虛擬示波器

虛擬儀器技術（VI）就是利用高性能的模塊化硬體，結合高效靈活的軟體來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟體能幫助您創建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬體能方便地提供全方位的系統集成，標準的軟硬體平台能滿足對同步和定時應用的需求。這也正是NI近30年來始終引領測試測量行業發展趨勢的原因所在。只有同時擁有高效的軟體、模塊化I/O硬體和用於集成的軟硬體平台這三大組成部分，才能充分發揮虛擬儀器技術性能高、擴展性強、開發時間少，以及出色的集成這四大優勢。

軟體是虛擬儀器技術中最重要的部份。

使用正確的軟體工具並通過調用特定的程序模塊，工程師和科學家們可以高效地創建自己的應用以及友好的人機交互界面。NI公司提供的行業標準的圖形化編程軟體——NI LabⅥEW，不僅能輕鬆方便地完成與各種軟硬體的連接，更能提供強大的數據處 理能力，並將分析結果有效地顯示給用戶。此外，NI還提供了許多其它互動式的測量工具和系統管理軟體工具，例如連接設計與測試的互動式軟體SignalExpress、基於ANSI-C語言的LabWindows/CⅥ、支持微軟Visual Studio的Measurement Studio等等，這些軟體均可滿足客戶對高性能應用的需求。

擁有了功能強大的軟體，您就可以在儀器中創建智能性和決策功能，從而發揮虛擬儀器技術在測試應用中的強大優勢。

面對如今日益複雜的測試測量應用，NI提供了全方位的軟硬體解決方案。無論您是使用PCI,PⅪ,PCMCIA,USB或者是IEEE 1394匯流排，NI都能提供相應的模塊化硬體產品，產品種類從數據採集及信號調理、模塊化儀器、機器視覺、運動控制、儀器控制、分散式I/O到CAN介面等工業通訊，應有盡有。NI高性能的硬體產品結合靈活的開發軟體，可以為負責測試和設計工作的工程師們創建完全自定義的測量系統，滿足各種靈活獨特的應用需求。

目前，NI已經達到了每2個工作日推出一款硬體產品的速度，大大拓寬了用戶的選擇面：例如NI數據採集系列產品為工程師們提供了從分散式、便攜性到工業級的全方位測量測試應用的解決方案。

NI首先提出的專為測試任務設計的PⅪ硬體平台，已經成為當今測試、測量和自動化應用的標準平台，它的開放式構架、靈活性和PC技術的成本優勢為測量和自動化行業帶來了一場翻天覆地的改革。由NI發起的PⅪ系統聯盟現已吸引了70家廠商，聯盟屬下的產品數量也已超過一千種。

PⅪ作為一種專為工業數據採集與自動化應用度身定製的模塊化儀器平台，內建有高端的定時和觸發匯流排，再配以各類模塊化的I/O硬體和相應的測試測量開發軟體，您就可以建立完全自定義的測試測量解決方案。無論是面對簡單的數據採集應用，還是高端的混合信號同步採集，藉助PⅪ高性能的硬體平台，您都能應付自如。這就是虛擬儀器技術帶給您的無可比擬的優勢。

虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發展起來的，所以完全“繼承”了以現成即用的PC技術為主導的最新商業技術的優點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數據高速導入磁碟的同時就能實時地進行複雜的分析。此外，當前正蓬勃發展的一些新興技術（如多核、PCI Express等）也成為推動虛擬儀器技術發展的新動力，使其展現出更強大的優勢。

NI的軟硬體工具使得工程師和科學家們不再圈囿於固有的、封閉的技術之中。得益於NI軟體的靈活性，只需更新您的計算機或測量硬體，就能以最少的硬體投資和極少、甚至無需軟體上的升級即可改進您的整個現有系統。在利用最新科技的時候，您可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。

在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟體構架能與計算機、儀器儀錶和通訊方面的最新技術結合在一起。NI設計這一軟體構架的初衷就是為了方便用戶操作的同時，還提供了高靈活性和強大的功能，使您輕鬆地配置、創建、發布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。

虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬體概念。隨著產品在功能上不斷地趨於複雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。NI的虛擬儀器軟體平台為所有的I/O設備提供了標準的介面，幫助用戶輕鬆地將多個測量設備集成到一個系統之中，減少了任務的複雜性。

面對目前市場上的所有測量軟硬體工具，工程師們要花很多時間去學習如何使用它們，所以花時間選擇合適的工具這一點至關重要。NI為您提供了種類齊全的測試測量硬體產品，從數據採集、信號條理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控制、分散式I/O到CAN介面等工業通訊應有盡有。

無論是現在還是將來，根據行業標準創建的測量和自動化系統都能使您節省開發和維護的成本。NI深知這一點對用戶來說至關重要，我們也在積極地參與和推動開放式的行業標準的開發。

NI在致力於提供最先進的技術的同時保證了系統對之前版本的兼容性，所以工程師和科學家們 可以在相當長的一段時間內一直使用同一個解決方案。為了獲得這種長期的解決方案，NI提供了一個軟體構架，它包括標準的應用程序介面（簡稱 API）以便在計算機、網路和操作系統不斷改進的同時確保兼容性和可擴展性。

虛擬儀器由用戶定義，而傳統儀器則功能固定且由廠商定義。

傳統儀器和基於軟體的虛擬儀器具有許多相同的結構組件，但是在體系結構原理上完全不同

每一個虛擬儀器系統都由兩部分組成——軟體和硬體。對於當前的測量任務，虛擬儀器系統的價格與具有相似功能的傳統儀器相差無幾，甚至比它少很多倍。而且，由於虛擬儀器在測量任務需要改變時具有更大的靈活性，因而隨著時間的流逝，節省的成本也不斷累計。

不使用廠商定義的、預封裝好的軟體和硬體，工程師和科學家獲得了最大的用戶定義的靈活性。傳統儀器把所有軟體和測量電路封裝在一起利用儀器前面板為用戶提供一組有限的功能。而虛擬儀器系統提供的則是完成測量或控制任務所需的所有軟體和硬體設備，功能完全由用戶自定義。此外，利用虛擬儀器計數，工程師和科學家們還可以使用高效且功能強大的軟體來自定義採集、分析、存儲、共享和顯示功能。

這裡有一些體現虛擬儀器靈活性的例子：

⒈一個應用，不同的設備

在這個例子中，一位工程師正在實驗室的台式計算機PCI匯流排上使用NI LabⅥEW和M系列DAQ設備開發一個應用程序，以創建一個直流（DC）電壓和溫度測量應用。在完成了系統構建之後，他需要在一個生產層PⅪ系統上配置應用程序以完成新產品的測試。或者，他可能需要應用程序具有便攜性，所以他選擇了NI USB DAQ產品來完成任務。在這個例子中，無論是何種選擇，在這三種情況下，他都可以僅在同一個程序中使用虛擬儀器而無需改變代碼。

⒉許多應用程序，一個設備

假設有另外一個工程師，剛剛完成了一個利用最新的M系列DAQ設備和積分編碼器測量電機位置的項目。他的下一個項目是監視和記錄這個電機的功率。即使任務完全不同他也可以重用同樣的M系列DAQ 設備。他所需要做的就是使用虛擬儀器軟體開發出新的應用程序。此外，如果需要的話，項目既可以與一個單一的應用程序結合也可以運行在一個單一的M系列DAQ設備。

NI致力於使用諸如Microsoft、Intel、Analog Devices、Xilinx以及其他公司的商業可用技術：NI使用Microsoft在操作系統(OS)和開發工具方面的諸多技術；在硬體方面，NI則基於Analog Devices在A/D轉換器方面的研究成果。

基本上，虛擬儀器系統是基於軟體的，所以如果只要是可以數字化的東西，就可以對它進行測量。因此，測量硬體可在通過兩根坐標軸進行評估，即解析度（位）和頻率。參考下圖可以看出虛擬儀器硬體測量性能與傳統儀器的比較。NI的目標就是將曲線在頻率和解析度上延伸並且在曲線內進行不斷推陳出新。

