摘 要

随着计算机技术和大规模集成电路等技术的快速发展，计算机软件技术和仪器系统紧密的结合，使得传统仪器的概念出现重大突破，出现了一种全新的仪器概念，即虚拟仪器。

虚拟仪器是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器的一个最主要的优点是能够结合计算机技术，将计算机技术和硬件相结合，是测量测试领域的一个全新发展方向。打破了传统仪器概念，相比于传统仪器，虚拟仪器软硬件结合，其功能更丰富，开发更简单。数字信号处理是一门新兴学科，其重要性在各个领域中日益突出。本篇论文主要介绍了利用图形编程语言进行虚拟仪器开发的一个方法，深入研究虚拟仪器设计理论，设计了一个基于虚拟仪器技术的虚拟示波器。

介绍了虚拟示波器的设计方法与各项功能，详细介绍了虚拟示波器的内外面板，达到了传统示波器各项功能并进行了扩展。本文还介绍了虚拟仪器在现如今的测试领域中的重要地位还有其广阔的发展前景。

关键词：Lab VIEW，虚拟仪器，示波器

Abstract

With the rapid development of computer technology and large-scale integrated circuits and other technologies, the combination of computer software technology and instrumentation systems has led to a major breakthrough in the concept of traditional instruments, and a new instrument concept has emerged, namely virtual instrumentation.

The virtual instrument is a computer-based automated test instrument system. One of the most important advantages of virtual instruments is the ability to combine computer technology with the combination of computer technology and hardware. It is a new direction for measurement and testing. The concept of traditional instruments has been broken. Compared with traditional instruments, virtual instruments combine hardware and software, and their functions are more abundant and the development is simpler. Digital signal processing is a new discipline and its importance has become increasingly prominent in various fields. This paper mainly introduces a method of virtual instrument development using the graphic programming language Lab view, deeply studies the theory of virtual instrument design, and designs a virtual oscilloscope based on Virtual instrument technology.

The design method and functions of the virtual oscilloscope are introduced. The internal and external panels of the virtual oscilloscope are introduced in detail, and the functions of the traditional oscilloscope are achieved and expanded. This article also introduced the important position of the virtual instrument in the current test field and its broad development prospects.

Key words： Lab VIEW， Virtual instrument， Oscilloscope

目 录

第1章 绪论 1

1.1 虚拟仪器的概述 1

1.1.1虚拟仪器简介 1

1.1.2虚拟仪器的结构 2

1.1.3虚拟仪器的优点 2

1.1.4虚拟仪器的发展现状与展望 3

1.1.5图形化编程语言Lab VIEW 5

1.1.6Lab VIEW的功能与作用 5

1.1.7Lab VIEW的特点 5

1.1.8Lab VIEW的应用 6

1.2本章小结 6

第2章 虚拟示波器的原理及研究目的 7

2.1数字示波器的原理 7

2.2虚拟示波器 7

2.3研究目的及意义 8

2.4本章小结 8

第3章 虚拟示波器整体设计 9

3.1虚拟示波器设计方案 9

3.2虚拟示波器的整体设计与功能实现 10

3.3本章小结 17

第4章 总结 18

参考文献 19

致谢 20

第1章 绪论

1.1 虚拟仪器的概述

虚拟仪器是一种基于计算机的软件仪器，是计算机技术和仪器系统相结合而产生的。一般仪器和计算机的结合方式有两种，其中一种是以仪器作为核心，把计算机软件系统装进仪器当中，另外的一种方式是以计算机作为核心，把仪器的功能装进计算机当中，用计算机来实现仪器的各种功能。虚拟仪器采用的是后一种方式。

虚拟仪器最重要的概念和口号就是“软件就是仪器”，从这句话中就可以看出计算机和软件是虚拟仪器最重要的组成部分。虚拟仪器可以将计算机的各种优势加入到仪器当中，使其具有一机多用，成本低廉，结构简单，测量精度高，用户可以自行开发等特点，便于和计算机通信结合来建立计算机网络，组建复杂的测试系统。

