X
你好,欢迎来到仪多多。请登录 免费注册
仪器交易网
0我的购物车 >
购物车中还没有商品,赶紧选购吧!

基于高速数据采集卡的虚拟示波器设计 示波器技术指标

时间:2020-07-29    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
1 引言

虚拟仪器(VI-ViItuaIInstrument)是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来,用户可通过友好的图形界面操作计算机,就像在操作自己定义、自己设计的单个仪器一样,从而完成对被测量的采集、处理、分析、判断、显示、数据存储等。在这种仪器系统中,各种复杂测试功能、数据分析和结果显示都完全由计算机软件完成,在很多方面较传统仪器有无法比拟的优点,如使用灵活方便、测试功能丰富、价格低廉、一机多用等,这些使得虚拟仪器成为未来电子测量仪器发展的主要方向之一。

当今虚拟仪器系统开发采用的总线包括传统的Rs232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线、PCI总线和IEEE 1394总线即Firewire(也叫做火线)。

本文介绍基于PCI总线接口的CompuS,cope82G型高速数据采集卡和Visual C++编程工具的快速虚拟示波器试验系统,该系统集波形采集、数据分析、输出、显示为一体。为了保证数据采集和波形显示的实时性,设计中还采用了多线程技术。


2 系统组成和采集卡的硬件结构

2.1 系统组成

虚拟示波器系统主要由数据采集卡、计算机和专用软件组成,其中,数据采集卡完成对输入测量信号的调理采集和缓存,并通过计算机PCI总线送入内存;计算机在应用程序控制下对数据进行处理、运算,最后完成各种电量测试并在屏幕上用图形或数据形式显示。这一切均在人机交互方式下完成。

2.2 数据采集卡的硬件结构

本虚拟示波器采用Gage公司的CompuScope82G型高速数据采集卡作为PCI接口。采集卡的硬件结构如图1所示。

该数据采集卡主要由前置滤波器、可程控衰减器、可程控模拟放大电路、A/D转换器、D/A转换器、计数,定时电路、振荡电路、时序控制电路及PCI接口电路组成,其功能电路由数字控制逻辑电路统一控制。该卡是具有2个模拟量输入通道的标准的PCI总线插卡,卡上集成的2个高速8位ADC的工作频率高达IGHz,在单通道工作模式下,2个ADC同时工作,分别在脉冲的上升沿和下降沿进行转换,所以最高采样频率可以达到2GHz。卡上配置有16M的高速存储器,解决了高采样率和相对较低PCI总线数据传输速率的匹配问题。在使用之前必须对采集卡的硬件进行配置,这些控制程序用到相应的底层DAQ驱动程序。通过采集卡自带的DLL可以在程序中灵活地对硬件进行控制,比如输入阻抗、输入电压范围、放大器增益、采样频率、每次采样点数等。

3 系统的软件设计

3.1 虚拟示波器的软件开发环境

虚拟仪器较为重要的技术是软件技术。目前,用于虚拟仪器开发的软件开发平台主要有二大类:一类是通用的可视化软件编程环境,主要有Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等;另一类是一些公司推出的专用于虚拟仪器开发软件的编程环境,主要有NI公司的图形化编程环境LabView及文本编程环境IabWindows/CVI、Agilent公司的图形化编程环境Agilent VEE。考虑到软件的灵活性、高效性和可移植性,本设计中采用visual C++作为虚拟示波器的开发环境。

3.2 软件功能模块

该虚拟示波器有5大功能模块:信号采集、用户界面、频谱分析、数字滤波、波形显示。

3.2.1信号采集模块

信号采集模块主要完成数据的采集,根据采集信号的不同选用不同的采样频率。该模块中的应用程序通过采集卡的驱动程序和硬件进行通信,如果把该模块放在程序主线程中实现,那么,当应用程序与驱动程序进行数据通信时主界面就会冻结。为了解决这个问题,本文直接创建一种子线程来单独完成与驱动程序的通信任务,让主界面专用于响应视窗界面的信息。在子线程中通过调用gage_start_capture()函数进行数据的采集。图2示出数据采集流程。数据采集的主要代码如下:

3.2.2用户界面模块

界面主要切分为3个视图:主视图基类为ScrollView,用于显示波形;2个视图基类为For-mView,1个用于动态显示采集数据的特征参数,另1个用于对示波器进行操作。整个软件的主界面设计如图3所示。

3.2.3频谱分析模块

本软件利用快速傅里叶变换(FFT)进行频谱分析。频谱分析采用按时间抽取FFT算法,然后将幅值频谱分析结果在用户界面上以坐标曲线形式显示。进行FFT时可以选择点数,有1024、2048、4096 3种选择,如果点数不够,程序自动补零。

