模拟示波器仿真实验设计

摘要：

针对在大学物理实验中模拟示波器损坏折旧严重的问题，本文提供了一个基于LabVIEW平台的模拟示波器仿真实验。文中详细介绍了实现仿真模拟示波器(虚拟示波器)各功能的程序结构。通过此仿真实验，学生可了解传统模拟示波器的操作，又可体会LabVIEW的强大功能和图形化编程特点。本文为模拟示波器仿真实验提供多样性。

关键词:

LabVIEW；模拟示波器；仿真实验

0引言

模拟示波器实验是许多理工科大学生必作的实验内容。然而，由于在实验中的频繁使用和误操作等原因，模拟示波器的损坏和折旧也相当严重。常出现的损坏元件是电位器旋钮，由于高频率的使用磨损，在较短的时间就不得不更换。这给仪器的维护带来很大的工作量。针对实际实验中仪器成本高易损坏等问题，大学物理仿真实验应运而生[1]。仿真实验具有成本低，不需购置仪器也不损坏仪器的优点。学生通过仿真实验的练习，在实际实验时就可能避免误操作或过度频繁的尝试操作，从而减少对仪器的损耗。仿真实验和实际实验相辅相成，两者的结合可使实验教学取得更好的效果。此前已有一些基于LabVIEW的仿真模拟示波器的报告[2-6]。本文将侧重于将虚拟示波器应用于模拟示波器的仿真实验。仿照传统模拟示波器的实验仪器，本仿真实验设计有信号发生器和虚拟示波器两部分。虚拟示波器设计有时间坐标调节，电压幅度调节，触发调节，信号通道选择，交/直流信号选择等模拟示波器的常用功能。通过仿真练习，学生既可熟悉模拟示波器旋钮的功能，又了解一些LabVIEW的编程特点。

1虚拟示波器实验介绍

虚拟示波器实验仪的前面板。实验时，学生先在信号发生器上设定待测信号，包括波形、频率、幅值等，然后操作虚拟示波器以正确测量待测信号的上述参数。

1.1信号发生器

信号发生器可设定两路独立的待测信号。每路信号可设定信号的波形、幅值、频率、采样率和采样点数。波形设定可选择正弦、三角波、方波、锯齿波和直流共五类信号类型。此待测信号不是真正连续的模拟信号，而是由计算机生成的由有限数据点组成的离散数字信号。采样率设置1秒的数字信号由多少数据点组成，而采样点数则设置信号发生器每次发出的信号包含多少数据点。信号发生器是用了Sub信号发生器模块的五个参数设置功能来实现的。Sub信号发生器模块还具有更多参数的设置选项。学生在实验时还可以尝试增加噪声、占空比、相位等参数设置以进一步丰富待测信号的多样性。

1.2时间和幅值显示调节旋钮

时间和幅值显示调节旋钮位于右下端。模仿模拟示波器的相应功能，这两个旋钮是用来调节示波器显示窗口的时间和幅值坐标轴的示值范围。该功能的实现主要是利用了LabVIEW波形图的属性节点功能。首先旋钮连接到一个条件结构框图，框图内部预设一些想要的示值范围。然后旋钮控制的示值范围发送给示波器波形图的属性节点，达到波形图示值范围的调节。

