虚拟示波器的设计

虚拟示波器的设计

一、设计目的

设计示波器系统，该系统具有以下功能：

1.测量交流电压和电流的瞬时值、显示波形并实现动态刷新； 2测量交流电压和电流的频率和有效值； 3.对电压电流信号进行频谱分析。 二、总体思路

查阅了众多资料和结合书本知识后，了解到虚拟示波器是现代示波器发展的主流方向，考虑到现在软件的开放性和编程语言的丰富多样化，已经硬件设备的成本较高，硬件集成配置较麻烦，故采用了以虚拟示波器为主的示波器系统设计。该虚拟示波器软件部分直接在pc机windows系统上运行，基于软件实现设计目的；而数据的采集则由硬件——高速数据采集卡完成，数据采集卡将采集到的信号传入pc机的虚拟示波器分析后直接在虚拟示波器的图形界面给出相应的参数和波形。

被测量信号数据采集卡pc端软件分析模块图形显示界面

该系统主要部分为pc端软件分析模块，这个模块实现的功能为：数字滤波、频谱分析、参数计算、波形显示。是整个系统的核心部分。

虚拟示波器主要有硬件和软件两部分构成。硬件部分主要是普通PC机和数据采集卡，在这里选择的是北京阿尔泰科技有限公司的USB2852数据采集卡；软件部分则包括了前面板，采集卡驱动程序及相关的应用软件（主要有频谱分析，数字滤波，数据存储和读取，波形显示） 三、系统的软硬件选择

软件部分研究了可视化编程语言c/c++和图形化编程环境LabVIEW加文本变成环境LabWindows。考虑到对软件编程了解较少，软件功能需要面向仪器，故选择了LabView。LabVIEW的优势在于程序是框图的形式，用框图代替了传统的程序代码。因而可在很短的时间内被掌握并应用，而且labview具有成熟的波形分析处理模块，可以直接使用。

硬件部分pc机市面上大部分电脑均可。数据采集卡考虑到数据传递的实时性以及数据接口的方便性，在查阅了大量资料后选择北京阿尔泰科技有限公司的USB2852数据采集卡。USB2852 卡是一种基于 USB 总线的数据采集卡，可直接和计算机的 USB 接口相连，使用便捷、性能稳定、 四、系统硬件设计

硬件包括pc机和数据采集硬件，pc机就不在此介绍，主要介绍数据采集硬件。数据采集硬件使用的是北京阿尔泰科技有限公司的USB2852数据采集卡，该数据采集卡除满足这是设计的要求外，还具有经济实惠，方便易用的特点。

该数据采集卡可直接通过usb接口和电脑连接，无需额外的辅助接口，数据传输快。通过usb连接电脑后，可自动装载驱动程序，方便我们配置数据采集卡。，在驱动程序还需设置如下

◆ 采样速率(Frequency)：31Hz～250KHz

◆ 物理通道数：32 通道(单端 SE)，16 通道(双端 DI) ◆ 采样通道数：设置首末通道实现 ◆ 模拟量输入方式：单端模拟输入

◆ 采集方式(ADMode)：连续（异步）采集

◆ 触发模式(TriggerMode)：软件触发(内触发) ◆ 模拟输入阻抗：10MΩ

图一、USB2852数据采集卡

由于USB2852的输入量程默认为±10v，而本示波器是用于市电测量，故需要将测量的信号降压处理。这里的降压电路选择采用小型变压器降压。小型变压器具有体积小，原副线圈不共地，降压比精确，设置方便等优势。市电为220v，而输入量程为10v，故需要一个变比大于62的变压器。

在这里使用的是东莞汉尔电子科技有限公司的10V220V400w小型电源变压器。

图二、10V220V400w小型电源变压器

电压测量采用静电电压表直接测量获得；

电流测量用在被测电路中直接串入电阻的方法获得。

取样电压采取变压器输出的电压提供，串入的电阻有以下要求：R的数值要选择合理，一般使电阻上的电压在40-100mv；选择热稳定性好的电阻；交流下采用无感电阻。

选择100Ω和1Ω串联，可以在1Ω上得到小于100mv的电压，然后测量1Ω上的电压值，即可计算得到电流值。

五、系统的软件设计

该软件部分基于LabVIEW设计，需要实现的功能有：数字滤波、频谱分析、参数计算、波形显示。 数字滤波 数据储存 频率分析 数据处理 数据采集 软件系统 参数计算 其他 波形显示 1、主面板设计： Labview主面板用于设置输入数值和观察输出值，用于模拟真实示波器的前面板。

设计的系统包括了27个控件，其中输入控件12个，显示控件15个。通过信号类型选择器可以从信号发生器中选择不同类型的波形，如正弦波形，方波波形，三角波波形，锯齿波形等。

保存是将当前波形及其分析储存起来，以待后来查看；数据回放是输入已经存储的波形信号；频谱分析是对输入的波形进行分析，并给出参数显示，包括有波形的频率，峰峰值，占空比等。

2、滤波功能设计 滤波器是指允许某一特定频带内的游泳信号通过而滤除无用信号的系统

考虑到这次试验的设计要求，有以下几个方面

（1）测量信号是50Hz市电下，有用信号频率较低，故采用低通滤波器 （2）阿尔泰公司的USB2852数据采集卡采集到的是模拟信号，故需要模拟滤波器来滤除无用信号

考虑到以前两点，我们较为熟悉的切比雪夫I型低通滤波器和巴特沃斯低通滤波器均可满足以上要求。但由于巴特沃斯低通滤波器在通带范围内的幅度是单调下降的，为了在通带范围内和阻带截止频率上的衰减满足指标要求,往往需要使用较高阶次的滤波器，这样给设计和实现带来很多不便。

综合以上分析，所以选择切比雪夫I型低通滤波器。

切比雪夫I型低通滤波器可以满足在较低阶次实现滤波指标要求，便于设计和实现。该示波器在课本上也有较为详细的介绍，可以作为参见。 以下是切比雪夫I型低通滤波器的确定方法

预先给定通带边界频率?c。?是与通带波动有关的一个参数，通带波动?表示成

??10lgHa?j??max2Ha?j??min2?20lgHa?j??maxHa?j??min

式中，Ha?j??max?1，表示通带幅度响应的最大值，而

Ha?j??min?11??2

故 ??10lg?1??2?

?因而 ??1010?1

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