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基于高速數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器設(shè)計(jì) 示波器技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間:2020-07-29    來(lái)源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
1 引言

虛擬儀器(VI-ViItuaIInstrument)是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來(lái),用戶可通過(guò)友好的圖形界面操作計(jì)算機(jī),就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的單個(gè)儀器一樣,從而完成對(duì)被測(cè)量的采集、處理、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。在這種儀器系統(tǒng)中,各種復(fù)雜測(cè)試功能、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示都完全由計(jì)算機(jī)軟件完成,在很多方面較傳統(tǒng)儀器有無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),如使用靈活方便、測(cè)試功能豐富、價(jià)格低廉、一機(jī)多用等,這些使得虛擬儀器成為未來(lái)電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展的主要方向之一。

當(dāng)今虛擬儀器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的Rs232串行總線、GPIB通用接口總線、VXI總線、PCI總線和IEEE 1394總線即Firewire(也叫做火線)。

本文介紹基于PCI總線接口的CompuS,cope82G型高速數(shù)據(jù)采集卡和Visual C++編程工具的快速虛擬示波器試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)集波形采集、數(shù)據(jù)分析、輸出、顯示為一體。為了保證數(shù)據(jù)采集和波形顯示的實(shí)時(shí)性,設(shè)計(jì)中還采用了多線程技術(shù)。


2 系統(tǒng)組成和采集卡的硬件結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

虛擬示波器系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和專用軟件組成,其中,數(shù)據(jù)采集卡完成對(duì)輸入測(cè)量信號(hào)的調(diào)理采集和緩存,并通過(guò)計(jì)算機(jī)PCI總線送入內(nèi)存;計(jì)算機(jī)在應(yīng)用程序控制下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算,最后完成各種電量測(cè)試并在屏幕上用圖形或數(shù)據(jù)形式顯示。這一切均在人機(jī)交互方式下完成。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡的硬件結(jié)構(gòu)

本虛擬示波器采用Gage公司的CompuScope82G型高速數(shù)據(jù)采集卡作為PCI接口。采集卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該數(shù)據(jù)采集卡主要由前置濾波器、可程控衰減器、可程控模擬放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù),定時(shí)電路、振蕩電路、時(shí)序控制電路及PCI接口電路組成,其功能電路由數(shù)字控制邏輯電路統(tǒng)一控制。該卡是具有2個(gè)模擬量輸入通道的標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線插卡,卡上集成的2個(gè)高速8位ADC的工作頻率高達(dá)IGHz,在單通道工作模式下,2個(gè)ADC同時(shí)工作,分別在脈沖的上升沿和下降沿進(jìn)行轉(zhuǎn)換,所以最高采樣頻率可以達(dá)到2GHz??ㄉ吓渲糜?6M的高速存儲(chǔ)器,解決了高采樣率和相對(duì)較低PCI總線數(shù)據(jù)傳輸速率的匹配問(wèn)題。在使用之前必須對(duì)采集卡的硬件進(jìn)行配置,這些控制程序用到相應(yīng)的底層DAQ驅(qū)動(dòng)程序。通過(guò)采集卡自帶的DLL可以在程序中靈活地對(duì)硬件進(jìn)行控制,比如輸入阻抗、輸入電壓范圍、放大器增益、采樣頻率、每次采樣點(diǎn)數(shù)等。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 虛擬示波器的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

虛擬儀器較為重要的技術(shù)是軟件技術(shù)。目前,用于虛擬儀器開(kāi)發(fā)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要有二大類:一類是通用的可視化軟件編程環(huán)境,主要有Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等;另一類是一些公司推出的專用于虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件的編程環(huán)境,主要有NI公司的圖形化編程環(huán)境LabView及文本編程環(huán)境IabWindows/CVI、Agilent公司的圖形化編程環(huán)境Agilent VEE??紤]到軟件的靈活性、高效性和可移植性,本設(shè)計(jì)中采用visual C++作為虛擬示波器的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

