CN207366651U - 一种多功能虚拟仪器及其数据处理端 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多功能虚拟仪器及其数据处理端，数据处理端包含前端信号调理电路、数据采集模块、DDS信号发生源模块、DA波形生成模块、上位机通信模块、其他设备通信模块，其中数据采集模块中的FPGA能够将采集的信号转换为示波器、频谱分析、相位分析、频率计、扫频仪中一种或者多种功能的功能信号，DDS信号发生源模块能够发生频率高达200MHz的信号源，DA波形生成模块能够产生特殊波形或者合成任意信号源，从而实现了虚拟仪器的多功能化。

Description

一种多功能虚拟仪器及其数据处理端

技术领域

本实用新型涉及仪器设备领域，尤其涉及虚拟仪器方面，更具体地说，涉及一种多功能的虚拟仪器及其数据处理端。

背景技术

仪器技术、现代测试技术的进步，促进了新概念仪器-虚拟仪器(VirtualInstrument，简称VI)的发展。虚拟仪器利用计算机开发仪器，具有上位机(如电脑)及数据处理端，上位机与数据处理端一般通过有线的接口方式进行通信连接，上位机用于信号的显示以及用户界面及界面操作的实现，数据处理端用于数据的采集或者信号的发生。具体上位机以及数据处理端所完成的功能根据具体虚拟仪器的不同而不同。如虚拟仪器为示波器时，数据处理端用于采集被测信号并进行调理，上位机对调理后的信号进行显示，上位机上还显示一控制面板，用户调节控制面板后，上位机可调节波形显示时横、纵坐标单位距离所表示的信号大小以及采样频率等；如虚拟仪器为信号发生器时，上位机上可显示当前发生的信号，且上位机上还具有一控制面板，用户调节控制面板后，可选择产生不同的信号，然后数据处理端产生不同的信号。

然而，目前的虚拟仪器均为单一功能的虚拟仪器，如作为示波器、作为扫频仪、作为信号发生器等，还没有将一种数据终端能够完成多种功能的处理。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对上述的目前还没有将一种数据终端能够完成多种功能的处理的技术缺陷，提供了一种多功能的虚拟仪器及其数据处理端。

根据本实用新型的其中一方面，本实用新型为解决其技术问题，提供了一种多功能虚拟仪器的数据处理端，包含：

前端信号调理电路，用于对至少两个输入通道的输入信号进行调理；

数据采集模块，包括两个AD转换器以及一个FPGA，所述两个AD转换器分别连接在前端信号调理电路以及FPGA之间，以对所述两个输入通道调理后的信号进行模数转换，并将转换后的信号传输至FPGA处理成示波器、频谱分析、相位分析、频率计、扫频仪中一种或者多种功能的功能信号；

DDS信号发生源模块，连接并受控于FPGA以产生高于预设频率的第一类型信号源并传输至FPGA；

DA波形生成模块，包括DA转换单元以及功率放大单元，DA转换单元连接并受控于FPGA，以产生不高于所述预设频率的预设类型信号或根据预设类型信号合成指定类型信号，然后将预设类型信号或者指定类型信号进行数模转换，功率放大单元连接DA转换单元以将数模转换后的信号进行功率放大并传输至FPGA以分别作为预设类型信号源或者指定类型信号源；

上位机通信模块，连接FPGA以将所述功能信号传输至上位机进行显示；

其他设备通信模块，连接FPGA以将第一类型信号源、预设类型信号源或定类型信号源传输至与其连接的其他设备上作为其他设备的信号源。

优选的，在本实用新型的上述数据处理端中，上述两个AD转换器分别为第一AD转换器、第二AD转换器，采样时钟均来自FPGA且相位相差180°，第一AD转换器、第二AD转换器的输入端分别连接第一输出端和第二输出端，其中第一输出端和第二输出端分别为前端信号调理电路中所述两个输入通道的两个输出端；

第二AD转换器与所述第二输出端之间连接有一受控开关，受控开关的两个输入端分别连接第一输出端和第二输出端，受控开关的输出端连接第二AD转换器；

受控开关受控于FPGA，受控开关具有两种开合状态：第一种开合状态时，第一AD转换器获取第一输出端的信号进行模数转换，第二AD转换器获取第二输出端的信号进行模数转换；第二种开关状态时，第一AD转换器及第二AD转换器均获取第一输出端的信号进行模数转换以在FPGA中合并成一个采样后的信号。

