CN106910401A - 一种多功能虚拟电子仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多功能虚拟电子仪器，包括数字示波器、信号发生器、直流电压源、直流电压表、频率特性仪以及逻辑分析仪等功能。该虚拟电子仪器由人机交互模块、ARM控制模块、输入信号调理模块、DDS模块、输出信号调理模块、电源模块以及调试模块组成。本发明通过借助计算机强大的数据处理能力，减小了硬件电路体积、降低了耗材成本、提高了电路集成度，使携带和使用更加便捷。本发明还打破了传统电子测试仪器局只能限于实验室使用的障碍，使学生能够随时随地做实验，给学生以最大的自由空间，做到真正意义的全开放实验室。

Description

一种多功能虚拟电子仪器

技术领域

本发明涉及电子测量领域，尤其是涉及一种多功能虚拟电子仪器。

背景技术

随着计算机技术、集成电路技术、电子测量技术的高速发展，电子测量仪器在科学研究、实验教学以及工业生产中得到了广泛的应用。传统的电子测量仪器由于造价昂贵、集成度不高、体积庞大、携带不方便等原因，阻碍了其进一步的发展和应用，亟待一种解决方案改善现有电子仪器存在的弊端。

虚拟仪器相比于传统仪器主要的优点在于应用的灵活性以及功能强大性。在虚拟仪器中，硬件仅用于信号的输入输出。这样不仅减少了元器件的使用，节约了成本，提高了电路集成度，也使硬件体积更小，携带更加便捷。因此，虚拟仪器有逐步取代传统仪器的趋势。目前我国存在的虚拟电子测量仪器大都体积大、成本高、集成度低、携带不方便，或者硬件结构过于简单，缺少必要的硬件调理电路，因此没有得到大范围的推广和应用。

实验室是高等院校教学体系的重要组成部分，在培养学生科学素质、动手能力以及创新能力等方面发挥着巨大的作用。但由于实验室本身场地和课时的限制，使学生对实验室的一些常用电子测量仪器，例如信号发生器、示波器、万用表等仪器的使用并不熟练，这要求物理实验要不断引入新的实验方法，建立新的教学模式。

发明内容

为了解决高等院校实验室存在上述问题，本发明提供了一种多功能虚拟电子仪器。本发明结合虚拟仪器技术优势，设计出一种结合数字示波器、信号发生器、直流电压源、直流电压表、频率特性仪以及逻辑分析仪功能的虚拟电子仪器。

本发明通过借助计算机强大的数据处理能力，最大程度的减少了硬件的开销，从而使硬件电路体积更小、价格更加低廉、集成度更高、携带更加方便。不仅如此，本发明还拓宽了实验室的时空概念，打破了传统电子测试仪器的使用只能局限于实验室的障碍。只需要拥有一台计算机，学生便能够随时随地做实验，让学生最大限度地利用实验室资源，能进一步给学生以最大的自由空间，做到真正意义的全开放实验室。

本发明解决其技术问题的技术方案是：提供了一种多功能虚拟电子仪器，该虚拟电子仪器由人机交互模块、ARM控制模块、输入信号调理模块、DDS模块、输出信号调理模块、电源模块以及调试模块组成。其中人机交互模块和ARM控制模块之间通过USB 2.0接口进行通信，ARM控制模块与输入信号调理模块、DDS模块、输出信号调理模块以及调试模块有电性连接，DDS模块与输出信号调理模块具有电性连接，电源模块为其他各个模块提供所需电压。

所述的人机交互模块，利用计算机软件LABVIEW制作上位机界面，能够实现与下位机相互传递信息，从而实现人机交互。具体包括：信号发生器前面板界面设计及背面板程序设计；示波器前面板界面设计及背面板程序设计；直流电压表前面板界面设计及背面板程序设计；直流电压源前面板界面设计及背面板程序设计；频率特性仪前面板界面设计及背面板程序设计；逻辑分析仪前面板界面设计及背面板程序设计。

所述的ARM控制模块，采用ST公司生产的STM32F103系列单片机，负责与人机交互模块进行通信；负责通过片内ADC实现对输入信号调理模块调理后的信号进行采样；以及控制DDS模块、输出信号调理模块产生所需要的特定幅值、相位、频率、直流偏置的各种波形。