許多工程師和科學家都在實驗室里將虛擬儀器和傳統儀器結合使用。除此之外，一些傳統儀器提供了特定的測量，工程師和科學家寧願廠商定義也不願自己定義。這就引出了一個問題，“虛擬儀器和傳統儀器能夠兼容嗎？”

虛擬儀器可與傳統儀器完全兼容，無一例外。虛擬儀器軟體通常提供了與常用普通儀器匯流排 (如GPIB、串列匯流排和乙太網) 相連接的函數庫。

除了提供庫之外，200多家儀器廠商也為NI儀器驅動庫提供了4000餘種儀器驅動。儀器驅動提供了一套高層且可讀的函數以及儀器介面。每一個儀器驅動都專為儀器某一特定的模型而設計，從而為它獨特的性能提供介面。

自動測試工業中一個基本的趨勢就是往基於軟體的測試系統的重大轉變。例如，美國國防部（DoD）是世界上最大的自動測試設備（ATE）客戶之一。為了減少測試系統的成本並提高重用率，DoD通過海軍的NxTest計劃已經確定：將來的ATE要使用建立在模塊化硬體和可重複配置的軟體基礎上的體系結構，稱為綜合性儀器。採用綜合性儀器代表了將來軍用ATE系統標準和規範的重大發展，並且反映出可重複配置的軟體處於將來系統的核心地位這一基本轉變。基於軟體測試系統的成功應用，例如綜合性儀器，需要對硬體平台和市場上軟體工具的理解，以及對系統級體系結構和儀器級體系結構之間區別的理解。

綜合性儀器執行團體將綜合性儀器定義為“一個可重複配置的系統，它通過標準化的介面連接一系列基本硬體和軟體組件，從而發生信號或者使用數值處理技術進行測量”。這與虛擬儀器的許多性質相同，虛擬儀器是“一個軟體定義的系統，其中基於用戶需要的軟體定義了通用測量硬體的功能”。兩種定義享有共同的性質，即運行於商用硬體之上的可自定義功能的儀器。通過將測量功能轉向用戶可接觸並可重複配置的硬體，那些採用這種體系結構的儀器從具有更大靈活性和可重複配置功能的系統中受益，而且這些系統反過來又提高了性能同時減少了成本。

測試一直是虛擬儀器技術成熟應用的領域。超過25,000家公司 (大部分是測試和測量公司) 在使用NI的虛擬儀器技術。現在，許多公司都迅速地採用了具有高達200MS/s數字化性能的產品。PⅪ系統聯盟擁有60多個成員，提供了數以百計的產品，而且數以萬計的R&D、驗證和產品測試工程師和科學家正在使用成千上萬的儀器驅動。

而且，現在客戶對於測試的需求越來越大。隨著創新的步伐越來越快，希望更多具有競爭力的新產品更快投入市場的壓力也越來越大。消費者的期望在不斷地增高。以電子市場為例，消費者要求不同的功能可以更低的成本在一個更小的空間得到集成。近年來經濟的低迷並沒有阻止革新的需要，但是卻要求使用更少資源。滿足這些需要是商業成功的一個因素——能夠快速、一貫並且最可靠地滿足這些需要的公司一定能在競爭中佔有決定性的優勢。

所有這些條件都驅使著對新的驗證、檢驗和生產測試技術的高要求。一個能與創新保持同步的測試平台不是可有可無的，而是必需的。這個平台必須包含具有足夠適應能力的快速測試開發工具以在整個產品開發流程中使用。產品快速上市和高效生產產品的需要要求有高吞吐量的測試技術。為了測試消費者所要求的復 雜多功能產品需要精確的同步測量能力，而且隨著公司不斷地創新以提供有競爭力的產品，測試系統必須能夠進行快速調整以滿足新的測試需求。

