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摘要：

針對在大學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仿真模擬示波器(虛擬示波器)各功能的程序結構。通過此仿真實驗，學生可了解傳統模擬示波器的操作，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生必作的實驗內容。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嚴重。常出現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，大學物理仿真實驗應運而生[1]。仿真實驗具有成本低，不需購置儀器也不損壞儀器的優點。學生通過仿真實驗的練習，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，兩者的結合可使實驗教學取得更好的效果。此前已有一些基于LabVIEW的仿真模擬示波器的報告[2-6]。本文將側重于將虛擬示波器應用于模擬示波器的仿真實驗。仿照傳統模擬示波器的實驗儀器，本仿真實驗設計有信號發生器和虛擬示波器兩部分。虛擬示波器設計有時間坐標調節，電壓幅度調節，觸發調節，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，學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，學生先在信號發生器上設定待測信號，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。

1.1信號發生器

信號發生器可設定兩路獨立的待測信號。每路信號可設定信號的波形、幅值、頻率、采樣率和采樣點數。波形設定可選擇正弦、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的模擬信號，而是由計算機生成的由有限數據點組成的離散數字信號。采樣率設置1秒的數字信號由多少數據點組成，而采樣點數則設置信號發生器每次發出的信號包含多少數據點。信號發生器是用了Sub信號發生器模塊的五個參數設置功能來實現的。Sub信號發生器模塊還具有更多參數的設置選項。學生在實驗時還可以嘗試增加噪聲、占空比、相位等參數設置以進一步豐富待測信號的多樣性。

1.2時間和幅值顯示調節旋鈕

時間和幅值顯示調節旋鈕位于右下端。模仿模擬示波器的相應功能，這兩個旋鈕是用來調節示波器顯示窗口的時間和幅值坐標軸的示值范圍。該功能的實現主要是利用了LabVIEW波形圖的屬性節點功能。首先旋鈕連接到一個條件結構框圖，框圖內部預設一些想要的示值范圍。然后旋鈕控制的示值范圍發送給示波器波形圖的屬性節點，達到波形圖示值范圍的調節。

1.3觸發功能的實現

觸發功能是模擬示波器必備的功能，也是學生們在學習示波器工作原理時的一個難點。當示波器時間軸示值范圍不是待測信號周期的整數倍時，如果此時仍然連續采樣，則示波器顯示波形的起始點會位于信號周期的不同節點上，導致信號不能被穩定地顯示。“觸發”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點上，從而實現穩定的波形顯示。觸發有多種方式，本虛擬示波器采用了最基本的邊沿觸發方式，即根據信號的電壓值和信號點處于上升還是下降沿兩個參數來確定波形顯示的起始數據點。觸發功能的控制區域位于右上端，包括兩個獨立的信號調節部分，可對兩路待測信號進行相互獨立的觸發設置。其中，“斜率”滑動開關用來設置觸發數據點是處于上升沿(正)還是下降沿(負)；“水平”旋鈕用來設置觸發點的電壓選取信號峰峰值的多大比值，本設計中取10%到90%，間隔為10%。觸發功能的編程是整個虛擬示波器編程的關鍵。(A)顯示了“判定范圍并強制轉換”模塊，對此模塊的靈活運用既可實現尋找與設定觸發電平最接近的數據點，又可判斷該數據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)顯示觸發功能的程序結構。首先輸入的波形信號經過一個索引數組，每次取出該數組的第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)。觸發電平的設定值賦給兩個判定范圍模塊的X值。用一個FOR循環檢索全部元素。如果設定值在數組的第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為上升沿起始數據點檢索，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為下降沿起始數據點檢索，即為i下。在示波器顯示波形時，根據上升或下降沿觸發，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”區域所示，虛擬示波器也設置了信號通道選擇。它可以單獨顯示A通道，或B通道，或A和B通道同時顯示。當單獨顯示A通道或B通道時，滑動開關右側的“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連接到一個條件結構，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，條件結構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。這個功能的設計思路是，當測量直流信號時，觸發功能將被屏蔽；當測量交流信號時，則啟用觸發功能的相應程序。

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數據點，所以在搜索上升/下降沿觸發點的索引時，應取輸入信號的第1個周期內的數據點即可。索引A，索引B定義了A，B兩信號在一個周期包含多少數據點。為了避免程序的過度繁雜，這個功能需要學生根據信號發生器設置的頻率和采樣點數進行手動輸入。另外，雖然信號發生器上定義了采樣點數，但是在顯示波形時，不一定要顯示所有的采樣點數。“長度A/B”設定虛擬示波器上實際顯示的數據點數，即A，B兩個信號顯示相同數量的數據點。

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。設定的參數為：通道A為正弦信號，幅值1V，頻率10Hz，20%峰峰值下降沿觸發；通道B為三角波信號，幅值1V，頻率12Hz，20%峰峰值上升沿觸發。

2結論

相比于一些已發表的基于LabVIEW的虛擬示波器的設計，本文有兩個側重點：一是詳細介紹了實現虛擬示波器各功能的程序結構和編程思路；二是著眼于虛擬示波器在大學物理仿真實驗中的應用。因而，本虛擬示波器一方面可幫助學生練習和了解模擬示波器的使用，另一方面也可培養學生對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：太原理工大學物理與光電工程學院

參考文獻

[1]中國科學技術大學人工智能與計算機應用研究室.大學物理仿真實驗[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]高琴，陳樹君，王續明，張利敏.多功能虛擬示波器的設計與實現[J].通信技術,2010(4):217-219.

[3]任景英，蔡超峰，姜利英.基于LabVIEW的多功能虛擬示波器的設計與實現[J].鄭州輕工業學院學報(自然科學版),2012(2):91-94.

[4]沈輝，沙立民，張重龍.基于LabVIEW的多功能虛擬示波器設計[J].電子測量技術，2012(11):90-93.

[5]王桔，丁銳.基于LabVIEW的虛擬示波器的設計[J]．長春大學學報，2014(8):1030-1034.

[6]李建海，趙彥敏，張愛華，王吉祥．基于LabVIEW的多功能虛擬示波器設計[J]．微計算機信息，2010(12-1):139-140.