所述的DDS模块，负责输出频率、相位可调的正弦波、方波、三角波。DDS模块主要是通过器件AD9833实现的，输出信号的电压幅值为600mV。

所述的输出信号调理模块，具体包括幅值衰减电路、模数转换电路、差分放大电路，用于对DDS模块输出的600mV信号进行幅值调节和直流偏置，从而能够输出幅值范围在-4V～4V之间，直流偏置电压可调的正弦波、方波、三角波。

所述的输入信号调理模块，具体包括：开关电路、电压跟随器电路以及幅值调节电路，主要用于对幅值范围在-5V～5V外部输入信号进行幅值调节，使经过调理后的信号能直接被ARM控制模块的片内ADC采样。

所述的电源模块，能够产生5V，-5V，3.3V，2V四直流种电压，为其他各个模块提供各自所需电压。所述的调试模块，包括串口模块、程序下载模块、按键开关和贴片LED，这些模块是为了使仪器更加方便调试和使用。

本发明所述的数字示波器由输入信号调理模块、ARM控制模块、人机交互模块和电源模块组成。所述数字示波器能够采集、显示并存储电压幅值范围在-5V～5V两个通道信号的波形，通过上位机的示波器界面中可以测量并显示两个通道信号的频率、相位，幅值最大值、最小值和峰值，可以选择显示直接耦合或者交流耦合的波形，还可以实现电平触发、上升沿触发、下降沿触发和连续触发四种触发方式。本发明所述的数字示波器采样率为857.73K Hz，最大输入电流可以达到25mA，输入阻抗约为1kΩ。

本发明所述的直流电压表由输入信号调理模块、ARM控制模块、人机交互模块和电源模块组成。所述的直流电压表与数字示波器共用输入信号调理模块和ARM控制模块，因此直流电压表与所述数字示波器参数指标相同。在上位机的直流电压表界面中可以直接测量并显示幅值范围在-5V～5V两个通道信号的直流电压。

本发明所述的信号发生器由人机交互模块、ARM控制模块、DDS模块、输出信号调理模块和电源模块组成。通过设置上位机的信号发生器界面参数，可以产生波形、频率、幅值、相位、直流偏置可调的双通道信号。本发明所述的信号发生器输出电压范围：-4V～4V，幅值衰减步进值：0.5dB；最大输出电流：25mA；输出频率：0Hz～1MHz，频率步进值为1Hz。

本发明所述的直流电压源由人机交互模块、ARM控制模块和电源模块组成。通过设置上位机的直流电压源界面参数，可以实现控制单片机STM32F103的片内模数转换器输出至多两路0～3.3V幅值可调的直流电压。

本发明所述的逻辑分析仪由人机交互模块、ARM控制模块和电源模块组成。通过设置上位机的逻辑分析仪界面参数，能够控制单片机STM32F103获取至多8路信号的逻辑电平，并将所述的至多8路信号的逻辑电平显示在逻辑分析仪界面，所述的逻辑电平兼容TTL电平和CMOS电平。

本发明所述的频率特性仪由人机交互模块、ARM控制模块、DDS模块、输出信号调理模块、输入信号调理模块和电源模块组成。所述的频率特性仪能够通过上位机控制信号发生器产生幅值已知的正弦波作为待测网络的输入信号，将待测网络的输出和幅值已知的正弦波接入数字示波器的测量引脚，测量出输出信号与输入信号的幅值和相位差，利用上位机便可以分析出待测网络的幅频特性和相频特性，并用波特图显示出来。所述的频率特性仪输出正弦波电压范围：-4V～4V；输出正弦信号频率范围：0Hz-100KHz，频率步进值最小值为1Hz。

本发明的有益效果在于：

1.本发明集成度高，不仅在一块PCB板上集成了信号发生器、示波器、频率特性仪、逻辑分析仪、直流电压源、直流电压表这些仪器，而且还具有串口、开关、LED等模块，可以作为STM32F103单片机开发板来使用。

2.本发明将实验设备微型化，抛开计算机，外围硬件尺寸只有10cm*8cm*3cm，方便携带，允许师生随时随地进行实验，不仅适应于课堂实验教学，而且还可以用于课外学生自主实验，能够有效提高学生的自主性和动手能力，培养学生创新精神，从而提高综合素质。

