一類虛擬示波器及信號發生器的設計和實現

傳統示波器功能比較單一、測試準確度差，而目前的數字存儲示波器雖然測試準確度高，且具有較強的數字化處理能力，但是這種示波器價格昂貴，儀器功能模塊固定，不具備用戶對儀器進行定義和用戶編程的功能。虛擬示波器采用計算機的虛擬技術，模擬數字存儲示波器的操作和功能，它使用個人計算機及其信號采集接口電路來捕捉信號波形，并通過圖形用戶界面來模擬示波器的操作面板，對信號完成測量，并可用于工業過程自動控制中，對實時信號進行采集與分析。由于通過計算機串口[1]來實現，a/d和d/a硬件電路自我設計相對可靠性差、實現起來也比較繁瑣，所以，選用基于isa總線的數據采集卡，這樣可保證硬件電路的可靠性。在軟件設計時有采用labview的[2][3]，不過從軟件靈活性、可擴展性角度出發，還是選用通用的編程語言較好。作者使用borland公司的delphi開發工具，基于相關的數據采集卡，設計出虛擬示波器和信號發生器，該系統目前已經在實驗室中使用，效果良好，并得到有關專家的好評。下面就本軟件的開發過程和內容作一些說明。2 總體結構說明設計時總的思路是將需要觀測的物理信號經過相應的電壓調節電路送入數據采集卡（a/d），然后再送入軟示波器進行波形觀測和處理。軟信號發生器發出的信號經過數據采集卡（d/a）和相應的電壓調節電路可以送入物理設備作為信號源使用。總體結構框圖如圖1所示。在這里，數據采集卡可以自己設計，也可以使用現有的產品。為了方便以及保證系統的精確度，作者在開發過程中使用的是中國臺灣研華pcl711s（isa接口）數據采集卡，這款數據采集卡速度快，性能高，價格相對全家特別適用于實驗室使用。它提供8個模擬量輸入通道，電壓最大范圍為+5v～-5v，1個模擬量輸出通道，電壓最大范圍在0v～+10v。電壓調節電路的作用是對超過數據采集卡測量范圍的電壓信號進行一定的比例調節，同時也可以對軟信號發生器發出的信號進行一次的調節以適應實際物理設備的需要。3 軟件設計delphi是一個優秀的編程開發工具，用它開發程序方便、快捷、且代碼執行效率高。下面就軟件設計中的各部分程序作簡要的說明。3.1 數據采集卡的選擇和設置程序這部分程序包括采集卡型號的選擇（系統兼容研華pcl812pg等相關型號的數據采集卡），數據采集卡的輸入輸出設定、電壓范圍的設定。3.2 操作面板程序這部分程度包括控制面板和顯示面板。控制面板中含有信號發生器的面板、示波器的控制面板。顯示面板包括實時數據顯示窗口、實時波形顯示窗口，如圖2所示。信號發生器的控制面板中含有波形選擇（提供正弦波、方波、階躍波三種）、幅值勤周期設定窗口。示波器的控制面板中含波形顯示的速度調節（提供0.01秒/格～10秒/格）旋鈕、顯示幅度的設定窗口、實時波形的保存和打印以及開始、暫停、退出等控制按鈕。實時波形顯示窗口采用分頁式顯示8個通道的信號波形，每頁可同時顯示兩通道，橫軸為時間軸（分10小格）。 3.3 波形實時顯示程序這部分程序是將數據采集卡采集到的數據以一定的波形顯示出來，程序的精度達到每秒顯示1000個數據。程序將采集的電壓數值放入一數組中，同時把連續采集的電壓數值在所選定的通道上按照所設定的波形顯示速度在指定區域實時地顯示出來，并仿照物理示波器進行滾屏顯示。3.4 控制程序這部分程序對整個系統起到協調和控制作用，采集windows多任務機制讓cpu對各個任務進行循環偵測并響應各消息對列。這樣達到對數據的采集、波形的繪制、鼠標和鍵盤的響應、信號波形的發生，其它一些程序運行等許多任務的協調和管理