1.3触发功能的实现

触发功能是模拟示波器必备的功能，也是学生们在学习示波器工作原理时的一个难点。当示波器时间轴示值范围不是待测信号周期的整数倍时，如果此时仍然连续采样，则示波器显示波形的起始点会位于信号周期的不同节点上，导致信号不能被稳定地显示。“触发”功能让示波器显示波形的起始点在每次刷新时都会位于信号周期的固定节点上，从而实现稳定的波形显示。触发有多种方式，本虚拟示波器采用了最基本的边沿触发方式，即根据信号的电压值和信号点处于上升还是下降沿两个参数来确定波形显示的起始数据点。触发功能的控制区域位于右上端，包括两个独立的信号调节部分，可对两路待测信号进行相互独立的触发设置。其中，“斜率”滑动开关用来设置触发数据点是处于上升沿(正)还是下降沿(负)；“水平”旋钮用来设置触发点的电压选取信号峰峰值的多大比值，本设计中取10%到90%，间隔为10%。触发功能的编程是整个虚拟示波器编程的关键。(A)显示了“判定范围并强制转换”模块，对此模块的灵活运用既可实现寻找与设定触发电平最接近的数据点，又可判断该数据点是处于上升沿还是下降沿。而此模块本身的功能却相对简单，我们给它输入上限，下限和X值，它将判断X是否处于上/下限之间。图4(B)显示触发功能的程序结构。首先输入的波形信号经过一个索引数组，每次取出该数组的第i和第i+1号元素，分别赋值给上/下限(下降沿判定范围模块)和下/上限(上升沿判定范围模块)。触发电平的设定值赋给两个判定范围模块的X值。用一个FOR循环检索全部元素。如果设定值在数组的第i和第i+1号元素之间，元素i为下限，元素i+1为上限，则让检索号i为上升沿起始数据点检索，即为i上；反之，元素i+1为下限，元素i为上限，则让检索号i为下降沿起始数据点检索，即为i下。在示波器显示波形时，根据上升或下降沿触发，分别从第i上或i下个元素开始显示即可。

1.4信号通道选择

下方“通道”区域所示，虚拟示波器也设置了信号通道选择。它可以单独显示A通道，或B通道，或A和B通道同时显示。当单独显示A通道或B通道时，滑动开关右侧的“幅值”和“频率”示值显示自动测量的单通道信号的幅值和频率。信号通道选择滑动开关连接到一个条件结构，用来控制信号A，或信号B，或两者同时接入波形图显示。同时，条件结构中还包含了单频测量模块和幅值与电平测量模块，可自动测量单通道信号的幅值和频率。

1.5虚拟示波器的其余功能

1.5.1信号的DC（直流）和AC（交流）切换。这个功能的设计思路是，当测量直流信号时，触发功能将被屏蔽；当测量交流信号时，则启用触发功能的相应程序。

1.5.2索引A，索引B，和长度A/B。因为周期信号的每个周期都有一个上升沿和一个下降沿触发数据点，所以在搜索上升/下降沿触发点的索引时，应取输入信号的第1个周期内的数据点即可。索引A，索引B定义了A，B两信号在一个周期包含多少数据点。为了避免程序的过度繁杂，这个功能需要学生根据信号发生器设置的频率和采样点数进行手动输入。另外，虽然信号发生器上定义了采样点数，但是在显示波形时，不一定要显示所有的采样点数。“长度A/B”设定虚拟示波器上实际显示的数据点数，即A，B两个信号显示相同数量的数据点。

1.6虚拟示波器的运行界面

已显示了一个虚拟示波器的运行界面。设定的参数为：通道A为正弦信号，幅值1V，频率10Hz，20%峰峰值下降沿触发；通道B为三角波信号，幅值1V，频率12Hz，20%峰峰值上升沿触发。

2结论

相比于一些已发表的基于LabVIEW的虚拟示波器的设计，本文有两个侧重点：一是详细介绍了实现虚拟示波器各功能的程序结构和编程思路；二是着眼于虚拟示波器在大学物理仿真实验中的应用。因而，本虚拟示波器一方面可帮助学生练习和了解模拟示波器的使用，另一方面也可培养学生对LabVIEW的了解和编程兴趣，为他们今后编制其他虚拟仪器开拓思路。

作者：朱子鹏 单位：太原理工大学物理与光电工程学院

参考文献

[1]中国科学技术大学人工智能与计算机应用研究室.大学物理仿真实验[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]高琴，陈树君，王续明，张利敏.多功能虚拟示波器的设计与实现[J].通信技术,2010(4):217-219.

[3]任景英，蔡超峰，姜利英.基于LabVIEW的多功能虚拟示波器的设计与实现[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版),2012(2):91-94.

[4]沈辉，沙立民，张重龙.基于LabVIEW的多功能虚拟示波器设计[J].电子测量技术，2012(11):90-93.

[5]王桔，丁锐.基于LabVIEW的虚拟示波器的设计[J]．长春大学学报，2014(8):1030-1034.

[6]李建海，赵彦敏，张爱华，王吉祥．基于LabVIEW的多功能虚拟示波器设计[J]．微计算机信息，2010(12-1):139-140.