1.1.1虚拟仪器简介

虚拟仪器的核心就是应用计算机上的虚拟仪器开发软件系统进行仿真，用户自定义设计仪器，使其具有虚拟面板与测试功能。使用者通过鼠标键盘的操作就可以在虚拟面板上对与这个虚拟仪器有关的硬件系统进行操作。虚拟仪器的各种“控件”功能和我们使用的传统“器件”上的功能几乎是一样的。如同各种显示器的显示功能，各种开关控制仪器的运行与结束运行等功能一样，与传统仪器不同的点就是传统仪器都是使用的是物理上的器件，强调器件的物理存在心智，而虚拟仪器用的是功能和实物相差不多，图形仿照实物进行设计的虚拟器件。因此设计虚拟仪器的前面板就是在虚拟仪器软件当中找出样子和实物十分接近的仪器，仪器的各项功能或者说性质，可以利用软件来对相应仪器的图标自行设置，使其与实际“器件”功能一致。当设计编写好了一个虚拟仪器的软件流程图，就可以利用这个流程图来实现自己所需要的测量功能。以计算机为核心，加上一些必要硬件进行组合后，然后使用软件来进行程序的编写。因为虚拟仪器软件当中通常有很多种不同的测试功能模块，使用者可以自己用这些已有的模块来自由的进行组合，当然也可以自己设计模块，最后组合出来的仪器可以实现设计者所需要的各种测试功能，这就是利用软件来扩展仪器的功能，所以在硬件设备一模一样的时候，传统仪器很难对仪器功能进行重大突破，而虚拟仪器则完全不同，虚拟仪器系统使用不同的软件进行合理的组合就可以产生不同功能的虚拟仪器，也是虚拟仪器最大的一个优势，也因此产生了“软件就是仪器”这一说法。

1.1.2虚拟仪器的结构

虚拟仪器可以由多种接口或者具有这些接口的仪器，来组合成被测控对象和计算机。虚拟仪器的结构图示意图如下图1.1所示

图1.1 虚拟仪器的结构示意图

虚拟仪器系统主要由应用软件和仪器硬件两个部分组成。硬件主要是指创建这个虚拟仪器所必要的与计算机相互连接的一些硬件设备，然后这些设备搭配计算机，共同组成设计虚拟仪器系统所需要的硬件环境，在强调软件的时候，硬件永远都是基础，这也是虚拟仪器的软件系统所需要的基础；既然是虚拟仪器，软件必然对其意义最为重要，虚拟仪器所强调的也是其独特的软件系统，软件通过各种各样的功能模块组合到一起，可以组合构成不同的仪器，给整个系统实现各种不同的测量功能。

虚拟仪器软体系结构主要包括两个方面，其一是设备驱动程序，设备驱动程序是为了提高数据吞吐量还有增加编程的灵活程度而设计的程序，每一个设备的驱动程序都拥有一个共同的应用程序编程的接口（API）。另一点就是用户应用程序，它通过设备驱动程序与底层的硬件设备相连接，并且因为其接口相同，使其不管使用什么计算机或操作系统，都可以进行应用程序的移植。

1.1.3虚拟仪器的优点

第一点，虚拟仪器不强调物理形式上的实现。因为虚拟仪器是通过软件功能去实现数据收集和控制、数据处理、和数据分析以及数据的显示这三个部分的物理功能。可以充分的利用计算机系统其强力的数据处理能力，在基本的硬件条件支持之下，通过软件来完成输出的收集、控制、分析和处理与处理结果和测试结果的显示等。通过软件与硬件的配合去达到传统仪器的各项功能。

第二点，在系统内部可以完成软件与硬件的资源共享。虚拟仪器最大的特点便是自定义能力强，在使用同样的硬件的条件下，通过使用不同的软件程序，用户可以自定义功能，自行设计不同功能的仪器。

第三点，集成。虚拟仪器软件平台使用统一标准的接口，可以使多个测量设备集中到一个系统当中，使任务更为简单，这就是一个软硬件集成的概念。因为现今对测量要求的不断提高使设备越来越复杂，通过虚拟仪器技术可以将各个设备快捷的集成到了同一个系统当中，使得一个系统可以实现多种功能，高度的集成到一起。

第四点，图形化的软件面板。虚拟仪器采用的是可视的图形化编程语言，用户可以自行建立图形化的软件操作面板来代替以往的传统仪器面板。用户可以通过鼠标和键盘进行各种仪器操作。

第五点，虚拟仪器的价格较低，并且因为其设计是基于软件系统的，可以省大量的开发和维护费用。并且因为其不强调物理形式上的实现，同样节省了大量的物质成本。

第六点，与网络对接。虚拟仪器基于计算机系统，所以可以方便的与网络进行对接，可以通过网络连接多个仪器或者将多个用户连接到一起，进行数据的互传与共享，也可以通过网络连接各种外接设备。

总的来说，虚拟仪器因其软硬结合的特点，可以完成许多传统仪器所不能实现的功能，其特点与优势还存在于许多方面也是其得到广泛认可的一个原因，并且因为它的这些特点与优势，对其进行研究也是十分有意义的事情。

