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基于高速數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器設計 示波器技術指標

時間:2020-07-29    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
1 引言

虛擬儀器(VI-ViItuaIInstrument)是指通過應用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與功能化硬件結(jié)合起來,用戶可通過友好的圖形界面操作計算機,就像在操作自己定義、自己設計的單個儀器一樣,從而完成對被測量的采集、處理、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲等。在這種儀器系統(tǒng)中,各種復雜測試功能、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示都完全由計算機軟件完成,在很多方面較傳統(tǒng)儀器有無法比擬的優(yōu)點,如使用靈活方便、測試功能豐富、價格低廉、一機多用等,這些使得虛擬儀器成為未來電子測量儀器發(fā)展的主要方向之一。

當今虛擬儀器系統(tǒng)開發(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時性,設計中還采用了多線程技術。


2 系統(tǒng)組成和采集卡的硬件結(jié)構

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、計算機和專用軟件組成,其中,數(shù)據(jù)采集卡完成對輸入測量信號的調(diào)理采集和緩存,并通過計算機PCI總線送入內(nèi)存;計算機在應用程序控制下對數(shù)據(jù)進行處理、運算,最后完成各種電量測試并在屏幕上用圖形或數(shù)據(jù)形式顯示。這一切均在人機交互方式下完成。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡的硬件結(jié)構

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、計數(shù),定時電路、振蕩電路、時序控制電路及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個模擬量輸入通道的標準的PCI總線插卡,卡上集成的2個高速8位ADC的工作頻率高達IGHz,在單通道工作模式下,2個ADC同時工作,分別在脈沖的上升沿和下降沿進行轉(zhuǎn)換,所以最高采樣頻率可以達到2GHz??ㄉ吓渲糜?6M的高速存儲器,解決了高采樣率和相對較低PCI總線數(shù)據(jù)傳輸速率的匹配問題。在使用之前必須對采集卡的硬件進行配置,這些控制程序用到相應的底層DAQ驅(qū)動程序。通過采集卡自帶的DLL可以在程序中靈活地對硬件進行控制,比如輸入阻抗、輸入電壓范圍、放大器增益、采樣頻率、每次采樣點數(shù)等。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 虛擬示波器的軟件開發(fā)環(huán)境

虛擬儀器較為重要的技術是軟件技術。目前,用于虛擬儀器開發(fā)的軟件開發(fā)平臺主要有二大類: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,本設計中采用visual C++作為虛擬示波器的開發(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:信號采集、用戶界面、頻譜分析、數(shù)字濾波、波形顯示。

3.2.1信號采集模塊

信號采集模塊主要完成數(shù)據(jù)的采集,根據(jù)采集信號的不同選用不同的采樣頻率。該模塊中的應用程序通過采集卡的驅(qū)動程序和硬件進行通信,如果把該模塊放在程序主線程中實現(xiàn),那么,當應用程序與驅(qū)動程序進行數(shù)據(jù)通信時主界面就會凍結(jié)。為了解決這個問題,本文直接創(chuàng)建一種子線程來單獨完成與驅(qū)動程序的通信任務,讓主界面專用于響應視窗界面的信息。在子線程中通過調(diào)用gage_start_capture()函數(shù)進行數(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個視圖:主視圖基類為ScrollView,用于顯示波形;2個視圖基類為For-mView,1個用于動態(tài)顯示采集數(shù)據(jù)的特征參數(shù),另1個用于對示波器進行操作。整個軟件的主界面設計如圖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)進行頻譜分析。頻譜分析采用按時間抽取FFT算法,然后將幅值頻譜分析結(jié)果在用戶界面上以坐標曲線形式顯示。進行FFT時可以選擇點數(shù),有1024、2048、4096 3種選擇,如果點數(shù)不夠,程序自動補零。