优选的，在本实用新型的上述数据处理端中，前端信号调理电路包括两组实现电路，分别对应每个输入通道，每组实现电路包括增益可调的压控衰减电路、固定增益放大电路、单端转差分电路、用于控制压控衰减电路的输出电压范围的数模转换电路以及用于消除压控放大电路输出信号中直流分流的直流调偏电路；

所述压控衰减电路的输入端连接其中一个输入通道，控制端连接所述数模转换电路，输出端连接所述固定增益放大电路的输入端，所述固定增益放大电路的输出端连接所述单端转差分电路的输入端。

优选的，在本实用新型的上述数据处理端中，上位机通信模块为无线WIFI传输模块，无线WIFI传输模块选用STM32F103与WM-G-MR09实现。

优选的，在本实用新型的上述数据处理端还包括电源模块，用于将交流市电转换为直流电，为所述数据处理端进行供电。

优选的，在本实用新型的上述数据处理端中，上述两个AD转换器通过一个芯片MXT2002实现。

优选的，在本实用新型的上述数据处理端中，所述DDS信号发生源模块中内含有一个DA转换器，以使得第一类型信号源为模拟信号。

根据本实用新型的另一方面，本实用新型为解决其技术问题，还提供了一种多功能虚拟仪器，包含如上述任一项的数据处理端。

实施本实用新型的多功能的虚拟仪器及其数据处理端，能够将示波器、频谱分析、相位分析、频率计、扫频仪中的一种或者多种功能与信号发生器功能集合在一起，有利用虚拟仪器设备的集中化和成本的降低。进一步的，该多功能的虚拟仪器及其数据处理端具有高速采集和低速采集的两种采集模式，且高速采集模式下能够突破采样芯片的采样速率上限，采样速率更高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型的多功能虚拟仪器的工作状态模拟示意图；

图2是本实用新型的多功能虚拟仪器的数据处理端的一优选实施例的电路原理图；

图3是本实用新型的图2中前端信号调理电路的电路原理图；

图4是本实用新型的图3中VCA824+OPA847两级放大电路原理图；

图5是本实用新型的图3中DAC8043电压输出电路原理图；

图6是本实用新型的图3中ADR430基准源与OPA656直流调偏电路原理图；

图7是本实用新型的图1前端信号调理电路及数据采集模块的另一实施例的电路原理图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，其为本实用新型的多功能虚拟仪器的工作状态模拟示意图。在本实施例的多功能虚拟仪器包含笔记本电脑2、数据处理端1。笔记本电脑2与数据处理端1之间通过WIFI相连接，实现数据的通信，两台设备3分别用于产生信号源发送至数据处理端1以及用于显示数据处理端1产生的信号，以模拟多功能虚拟仪器的真实工作状况，其分别可以通过一台示波器以及一台信号发生器实现。

参考图2，其为本实用新型的多功能虚拟仪器的数据处理端的一优选实施例的电路原理图。本实施例中，数据处理端包括前端信号调理电路11、数据采集模块12、DDS信号发生源模块13、DA波形生成模块14、上位机通信模块15及其他设备通信模块(图2中未示意出)。其中，数据采集模块12包含第一AD转换器以及第二AD转换器，上位机通信模块15具有ARM芯片以及WIFI模块，笔记本电脑2具有用于与上位机通信模块15通信模块通信连接的WIFI模块。

数据处理端具有两个输入通道——第一通道和第二通道，前端信号调理电路11用于对两个输入通道的输入信号进行调理。前端信号调理电路11可以通过模拟电路实现，当两个输入通道内分别具有输入信号时，前端信号调理电路11分别对两个输入信号进行调理，当只有一个输入信号时，前端信号调理电路只对一个输入信号进行调理。当本实施例的多功能虚拟仪器需要作为示波器、频谱分析、相位分析、频率计、扫频仪中任意一种或者多种功能时，需要采集其他设备的待测量信号作为输入信号，此时前端信号调理电路11、数据采集模块12进行工作。

