基于LabVIEW的虚拟信号发生器和示波器设计

范海英，杨 嘉，张金凤，赵云飞，丁 娜

(军事交通学院 基础部，天津 300161)

虚拟仪器是基于计算机的仪器，它的实质是一个完整的计算机测试系统。首先，利用I/O接口设备可以完成被测信号的数据采集、整形、调理、A/D转换等;其次，它可以利用计算机本身强大的计算功能来完成信号的运算、分析、处理、存储等;最后，它利用计算机显示器的显示功能来模拟实际仪器的操作面板，可以以图形图表、指示灯、数值控件等多种形式来表达测量结果。因此，与传统仪器一样，虚拟仪器从功能上也可以划分为三大模块，即数据采集、数据处理、结果表达。虚拟仪器的最大特点是开发灵活，使用方便。用户可以根据自身的使用需要，选择开发或者放弃开发某种功能［1－2］。当前，由于计算机的日益普及，计算机与仪器的密切结合成为仪器发展的一个重要方向。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workench，LabVIEW)是目前广泛被工业控制领域、学术研究领域以及各基础教学实验室所接受的虚拟仪器教学开发平台，它是一个标准的数据采集和仪器控制软件［2］。LabVIEW与其他编程语言的显著区别是:其他计算机语言如C语言是利用文本产生代码，而LabVIEW开发的是编译型图形化编程G语言。G语言产生的是框图的形式，它采用简单的连线方法将各种功能图标的功能连接起来实现任务。LabVIEW拥有一个能完成任何编程任务的庞大函数库，有丰富的图形生成界面模板，能进行数据采集、分析、存储等功能，并提供多种硬件设备的驱动功能等。

在基础实验室中，用计算机控制实验过程或采集实验数据逐步得到普及。合理利用计算机不但可以提高实验效率、降低实验成本，还可以增加学生的实验兴趣［3－4］。本文立足于对部队学员基本操作技能的培养，以虚拟信号发生器和示波器的设计为例，借助虚拟仪器的开放、高效、灵活、易用的特点，开发设计了基于LabVIEW的虚拟信号发生器和示波器，对部队学员进行有针对性的基础训练，取得了较好的效果。

1 虚拟信号发生器和示波器界面布局

信号发生器和示波器是科学研究和工程设计中广泛应用的两种通用仪器［3］，在实验教学中也经常会用到。针对学员在大学物理实验中需要掌握的信号发生器和示波器的使用内容，文中利用虚拟仪器软件LabVIEW 8.6架构出虚拟信号发生器和示波器。虚拟的双路信号发生器通过信号处理VI》波形生成VI选板中的Basic Function Generator.VI(基本函数发生器)节点构成。此节点可产生正弦波、三角波、方波、锯齿波四种信号。此信号发生器双路信号均有开关独立控制，并具备一个电源总开关。频率微调旋钮可实现0.0～10.0频率范围调节，频率档位选择通过一个简单的条件结构来实现，由此可产生频率从0～100 kHz无失真波形。通过旋钮对频率、振幅及方波占空比进行连续调节，即可输出想要的信号波形。仪器前面板如图1所示。

图1 虚拟信号发生器前面板

根据大学物理实验所需真实示波器功能要求，本文设计的双通道虚拟示波器主要包含以下功能:(1)实现通道选择功能。通过条件结构来控制所选通道，即 CH1、CH2、CH1＆CH2、CH1+CH2。(2)实现触发方式可选择控制。内触发和外触发。(3)分别实现两路信号的垂直位置调节功能，即直流电平调节功能。(4)分别实现两路信号的水平位置调节功能，即相位调节功能。(5)分别实现两路信号波形幅度调节，其电压灵敏度从10 mV/DIV到5 V/DIV可选。(6)分别实现两路波形时基调节，其时间灵敏度从0.1μs到0.1s可选。(7)可根据信号源实时显示李萨如图形。(8)设置有电源开关控制及显示。依照这些设计目标和功能要求，利用各显示控件和波形图标构建示波器的前面板，通过对显示控件和波形图的属性进行设置，并利用相关函数模块编制程序框图，最终完成虚拟示波器的整体功能要求。设计过程中还对学员操作进行适当关联限制，如当通道选择CH1时，CH2通道的电压灵敏度旋钮禁用并显示为灰色，设计完成的虚拟示波器前面板如图2所示。图2中选择的是CH1+CH2通道，显示的是振幅相同，频率为3∶2关系的两路正弦信号产生的李萨如图形。

2 虚拟信号发生器和示波器的程序框图

虚拟信号发生器的信号生成程序框图如图3所示。在程序框图中，主要用到了条件结构，其中的子条件结构中含有多个分支，用于信号发生器频率档位的选择，根据需要还可以继续扩充。框图中的基本函数发生器用来产生波形，通过各个控件可对发生波形进行设定。虚拟示波器对波形的显示框图如图4所示，其中用到了While循环、条件结构、波形图、XY图、创建XY图等。框图中还通过对多控件的属性节点的灵活设置以达到设计要求。

图2 虚拟示波器前面板

图3 虚拟信号发生器的程序框图

图4 虚拟示波器的程序框图

实验过程中，为防止学员误操作而退出程序，设置了退出提醒对话框，程序框图如图5所示。

图5 退出提醒程序框图

3 发布应用程序

发布应用程序是必要的一步。因为在Lab-VIEW开发环境下编写出来的VI源文件只能在LabVIEW下被打开运行，我们必须把它生成为能在Windows等平台上运行的独立可执行文件才可应用于教学。LabVIEW为开发者提供了应用程序生成工具:LabVIEW application builder，该工具不仅能够生成独立可执行文件和安装包，还能够生成动态链接库(.dll)，发布源代码或zip文件等。

应用程序和安装程序生成工具位于项目管理器，右键单击项目管理器中的程序生成规范，选择新建》应用程序(EXE)或安装程序。注意在制作安装包之前必须先生成应用程序。本程序生成之后经过调试能够顺利运行，效果良好，可以确保系统能够满足大学物理实验预备实验的教学要求。

4 结束语

本文设计开发的虚拟信号发生器和示波器，可很好地实现真实仪器的基本功能，弥补基础实验室信号发生器和示波器资源的不足，代替真实仪器进行预备实验教学，延展了学员对基本仪器的使用和掌握，推动了传统实验教学改革。同时，还可以根据需要对本仿真实验继续改进，如增加电压表、频谱分析功能、结合数据采集卡采集外部输入波形等。

［1］李瑞，周冰，胡仁喜，等.LabVIEW2009中文版虚拟仪器从入门到精通［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［2］王秀芳，郝建勋.虚拟示波器的设计与实现［J］.仪器仪表学报，2005(增刊):253－254.

［3］巩龙龚，马强，丁伟，等.基于LabVIEW的虚拟信号发生器和示波器实验［J］.实验科学与技术，2011，9(6):7－9.

［4］贾小兵，杨茂田，殷洁，等．大学物理实验教程［M］．北京:人民邮电出版社，2007.