本發(fā)明涉及電子測量領(lǐng)域，尤其是涉及一種多功能虛擬電子儀器。

背景技術(shù)：

隨著計算機技術(shù)、集成電路技術(shù)、電子測量技術(shù)的高速發(fā)展，電子測量儀器在科學(xué)研究、實驗教學(xué)以及工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的電子測量儀器由于造價昂貴、集成度不高、體積龐大、攜帶不方便等原因，阻礙了其進一步的發(fā)展和應(yīng)用，亟待一種解決方案改善現(xiàn)有電子儀器存在的弊端。

虛擬儀器相比于傳統(tǒng)儀器主要的優(yōu)點在于應(yīng)用的靈活性以及功能強大性。在虛擬儀器中，硬件僅用于信號的輸入輸出。這樣不僅減少了元器件的使用，節(jié)約了成本，提高了電路集成度，也使硬件體積更小，攜帶更加便捷。因此，虛擬儀器有逐步取代傳統(tǒng)儀器的趨勢。目前我國存在的虛擬電子測量儀器大都體積大、成本高、集成度低、攜帶不方便，或者硬件結(jié)構(gòu)過于簡單，缺少必要的硬件調(diào)理電路，因此沒有得到大范圍的推廣和應(yīng)用。

實驗室是高等院校教學(xué)體系的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、動手能力以及創(chuàng)新能力等方面發(fā)揮著巨大的作用。但由于實驗室本身場地和課時的限制，使學(xué)生對實驗室的一些常用電子測量儀器，例如信號發(fā)生器、示波器、萬用表等儀器的使用并不熟練，這要求物理實驗要不斷引入新的實驗方法，建立新的教學(xué)模式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決高等院校實驗室存在上述問題，本發(fā)明提供了一種多功能虛擬電子儀器。本發(fā)明結(jié)合虛擬儀器技術(shù)優(yōu)勢，設(shè)計出一種結(jié)合數(shù)字示波器、信號發(fā)生器、直流電壓源、直流電壓表、頻率特性儀以及邏輯分析儀功能的虛擬電子儀器。

本發(fā)明通過借助計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，最大程度的減少了硬件的開銷，從而使硬件電路體積更小、價格更加低廉、集成度更高、攜帶更加方便。不僅如此，本發(fā)明還拓寬了實驗室的時空概念，打破了傳統(tǒng)電子測試儀器的使用只能局限于實驗室的障礙。只需要擁有一臺計算機，學(xué)生便能夠隨時隨地做實驗，讓學(xué)生最大限度地利用實驗室資源，能進一步給學(xué)生以最大的自由空間，做到真正意義的全開放實驗室。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案是：提供了一種多功能虛擬電子儀器，該虛擬電子儀器由人機交互模塊、ARM控制模塊、輸入信號調(diào)理模塊、DDS模塊、輸出信號調(diào)理模塊、電源模塊以及調(diào)試模塊組成。其中人機交互模塊和ARM控制模塊之間通過USB 2.0接口進行通信，ARM控制模塊與輸入信號調(diào)理模塊、DDS模塊、輸出信號調(diào)理模塊以及調(diào)試模塊有電性連接，DDS模塊與輸出信號調(diào)理模塊具有電性連接，電源模塊為其他各個模塊提供所需電壓。

所述的人機交互模塊，利用計算機軟件LABVIEW制作上位機界面，能夠?qū)崿F(xiàn)與下位機相互傳遞信息，從而實現(xiàn)人機交互。具體包括：信號發(fā)生器前面板界面設(shè)計及背面板程序設(shè)計；示波器前面板界面設(shè)計及背面板程序設(shè)計；直流電壓表前面板界面設(shè)計及背面板程序設(shè)計；直流電壓源前面板界面設(shè)計及背面板程序設(shè)計；頻率特性儀前面板界面設(shè)計及背面板程序設(shè)計；邏輯分析儀前面板界面設(shè)計及背面板程序設(shè)計。