3.2.4数宇滤波模块

本软件可以对所采集的信号进行低通和高通滤波。首先根据给定通带截止频率、阻带截止频率、通带衰减和阻带衰减设计出巴特沃思(Butter-worth)模拟滤波器,再用双线性变换法设计出数字滤波器。

3.2.5波形显示模块

虚拟示波器的工作原理是对信号波形进行高速采样,采样值被数字化后存储起来,当重建波形时便从缓冲区取数,然后用清晰、均匀一致的轨迹映像在屏幕上。由于采集的模拟波形经数字化后成为一串离散数据,因此,如何重建信号波形是虚拟示波器设计中的关键问题之一。当前的波形显示主要有分段显示和滚动显示。这里采用滚动显示,并且提出一种新的滚动显示算法,突破了滚动显示只能观察变化缓慢的信号的限制。算法核心思想如下:

(1)得到所采集数据块的第1个和最后1个数据点的横坐标m_xMin和rn_xMax,m_xMax-m_xMin为波形的逻辑宽度。

(2)m_xMax-m_xMin的值为逻辑坐标,把它转化为设备坐标cx,用cx设定整个滚动视图的宽度。

(3)为了提高画图的效率,只需画出滚动视图可视部分的图形,也就是剪裁区的图形,因此要得到剪裁区。

(4)画出坐标及剪裁区内的一段波形。

(5)利用CSplitterWnd::DoSerollBy()函数,根据采样间隔的大小决定断滚动视图速度的快慢。这样视图滚动以后相应的剪裁区也会发生改变,促使动态画出新的波形。

主要代码如下:

4 实验与讨论

在实验中使用该系统对正弦信号和锯齿波信号进行了采集,并对2个通道的信号分别进行了频谱分析。实验时示波器参数设置如下:采样模式为双通道,其中通道1对正弦信号进行采样,通道2对锯齿波信号进行采样;采样率为120Ms/s;采样深度为16 000点;触发源为软件触发;触发时间极限为20ms;输入信号电压范围为~5V。实验结果如图4所示。达到了预定的效果。

本文基于Gage公司的CompuScope 82G型高速数据采集卡,用Visual C++编程工具设计出一种快速虚拟示波器试验系统,实现了高速数据的采集和动态波形的显示。同时提出一种新的波形滚动算法,大大改观了滚动波形的动态显示效果。在此基础上实现了传统示波器无法实现的频谱分析和数字滤波功能。采用Visual c++作为仪器编程语言使得编写的程序通用性和可移植性强。 Q1:对于百兆以太网信号和千兆比特以太网 要想测试出信号质量 怎样才能简单易行呢?用台式设备推荐几种?用便携设备推荐几种?

A1:以太网物理层信号质量的测试可以使用泰克公司提供的业界广泛使用的解决方案。具体的方案介绍和配置,请参阅泰克公司网站:http://www2.tek.com/cnweb/Measurement/applications/serial_data/ethernet.html

Q2:如何进行电源测试?

A2:泰克提供全套的电源测试方案,包括各种电流探头、电压探头、分析软件。可测试电流幅度从1mA到20KA、带宽从直流到2GHz;可测试的电压,幅度从1mV到40KV,带宽直流到1GHz(低压可以到16GHz),这些范围是业界广泛的。可以测试项目包括:开关器件的开关损耗、安全工作区域;磁性元件的电感、磁性损耗、BH曲线、导通率等;电源的纹波、功率因数、电流谐波分析等。其中多个测试项,只有泰克提供。

Q3:示波器的存储深度对信号测试影响有哪几个方面?

A3:存储深度会影响示波器的测试窗口和测试项目。比如,传统示波器所配备的20GS/s的采样率、最大1M的存储深度或40GS/s的采样率,最大2M的存储深度,仅能采集50us的信号。

Q4:请举例说明数字荧光示波器在汽车电子设计和调试中的应用。

A4:数字荧光示波器器提供了CAN总线和LIN总线的定时和协议解码分析功能。它能同步解码具有CAN和LIN总线的控制网络,测试网络间的传输准确性和错误容限。通过测试晶振容限和传输延迟来定位网络同步故障。通过集成的搜索功能实现在数据链路层上的故障调试。通过CAN信号的眼图测试,能分析抖动、幅度失真和毛刺等引起的CAN数据包上的噪声。能用复杂的触发条件:帧类型(数据, 远程, 错误, 过载)、标识符、数据、确认丢失和位填充错误,来触发采集定位信号的特征和故障。

Q5:请问数字示波器能否直接测量AC220市电?如何测量市电?

A5:可以选择高压探头。

Q6:应该怎样定义用户所需要的触发信号呢?

A6:建议通过DPO功能发现我们想要触发信号的具体参数,比如幅度时间等信息。

Q7:Cass-D功放经电感输出,我想测试输出波形,请问如何连接示波器探笔?