虛擬儀器是應對這些挑戰的一種革新性的解決方案。它將快速軟體開發和模塊化、靈活的硬體結合在一起從而創建用戶定義的測試系統。虛擬儀器提供了：

用於快速測試開發的直觀的軟體工具

基於創新商用技術的快速、精確的模塊化I/O

具有集成同步功能的基於PC的平台，以實現高精確度和高吞吐量

近來NI加速測試、控制和設計創新的一個例子就是使用LabⅥEW FPGA進行編程的基於FPGA的硬體。如果工程師需要一個新的硬體性能，如板載DSP，或者新的觸發模式，您甚至可以在同樣的軟體中定義這種性能並且將它應用在板載的FPGA上。之前，工程師和科學家已經可以通過使用LabⅥEW和模塊化I/O來創建高度集成的用戶自定義系統，而現在他們還可以將可自定義配置功能擴展至硬體本身。這種用戶可配置功能和透明度將會改進工程師構建測試系統的方式。

PC和PLC在控制和工業應用中都發揮著十分重要的作用。PC帶來了更大的軟體靈活性和更多的性能，而PLC則提供了優良的穩定性和可靠性。但是隨著控制需求越來越複雜，提高性能並同時保持穩定性和可靠性就成為公認的需要。

獨立的工業專家們已經意識到了對工具的需要，這種工具應該能夠滿足不斷增長的對更加複雜、動態、自適應和基於演演算法控制的需要。PAC正是工業的需求也是虛擬儀器技術的回答。

一個獨立的研究公司定義了可編程自動控制器(PAC)來解決這個問題。ARC研究機構的Craig Resnick將PAC定義成：

多域功能（邏輯、運動、驅動和過程）——這個概念支持多種I/O類型。邏輯、運動和其他功能的集成是不斷增長的複雜控制方法的要求

單一的多學科開發平台——單一的開發環境必須能支持各種I/O和控制方案

用於設計貫穿多個機器或處理單元的應用程序的軟體工具——這個軟體工具必須能適應分散式操作

一組de facto網路和語言標準——這個技術必須利用高投入技術

開放式、模塊化體系結構——設計和技術標準與規範必須是在實現中開放的、模塊化的和可集成的

PAC給PC軟體的靈活性增添了PLC的穩定性和可靠性。LabⅥEW軟體和穩定、實時的控制硬體平台對於創建PAC是十分完美的。

使用各種模擬設計工具的設計工程師們必須使用硬體來測試設計原型。通常，在設計階段和測試/驗證階段之間沒有一個良好的介面，這就意味著設計必須經歷一個完成階段而後進入測試/驗證階段。測試階段發現的問題需要不斷反覆設計階段。

事實上，開發過程有兩個完全不同且分離的階段——設計和測試是兩個單獨的實體。在設計方面，EDA工具廠商承受著巨大的壓力與不斷增長的半導體設計和生產集團複雜要求相互作用。工程師和科學家們要求隨著產品從原理圖設計到模擬再到物理層，EDA應具有從一個工具到其他的工具可重複使用設計的能力。相似地，測試系統開發正朝模塊化方式發展。這兩個世界之間的間隙在傳統上一直被忽視，直到在新的產品原型設計階段才第一次引起注意。傳統上，這一階段是產品設計者使用台式儀器將物理原型與他們的設計對照，進行完整性檢查以獲得正確性。設計者手工地進行測量，在他們的儀器上探測電路並監測信號以發現問題或性能局限。隨著設計反覆地經歷建立－測量－調整－重建立這個過程，設計者再次需要同樣的測量。此外，這些測量可能十分複雜——需要頻率、幅值和溫度自始至終地隨所採集和分析的數據而變動。由於工程師注重於設計工具，所以他們不願意學習如何將他們的測試自動化。

具有內在集成屬性的系統容易擴展並且能適應不斷增長的產品功能。一旦需要新的測試，工程師只需要簡單地給平台添加新的模塊以完成測量。虛擬儀器軟體的靈活性和虛擬儀器硬體的模塊化使得虛擬儀器成為加速開發周期的必需。