所述的ARM控制模塊，采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103系列單片機，負責(zé)與人機交互模塊進行通信；負責(zé)通過片內(nèi)ADC實現(xiàn)對輸入信號調(diào)理模塊調(diào)理后的信號進行采樣；以及控制DDS模塊、輸出信號調(diào)理模塊產(chǎn)生所需要的特定幅值、相位、頻率、直流偏置的各種波形。

所述的DDS模塊，負責(zé)輸出頻率、相位可調(diào)的正弦波、方波、三角波。DDS模塊主要是通過器件AD9833實現(xiàn)的，輸出信號的電壓幅值為600mV。

所述的輸出信號調(diào)理模塊，具體包括幅值衰減電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、差分放大電路，用于對DDS模塊輸出的600mV信號進行幅值調(diào)節(jié)和直流偏置，從而能夠輸出幅值范圍在-4V～4V之間，直流偏置電壓可調(diào)的正弦波、方波、三角波。

所述的輸入信號調(diào)理模塊，具體包括：開關(guān)電路、電壓跟隨器電路以及幅值調(diào)節(jié)電路，主要用于對幅值范圍在-5V～5V外部輸入信號進行幅值調(diào)節(jié)，使經(jīng)過調(diào)理后的信號能直接被ARM控制模塊的片內(nèi)ADC采樣。

所述的電源模塊，能夠產(chǎn)生5V，-5V，3.3V，2V四直流種電壓，為其他各個模塊提供各自所需電壓。所述的調(diào)試模塊，包括串口模塊、程序下載模塊、按鍵開關(guān)和貼片LED，這些模塊是為了使儀器更加方便調(diào)試和使用。

本發(fā)明所述的數(shù)字示波器由輸入信號調(diào)理模塊、ARM控制模塊、人機交互模塊和電源模塊組成。所述數(shù)字示波器能夠采集、顯示并存儲電壓幅值范圍在-5V～5V兩個通道信號的波形，通過上位機的示波器界面中可以測量并顯示兩個通道信號的頻率、相位，幅值最大值、最小值和峰值，可以選擇顯示直接耦合或者交流耦合的波形，還可以實現(xiàn)電平觸發(fā)、上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)和連續(xù)觸發(fā)四種觸發(fā)方式。本發(fā)明所述的數(shù)字示波器采樣率為857.73K Hz，最大輸入電流可以達到25mA，輸入阻抗約為1kΩ。

本發(fā)明所述的直流電壓表由輸入信號調(diào)理模塊、ARM控制模塊、人機交互模塊和電源模塊組成。所述的直流電壓表與數(shù)字示波器共用輸入信號調(diào)理模塊和ARM控制模塊，因此直流電壓表與所述數(shù)字示波器參數(shù)指標(biāo)相同。在上位機的直流電壓表界面中可以直接測量并顯示幅值范圍在-5V～5V兩個通道信號的直流電壓。

本發(fā)明所述的信號發(fā)生器由人機交互模塊、ARM控制模塊、DDS模塊、輸出信號調(diào)理模塊和電源模塊組成。通過設(shè)置上位機的信號發(fā)生器界面參數(shù)，可以產(chǎn)生波形、頻率、幅值、相位、直流偏置可調(diào)的雙通道信號。本發(fā)明所述的信號發(fā)生器輸出電壓范圍：-4V～4V，幅值衰減步進值：0.5dB；最大輸出電流：25mA；輸出頻率：0Hz～1MHz，頻率步進值為1Hz。

本發(fā)明所述的直流電壓源由人機交互模塊、ARM控制模塊和電源模塊組成。通過設(shè)置上位機的直流電壓源界面參數(shù)，可以實現(xiàn)控制單片機STM32F103的片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出至多兩路0～3.3V幅值可調(diào)的直流電壓。

