本發明涉及電子測量領域，尤其是涉及一種多功能虛擬電子儀器。

背景技術：

隨著計算機技術、集成電路技術、電子測量技術的高速發展，電子測量儀器在科學研究、實驗教學以及工業生產中得到了廣泛的應用。傳統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展和應用，亟待一種解決方案改善現有電子儀器存在的弊端。

虛擬儀器相比于傳統儀器主要的優點在于應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，或者硬件結構過于簡單，缺少必要的硬件調理電路，因此沒有得到大范圍的推廣和應用。

實驗室是高等院校教學體系的重要組成部分，在培養學生科學素質、動手能力以及創新能力等方面發揮著巨大的作用。但由于實驗室本身場地和課時的限制，使學生對實驗室的一些常用電子測量儀器，例如信號發生器、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，建立新的教學模式。

技術實現要素：

為了解決高等院校實驗室存在上述問題，本發明提供了一種多功能虛擬電子儀器。本發明結合虛擬儀器技術優勢，設計出一種結合數字示波器、信號發生器、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。

本發明通過借助計算機強大的數據處理能力，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，本發明還拓寬了實驗室的時空概念，打破了傳統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，學生便能夠隨時隨地做實驗，讓學生最大限度地利用實驗室資源，能進一步給學生以最大的自由空間，做到真正意義的全開放實驗室。

本發明解決其技術問題的技術方案是：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、輸入信號調理模塊、DDS模塊、輸出信號調理模塊、電源模塊以及調試模塊組成。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理模塊、DDS模塊、輸出信號調理模塊以及調試模塊有電性連接，DDS模塊與輸出信號調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，能夠實現與下位機相互傳遞信息，從而實現人機交互。具體包括：信號發生器前面板界面設計及背面板程序設計；示波器前面板界面設計及背面板程序設計；直流電壓表前面板界面設計及背面板程序設計；直流電壓源前面板界面設計及背面板程序設計；頻率特性儀前面板界面設計及背面板程序設計；邏輯分析儀前面板界面設計及背面板程序設計。

所述的ARM控制模塊，采用ST公司生產的STM32F103系列單片機，負責與人機交互模塊進行通信；負責通過片內ADC實現對輸入信號調理模塊調理后的信號進行采樣；以及控制DDS模塊、輸出信號調理模塊產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，負責輸出頻率、相位可調的正弦波、方波、三角波。DDS模塊主要是通過器件AD9833實現的，輸出信號的電壓幅值為600mV。

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

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

所述的電源模塊，能夠產生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。所述的調試模塊，包括串口模塊、程序下載模塊、按鍵開關和貼片LED，這些模塊是為了使儀器更加方便調試和使用。

本發明所述的數字示波器由輸入信號調理模塊、ARM控制模塊、人機交互模塊和電源模塊組成。所述數字示波器能夠采集、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，還可以實現電平觸發、上升沿觸發、下降沿觸發和連續觸發四種觸發方式。本發明所述的數字示波器采樣率為857.73K Hz，最大輸入電流可以達到25mA，輸入阻抗約為1kΩ。

本發明所述的直流電壓表由輸入信號調理模塊、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字示波器共用輸入信號調理模塊和ARM控制模塊，因此直流電壓表與所述數字示波器參數指標相同。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。

本發明所述的信號發生器由人機交互模塊、ARM控制模塊、DDS模塊、輸出信號調理模塊和電源模塊組成。通過設置上位機的信號發生器界面參數，可以產生波形、頻率、幅值、相位、直流偏置可調的雙通道信號。本發明所述的信號發生器輸出電壓范圍：-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。通過設置上位機的直流電壓源界面參數，可以實現控制單片機STM32F103的片內模數轉換器輸出至多兩路0～3.3V幅值可調的直流電壓。

本發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。通過設置上位機的邏輯分析儀界面參數，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、輸出信號調理模塊、輸入信號調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生器產生幅值已知的正弦波作為待測網絡的輸入信號，將待測網絡的輸出和幅值已知的正弦波接入數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絡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。

本發明的有益效果在于：

1.本發明集成度高，不僅在一塊PCB板上集成了信號發生器、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、LED等模塊，可以作為STM32F103單片機開發板來使用。

2.本發明將實驗設備微型化，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，不僅適應于課堂實驗教學，而且還可以用于課外學生自主實驗，能夠有效提高學生的自主性和動手能力，培養學生創新精神，從而提高綜合素質。

