器的運行界面。設(shè)定的參數(shù)為：通道A為正弦信號，幅值1V，頻率10Hz，20%峰峰值下降沿觸發(fā)；通道B為三角波信號，幅值1V，頻率12Hz，20%峰峰值上升沿觸發(fā)。

2結(jié)論

相比于一些已發(fā)表的基于LabVIEW的虛擬示波器的設(shè)計，本文有兩個側(cè)重點：一是詳細介紹了實現(xiàn)虛擬示波器各功能的程序結(jié)構(gòu)和編程思路；二是著眼于虛擬示波器在大學(xué)物理仿真實驗中的應(yīng)用。因而，本虛擬示波器一方面可幫助學(xué)生練習(xí)和了解模擬示波器的使用，另一方面也可培養(yǎng)學(xué)生對LabVIEW的了解和編程興趣，為他們今后編制其他虛擬儀器開拓思路。

作者：朱子鵬 單位：太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院

參考文獻

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