前端信号调理电路11具有两组实现电路，分别对应每个输入通道，每组实现电路包括增益可调的压控衰减电路、固定增益放大电路、单端转差分电路、用于控制压控衰减电路的输出电压范围的数模转换电路以及用于消除压控放大电路输出信号中直流分流的直流调偏电路，每个压控衰减电路的输入端连接一个输入通道，控制端连接数模转换电路，输出端连接所述固定增益放大电路的输入端，固定增益放大电路的输出端连接单端转差分电路的输入端。其中，压控衰减电路采用了带宽为320MHZ的增益压控运放VCA824为核心，通过12位的数模转换DAC8043芯片控制其输出电压V_g在-1V～1V之间变化，从而实现压控增益放大电路的增益可调，固定增益放大电路则采用具有3.9GHz增益带宽的超低噪声运放OPA847实现，同时设计OPA656直流调偏电路消除电源引入的直流分量，接着通过超高速差动线路驱动器LMH6555实现单端信号转差分信号后，便得到了满足高速AD转换器C输入量程范围内的模拟信号，每一个AD转换器以一组差分信号为输入进行采样。前端信号调理电路各部分电路如图4、5、6所示。

第一AD转换器(模数转换)和第二AD转换器分别连接在前端信号调理电路11以及FPGA122之间，以对第一通道和第二通道调理后的信号进行模数转换，并将转换后的信号传输至FPGA122处理成示波器、频谱分析、相位分析、频率计、扫频仪中一种或者多种功能的功能信号。第一AD转换器和第二AD转换器可以为两个独立的AD转换器转换芯片，可以通过一个具有多组AD转换器转换功能的芯片实现，本实施例中采用后者，芯片选用MXT2002。

在本实施例中，第一AD转换器和第二AD转换器独立进行采集，采集的信号由FPGA122独立进行处理。在本实用新型的另一实施例中，参见图7的第一AD转换器、第二AD转换器的采样时钟均来自FPGA122的PLL(Phase Locked Loop)且相位相差180°，第一AD转换器、第二AD转换器的输入端分别连接第一输出端和第二输出端，其中第一输出端和第二输出端分别为前端信号调理电路中两个输入通道的两个输出端。第二AD转换器与第二输出端之间连接有一受控开关123，受控开关123的两个输入端分别连接第一输出端和第二输出端，输出端连接第二AD转换器。受控开关124受控于FPGA，受控开关具有两种开合状态，以分别对高速采样状态和低速采样状态：第一种开合状态时，第一AD转换器获取第一输出端的信号进行模数转换，第二AD转换器获取第二输出端的信号进行模数转换，此时与上述实施例的独立采样、独立处理的方式相同，属于低速采样状态；第二种开关状态时，第一AD转换器及第二AD转换器均获取第一输出端的信号进行模数转换以在FPGA122中合并成一个采样后的信号，此时第二通道输入的无信号输入或者输入的信号无效，由于两路AD转换器采样时钟相位差为180°，此时每个时钟周期内，相当于有两次数据采集，采集到的数据传送给FPGA122，在FPGA122看来就相当于有一片AD转换器芯片在对数据进行AD转换器采样速度*2的采样，大大提高了已有设备的采样频率，属于高速采集状态。

第一AD转换器和第二AD转换器进行模数转换后，将转换后的信号传输至FPGA122，FPGA122根据用户需要将信号处理成示波器、频谱分析、相位分析、频率计、扫频仪中一种或者多种功能的功能信号，功能信号被上位机通信模块15发送至笔记本电脑2，在笔记本电脑2上根据笔记本电脑2的设置进行显示。