3.本发明还具有硬件成本低的特点。通过PC机对数据的分析处理与显示，降低了外围硬件成本、减小了器件体积，也提高了系统准确性和稳定性。

4.本发明利用DDS芯片产生各种波形，相比利用单片机片内模拟DDS原理产生信号，本发明具有输出信号带宽长，精度高等优点；相比利用计算机产生信号并用数据采集卡输出信号，本发明大大降低了成本和减小了外围硬件的体积。而且本发明还可以通过全数字控制输出信号幅值可调、直流偏置电压可调的功能。

5.本发明提供了一种全新的教学理念，拓宽了实验的时空概念，既满足了学生的学习需求又给他们自主安排学习时间留有余地，有助于学生个性化发展，有利于培养实践能力强的高素质人才，为科技精英型的拔尖人才培养提供条件和空间，使实验教学在开放式的基础上向研究性过渡。

附图说明

图1为本发明整体系统结构框图。

图2为本发明整体系统功能结构框图。

图3为本发明的DDS模块电路原理图。

图4为本发明的输出信号调理模块电路原理图。

图5为本发明的输入信号调理模块的幅值调节电路原理图。

具体实施方式

一种多功能虚拟电子仪器，包括数字示波器、信号发生器、直流电压源、直流电压表、频谱分析仪以及逻辑分析仪等功能的虚拟仪器。系统由人机交互模块、ARM控制模块、输入信号调理模块、DDS模块、输出信号调理模块、电源模块以及调试模块组成。其中人机交互模块通过USB与ARM控制模块进行通信连接，ARM控制模块与输入信号调理模块、DDS模块、输出信号调理模块、调试模块具有电性连接，DDS模块与输出信号调理模块具有电性连接，电源模块为其余各个模块提供所需电压。

如图1所示的电源模块，由计算机USB接口提供5V电压，并为所述的虚拟电子仪器提供5V电压；由电压转换芯片LM2663将5V电压转化为-5V电压，并为所述的虚拟电子仪器提供-5V电压；由稳压芯片LM1117-3.3将5V电压转化为3.3V电压，并为所述的虚拟电子仪器提供3.3V电压，由2kΩ和3kΩ电阻对5V电压分压产生2V电压，并为所述的虚拟电子仪器提供2V电压。

如图1所示的调试模块，包括串口模块、程序下载模块、按键开关和贴片LED，这些模块主要是为了使仪器更加方便调试和使用。

如图1所示的人机交互模块，利用计算机软件LABVIEW制作各个仪器的上位机界面，操作者通过在上位机中设置相应仪器参数，上位机便能够通过USB通信将仪器参数和命令传递给ARM控制模块，之后PC机能够与ARM控制模块进行数据传输，从而实现人机交互。

如图2所示的ARM控制模块，采用ST公司开发的STM32F103系列单片机，该系列单片机内置USB 2.0接口，负责实现上位机与下位机之间的USB数据传输；负责控制片内ADC对输入信号调理模块调理过后的信号进行采样；负责控制DDS模块、输出信号调理模块产生所需要的特定幅值、相位、频率、直流偏置的各种波形；负责控制单片机片内DAC产生直流电压以及控制输入端口采集至多8路逻辑信号。

如图3所示的DDS模块，采用可编程波形发生器芯片AD9833，负责输出频率、相位可调的正弦波、方波和三角波。ARM控制模块通过对芯片AD9833软件编程，能够改变DDS模块输出信号的频率、相位和波形。由于DDS模块输出信号的电压幅值为固定的600mV，因此DDS模块产生的信号还需要经过输出信号调理模块，对信号幅值和直流偏置电压进一步调节。

如图1、图4所示的输出信号调理模块，具体包括幅值衰减电路、模数转换电路、差分放大电路，用于实现对DDS模块输出信号做进一步幅值调节和直流偏置。DDS模块输出频率、相位、波形确定的信号后，首先需要经过幅值衰减电路。幅值衰减电路主要通过音频音量控制芯片PGA2311实现，该芯片具有-95.5dB到+31.5dB的衰减及增益范围，衰减及增益步进值为0.5dB，噪声小、失真率低，可以实现对信号幅值初步的放大和衰减。信号在经过幅值衰减电路后，接入差分放大电路的正向输入端。模数转换电路采用双通道模数转换器DAC7562，能够被ARM控制模块编程控制，用于提供至多两路直流偏置电压，一路负责提供正向直流偏置电压，一路提供反向直流偏置电压。差分放大电路主要通过差分仪表放大器芯片INA2128实现，负责对经过幅值衰减电路调理的信号做进一步的直流偏置和放大。信号在经过幅值衰减电路调理后，接入差分放大器INA2128的正向输入端，模数转换电路产生的两路直流电压一路接入INA2128的反向输入端，提供负向直流偏置电压，一路接入INA2128的参考电压端，提供正向直流偏置电压，最终在INA2128的输出端引脚输出经过幅值调节后的信号。

