基本信息
- 项目名称：
- 基于虚拟仪器的数字示波器设计及实现
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本课题以美国国家仪器公司开发的LabVIEW8.2为软件开发平台开发一种多功能虚拟数字示波器。它是由由仪器硬件采集外部信号，通过软件编程来实现仪器的显示及测量等功能。与传统的示波器相比，在功能使用上有了很大的提高，除了具有传统模拟示波器对波形的采集、显示等功能外，还可以实现对信号的滤波、频谱分析、参数测量、数据的存储和回放等功能，具有功能易扩展、开发周期短等特点。
- 详细介绍：
- 随着计算机技术的发展，仪器工业正在经历一场巨变。计算机强大的处理和显示能力，使它可以在数据采集、分析和表达中的任意一个方面提升仪器的性能。以虚拟仪器为代表的新型仪器改变了传统仪器的思想，它们充分利用了计算机强大的软硬件资源，把计算机技术和测量技术紧密结合起来，是融合了电子测量、信号处理、计算机和网络技术的新型测量仪器，由于成本低、使用方便等优点得到了广泛的应用。 本课题以数据采集卡和通用计算机为硬件开发平台，以美国国家仪器公司开发的LabVIEW8.2为软件开发平台开发一种多功能虚拟数字示波器。它是由由仪器硬件采集外部信号，通过软件编程来实现仪器的显示及测量等功能。与传统的示波器相比，在功能使用上有了很大的提高，除了具有传统模拟示波器对波形的采集、显示等功能外，还可以实现对信号的滤波、频谱分析、参数测量、数据的存储和回放等功能，具有功能易扩展、开发周期短等特点。 示波器是电子测量行业最常用的测量仪器之一，主要用来测量并显示被测信号的参数和波形，在科学研究、科学实验以及现场监测等许多领域被广泛应用。随着科学研究的不断深入和各种高新技术的不断发展，传统示波器的诸如波形不稳定、测读不准确等许多缺陷逐渐显露出来，而且体积大，耗电多，越来越不能满足现代应用的需要。“虚拟仪器”这一新概念测量仪器的诞生，使示波器在功能和作用等多方面发生了变化。虚拟示波器不仅可以实现传统示波器的功能，并且具有存储、再现、分析、处理波形等传统示波器所没有的特点，而且体积小，耗电少。虚拟示波器使用功能强大的微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不同的方式（如数据、图形、图表等）表示测量结果，完成各种规模的测量任务。例如用在虚拟示波器上的软件功能有：测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积和相关函数处理、峰值和阈值检测、数值运算、时域和频域分析等。 虚拟示波器的功能可以由用户自己定义，但其所能达到的性能指标和系统能力不仅与采集模块的数字化能力有关，而且与其体系结构有关。目前，虚拟仪器的五种体系结构中，在虚拟示波器中应用最多的是PC-DAQ体系。DAQ（Data Acquisition），即数据采集仪器，它的出现和发展与微型计算机密切相关。DAQ仪器以微型计算机为平台，配以用于测量和测试的数据采集卡及计算机软件（虚拟示波器应用软件），实现示波器的功能。 基于计算机的数据采集系统由传感器、信号调理、数据采集（DAQ）硬件、个人计算机、软件等基本要素构成。 本设计首先将示波器从功能上划分为数据采集控制和数据处理这两个大模块，然后再将它们细化为一系列小的功能模块，最后将各模块采用自上而下的方法进行程序设计。数据采集控制可以细化为通道控制模块、触发模块和采集模块。数据处理模块细化为数据滤波模块、参数计算模块、频谱分析模块、数据存储模块、数据回放模块和主控模块（软面板模块）。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 利用声卡DSP技术和LabVIEW多线程技术，提出了一种基于声卡的数据采集与分析的廉价方案，具有实现简单、界面友好、性能稳定可靠等诸多优点。