上位机通信模块15为无线WIFI传输模块，无线WIFI传输模块选用STM32F103(ARM)与WM-G-MR09实现。为提升传输速率，无线模块MR09与ARM嵌入式处理器控制选用SDIO接口模式连接，其中：无线模块MR09与ARM嵌入式处理器控制选用SDIO接口模式连接，其中MR09的第2个引脚DATA0与STM32的PC8引脚连接；MR09的第1个引脚DATA1与STM32的PC9引脚连接；MR09的第9个引脚DATA2与STM32的PC10引脚连接；MR09的第8个引脚DATA3与STM32的PC11引脚连接；MR09的第3、6、9引脚接地；MR09的第5个引脚接3.3v电源；MR09的的第4个引脚CLK与STM32的PC12引脚连接；MR09的的第7个引脚CMD与STM32的PD2引脚连接；STM32的PA0-PA15分别与EP1C12T240的第23-38个引脚连接；STM32的PB2引脚通过电阻R1接地；STM32的PB12引脚通过R2与PNP三极管Q1的基极连接；STM32的PB12引脚通过R3与PNP三极管Q2的基极连接；Q1的发射极同3.3v电源连接；Q2的发射极同3.3v电源连接；Q1的集电极同PNP三极管Q2的集电极连接；STM32的引脚PD0和PD1接地；STM32的引脚PD0和PD1通过有源晶振连接；STM32的BOOT0引脚通过按键Down1和电阻R4连接至3.3v电源；STM32的BOOT0引脚通过电阻R6接地；STM32的NRST引脚通过R5连接至3.3v电源；STM32的NRST引脚通过电容C1接地；STM32的NRST引脚通过按键Reset1接地；STM32的VBAT、VDD_1、VDD_2、VDD_3、VDD_4和VDD_A引脚同3.3v电源连接；STM32的VSS_1、VSS_2、VSS_3、VSS_4和VSS_A引脚接地。

FPGA122完成AD转换器传输数据的寄存，FPGA122内部寄存器传递数据给ARM端使用无需CPU过多干预的DMA传输，FPGA122读取DMA的状态寄存器，调用DMA传输通道，连续间断地传递固定字长的数据包，直到规定的DMA数据传输完成。FPGA122连接到ARM处理器外部GPIOA上，可选择性使用8或16根数据线，每一位数据对应一个同步时钟。FPGA122内部主要由可控时钟端PLL、AD转换器采集控制器、移位寄存器、数据存储器RAM和功能控制逻辑电路组成。移位寄存器主要将串行命令转换为并行指令，控制时钟端和采集端。RAM存储器主要依据时钟上升沿循环移位存储，当中央控制器移存一位数据后，RAM会自动指向下一个时钟对应的数据位并传递给ARM核心控制器的GPIO_A端，直到满足时钟发生器的计数器部分值达到1460时，暂停等待清零信号。CPU在完成该长度数据的寄存并打包发送给无线端AP后，反馈清零信号给FPGA122计数器，依次循环。在ARM端编写DMA的驱动，配置完总线通道模式后，设置通道请求和循环检测模式，一旦对应的通道有数传中断请求，开启DMA数据传输，达到规定计数值有I/O口反馈信号给FPGA122端。本系统选用环隆WIFI模块WM-G-MR09，其采用了Marvell的8686作为主芯片，提供SDIO和GSPI接口。本系统选择STM32F103单片机和WIFI芯片都有的SDIO接口作为WIFI模块和MCU直接进行数据交互的接口。其引脚SD1_CLK，SD1_CMD，SD1_DATA0～SDA_DATA3，分别与中央控制器的SDIO分配区相应引脚连接。结合WIFI模块与Lwip控制理论，无线数据主要的传输过程为：首先由客户端发送读取数据信号帧头信息申请，服务器接收到客户端信息后，发送数据信号帧头信息过去。其次客户端根据帧头信息设置和初始化保存数据帧缓存区大小以及对应的标志位信息。接着服务器发送真实数据信息，客户端接收后封装在对应邮箱长度机制中。

DDS(Direct Digital Synthesizer)信号发生源模块13，连接并受控于FPGA122以产生高于预设频率的第一类型信号源并传输至FPGA122，DDS信号发生源模块13发生的信号可以是方波、正弦波、三角波等，发出的波形被传输至FPGA122。DDS信号发生源模块13采用了AD9959进行最高达200MHz的高频信号源输出，其内含有一个DA转换器，以使得第一类型信号源为模拟信号。

DA波形生成模块14，包括DA转换单元以及功率放大单元，DA转换单元14连接并受控于FPGA122，以产生不高于所述预设频率的预设类型信号或根据预设类型信号合成指定类型信号，然后将预设类型信号或者指定类型信号进行数模转换，功率放大单元连接DA转换单元以将数模转换后的信号进行功率放大并传输至FPGA以分别作为预设类型信号源或者指定类型信号源。

DDS信号发生源模块13、DA波形生成模块14都是输出波形作为信号源给其他设备用的，一个产生高频，一个产生特殊波形和一定频率之内的合成任意波形，功能不同，对于产生什么样的波形是用户在笔记本电脑2上设置参数的，笔记本电脑2会将参数通过上位机通信模块的WIFI模块传给ARM再传给FPGA122，FPGA122在对对应模块控制产生波形。