3.2.4數(shù)宇濾波模塊

本軟件可以對所采集的信號進行低通和高通濾波。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計出巴特沃思(Butter-worth)模擬濾波器,再用雙線性變換法設計出數(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信號波形進行高速采樣,采樣值被數(shù)字化后存儲起來,當重建波形時便從緩沖區(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,如何重建信號波形是虛擬示波器設計中的關鍵問題之一。當前的波形顯示主要有分段顯示和滾動顯示。這里采用滾動顯示,并且提出一種新的滾動顯示算法,突破了滾動顯示只能觀察變化緩慢的信號的限制。算法核心思想如下:

(1)得到所采集數(shù)據(jù)塊的第1個和最后1個數(shù)據(jù)點的橫坐標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,把它轉(zhuǎn)化為設備坐標cx,用cx設定整個滾動視圖的寬度。

(3)為了提高畫圖的效率,只需畫出滾動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)畫出坐標及剪裁區(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視圖速度的快慢。這樣視圖滾動以后相應的剪裁區(qū)也會發(fā)生改變,促使動態(tài)畫出新的波形。

主要代碼如下:

4 實驗與討論

在實驗中使用該系統(tǒng)對正弦信號和鋸齒波信號進行了采集,并對2個通道的信號分別進行了頻譜分析。實驗時示波器參數(shù)設置如下:采樣模式為雙通道,其中通道1對正弦信號進行采樣,通道2對鋸齒波信號進行采樣;采樣率為120Ms/s;采樣深度為16 000點;觸發(fā)源為軟件觸發(fā);觸發(fā)時間極限為20ms;輸入信號電壓范圍為~5V。實驗結(jié)果如圖4所示。達到了預定的效果。

本文基于Gage公司的CompuScope 82G型高速數(shù)據(jù)采集卡,用Visual C++編程工具設計出一種快速虛擬示波器試驗系統(tǒng),實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)的采集和動態(tài)波形的顯示。同時提出一種新的波形滾動算法,大大改觀了滾動波形的動態(tài)顯示效果。在此基礎上實現(xiàn)了傳統(tǒng)示波器無法實現(xiàn)的頻譜分析和數(shù)字濾波功能。采用Visual c++作為儀器編程語言使得編寫的程序通用性和可移植性強。 Q1:對于百兆以太網(wǎng)信號和千兆比特以太網(wǎng) 要想測試出信號質(zhì)量 怎樣才能簡單易行呢?用臺式設備推薦幾種?用便攜設備推薦幾種?

A1:以太網(wǎng)物理層信號質(zhì)量的測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,請參閱泰克公司網(wǎng)站:http://www2.tek.com/cnweb/Measurement/applications/serial_data/ethernet.html

Q2:如何進行電源測試?

A2:泰克提供全套的電源測試方案,包括各種電流探頭、電壓探頭、分析軟件??蓽y試電流幅度從1mA到20KA、帶寬從直流到2GHz;可測試的電壓,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試項目包括:開關器件的開關損耗、安全工作區(qū)域;磁性元件的電感、磁性損耗、BH曲線、導通率等;電源的紋波、功率因數(shù)、電流諧波分析等。其中多個測試項,只有泰克提供。

Q3:示波器的存儲深度對信號測試影響有哪幾個方面?

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

Q4:請舉例說明數(shù)字熒光示波器在汽車電子設計和調(diào)試中的應用。

A4:數(shù)字熒光示波器器提供了CAN總線和LIN總線的定時和協(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,測試網(wǎng)絡間的傳輸準確性和錯誤容限。通過測試晶振容限和傳輸延遲來定位網(wǎng)絡同步故障。通過集成的搜索功能實現(xiàn)在數(shù)據(jù)鏈路層上的故障調(diào)試。通過CAN信號的眼圖測試,能分析抖動、幅度失真和毛刺等引起的CAN數(shù)據(jù)包上的噪聲。能用復雜的觸發(fā)條件:幀類型(數(shù)據(jù), 遠程, 錯誤, 過載)、標識符、數(shù)據(jù)、確認丟失和位填充錯誤,來觸發(fā)采集定位信號的特征和故障。

Q5:請問數(shù)字示波器能否直接測量AC220市電?如何測量市電?