1.1.4虚拟仪器的发展现状与展望

虚拟仪器技术在国外发展十分迅速，以NI公司为代表的一些厂商已经推出各种图形编程软件，其中以Lab view最具代表性，并且使用范围最为广泛。Lab VIEW是NI设计平台的核心，从1986年Lab VIEW1.0正式发布。最开始Lab VIEW只能进行非常简单的数据收集和仪器控制等功能，之后开发小组对Lab VIEW继续进行开发改进加上不断的更新完善这个系统，Lab VIEW1.0发布之后，已经发展成了一个标志性的图形化平台，科技人员可以用来设计虚拟仪器、并且可以利用这个平台发布自己的设计，使Lab VIEW一跃成为了测试测量和控制行业的标准平台。1992年Lab VIEW从最初的Macintosh平台移植到Windows平台，使其拥有更广泛的用户群体，1993年1月Lab VIEW正式发布Lab VIEW3.0。此时因其包含大量VI大型应用软件和系统，开始迅速占领市场，得到广大用户的认可，也是虚拟仪器技术的一大进步。

1964年4月，Lab VIEW4.0正式发布，实现了Lab VIEW Application Builder的单独执行，并且延伸到了相数据采集DAQ通道方向。之后发布了5、6、RT版等版本对Lab VIEW进行了优化2003年五月问世的Lab VIEW 7 Express使其范围进行了扩充，使其可以支持PDA与FPGA等一些硬件设备。

在2006年NI公司推出了Lab VIEW 8.2版本，这个版本增加了Math Script节点与仿真框图两个功能，使其在设计市场的地位得到了再一次提升，并且在这个版本中第一次推出了简体中文版，为中国人学习与使用Lab VIEW软件大大降低了难度，使其在中国市场中的地位也得到了提升。

在国外，虚拟仪器技术相对过来来言更为的成熟，因为其发展开发较早，技术更加成熟与丰富，而国内近年来在基础设施与科研投资上是比较大的，所以对仪器的需求也十分庞大，对虚拟仪器技术的发展是有利的，虚拟仪器技术在国内发展也是十分的快速，在很多大学有些专业为响应社会的需求，有专门开设虚拟仪器学习课程，为国家和社会的发展提供更多的符合需求的虚拟仪器。

未来展望。虚拟仪器所提出来的“软件就是仪器”概念，可以说是引发了仪器概念的一场巨变，并且随着网络技术的不断发展，虚拟仪器也逐渐向网络化的方向进行变革，科研人员又提出了“网络即是仪器”这一新的概念。通过虚拟仪器技术从而降低仪器的维护成本与支持，将会成为虚拟仪器的主要技术之一。随着PC端的小型化，虚拟仪器以其为依托，也将向着小型化与大众化的方向进行发展，出现更多的便于现代的各种仪器。因其软件设计完成后可以达到共享并且重复使用，随着时间的迁移，各种软件的设计更加多样化，更加的丰富，使得以后的仪器设计更为快捷与方便，可以从现有的已经设计的好的软件中进行提取组合，从而达到设计出新仪器的目的，可以使以后的仪器设计时间大大缩短，功能大大增强，使其使用客户群更为的广泛，有效的降低了生产成本与生产效率。可以构建虚拟仪器构件库，能够使普通的用户自行组装出满足自己要求的虚拟仪器系统。

虚拟仪器的运行速度与计算机系统有很大的关系，同时也与编写的图形程序运行顺序有关，我觉得虚拟仪器在今后的发展中可以在仪器运行速度上进行优化，在编程语言运行顺序上也可以进行优化，使其运行更加的快速。

软件除了扩充其函数库，在虚拟仪器上也可以进行扩充，在软件库中可以新增加一个虚拟仪器库，在虚拟仪器库中加入一些使用比较广泛的虚拟仪器，如电压表，示波器等等。之后再慢慢对这个虚拟仪器库进行扩建，在得到制作者同意后，不断的收集用户或者研究人员所制作的虚拟仪器，将各种仪器分类，使之形成一个庞大的拥有各种成型虚拟仪器的虚拟仪器库，便于今后的人学习与使用虚拟仪器。或者建立一个云库，用户可以在里面免费或者给仪器制作者付费下载虚拟仪器系统，这样可以极大的刺激大家对制作虚拟仪器的热情，这就更有利于虚拟仪器技术的发展。

1.1.5图形化编程语言Lab VIEW

这次设计使用的是美国NI公司的产品Lab VIEW软件。Lab VIEW是一种程序开发环境，与C等开发环境类似，但是Lab VIEW和别类型的计算机语言有着一个非常明显的区别：别的语言都是用的文本语言产生代码，就如我们平时使用C语言编写代码类似，而Lab VIEW使用的是一种利用图形来进行编程的语言，就是我们所说的G语言，利用G语言所编写出来的程序是程序框图，以框图的形式表现出来。这与我们平时所熟悉的编程语言或者说编程方式是十分不同的。不过这种语言也有他独特的优势，那就是学习较为简单，并且也更容易理解，对于刚接触这种语言的人来说不会那么难以理解。