3.本發明還具有硬件成本低的特點。通過PC機對數據的分析處理與顯示，降低了外圍硬件成本、減小了器件體積，也提高了系統準確性和穩定性。

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

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

附圖說明

圖1為本發明整體系統結構框圖。

圖2為本發明整體系統功能結構框圖。

圖3為本發明的DDS模塊電路原理圖。

圖4為本發明的輸出信號調理模塊電路原理圖。

圖5為本發明的輸入信號調理模塊的幅值調節電路原理圖。

具體實施方式

一種多功能虛擬電子儀器，包括數字示波器、信號發生器、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。系統由人機交互模塊、ARM控制模塊、輸入信號調理模塊、DDS模塊、輸出信號調理模塊、電源模塊以及調試模塊組成。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理模塊、DDS模塊、輸出信號調理模塊、調試模塊具有電性連接，DDS模塊與輸出信號調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；由電壓轉換芯片LM2663將5V電壓轉化為-5V電壓，并為所述的虛擬電子儀器提供-5V電壓；由穩壓芯片LM1117-3.3將5V電壓轉化為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所示的調試模塊，包括串口模塊、程序下載模塊、按鍵開關和貼片LED，這些模塊主要是為了使儀器更加方便調試和使用。

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置相應儀器參數，上位機便能夠通過USB通信將儀器參數和命令傳遞給ARM控制模塊，之后PC機能夠與ARM控制模塊進行數據傳輸，從而實現人機交互。

如圖2所示的ARM控制模塊，采用ST公司開發的STM32F103系列單片機，該系列單片機內置USB 2.0接口，負責實現上位機與下位機之間的USB數據傳輸；負責控制片內ADC對輸入信號調理模塊調理過后的信號進行采樣；負責控制DDS模塊、輸出信號調理模塊產生所需要的特定幅值、相位、頻率、直流偏置的各種波形；負責控制單片機片內DAC產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，采用可編程波形發生器芯片AD9833，負責輸出頻率、相位可調的正弦波、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模塊產生的信號還需要經過輸出信號調理模塊，對信號幅值和直流偏置電壓進一步調節。

如圖1、圖4所示的輸出信號調理模塊，具體包括幅值衰減電路、模數轉換電路、差分放大電路，用于實現對DDS模塊輸出信號做進一步幅值調節和直流偏置。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，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，可以實現對信號幅值初步的放大和衰減。信號在經過幅值衰減電路后，接入差分放大電路的正向輸入端。模數轉換電路采用雙通道模數轉換器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，負責對經過幅值衰減電路調理的信號做進一步的直流偏置和放大。信號在經過幅值衰減電路調理后，接入差分放大器INA2128的正向輸入端，模數轉換電路產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過幅值調節后的信號。

如圖1、圖2所示的輸入信號調理模塊，具體包括開關電路、電壓跟隨器電路以及幅值調節電路。輸入信號調理模塊用于調節外部輸入信號幅值以及實現阻抗匹配，提高帶負載能力，信號經過調理后可以直接被ARM控制模塊的片內ADC采集。開關電路采用芯片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，起到阻抗匹配和提高帶負載能力的作用。如圖5所示，輸入信號幅值調節電路實現對輸入信號幅值調節的功能，能夠使輸入信號變為原來的0.2倍并加上2V直流偏置，從而能夠直接被ARM控制模塊片內的ADC采集。輸入信號幅值調節電路主要采用運算放大器芯片AD8065和TL072實現，其中運算放大器TL072主要負責實現對信號的直流偏置，運算放大器AD8065負責實現將輸入信號幅值衰減為原來0.2倍。

實施例1信號發生器的使用

(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；(2)將下位機通過USB線接入計算機，并打開下位機電源開關，等待電源指示燈發光；(3)在上位機界面中選擇儀器功能，將功能選擇開關撥到信號發生器的位置，上位機自動進入信號發生器界面；(4)在信號發生器界面中設置信號的波形、頻率、幅值、相位、直流偏置電壓以及選擇產生信號的通道，之后點擊信號發生器界面的設置按鍵；(5)根據選擇的通道使用信號發生器的A輸出端或者B輸出端(6)如果需要重復實驗，重復操作步奏(4)～(6)即可；(7)操作結束，關掉上位機總開關和下位機電源開關。

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；(2)將下位機通過USB線接入計算機，并打開下位機電源開關，等待電源指示燈發光；(3)在上位機界面中選擇儀器功能，將功能選擇開關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置正弦波的起始頻率、截止頻率、幅值、頻率步進值以及設置半對數坐標圖的橫縱坐標范圍，之后點擊頻率特性儀界面的設置按鍵；(5)將產生正弦波的信號發生器輸出端A引腳接入示波器A輸入端測量引腳，將待測網絡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絡的波特圖，包括幅頻響應曲線和相頻響應曲線，可以選擇將波特圖保存成圖像或者保存為文檔文件；(7)如果需要重復實驗，重復操作步奏(4)～(7)即可；(8)操作結束，關掉上位機總開關和下位機電源開關。