3.2 軟件功能模塊

該虛擬示波器有5大功能模塊:信號(hào)采集、用戶界面、頻譜分析、數(shù)字濾波、波形顯示。

3.2.1信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊主要完成數(shù)據(jù)的采集,根據(jù)采集信號(hào)的不同選用不同的采樣頻率。該模塊中的應(yīng)用程序通過(guò)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序和硬件進(jìn)行通信,如果把該模塊放在程序主線程中實(shí)現(xiàn),那么,當(dāng)應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)主界面就會(huì)凍結(jié)。為了解決這個(gè)問(wèn)題,本文直接創(chuàng)建一種子線程來(lái)單獨(dú)完成與驅(qū)動(dòng)程序的通信任務(wù),讓主界面專用于響應(yīng)視窗界面的信息。在子線程中通過(guò)調(diào)用gage_start_capture()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。圖2示出數(shù)據(jù)采集流程。數(shù)據(jù)采集的主要代碼如下:

3.2.2用戶界面模塊

界面主要切分為3個(gè)視圖:主視圖基類為ScrollView,用于顯示波形;2個(gè)視圖基類為For-mView,1個(gè)用于動(dòng)態(tài)顯示采集數(shù)據(jù)的特征參數(shù),另1個(gè)用于對(duì)示波器進(jìn)行操作。整個(gè)軟件的主界面設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.2.3頻譜分析模塊

本軟件利用快速傅里葉變換(FFT)進(jìn)行頻譜分析。頻譜分析采用按時(shí)間抽取FFT算法,然后將幅值頻譜分析結(jié)果在用戶界面上以坐標(biāo)曲線形式顯示。進(jìn)行FFT時(shí)可以選擇點(diǎn)數(shù),有1024、2048、4096 3種選擇,如果點(diǎn)數(shù)不夠,程序自動(dòng)補(bǔ)零。

3.2.4數(shù)宇濾波模塊

本軟件可以對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行低通和高通濾波。首先根據(jù)給定通帶截止頻率、阻帶截止頻率、通帶衰減和阻帶衰減設(shè)計(jì)出巴特沃思(Butter-worth)模擬濾波器,再用雙線性變換法設(shè)計(jì)出數(shù)字濾波器。

3.2.5波形顯示模塊

虛擬示波器的工作原理是對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行高速采樣,采樣值被數(shù)字化后存儲(chǔ)起來(lái),當(dāng)重建波形時(shí)便從緩沖區(qū)取數(shù),然后用清晰、均勻一致的軌跡映像在屏幕上。由于采集的模擬波形經(jīng)數(shù)字化后成為一串離散數(shù)據(jù),因此,如何重建信號(hào)波形是虛擬示波器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。當(dāng)前的波形顯示主要有分段顯示和滾動(dòng)顯示。這里采用滾動(dòng)顯示,并且提出一種新的滾動(dòng)顯示算法,突破了滾動(dòng)顯示只能觀察變化緩慢的信號(hào)的限制。算法核心思想如下:

(1)得到所采集數(shù)據(jù)塊的第1個(gè)和最后1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)m_xMin和rn_xMax,m_xMax-m_xMin為波形的邏輯寬度。

(2)m_xMax-m_xMin的值為邏輯坐標(biāo),把它轉(zhuǎn)化為設(shè)備坐標(biāo)cx,用cx設(shè)定整個(gè)滾動(dòng)視圖的寬度。

(3)為了提高畫(huà)圖的效率,只需畫(huà)出滾動(dòng)視圖可視部分的圖形,也就是剪裁區(qū)的圖形,因此要得到剪裁區(qū)。

(4)畫(huà)出坐標(biāo)及剪裁區(qū)內(nèi)的一段波形。

(5)利用CSplitterWnd::DoSerollBy()函數(shù),根據(jù)采樣間隔的大小決定斷滾動(dòng)視圖速度的快慢。這樣視圖滾動(dòng)以后相應(yīng)的剪裁區(qū)也會(huì)發(fā)生改變,促使動(dòng)態(tài)畫(huà)出新的波形。

主要代碼如下:

4 實(shí)驗(yàn)與討論

在實(shí)驗(yàn)中使用該系統(tǒng)對(duì)正弦信號(hào)和鋸齒波信號(hào)進(jìn)行了采集,并對(duì)2個(gè)通道的信號(hào)分別進(jìn)行了頻譜分析。實(shí)驗(yàn)時(shí)示波器參數(shù)設(shè)置如下:采樣模式為雙通道,其中通道1對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行采樣,通道2對(duì)鋸齒波信號(hào)進(jìn)行采樣;采樣率為120Ms/s;采樣深度為16 000點(diǎn);觸發(fā)源為軟件觸發(fā);觸發(fā)時(shí)間極限為20ms;輸入信號(hào)電壓范圍為~5V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。達(dá)到了預(yù)定的效果。

本文基于Gage公司的CompuScope 82G型高速數(shù)據(jù)采集卡,用Visual C++編程工具設(shè)計(jì)出一種快速虛擬示波器試驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)的采集和動(dòng)態(tài)波形的顯示。同時(shí)提出一種新的波形滾動(dòng)算法,大大改觀了滾動(dòng)波形的動(dòng)態(tài)顯示效果。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)示波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的頻譜分析和數(shù)字濾波功能。采用Visual c++作為儀器編程語(yǔ)言使得編寫(xiě)的程序通用性和可移植性強(qiáng)。 Q1:對(duì)于百兆以太網(wǎng)信號(hào)和千兆比特以太網(wǎng) 要想測(cè)試出信號(hào)質(zhì)量 怎樣才能簡(jiǎn)單易行呢?用臺(tái)式設(shè)備推薦幾種?用便攜設(shè)備推薦幾種?

A1:以太網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量的測(cè)試可以使用泰克公司提供的業(yè)界廣泛使用的解決方案。具體的方案介紹和配置,請(qǐng)參閱泰克公司網(wǎng)站:http://www2.tek.com/cnweb/Measurement/applications/serial_data/ethernet.html

Q2:如何進(jìn)行電源測(cè)試?

A2:泰克提供全套的電源測(cè)試方案,包括各種電流探頭、電壓探頭、分析軟件??蓽y(cè)試電流幅度從1mA到20KA、帶寬從直流到2GHz;可測(cè)試的電壓,幅度從1mV到40KV,帶寬直流到1GHz(低壓可以到16GHz),這些范圍是業(yè)界廣泛的??梢詼y(cè)試項(xiàng)目包括:開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗、安全工作區(qū)域;磁性元件的電感、磁性損耗、BH曲線、導(dǎo)通率等;電源的紋波、功率因數(shù)、電流諧波分析等。其中多個(gè)測(cè)試項(xiàng),只有泰克提供。

Q3:示波器的存儲(chǔ)深度對(duì)信號(hào)測(cè)試影響有哪幾個(gè)方面?

A3:存儲(chǔ)深度會(huì)影響示波器的測(cè)試窗口和測(cè)試項(xiàng)目。比如,傳統(tǒng)示波器所配備的20GS/s的采樣率、最大1M的存儲(chǔ)深度或40GS/s的采樣率,最大2M的存儲(chǔ)深度,僅能采集50us的信號(hào)。

Q4:請(qǐng)舉例說(shuō)明數(shù)字熒光示波器在汽車(chē)電子設(shè)計(jì)和調(diào)試中的應(yīng)用。

A4:數(shù)字熒光示波器器提供了CAN總線和LIN總線的定時(shí)和協(xié)議解碼分析功能。它能同步解碼具有CAN和LIN總線的控制網(wǎng)絡(luò),測(cè)試網(wǎng)絡(luò)間的傳輸準(zhǔn)確性和錯(cuò)誤容限。通過(guò)測(cè)試晶振容限和傳輸延遲來(lái)定位網(wǎng)絡(luò)同步故障。通過(guò)集成的搜索功能實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)鏈路層上的故障調(diào)試。通過(guò)CAN信號(hào)的眼圖測(cè)試,能分析抖動(dòng)、幅度失真和毛刺等引起的CAN數(shù)據(jù)包上的噪聲。能用復(fù)雜的觸發(fā)條件:幀類型(數(shù)據(jù), 遠(yuǎn)程, 錯(cuò)誤, 過(guò)載)、標(biāo)識(shí)符、數(shù)據(jù)、確認(rèn)丟失和位填充錯(cuò)誤,來(lái)觸發(fā)采集定位信號(hào)的特征和故障。

Q5:請(qǐng)問(wèn)數(shù)字示波器能否直接測(cè)量AC220市電?如何測(cè)量市電?