如图1、图2所示的输入信号调理模块，具体包括开关电路、电压跟随器电路以及幅值调节电路。输入信号调理模块用于调节外部输入信号幅值以及实现阻抗匹配，提高带负载能力，信号经过调理后可以直接被ARM控制模块的片内ADC采集。开关电路采用芯片74HC4053，通过ARM控制模块编程控制74HC4053接通不同的通道，实现对采集信号直流耦合和交流耦合档位的选择。电压跟随器电路采用双路精密运算放大器LMP7702来实现，起到阻抗匹配和提高带负载能力的作用。如图5所示，输入信号幅值调节电路实现对输入信号幅值调节的功能，能够使输入信号变为原来的0.2倍并加上2V直流偏置，从而能够直接被ARM控制模块片内的ADC采集。输入信号幅值调节电路主要采用运算放大器芯片AD8065和TL072实现，其中运算放大器TL072主要负责实现对信号的直流偏置，运算放大器AD8065负责实现将输入信号幅值衰减为原来0.2倍。

实施例1信号发生器的使用

(1)操作者首先打开电脑端的上位机程序，并打开上位机总开关；(2)将下位机通过USB线接入计算机，并打开下位机电源开关，等待电源指示灯发光；(3)在上位机界面中选择仪器功能，将功能选择开关拨到信号发生器的位置，上位机自动进入信号发生器界面；(4)在信号发生器界面中设置信号的波形、频率、幅值、相位、直流偏置电压以及选择产生信号的通道，之后点击信号发生器界面的设置按键；(5)根据选择的通道使用信号发生器的A输出端或者B输出端(6)如果需要重复实验，重复操作步奏(4)～(6)即可；(7)操作结束，关掉上位机总开关和下位机电源开关。

实施例2频率特性仪的使用

(1)操作者首先打开电脑端的上位机程序，并打开上位机总开关；(2)将下位机通过USB线接入计算机，并打开下位机电源开关，等待电源指示灯发光；(3)在上位机界面中选择仪器功能，将功能选择开关拨到频率特性仪的位置，上位机自动进入频率特性仪界面；(4)在频率特性仪界面中设置正弦波的起始频率、截止频率、幅值、频率步进值以及设置半对数坐标图的横纵坐标范围，之后点击频率特性仪界面的设置按键；(5)将产生正弦波的信号发生器输出端A引脚接入示波器A输入端测量引脚，将待测网络的输出端接入示波器的B输入端测量引脚；(6)在频率特性仪界面中会显示出待测网络的波特图，包括幅频响应曲线和相频响应曲线，可以选择将波特图保存成图像或者保存为文档文件；(7)如果需要重复实验，重复操作步奏(4)～(7)即可；(8)操作结束，关掉上位机总开关和下位机电源开关。

Claims (5)

1.一种多功能虚拟电子仪器，其特征在于，具有数字示波器、信号发生器、直流电压源、直流电压表、频谱分析仪以及逻辑分析仪功能，包括ARM控制模块、输入信号调理模块、DDS模块、输出信号调理模块、人机交互模块、电源模块以及调试模块组成，所述的人机交互模块和ARM控制模块通过USB 2.0接口进行通信。

2.根据权利要求1所述的一种多功能虚拟电子仪器，其特征在于，所述的ARM控制模块采用STM32系列微控制器，且所使用STM32微控制器中含有USB 2.0接口。

3.根据权利要求1所述的一种多功能虚拟电子仪器，其特征在于，所述的DDS模块，采用可编程波形发生器芯片AD9833来实现。

4.根据权利要求1所述的一种多功能虚拟电子仪器，其特征在于，所述的输入信号调理模块能够将幅值范围在正负5V之间的信号转化为幅值范围在1V到3V之间的信号，再经由STM32微控制器片内ADC采集处理。

5.根据权利要求1所述的一种多功能虚拟电子仪器，其特征在于，经所述的输出信号调理模块调理后的信号幅值范围在正负4V之间，并且直流偏置电压可调，整个过程在上位机界面中数字可控。