本發(fā)明所述的邏輯分析儀由人機交互模塊、ARM控制模塊和電源模塊組成。通過設(shè)置上位機的邏輯分析儀界面參數(shù)，能夠控制單片機STM32F103獲取至多8路信號的邏輯電平，并將所述的至多8路信號的邏輯電平顯示在邏輯分析儀界面，所述的邏輯電平兼容TTL電平和CMOS電平。

本發(fā)明所述的頻率特性儀由人機交互模塊、ARM控制模塊、DDS模塊、輸出信號調(diào)理模塊、輸入信號調(diào)理模塊和電源模塊組成。所述的頻率特性儀能夠通過上位機控制信號發(fā)生器產(chǎn)生幅值已知的正弦波作為待測網(wǎng)絡(luò)的輸入信號，將待測網(wǎng)絡(luò)的輸出和幅值已知的正弦波接入數(shù)字示波器的測量引腳，測量出輸出信號與輸入信號的幅值和相位差，利用上位機便可以分析出待測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性，并用波特圖顯示出來。所述的頻率特性儀輸出正弦波電壓范圍：-4V～4V；輸出正弦信號頻率范圍：0Hz-100KHz，頻率步進值最小值為1Hz。

本發(fā)明的有益效果在于：

1.本發(fā)明集成度高，不僅在一塊PCB板上集成了信號發(fā)生器、示波器、頻率特性儀、邏輯分析儀、直流電壓源、直流電壓表這些儀器，而且還具有串口、開關(guān)、LED等模塊，可以作為STM32F103單片機開發(fā)板來使用。

2.本發(fā)明將實驗設(shè)備微型化，拋開計算機，外圍硬件尺寸只有10cm*8cm*3cm，方便攜帶，允許師生隨時隨地進行實驗，不僅適應(yīng)于課堂實驗教學(xué)，而且還可以用于課外學(xué)生自主實驗，能夠有效提高學(xué)生的自主性和動手能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神，從而提高綜合素質(zhì)。

3.本發(fā)明還具有硬件成本低的特點。通過PC機對數(shù)據(jù)的分析處理與顯示，降低了外圍硬件成本、減小了器件體積，也提高了系統(tǒng)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

4.本發(fā)明利用DDS芯片產(chǎn)生各種波形，相比利用單片機片內(nèi)模擬DDS原理產(chǎn)生信號，本發(fā)明具有輸出信號帶寬長，精度高等優(yōu)點；相比利用計算機產(chǎn)生信號并用數(shù)據(jù)采集卡輸出信號，本發(fā)明大大降低了成本和減小了外圍硬件的體積。而且本發(fā)明還可以通過全數(shù)字控制輸出信號幅值可調(diào)、直流偏置電壓可調(diào)的功能。

5.本發(fā)明提供了一種全新的教學(xué)理念，拓寬了實驗的時空概念，既滿足了學(xué)生的學(xué)習(xí)需求又給他們自主安排學(xué)習(xí)時間留有余地，有助于學(xué)生個性化發(fā)展，有利于培養(yǎng)實踐能力強的高素質(zhì)人才，為科技精英型的拔尖人才培養(yǎng)提供條件和空間，使實驗教學(xué)在開放式的基礎(chǔ)上向研究性過渡。

附圖說明

圖1為本發(fā)明整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明整體系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖。

圖3為本發(fā)明的DDS模塊電路原理圖。

圖4為本發(fā)明的輸出信號調(diào)理模塊電路原理圖。

圖5為本發(fā)明的輸入信號調(diào)理模塊的幅值調(diào)節(jié)電路原理圖。

具體實施方式

一種多功能虛擬電子儀器，包括數(shù)字示波器、信號發(fā)生器、直流電壓源、直流電壓表、頻譜分析儀以及邏輯分析儀等功能的虛擬儀器。系統(tǒng)由人機交互模塊、ARM控制模塊、輸入信號調(diào)理模塊、DDS模塊、輸出信號調(diào)理模塊、電源模塊以及調(diào)試模塊組成。其中人機交互模塊通過USB與ARM控制模塊進行通信連接，ARM控制模塊與輸入信號調(diào)理模塊、DDS模塊、輸出信號調(diào)理模塊、調(diào)試模塊具有電性連接，DDS模塊與輸出信號調(diào)理模塊具有電性連接，電源模塊為其余各個模塊提供所需電壓。