A5:可以選擇高壓探頭。

Q6:應(yīng)該怎樣定義用戶所需要的觸發(fā)信號(hào)呢?

A6:建議通過(guò)DPO功能發(fā)現(xiàn)我們想要觸發(fā)信號(hào)的具體參數(shù),比如幅度時(shí)間等信息。

Q7:Cass-D功放經(jīng)電感輸出,我想測(cè)試輸出波形,請(qǐng)問(wèn)如何連接示波器探筆?

A7:示波器探頭連接到電感后即可。

Q8:抖動(dòng)參數(shù)可以設(shè)置嗎?比如時(shí)間、次數(shù)。

A8:實(shí)際測(cè)試抖動(dòng)的時(shí)候可以更改測(cè)試的樣本數(shù)(也就是測(cè)試時(shí)間/次數(shù))。

Q9:泰克的數(shù)字熒光示波器有什么功能?這個(gè)示波器與傳統(tǒng)的示波器有什么區(qū)別?

A9:最大的區(qū)別就在于大大提供了波形捕獲率,這個(gè)和刷新率不是一個(gè)概念,可以幫助我們從根本上提高捕獲偶發(fā)故障的概率。另外就是在顯示上即性能上的提升。

Q10:假設(shè)我要捕捉20MHz的射頻信號(hào),正弦信號(hào),我的示波器帶寬是否要1GHz的帶寬?

A10:如果是正弦信號(hào),就不需要1G那么高了。另外還有就是需要多高的帶寬和我們的測(cè)試精度要求有關(guān)。

Q11:怎樣調(diào)試DDR 或者DDR2 SDRAM?

A11:對(duì)于DDR和DDRII信號(hào),由于信號(hào)本身就沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn),所以準(zhǔn)確的測(cè)試應(yīng)該是針對(duì)不同DDR/DDRII芯片的要求來(lái)進(jìn)行測(cè)試,包括信號(hào)的電壓/時(shí)序關(guān)系等。

Q12:DPO最大優(yōu)勢(shì)是什么?選型注意要點(diǎn)是什么?

A12:最大的優(yōu)勢(shì)是非常高的波形捕獲率,能夠幫助我們發(fā)現(xiàn)偶發(fā)故障,同時(shí)可以幫助我們?cè)诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)積累足夠多的測(cè)試樣本。

Q13:如何用示波器測(cè)試PSRR?

A13:通常把滿量程電壓變化的百分?jǐn)?shù)與電源電壓變化的百分?jǐn)?shù)之比稱為電源抑制比.電源抑制比可分為交流電源抑制比和直流電源抑制比。
示波器探頭的安裝和使用方法

  探頭的安裝方法是很有講究的,如果安裝錯(cuò)誤很容易導(dǎo)致示波器檢測(cè)出現(xiàn)問(wèn)題。那么示波器探頭的安裝方法是什么呢?今天小編就來(lái)為大家介紹一下具體的安裝方法吧,希望可以幫助大家更加了解示波器的應(yīng)用。

  首先是帶寬,這個(gè)通常會(huì)在探頭上寫(xiě)明,多少M(fèi)Hz。如果探頭的帶寬不夠,示波器的帶寬再高也是無(wú)用,瓶頸效應(yīng)。

