虚拟数字示波器的设计与实现

　　随着计算机技术的发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。虚拟仪器是90年代提出的新概念。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技术发展的一个重要方向。所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能，使用者操作这台计算机，就象是在使用一台专门设计的电子仪器。

　　传统台式仪器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，它有固定的输入/输出接口和仪器操作面板，每种仪器实现一类特定的测量功能，并以确定的方式提供给用户。从一般的仪器设计模型看，一种仪器无非是由数据采集、分析处理、人机交互和显示等几部分功能模块组成的整体。因此，我们可以设想在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件设计实现仪器的全部功能，这就是虚拟仪器设计的核心。与传统仪器相比，虚拟仪器除了在性能、易用性、用户可定制性等方面具有更多优点外，在工程应用和社会经济效益方面也具有突出优势。一方面，目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求高，生产突破有困难，采用虚拟仪器技术可以通过只采购必要的通用数据采集硬件来设计自己的仪器系统;另一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器设计，提供传统台式仪器不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计。因此，可以说虚拟仪器代表了未来测量仪器设计发展的方向。

　　虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司(NI公司)为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。数字示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。下面结合一个虚拟数字示波器的设计开发具体介绍虚拟仪器的基本组成和基于图形化编程语言 LabVIEW的虚拟仪器编程方法与实现技术。

　　1 虚拟示波器的结构与组成

　　本虚拟数字示波器主要由一块PCI总线的多功能数据采集卡和相应的软件组成。将它们安装在一台运行Windows95/98/NT的PC机上(建议配置在 PENTIUMⅡ/233以上)，即构成一个功能强大的可存储数字示波器。该数字示波器操作与显示主面板如图1所示。

　　1.1 数据采集卡

　　PCI总线传输速率高数据吞吐量大是今后数据采集板卡设计的主流。本设计采用的PCI-1200数据采集卡是一块性价比较好的产品，支持DMA方式和双缓冲区模式，保证了实时信号不间断采集与存储。它支持单极和双极性模拟信号输入，信号输入范围分别为-5～+5V和0～10V。提供16路单端/8路差动模拟输入通道、2路独立的DA输出通道、24线的TTL型数字I/O、3个16位的定时计数器等多种功能。这些功能使得我们不仅可以用该卡设计虚拟示波器，也可以设计虚拟函数发生器或虚拟计数器，做到一卡多用。当然，限于经费条件，我们选择的PCI-1200卡的采样速率只能达到100kS/s，对实际示波器而言，这远不能满足信号带宽的要求。目前市场上采样速率达200MS/s的PCI数据采集卡已有成熟产品，技术上实现高带宽的虚拟示波器不存在问题。实际测量时输入信号通过BNC接头从输入端子进入数据采集卡进行采集。