如圖1所示的電源模塊，由計算機USB接口提供5V電壓，并為所述的虛擬電子儀器提供5V電壓；由電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2663將5V電壓轉(zhuǎn)化為-5V電壓，并為所述的虛擬電子儀器提供-5V電壓；由穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3將5V電壓轉(zhuǎn)化為3.3V電壓，并為所述的虛擬電子儀器提供3.3V電壓，由2kΩ和3kΩ電阻對5V電壓分壓產(chǎn)生2V電壓，并為所述的虛擬電子儀器提供2V電壓。

如圖1所示的調(diào)試模塊，包括串口模塊、程序下載模塊、按鍵開關(guān)和貼片LED，這些模塊主要是為了使儀器更加方便調(diào)試和使用。

如圖1所示的人機交互模塊，利用計算機軟件LABVIEW制作各個儀器的上位機界面，操作者通過在上位機中設(shè)置相應(yīng)儀器參數(shù)，上位機便能夠通過USB通信將儀器參數(shù)和命令傳遞給ARM控制模塊，之后PC機能夠與ARM控制模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)人機交互。

如圖2所示的ARM控制模塊，采用ST公司開發(fā)的STM32F103系列單片機，該系列單片機內(nèi)置USB 2.0接口，負責(zé)實現(xiàn)上位機與下位機之間的USB數(shù)據(jù)傳輸；負責(zé)控制片內(nèi)ADC對輸入信號調(diào)理模塊調(diào)理過后的信號進行采樣；負責(zé)控制DDS模塊、輸出信號調(diào)理模塊產(chǎn)生所需要的特定幅值、相位、頻率、直流偏置的各種波形；負責(zé)控制單片機片內(nèi)DAC產(chǎn)生直流電壓以及控制輸入端口采集至多8路邏輯信號。

如圖3所示的DDS模塊，采用可編程波形發(fā)生器芯片AD9833，負責(zé)輸出頻率、相位可調(diào)的正弦波、方波和三角波。ARM控制模塊通過對芯片AD9833軟件編程，能夠改變DDS模塊輸出信號的頻率、相位和波形。由于DDS模塊輸出信號的電壓幅值為固定的600mV，因此DDS模塊產(chǎn)生的信號還需要經(jīng)過輸出信號調(diào)理模塊，對信號幅值和直流偏置電壓進一步調(diào)節(jié)。

如圖1、圖4所示的輸出信號調(diào)理模塊，具體包括幅值衰減電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、差分放大電路，用于實現(xiàn)對DDS模塊輸出信號做進一步幅值調(diào)節(jié)和直流偏置。DDS模塊輸出頻率、相位、波形確定的信號后，首先需要經(jīng)過幅值衰減電路。幅值衰減電路主要通過音頻音量控制芯片PGA2311實現(xiàn)，該芯片具有-95.5dB到+31.5dB的衰減及增益范圍，衰減及增益步進值為0.5dB，噪聲小、失真率低，可以實現(xiàn)對信號幅值初步的放大和衰減。信號在經(jīng)過幅值衰減電路后，接入差分放大電路的正向輸入端。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC7562，能夠被ARM控制模塊編程控制，用于提供至多兩路直流偏置電壓，一路負責(zé)提供正向直流偏置電壓，一路提供反向直流偏置電壓。差分放大電路主要通過差分儀表放大器芯片INA2128實現(xiàn)，負責(zé)對經(jīng)過幅值衰減電路調(diào)理的信號做進一步的直流偏置和放大。信號在經(jīng)過幅值衰減電路調(diào)理后，接入差分放大器INA2128的正向輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的兩路直流電壓一路接入INA2128的反向輸入端，提供負向直流偏置電壓，一路接入INA2128的參考電壓端，提供正向直流偏置電壓，最終在INA2128的輸出端引腳輸出經(jīng)過幅值調(diào)節(jié)后的信號。