其他设备通信模块，连接FPGA122以将FPGA122以将第一类型信号源、预设类型信号源或定类型信号源传输至与其连接的其他设备上作为其他设备的信号源，本实施例中采用两台设备3中的一台作为其他设备，采用有线连接方式进行连接。

本实施例中，该数据处理端还具有一电源模块，该电源模块将交流市电转换为直流电，为多功能虚拟仪器的数据处理端进行供电。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (8)

1.一种多功能虚拟仪器的数据处理端，其特征在于，包含：

前端信号调理电路，用于对至少两个输入通道的输入信号进行调理；

数据采集模块，包括两个AD转换器以及一个FPGA，所述两个AD转换器分别连接在前端信号调理电路以及FPGA之间，以对所述两个输入通道调理后的信号进行模数转换，并将转换后的信号传输至FPGA处理成示波器、频谱分析、相位分析、频率计、扫频仪中一种或者多种功能的功能信号；

DDS信号发生源模块，连接并受控于FPGA以产生高于预设频率的第一类型信号源并传输至FPGA；

DA波形生成模块，包括DA转换单元以及功率放大单元，DA转换单元连接并受控于FPGA，以产生不高于所述预设频率的预设类型信号或根据预设类型信号合成指定类型信号，然后将预设类型信号或者指定类型信号进行数模转换，功率放大单元连接DA转换单元以将数模转换后的信号进行功率放大并传输至FPGA以分别作为预设类型信号源或者指定类型信号源；

上位机通信模块，连接FPGA以将所述功能信号传输至上位机进行显示；

其他设备通信模块，连接FPGA以将第一类型信号源、预设类型信号源或定类型信号源传输至与其连接的其他设备上作为其他设备的信号源。

2.根据权利要求1所述的多功能虚拟仪器的数据处理端，其特征在于，所述两个AD转换器分别为第一AD转换器、第二AD转换器，采样时钟均来自FPGA且相位相差180°，第一AD转换器、第二AD转换器的输入端分别连接第一输出端和第二输出端，其中第一输出端和第二输出端分别为前端信号调理电路中所述两个输入通道的两个输出端；

第二AD转换器与所述第二输出端之间连接有一受控开关，受控开关的两个输入端分别连接第一输出端和第二输出端，受控开关的输出端连接第二AD转换器；

受控开关受控于FPGA，受控开关具有两种开合状态：第一种开合状态时，第一AD转换器获取第一输出端的信号进行模数转换，第二AD转换器获取第二输出端的信号进行模数转换；第二种开关状态时，第一AD转换器及第二AD转换器均获取第一输出端的信号进行模数转换以在FPGA中合并成一个采样后的信号。

3.根据权利要求1所述的多功能虚拟仪器的数据处理端，其特征在于，前端信号调理电路包括两组实现电路，分别对应每个输入通道，每组实现电路包括增益可调的压控衰减电路、固定增益放大电路、单端转差分电路、用于控制压控衰减电路的输出电压范围的数模转换电路以及用于消除压控放大电路输出信号中直流分流的直流调偏电路；

所述压控衰减电路的输入端连接其中一个输入通道，控制端连接所述数模转换电路，输出端连接所述固定增益放大电路的输入端，所述固定增益放大电路的输出端连接所述单端转差分电路的输入端。

4.根据权利要求1所述的多功能虚拟仪器的数据处理端，其特征在于，所述上位机通信模块为无线WIFI传输模块，无线WIFI传输模块选用STM32F103与WM-G-MR09实现。

5.根据权利要求1所述的多功能虚拟仪器的数据处理端，其特征在于，还包括：

电源模块，用于将交流市电转换为直流电，为所述数据处理端进行供电。

6.根据权利要求1所述的多功能虚拟仪器的数据处理端，其特征在于，所述两个AD转换器设置在一个芯片MXT2002中。

7.根据权利要求1所述的多功能虚拟仪器的数据处理端，其特征在于，所述DDS信号发生源模块中内含有一个DA转换器，以使得第一类型信号源为模拟信号。

8.一种多功能虚拟仪器，其特征在于，包含如权利要求1-7任一项所述的数据处理端。