示波器是生产实践和科学研究中应用十分广泛的电子测量仪器。目前常用的模拟示波器，外型笨重，功能单一；数字示波器虽然有一定的功能扩展，但价格昂贵，维护升级成本高，短时间内难以普及应用。随着计算机技术、信息处理技术和电子技术的发展，近年来，出现了一种基于计算机和软件的新型仪器——虚拟仪器。虚拟仪器以计算机为核心，功能由用户定义和设计，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现。虚拟仪器的关键是用软件来实现硬件的功能，实现“软件即仪器”。本文应用虚拟仪器开发平台LabVIEW开发了一种多功能虚拟示波器，不仅扩展了示波器的分析和计算能力，而且降低了仪器的价格，增强了仪器的通用性，实现了波形显示、存储、打印和读取以及多个测量参数自动显示、相位差自动计算等功能。

1  系统硬件设计

图1  多功能虚拟示波器结构框图

虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。硬件平台完成被测信号调理与信号采集，即获取被测信号。目前较常用的虚拟仪器系统是数据采集系统（PC-DAQ系统）、GPIB仪器测试系统、VXI仪器测试系统。

1.1  仪器的结构框图

    多功能虚拟示波器的结构框图如图1所示。仪器由调理电路、数据采集、计算机等部分组成。调理电路将被测信号调理成-5~5V输入信号，送数据采集卡，转换成为相应的数字信号，再由计算机进行相关分析、计算、输出处理，显示、打印、保存观测结果。

1.2  数据采集卡

国家自然科学基金（60272051）资助项目，湖南省杰出中青年专家基金（01JZY2101）资助项目

多功能虚拟示波器采用美国国家仪器公司（NATIONAL INSTRUMENTS，简称NI）的数据采集卡PCI－6024E，它支持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。这种数据采集卡支持单极性和双极性模拟信号输入，采样速率可达200kb/s，信号输入范围分别为－5～＋5V和-10V～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、8位24线的TTL型数字I／O、2个24位20MHz的定时计数器，4个模拟输入范围等多种功能。该数据采集卡支持的操作系统有：Windows 2000/NT/XP/Me/9x、Linux等。使用的软件有LabVIEW、LabWindows/CVI等。这些功能使得用户不仅可以用该卡设计示波器，还可以使用该卡设计数字万用表、波形发生器、逻辑分析仪等，做到一卡多用，为系统的后续扩充保留余地。

1.3  多功能虚拟示波器功能设计

多功能虚拟示波器的设计参考了传统示波器的功能，并结合虚拟仪器的特点与计算机强大的信息处理能力，在功能上进行了扩展，实现了波形显示、存储、打印和时域、频域参数自动测量、显示、查询以及相位差的自动计算功能。

多功能虚拟示波器的主要技术指标：

采样速率：200kb／s

采样位数：12bits

波形显示模式：双通道X-Y mode

定位标尺：两个

数据存储：硬盘或软盘

2  仪器软件设计

2.1  虚拟仪器软件开发工具

虚拟示波器软件设计采用的NI公司的虚拟仪器开发工具LabVIEW。LabVIEW是根据G编程语言,为数据采集与控制、数据分析与显示而设计的一种图形编程开发环境。它用图标代码代替编程语言创建应用程序，用数据流编程方法描述程序的执行，用图标和连线代替文本的形式编写程序，为虚拟仪器设计者提供了便捷轻松的设计环境，设计者利用它可以像搭积木一样，轻松组建一个测试系统以及构造自己的仪器面板，而无需进行任何烦琐的程序代码编写。

使用LabVIEW开发平台编制的虚拟仪器程序VI包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标/连接器。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，生成模仿传统仪器的控制面板^[1]。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，类似传统程序的源代码。图标/连接器是子程序SubVI被其它VI调用的接口。LabVIEW采用的是自上向下的模块化编程方法，所生成的各个子程序有利于主程序的设计与实现^[2]。这种设计方法可大大减小虚拟仪器开发的难度，利于仪器开发人员之间的分工协作。

多功能虚拟示波器的主要技术指标：

采样速率：200kb／s

采样位数：12bits

波形显示模式：双通道X-Y mode

定位标尺：两个

数据存储：硬盘或软盘

2  多功能虚拟示波器的软件结构

多功能虚拟示波器主要由软件来完成信号的采集、处理和输出。系统软件包括前面板生成、数据采集、数据处理、波形显示、参数测量、相位差计算、打印、记录等模块。主程序结构框图如图2所示。

2.3  数据采集模块设计

NI公司提供了完善的数据采集卡设置软件Measurement & Automation，用于连接数据采集卡硬件和计算机软件^[3]。虚拟示波器采用了工具DAQ节点（Utility Vis）。在Data Acquisition子模板中选Analog Input中的Analog Input Utilities->AI Waveform Scan.vi节点^[4]，能够满足虚拟示波器对数据采集和显示结果控制方面的众多要求。该数据采集节点可以设置设备号、通道、扫描次数、采样点、扫描速率；在触发方面，它有强大的设置功能：5种触发方式、2个触发源可选；可输出所采集数据的扫描周期。数据采集模块框图程序如图3所示。

图3  数据采集模块框图程序

2.4  数据处理模块设计

本文设计的虚拟示波器数据处理模块具有数据读写、波形显示、波形打印、波形存储、时域参数测量、频域参数测量等功能。数据采集后，需进行数字滤波、参数计算、频谱分析等数据处理。根据LabVIEW软件的特点，在编写程序时每一项功能对应一个子程序（SubVI），通过各子程序的调用与连接来完成数据处理任务。时域参数测量子程序的框图程序如图4所示。

图4  时域参数测量模块框图程序

2.5  前面板设计

多功能虚拟示波器的前面板设计模仿传统示波器形式，利用软件生成了显示窗、调节旋钮、开关键等部件，但仪器的操作、调节均由鼠标操作完成。仪器的前面板如图5所示。

图5  多功能虚拟示波器前面板图

3  结束语

本文设计的多功能虚拟示波器实现了参数的自动测量、分析、处理功能，节省了测量时间，提高了参数测量的精度，实现了波形、数据的存储和显示，具有相位差的自动计算与显示功能。多功能虚拟示波器的波形打印、暂停等功能也为仪器的使用带来了方便。实际应用表明，该虚拟示波器具有集成度高、功能强、操作简单、使用方便等优点。在实现传统示波器功能的基础上增加软件设计，还实现了频谱分析、万用表、频率计等功能，实现仪器的一机多用。

本文作者创新点在于以虚拟仪器开发平台LabVIEW为基础，设计、开发了具有波形检测、分析、存储、打印功能的集示波器、频谱分析仪、万用表、频率计为一体的多功能测量仪器，可望使测量人员从众多操作复杂的仪器中解脱出来，实现“测量室拎着走”。