A5:可以選擇高壓探頭。

Q6:應該怎樣定義用戶所需要的觸發(fā)信號呢?

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

Q7:Cass-D功放經(jīng)電感輸出,我想測試輸出波形,請問如何連接示波器探筆?

A7:示波器探頭連接到電感后即可。

Q8:抖動參數(shù)可以設置嗎?比如時間、次數(shù)。

A8:實際測試抖動的時候可以更改測試的樣本數(shù)(也就是測試時間/次數(shù))。

Q9:泰克的數(shù)字熒光示波器有什么功能?這個示波器與傳統(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,這個和刷新率不是一個概念,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:假設我要捕捉20MHz的射頻信號,正弦信號,我的示波器帶寬是否要1GHz的帶寬?

A10:如果是正弦信號,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試精度要求有關。

Q11:怎樣調(diào)試DDR 或者DDR2 SDRAM?

A11:對于DDR和DDRII信號,由于信號本身就沒有標準,所以準確的測試應該是針對不同DDR/DDRII芯片的要求來進行測試,包括信號的電壓/時序關系等。

Q12:DPO最大優(yōu)勢是什么?選型注意要點是什么?

A12:最大的優(yōu)勢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,同時可以幫助我們在很短的時間內(nèi)積累足夠多的測試樣本。

Q13:如何用示波器測試PSRR?

A13:通常把滿量程電壓變化的百分數(shù)與電源電壓變化的百分數(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,如果安裝錯誤很容易導致示波器檢測出現(xiàn)問題。那么示波器探頭的安裝方法是什么呢?今天小編就來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用。

  首先是帶寬,這個通常會在探頭上寫明,多少MHz。如果探頭的帶寬不夠,示波器的帶寬再高也是無用,瓶頸效應。

  另外就是探頭的阻抗匹配。探頭在使用之前應該先對其阻抗匹配部分進行調(diào)節(jié)。通常在探頭的靠近示波器一端有一個可調(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,測量到的波形將會變形。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調(diào)節(jié)端子,在小孔中,需要用螺絲刀伸進去調(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試信號輸出端上(一般示波器都帶有這輸出端子,通常是1KHz的方波信號),然后調(diào)節(jié)掃描時間旋鈕,使波形能夠顯示2個周期左右。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)過沖、傾斜等現(xiàn)象,則說明需要調(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,沒有過沖為止。當然,可能由于示波器探頭質(zhì)量的問題,可能調(diào)不到完全無失真的效果,這時只能調(diào)到較佳效果了。

  另外就是示波器上還有一個選擇量程的小開關:X10和X1。當選擇X1檔時,信號是沒經(jīng)衰減進入示波器的。而選擇X10檔時,信號是經(jīng)過衰減到1/10再到示波器的。因此,當使用示波器的X10檔時,應該將示波器上的讀數(shù)擴大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置為X10檔后,直接讀數(shù)即可)。當我們要測量較高電壓時,就可以利用探頭的X10檔功能,將較高電壓衰減后進入示波器。另外,X10檔的輸入阻抗比X1檔要高得多,所以在測試驅(qū)動能力較弱的信號波形時,把探頭打到X10檔可更好的測量。但要注意,在不甚明確信號電壓高低時,也應當先用X10檔測一下,確認電壓不是過高后再選用正確有量程檔測量,養(yǎng)成這樣的習慣是很有必要的,不然,哪天萬一因為這樣損壞了示波器,要后悔就來不及了。

  經(jīng)常有人提問,為什么用示波器看不到晶振引腳上的波形?一個可能的原因就是因為使用的是探頭的X1檔,這時相當于一個很重的負載(一個示波器探頭使用×1檔具有上百pF的電容)并聯(lián)在晶振電路中,導致電路停振了。正確的方法應該是使用探頭的X10檔。這是使用中應當注意的,即或不停振,也有可能因過度改變振蕩條件而看不到真實的波形了。

標簽: 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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