A7:示波器探头连接到电感后即可。

Q8:抖动参数可以设置吗?比如时间、次数。

A8:实际测试抖动的时候可以更改测试的样本数(也就是测试时间/次数)。

Q9:泰克的数字荧光示波器有什么功能?这个示波器与传统的示波器有什么区别?

A9:最大的区别就在于大大提供了波形捕获率,这个和刷新率不是一个概念,可以帮助我们从根本上提高捕获偶发故障的概率。另外就是在显示上即性能上的提升。

Q10:假设我要捕捉20MHz的射频信号,正弦信号,我的示波器带宽是否要1GHz的带宽?

A10:如果是正弦信号,就不需要1G那么高了。另外还有就是需要多高的带宽和我们的测试精度要求有关。

Q11:怎样调试DDR 或者DDR2 SDRAM?

A11:对于DDR和DDRII信号,由于信号本身就没有标准,所以准确的测试应该是针对不同DDR/DDRII芯片的要求来进行测试,包括信号的电压/时序关系等。

Q12:DPO最大优势是什么?选型注意要点是什么?

A12:最大的优势是非常高的波形捕获率,能够帮助我们发现偶发故障,同时可以帮助我们在很短的时间内积累足够多的测试样本。

Q13:如何用示波器测试PSRR?

A13:通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比.电源抑制比可分为交流电源抑制比和直流电源抑制比。
示波器探头的安装和使用方法

  探头的安装方法是很有讲究的,如果安装错误很容易导致示波器检测出现问题。那么示波器探头的安装方法是什么呢?今天小编就来为大家介绍一下具体的安装方法吧,希望可以帮助大家更加了解示波器的应用。

  首先是带宽,这个通常会在探头上写明,多少MHz。如果探头的带宽不够,示波器的带宽再高也是无用,瓶颈效应。

  另外就是探头的阻抗匹配。探头在使用之前应该先对其阻抗匹配部分进行调节。通常在探头的靠近示波器一端有一个可调,有一些探头在靠近探针一端也具有可调电容。它们是用来调节示波器探头的阻抗匹配的。如果阻抗不匹配的话,测量到的波形将会变形。调节示波器探头阻抗匹配的方法如下:首先将示波器的输入选择打在GND上,然后调节Y轴位移旋钮使扫描线出现在示波器的中间。检查这时的扫描线是否水平(即是否跟示波器的水平中线重合),如果不是,则需要调节水平平衡旋钮(通常模拟示波器有这个调节端子,在小孔中,需要用螺丝刀伸进去调节。数字示波器不用调节)。

  然后,再将示波器的输入选择打到直流耦合上,并将示波器探头接在示波器的测试信号输出端上(一般示波器都带有这输出端子,通常是1KHz的方波信号),然后调节扫描时间旋钮,使波形能够显示2个周期左右。调节Y轴增益旋钮,使波形的峰-峰值在1/2屏幕宽度左右。然后观察方波的上、下两边,看是否水平。如果出现过冲、倾斜等现象,则说明需要调节探头上的匹配电容。用小螺丝刀调节之,直到上下两边的波形都水平,没有过冲为止。当然,可能由于示波器探头质量的问题,可能调不到完全无失真的效果,这时只能调到较佳效果了。

  另外就是示波器上还有一个选择量程的小开关:X10和X1。当选择X1档时,信号是没经衰减进入示波器的。而选择X10档时,信号是经过衰减到1/10再到示波器的。因此,当使用示波器的X10档时,应该将示波器上的读数扩大10倍(有些示波器,在示波器端可选择X10档,以配合探头使用,这样在示波器端也设置为X10档后,直接读数即可)。当我们要测量较高电压时,就可以利用探头的X10档功能,将较高电压衰减后进入示波器。另外,X10档的输入阻抗比X1档要高得多,所以在测试驱动能力较弱的信号波形时,把探头打到X10档可更好的测量。但要注意,在不甚明确信号电压高低时,也应当先用X10档测一下,确认电压不是过高后再选用正确有量程档测量,养成这样的习惯是很有必要的,不然,哪天万一因为这样损坏了示波器,要后悔就来不及了。

  经常有人提问,为什么用示波器看不到晶振引脚上的波形?一个可能的原因就是因为使用的是探头的X1档,这时相当于一个很重的负载(一个示波器探头使用×1档具有上百pF的电容)并联在晶振电路中,导致电路停振了。正确的方法应该是使用探头的X10档。这是使用中应当注意的,即或不停振,也有可能因过度改变振荡条件而看不到真实的波形了。

标签: 示波器探头
示波器探头 示波器探头的安装和使用方法_示波器探头

上一篇:双金属温度计应用中的误区 双金...

下一篇:冷热冲击试验箱技术参数

  • 手机多多
  • 官方微信订阅号
商品已成功加入购物车!