一类虚拟示波器及信号发生器的设计和实现

传统示波器功能比较单一、测试准确度差，而目前的数字存储示波器虽然测试准确度高，且具有较强的数字化处理能力，但是这种示波器价格昂贵，仪器功能模块固定，不具备用户对仪器进行定义和用户编程的功能。虚拟示波器采用计算机的虚拟技术，模拟数字存储示波器的操作和功能，它使用个人计算机及其信号采集接口电路来捕捉信号波形，并通过图形用户界面来模拟示波器的操作面板，对信号完成测量，并可用于工业过程自动控制中，对实时信号进行采集与分析。由于通过计算机串口[1]来实现，a/d和d/a硬件电路自我设计相对可靠性差、实现起来也比较繁琐，所以，选用基于isa总线的数据采集卡，这样可保证硬件电路的可靠性。在软件设计时有采用labview的[2][3]，不过从软件灵活性、可扩展性角度出发，还是选用通用的编程语言较好。作者使用borland公司的delphi开发工具，基于相关的数据采集卡，设计出虚拟示波器和信号发生器，该系统目前已经在实验室中使用，效果良好，并得到有关专家的好评。下面就本软件的开发过程和内容作一些说明。2 总体结构说明设计时总的思路是将需要观测的物理信号经过相应的电压调节电路送入数据采集卡（a/d），然后再送入软示波器进行波形观测和处理。软信号发生器发出的信号经过数据采集卡（d/a）和相应的电压调节电路可以送入物理设备作为信号源使用。总体结构框图如图1所示。在这里，数据采集卡可以自己设计，也可以使用现有的产品。为了方便以及保证系统的精确度，作者在开发过程中使用的是中国台湾研华pcl711s（isa接口）数据采集卡，这款数据采集卡速度快，性能高，价格相对全家特别适用于实验室使用。它提供8个模拟量输入通道，电压最大范围为+5v～-5v，1个模拟量输出通道，电压最大范围在0v～+10v。电压调节电路的作用是对超过数据采集卡测量范围的电压信号进行一定的比例调节，同时也可以对软信号发生器发出的信号进行一次的调节以适应实际物理设备的需要。3 软件设计delphi是一个优秀的编程开发工具，用它开发程序方便、快捷、且代码执行效率高。下面就软件设计中的各部分程序作简要的说明。3.1 数据采集卡的选择和设置程序这部分程序包括采集卡型号的选择（系统兼容研华pcl812pg等相关型号的数据采集卡），数据采集卡的输入输出设定、电压范围的设定。3.2 操作面板程序这部分程度包括控制面板和显示面板。控制面板中含有信号发生器的面板、示波器的控制面板。显示面板包括实时数据显示窗口、实时波形显示窗口，如图2所示。信号发生器的控制面板中含有波形选择（提供正弦波、方波、阶跃波三种）、幅值勤周期设定窗口。示波器的控制面板中含波形显示的速度调节（提供0.01秒/格～10秒/格）旋钮、显示幅度的设定窗口、实时波形的保存和打印以及开始、暂停、退出等控制按钮。实时波形显示窗口采用分页式显示8个通道的信号波形，每页可同时显示两通道，横轴为时间轴（分10小格）。 3.3 波形实时显示程序这部分程序是将数据采集卡采集到的数据以一定的波形显示出来，程序的精度达到每秒显示1000个数据。程序将采集的电压数值放入一数组中，同时把连续采集的电压数值在所选定的通道上按照所设定的波形显示速度在指定区域实时地显示出来，并仿照物理示波器进行滚屏显示。3.4 控制程序这部分程序对整个系统起到协调和控制作用，采集windows多任务机制让cpu对各个任务进行循环侦测并响应各消息对列。这样达到对数据的采集、波形的绘制、鼠标和键盘的响应、信号波形的发生，其它一些程序运行等许多任务的协调和管理