虛擬示波器因具有波形觸發、存儲、顯示、測量、波形數據分析處理等獨特優點，其使用日益普及。由於虛擬示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當，會產生較大的測量誤差，從而影響測試任務。

帶寬是示波器最重要的指標之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值，而虛擬示波器的帶寬有模擬帶寬和數字實時帶寬兩種。虛擬示波器對重複信號採用順序採樣或隨機採樣技術所能達到的最高帶寬為示波器的數字實時帶寬，數字實時帶寬與最高數字化頻率和波形重建技術因子K相關（數字實時帶寬=最高數字化速率/K），一般並不作為一項指標直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重複周期信號的測量，而數字實時帶寬則同時適合重複信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達到多少兆，實際上指的是模擬帶寬，數字實時帶寬是要低於這個值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實際上是指其模擬帶寬為500MHz，而最高數字實時帶寬只能達到400MHz遠低於模擬帶寬。所以在測量單次信號時，一定要參考虛擬示波器的數字實時帶寬，否則會給測量帶來意想不到的誤差。

採樣速率也稱為數字化速率，是指單位時間內，對模擬輸入信號的採樣次數，常以MS/s表示。採樣速率是虛擬示波器的一項重要指標。

⒈如果採樣速率不夠，容易出現混迭現象

如果示波器的輸人信號為一個100KHz的正弦信號，示波器顯示的信號頻率卻是50KHz，這是怎麼回事呢？這是因為示波器的採樣速率太慢，產生了混迭現象。混迭就是屏幕上顯示的波形頻率低於信號的實際頻率，或者即使示波器上的觸髮指示燈已經亮了，而顯示的波形仍不穩定。混迭的產生如圖1所示。那麼，對於一個未知頻率的波形，如何判斷所顯示的波形是否已經產生混迭呢？可以通過慢慢改變掃速t/div到較快的時基檔，看波形的頻率參數是否急劇改變，如果是，說明波形混迭已經發生；或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩定下來，也說明波形混迭已經發生。根據奈奎斯特定理，採樣速率至少高於信號高頻成分的2倍才不會發生混迭，如一個500MHz的信號，至少需要1GS/s的採樣速率。有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發生：

·調整掃速；

·採用自動設置（Autoset）；

·試著將收集方式切換到包絡方式或峰值檢測方式，因為包絡方式是在多個收集記錄中尋找極值，而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找最大最小值，這兩種方法都能檢測到較快的信號變化。

·如果示波器有InstaVu採集方式，可以選用，因為這種方式採集波形速度快，用這種方法顯示的波形類似於用模擬示波器顯示的波形。

⒉採樣速率與t/div的關係

每台虛擬示波器的最大採樣速率是一個定值。

但是，在任意一個掃描時間t/div，採樣速率fs由下式給出：

fs=N/(t/div)N為每格採樣點

當採樣點數N為一定值時，fs與t/div成反比，掃速越大，採樣速率越低。使用虛擬示波器時，為了避免混迭，掃速檔最好置於掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，掃速檔則最好置於主掃速較慢的位置。

在模擬示波器中，上升時間是示波器的一項極其重要的指標。而在虛擬示波器中，上升時間甚至都不作為指標明確給出。由於虛擬示波器測量方法的原因，以致於自動測量出的上升時間不僅與採樣點的位置相關，如圖2中a表示上升沿恰好落在兩採樣點中間，這時上升時間為數字化間隔的0.8倍。圖2中的b的上升沿的中部有一採樣點，則同樣的波形，上升時間為數字化間隔的1.6倍。另外，上升時間還與掃速有關，雖然波形的上升時間是一個定值，而用虛擬示波器測量出來的結果卻因為掃速不同而相差甚遠。模擬示波器的上升時間與掃速無 關，而虛擬示波器的上升時間不僅與掃速有關，還與採樣點的位置有關，使用虛擬示波器時，我們不能象用模擬示波器那樣，根據測出的時間來反推出信號的上升時間。

基於Labwindows/CVI和SBS實時光網的虛擬示波器設計