1.1.6Lab VIEW的功能与作用

Lab VIEW结合了灵活的强大的G语言与简单易用的图形式的开发环境，提供的很直观的编程环境；有专门为集体开发、应用配置和大型应用开发设计的附加工具。它不仅仅是一种语言，还是一种用来测量和自动化的程序开发环境同时也是一种硬件设计工具，Lab VIEW适用于自动化应用程序和测量的能力以及同通用编程能力的互相增强和拓展，让它在两个方面都体现出了强大的功能。

Lab VIEW最初的设计目的是测试与测量，因此测试、测量这两点是现金Lab VIEW应用最为广泛的领域。控制与测试两个领域相关十分密切，Lab VIEW拥有一个专门用来控制各种仪器或者说面板的控制领域模块，使用Lab VIEW可以方便的编制各种控制程序。Lab VIEW包含了大量的数学运算函数，十分适合进行原型设计、仿真、和模拟等工作。Lab VIEW不仅可以用来搭建小型的自动化测试测量系统，还可以用来开发大型分布式数据采集与控制系统。Lab VIEW提供了大量常用于自动化测试、测量领域的图形控件，同时提供了大量的工具和函数用于数据采集、分析、显示与存储。这样就可以让工程师在短时间内完成一套完整的自动化测试测量系统，其中包含有测量系统的各种要素：数据收集、仪器连接数据分析、显示、存储。

1.1.7Lab VIEW的特点

(1)直观、易学易用。

与C 等编程语言不同，Lab VIEW使用框图来编写程序，而使用框图就让整个程序变得更为直观简单易懂，学习Lab VIEW所花费的时间也因此大大缩短，然后顺利的应用到实际当中，特别的适合生产线工艺技术人员、实验室技术人员和硬件工程师学习和使用。

(2)使用的是通用的一套编程系统。

Lab VIEW虽然使用的是图形化的编程语言，但是其编程特点与我们通用的那些编程语言是一样的。同时Lab VIEW拥有一个庞大的函数库，这就使得我们可以利用这个库去完成任何的编程任务。其中包含了对数据的收集、分析、显示、存储等等函数。同时也可以像传统的调试工具一样，可以在编程语句当中设置断点、也可以让每一部分的编程语句进行单步执行等功能，使得使用者在程序调试方面变得十分的方便。而其与别的编程语言相比有一个更合适的跟踪方式，就是它的动态跟踪方式，这个跟踪方式的特点就是可以连续、动态的观察程序中的数据与变化情况，可以实时有效的掌握整个程序的运行过程，这种独特的开发环境让使用者觉得更加的方便，更加的有效率。

(3)模块化。

这一点体现在两个方面。第一点，其使用的函数还有基本节点等都是一个个小模块，可以直接使用；第二点就是其编写的子模块，就是子VI可以提供给其他模块程序去使用。

1.1.8Lab VIEW的应用

Lab VIEW因其适用性广泛与其众多的优点，使其在航天、通信、航空、汽车、半导体和生物医学等众多的领域得到了广泛的应用。从大学的实验室到各地的工厂，从仪器的控制、数据收集、到工业自动化与测试，从探索研究到技术集成，Lab VIEW软件帮助各个领域的科学家与工程师解决工作和研究中出现的各种应用课题。

1.2本章小结

本章主要介绍了虚拟仪器的概念与其发展历史和虚拟仪器的发展展望。还介绍了本次示波器设计主要会用到的Lab VIEW软件。详细介绍了Lab VIEW软件的功能与特点还简单介绍了Lab VIEW软件在各个领域中的一些应用。描述了虚拟仪器与传统仪器相比较，除了能达到传统仪器的功能与特点外，还描述了虚拟仪器技术与传统仪器相比的优势。同时个人为虚拟仪器技术的发展提出了一些介意。

第2章 虚拟示波器的原理及研究目的

2.1数字示波器的原理

数字示波器是采用的数据收集、AD转换，软件编程等技术制作的示波器。其工作方式是采用模拟转换器（ADC）把测量的电压的模拟信号转换成为数字信息。是一个模数转换的过程，进行采样、量化和编码转换成数据后，便于提取与存储，而后通过DA转换可以重现之前的模拟信号。而这就是数据的读取过程，之前是数据的存储过程。图二是数字示波器的基本构成。采样频率足够的情况下，可以使信号不失真存储，观察使只要用合适的频率从存储器中按原来的顺序提取出来，经过DA转换和滤波后送到示波器就可以得到原来的波形。

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