  另外就是探頭的阻抗匹配。探頭在使用之前應(yīng)該先對(duì)其阻抗匹配部分進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常在探頭的靠近示波器一端有一個(gè)可調(diào),有一些探頭在靠近探針一端也具有可調(diào)電容。它們是用來(lái)調(diào)節(jié)示波器探頭的阻抗匹配的。如果阻抗不匹配的話,測(cè)量到的波形將會(huì)變形。調(diào)節(jié)示波器探頭阻抗匹配的方法如下:首先將示波器的輸入選擇打在GND上,然后調(diào)節(jié)Y軸位移旋鈕使掃描線出現(xiàn)在示波器的中間。檢查這時(shí)的掃描線是否水平(即是否跟示波器的水平中線重合),如果不是,則需要調(diào)節(jié)水平平衡旋鈕(通常模擬示波器有這個(gè)調(diào)節(jié)端子,在小孔中,需要用螺絲刀伸進(jìn)去調(diào)節(jié)。數(shù)字示波器不用調(diào)節(jié))。

  然后,再將示波器的輸入選擇打到直流耦合上,并將示波器探頭接在示波器的測(cè)試信號(hào)輸出端上(一般示波器都帶有這輸出端子,通常是1KHz的方波信號(hào)),然后調(diào)節(jié)掃描時(shí)間旋鈕,使波形能夠顯示2個(gè)周期左右。調(diào)節(jié)Y軸增益旋鈕,使波形的峰-峰值在1/2屏幕寬度左右。然后觀察方波的上、下兩邊,看是否水平。如果出現(xiàn)過(guò)沖、傾斜等現(xiàn)象,則說(shuō)明需要調(diào)節(jié)探頭上的匹配電容。用小螺絲刀調(diào)節(jié)之,直到上下兩邊的波形都水平,沒(méi)有過(guò)沖為止。當(dāng)然,可能由于示波器探頭質(zhì)量的問(wèn)題,可能調(diào)不到完全無(wú)失真的效果,這時(shí)只能調(diào)到較佳效果了。

  另外就是示波器上還有一個(gè)選擇量程的小開(kāi)關(guān):X10和X1。當(dāng)選擇X1檔時(shí),信號(hào)是沒(méi)經(jīng)衰減進(jìn)入示波器的。而選擇X10檔時(shí),信號(hào)是經(jīng)過(guò)衰減到1/10再到示波器的。因此,當(dāng)使用示波器的X10檔時(shí),應(yīng)該將示波器上的讀數(shù)擴(kuò)大10倍(有些示波器,在示波器端可選擇X10檔,以配合探頭使用,這樣在示波器端也設(shè)置為X10檔后,直接讀數(shù)即可)。當(dāng)我們要測(cè)量較高電壓時(shí),就可以利用探頭的X10檔功能,將較高電壓衰減后進(jìn)入示波器。另外,X10檔的輸入阻抗比X1檔要高得多,所以在測(cè)試驅(qū)動(dòng)能力較弱的信號(hào)波形時(shí),把探頭打到X10檔可更好的測(cè)量。但要注意,在不甚明確信號(hào)電壓高低時(shí),也應(yīng)當(dāng)先用X10檔測(cè)一下,確認(rèn)電壓不是過(guò)高后再選用正確有量程檔測(cè)量,養(yǎng)成這樣的習(xí)慣是很有必要的,不然,哪天萬(wàn)一因?yàn)檫@樣損壞了示波器,要后悔就來(lái)不及了。

  經(jīng)常有人提問(wèn),為什么用示波器看不到晶振引腳上的波形?一個(gè)可能的原因就是因?yàn)槭褂玫氖翘筋^的X1檔,這時(shí)相當(dāng)于一個(gè)很重的負(fù)載(一個(gè)示波器探頭使用×1檔具有上百pF的電容)并聯(lián)在晶振電路中,導(dǎo)致電路停振了。正確的方法應(yīng)該是使用探頭的X10檔。這是使用中應(yīng)當(dāng)注意的,即或不停振,也有可能因過(guò)度改變振蕩條件而看不到真實(shí)的波形了。

標(biāo)簽: 示波器探頭
示波器探頭 示波器探頭的安裝和使用方法_示波器探頭

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