图1可分为4个部分：信号调理部分，a/d转换模块，逻辑控制模块，usb接口模块，虚拟示波器的硬件部分完全采用模块化设计方案，使各部分硬件相对紧凑，最终缩小了采集，而且a/d转换模块不在计算机内部，可以有效地避免高频电磁干扰对计算机的影响，也减轻了计算机的负担，使计算机可稳定、高效的运行。usb接口模块是这个系统通讯的关键，模块需要完成上位机和a/d转换模块的通讯，需要将上位机的指令送到逻辑控制器idt7207，还需将转换结果送入上位机，usb接口芯片选用cypress公司的an2131qc，该芯片有其他芯片所没有的特点：（1）基于ram的“软”系统解决方案（soft，ram based）不需要ram或其他的固化存储器，而只使用片内的程序/数据ram。通过主机下载的方式来配置usb接口，因而使接口系统的修改和升级变得非常简单，使外设硬件的更新和升级变得更为方便。（2）数据吞吐量完全达到usb协议要求，可以向用户提供足够的端口、缓冲区和传输速度，提供usb协议要求的全部4种传输方式（控制传输、中断传输、批量传输和同步传输），可以满足用户对各种类型数据传输的需求。（3）片上的串行接口处理机（sie）完成大部分的usb协议操作，使用户可以摆脱复杂的协议细节，简化了用户配置代码，加快了开发过程。（4）内嵌增强型8051处理器，兼容8051指令系统，一个指令周期仅需4个时钟周期，可提供标准8051三倍以上的处理能力；双数据指针；方便数据块搬移，使用片内的ram作为数据/程序存储器，非复用数据/地址总线，使程序指令速度更快，并且同外部器件的连接更加简单。（5）休眠模式可以降低系统功耗，延长器件的使用寿命。逻辑控制模块是整个设备控制的核心，其主要是负责解释和控制执行主机软件系统的控制命令和要求，完成设备状态设置和控制设备完成激励信号的发出、响应信号的采集等功能，逻辑控制模块主要由可编程逻辑控制器idt7207，及其辅助电路和外围扩展电路构成，芯片通过内部i/o编程，方便地实现输入/输出的逻辑关系，使得电路更加简洁，功能更加强大，在逻辑控制模块的控制下a/d转换模块利用a/d芯片7899完成对信号的a/d转换，由于a/d芯片电压输入范围为正负10v，因此前端信号调理模块负责将信号幅值调理到正负10v之间，并实现采集电路与被测试对象的信号隔离。3 虚拟示波器软件设计虚拟示波器的软件主要完成对虚拟示波器控制、显示的设计，即对各个模块的硬件控制，以及用户界面的设计，虚拟示波器的整体软件应该采用分层机构，整个控制软件分为3层，底层物理设备的控制程序，usb设备在pc机上的驱动程序，上位pc机的人机界面软件，控制软件的分块，分层设计使各层软件相对独立，只需考虑各层软件的接口即可，这样使软件的设计、编写较为简单，运行更为可靠，整体控制软件流程图如图2所示。

底层物理设备的控制，主要是对usb接口芯片an2131的初始化，以及其接收、发送数据的控制，由于其内嵌了8051的单片机芯片，所以就采用8051单片机的汇编语言编写控制程序，其要点为：通过写的相应寄存器，分别设置中断引脚的电平特性、缺省地址和各中断事件的屏蔽，激活断点0作用，进入正常操作状态，在主循环过程中，主要等待主机通过控制断点0发来的控制命令和握手命令来执行相应的功能设备任务：设置状态、接收pc激励信号、发出激励、采集数据等，采集的数据以包为单位装载到端点1的fifo中，还要响应an2131的主要事件，其部分控制程序如下：

usb设备在pc机上的驱动程序，主要给设备分配地址，说明控制字，与底层的usb驱动程序接口。上位pc机的人机界面是虚拟示波器与用户的接口，直接关系到系统的可用性和方便性，人机界面程序主要是使用户能够方便地控制整个虚拟示波器的工作，并能通过界面方便地观测到采集的结果和响应的数据分析，用户能够通过程序方便地选择通道，采集频率，增益等，考虑到microsoft公司的visual basic开发的， 界面直观，易用，上位机的人机界面采用vb开发，在软件中，充分利用了类功能，将usb设备的启动函数，停止函数，数据读取函数等各个函数全部整合到动态链接库usb.dll中，在应用软件中如需使用这些函数控制usb设备，只需在软件相应的模块进行申明，在程序中直接调用即可。这样做不但使软件程序结构清晰，方便阅读，而且在需要时可以方便快捷的升级人机界面，无需大的改动，使用动态链接库后，其他应用软件要使用该usb设备时，也可方便申明函数，从而方便地控制usb设备工作，因此，该usb设备可以方便地用于其他场合，实现其他的功能，软件充分利用了计算机强大的处理能力，可控制usb设备同时对16个信号进行采集和显示，并可根据用户的需要测出不同信号的频率，幅值、有效值等参数，软件波形观测界面如图3所示，此时测量的是一个4574hz的标准正弦波，和一个叠加负直流分量的正弦波。

同时，为了进一步帮助使用者分析所得波形，软件还能对所采集的信号进行谐波分析，传统的离散信号dft算法为：

为了节约cpu资源，能快速、实时地得出采集波形的谐波含量，软件中采用了快速傅里叶变换fft的蝶型算法，从而实现了对采集数据的实时的谐波分析和显示，为了对比各次谐波的含量，显示时可输出柱状图界面（如图4）；同时为了得到精确的谐波含量，用户也可以选择列表方式显示（如图5）。

4 虚拟示波器结果分析通过和实际示波器所测波形进行比较可以看出，波形完全反应了实际波形的情况，波形没有失真，所测各项参数与实际示波器测得的数据相等，且具备了一般示波器所不具备的多通道同时采集、谐波分析的功能。