如圖1、圖2所示的輸入信號調(diào)理模塊，具體包括開關(guān)電路、電壓跟隨器電路以及幅值調(diào)節(jié)電路。輸入信號調(diào)理模塊用于調(diào)節(jié)外部輸入信號幅值以及實現(xiàn)阻抗匹配，提高帶負載能力，信號經(jīng)過調(diào)理后可以直接被ARM控制模塊的片內(nèi)ADC采集。開關(guān)電路采用芯片74HC4053，通過ARM控制模塊編程控制74HC4053接通不同的通道，實現(xiàn)對采集信號直流耦合和交流耦合檔位的選擇。電壓跟隨器電路采用雙路精密運算放大器LMP7702來實現(xiàn)，起到阻抗匹配和提高帶負載能力的作用。如圖5所示，輸入信號幅值調(diào)節(jié)電路實現(xiàn)對輸入信號幅值調(diào)節(jié)的功能，能夠使輸入信號變?yōu)樵瓉淼?.2倍并加上2V直流偏置，從而能夠直接被ARM控制模塊片內(nèi)的ADC采集。輸入信號幅值調(diào)節(jié)電路主要采用運算放大器芯片AD8065和TL072實現(xiàn)，其中運算放大器TL072主要負責(zé)實現(xiàn)對信號的直流偏置，運算放大器AD8065負責(zé)實現(xiàn)將輸入信號幅值衰減為原來0.2倍。

實施例1信號發(fā)生器的使用

(1)操作者首先打開電腦端的上位機程序，并打開上位機總開關(guān)；(2)將下位機通過USB線接入計算機，并打開下位機電源開關(guān)，等待電源指示燈發(fā)光；(3)在上位機界面中選擇儀器功能，將功能選擇開關(guān)撥到信號發(fā)生器的位置，上位機自動進入信號發(fā)生器界面；(4)在信號發(fā)生器界面中設(shè)置信號的波形、頻率、幅值、相位、直流偏置電壓以及選擇產(chǎn)生信號的通道，之后點擊信號發(fā)生器界面的設(shè)置按鍵；(5)根據(jù)選擇的通道使用信號發(fā)生器的A輸出端或者B輸出端(6)如果需要重復(fù)實驗，重復(fù)操作步奏(4)～(6)即可；(7)操作結(jié)束，關(guān)掉上位機總開關(guān)和下位機電源開關(guān)。

實施例2頻率特性儀的使用

(1)操作者首先打開電腦端的上位機程序，并打開上位機總開關(guān)；(2)將下位機通過USB線接入計算機，并打開下位機電源開關(guān)，等待電源指示燈發(fā)光；(3)在上位機界面中選擇儀器功能，將功能選擇開關(guān)撥到頻率特性儀的位置，上位機自動進入頻率特性儀界面；(4)在頻率特性儀界面中設(shè)置正弦波的起始頻率、截止頻率、幅值、頻率步進值以及設(shè)置半對數(shù)坐標(biāo)圖的橫縱坐標(biāo)范圍，之后點擊頻率特性儀界面的設(shè)置按鍵；(5)將產(chǎn)生正弦波的信號發(fā)生器輸出端A引腳接入示波器A輸入端測量引腳，將待測網(wǎng)絡(luò)的輸出端接入示波器的B輸入端測量引腳；(6)在頻率特性儀界面中會顯示出待測網(wǎng)絡(luò)的波特圖，包括幅頻響應(yīng)曲線和相頻響應(yīng)曲線，可以選擇將波特圖保存成圖像或者保存為文檔文件；(7)如果需要重復(fù)實驗，重復(fù)操作步奏(4)～(7)即可；(8)操作結(jié)束，關(guān)掉上位機總開關(guān)和下位機電源開關(guān)。