在LabVIEW环境中实现了音频信号的采集分析及数据存盘重载。PC上配置多块声卡即可构成实时、高信噪比的多通道数据采集系统。可以推广到语音识别、环境噪声监测和实验室测量等多种领域，应用前景广阔。 性能指标：三通道同时进行数据采集，将采集到的数据实时地进行显示，并将数据存入计算机软硬盘中，可随时回放。 （1）可对每个通道进行数字滤波和频谱分析。 （2）可通过软件控制采样率，触发源，触发电平，时基，放大器增益，输入阻抗等。 （3）能测试模拟信号的最高频率为50KHZ。 （4）示波器的分辨率是12位，电压灵敏度为0.2mv。 （5）存储深度为1KB。 （6）示波器的带宽为250KHZ。
科学性、先进性
- 目前市售的数据采集卡都包含了完整的数据采集电路和与计算机的接口电路，但其价格与性能基本成正比，一般比较昂贵。随着DSP(数字信号处理)技术走向成熟，PC声卡本身就成为一个优秀的数据采集系统，它同时具有A/D和D/A转换功能，不仅价格低廉，而且兼容性好、性能稳定、灵活通用，软件特别是驱动程序升级方便。ISA总线向PCI总线的过渡，解决了以往声卡与系统交换数据的瓶颈问题，同时也充分发挥了DSP芯片的性能。而且声卡用DMA(直接内存读取)方式传送数据，极大地降低了CPU占用率。一般声卡16位的A/D转换精度，比通常12位A/D卡的精度高，对于许多工程测量和科学实验来说都是足够高的，其价格却比后者便宜得多。 如果利用声卡作为数据采集设备，可以组成一个低成本高性能的数据采集与分析系统。当然，它只适合采集音频域的信号，即输入信号频率必须处于20~20000Hz的音频范围内。
获奖情况及鉴定结果
- 作品于2010年10月在兰州工业高等专科学校由校团委组织进行展示、评审、鉴定。
作品所处阶段
- 产品
技术转让方式
- 独家转让
作品可展示的形式
- 实物、产品，现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 采用PC技术、DSP技术和LabVIEW多线程技术，实现了对音频信号实时、高保真的采集与处理。实践证明，整个系统性价比高，通用性强，界面友好，数据存储方便，性能稳定可靠，其个别性能指标甚至优于市售数据采集板卡，而价格却不到后者的十分之一。在PC上配置多块声卡并行工作，完全可以构成一个多通道数据采集系统，满足特定应用范围内数据采集的需要。如果采用笔记本电脑则无需添加任何硬件就可以构成便携式测量系统。 在声卡性能越来越好，成本越来越低，普及率越来越高的情况下，这种方法值得在工程测量应用及相关实验室中进一步推广和扩充。例如，对环境噪声进行实时监测，采集语音信号并进行分析和处理来实现语音识别，还可以实现示波器、信号发生器及万用表等设备在音频信号范围内的基本功能，其应用前景较为广阔。
同类课题研究水平概述
- 目前市售的数据采集卡都包含了完整的数据采集电路和与计算机的接口电路，但其价格与性能基本成正比，一般比较昂贵。随着DSP(数字信号处理)技术走向成熟，PC声卡本身就成为一个优秀的数据采集系统，它同时具有A/D和D/A转换功能，不仅价格低廉，而且兼容性好、性能稳定、灵活通用，软件特别是驱动程序升级方便。ISA总线向PCI总线的过渡，解决了以往声卡与系统交换数据的瓶颈问题，同时也充分发挥了DSP芯片的性能。而且声卡用DMA(直接内存读取)方式传送数据，极大地降低了CPU占用率。一般声卡16位的A/D转换精度，比通常12位A/D卡的精度高，对于许多工程测量和科学实验来说都是足够高的，其价格却比后者便宜得多。 如果利用声卡作为数据采集设备，可以组成一个低成本高性能的数据采集与分析系统。当然，它只适合采集音频域的信号，即输入信号频率必须处于20~20000Hz的音频范围内。如果需要处理直流或缓变信号，则需要其他技术的配合。
