虛擬電子實(shí)驗(yàn)室：如何使用Python編程語言和ADALM2000創(chuàng)建示波器

Arnie Mae Baes 和 Christian Garcia

虛擬電子實(shí)驗(yàn)室是一系列基于軟件的儀器。這是作為軟件應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的仿真電子實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，用戶可以在該環(huán)境中開展大量電子實(shí)驗(yàn)。功能齊全的物理實(shí)驗(yàn)室可能造價(jià)昂貴且難以管理。想象一下，如果能夠構(gòu)建一個(gè)可放入口袋的電子實(shí)驗(yàn)室；將帶來無限可能！

本文旨在演示用戶如何使用ADALM2000開發(fā)自己的虛擬實(shí)驗(yàn)室儀器。本文將使用Python這種簡單的開源編程語言。將Python與ADALM2000相結(jié)合，可以開發(fā)多個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室儀器，如示波器、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字萬用表等。但本文將重點(diǎn)討論一種儀器——示波器。從該儀器入手是個(gè)不錯(cuò)的選擇，這是我們?cè)趯?shí)際電子實(shí)驗(yàn)室中常用的基本儀器之一。

簡介

儀器儀表行業(yè)正穩(wěn)定迅速地朝著虛擬化方向發(fā)展。基于軟件的儀器托管在PC上，PC使用盡可能少的專業(yè)硬件將其連接到必須測(cè)量/控制的設(shè)備。該硬件通常包括用于直接將信號(hào)數(shù)字化或控制獨(dú)立儀器的接插板。

虛擬儀器儀表因其靈活性、模塊化和可移植性而聞名。ADI公司為客戶提供適合幾乎所有用例的電子模塊，其中ADALM2000就是一個(gè)很好的例子。

通過ADALM2000，工程師或開發(fā)人員可根據(jù)具體需求創(chuàng)建自己的虛擬電子實(shí)驗(yàn)室。通過libm2k庫，用戶可以使用C++、C#或Python開發(fā)用于控制ADALM2000的軟件應(yīng)用。后面部分將詳細(xì)討論ADALM2000和libm2k。

什么是示波器？

示波器可用于常見電路和復(fù)雜電路的信號(hào)分析，因而是電子工程的重要組成部分。除此之外，如今的示波器能夠與計(jì)算機(jī)連接，因此在示波器中捕獲的信號(hào)能夠以數(shù)字形式存儲(chǔ)，供日后分析。

示波器用于直觀呈現(xiàn)模擬或數(shù)字波形的電壓和時(shí)間特性。前面板控件（放大器觸發(fā)、掃描時(shí)間和顯示屏）用于調(diào)整顯示內(nèi)容，以更好地直觀呈現(xiàn)信號(hào)。

示波器向我們展示信號(hào)輸入在特定時(shí)間段內(nèi)的行為，這對(duì)于分析常見電路至關(guān)重要。此外，它有助于驗(yàn)證這些電路的功能。這也是示波器成為不可或缺的電子實(shí)驗(yàn)設(shè)備的主要原因。此外，我們?cè)试S工程師定制自己的示波器來滿足需求，從而可以改進(jìn)特定電子電路的分析。

ADALM2000是什么？

ADALM2000是主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊，具有數(shù)字示波器、函數(shù)發(fā)生器、邏輯分析儀、電壓表、頻譜和數(shù)字總線分析儀，以及兩個(gè)可編程的電源。對(duì)于基礎(chǔ)用戶或?qū)W生，可以將Scopy與ADALM2000連接。對(duì)于應(yīng)用開發(fā)人員，可使用libm2k庫開發(fā)應(yīng)用接口。對(duì)于固件開發(fā)人員，還可以選擇開發(fā)能夠直接在ADALM2000上運(yùn)行的定制軟件或HDL。

開始使用

安裝Python和PyCharm

Python是功能強(qiáng)大、簡單易學(xué)的開源編程語言。Python可從 official Python 官方網(wǎng)站下載。如果您不確定要使用哪個(gè)版本，請(qǐng)選擇Python 3.7。

安裝庫

Python庫包含可用于特定應(yīng)用的方法或函數(shù)。在本文中，我們將使用libm2k、matplotlib和NumPy。

Libm2k

若要使用Python與ADALM2000交互，您需要安裝libm2k庫。這是C++庫，帶有可用于Python、C#、MATLAB?和LabVIEW?的綁定，具備以下功能：

AnalogIn 用于示波器或電壓表。我們將重點(diǎn)介紹該功能。

AnalogOut 用于信號(hào)發(fā)生器。

Digital 用于邏輯分析儀或模式發(fā)生器。

PowerSupply 用于恒壓發(fā)電機(jī)。

DMM 用于數(shù)字萬用表。

安裝Libm2k

安裝該庫的一種方法是按照以下步驟操作：

轉(zhuǎn)到 發(fā)布頁面。

下載該庫的最新可執(zhí)行版本。示例：Libm2k-0.4.0-Windows-Setup.exe

運(yùn)行可執(zhí)行文件。當(dāng)“設(shè)置”窗口提示您選擇其他任務(wù)時(shí)，請(qǐng)務(wù)必選擇安裝libm2k Python綁定。

安裝結(jié)束。Libm2k將安裝在Python的默認(rèn)環(huán)境中。

Matplotlib

若要?jiǎng)?chuàng)建示波器顯示，您需要使用matplotlib庫。該庫備受歡迎且易于使用，用于在Python中定制和顯示可視化內(nèi)容。

NumPy

簡單的示波器仍將需要大量數(shù)學(xué)計(jì)算。NumPy庫可以為復(fù)雜的計(jì)算提供簡單的函數(shù)。

安裝Matplotlib和NumPy

若要安裝matplotlib和NumPy，請(qǐng)?jiān)赑yCharm中按照以下步驟操作：

轉(zhuǎn)到“文件”>“設(shè)置”>“項(xiàng)目解釋器”。

點(diǎn)擊“設(shè)置”窗口右側(cè)的+圖標(biāo)。

將出現(xiàn)“可用軟件包”窗口。在搜索框中，搜索matplotlib和NumPy。

指定要安裝的版本（選擇最新版本）。

點(diǎn)擊安裝軟件包按鈕。

圖3. 在PyCharm中安裝庫包。

硬件設(shè)置

在開始編碼前，我們先設(shè)置硬件組件。需要使用以下硬件組件：

信號(hào)源（或信號(hào)發(fā)生器，如適用）

ADALM2000

探頭和限幅器

如果信號(hào)發(fā)生器可用，請(qǐng)按照?qǐng)D4中顯示的配置，使用探頭和/或限幅器將ADALM2000設(shè)備連接到通道1和通道2。

圖4. 使用信號(hào)發(fā)生器和ADALM2000的實(shí)際設(shè)置。

對(duì)于其他可用的信號(hào)源，您也可以遵循相同配置。最后，通過USB端口將ADALM2000設(shè)備連接到PC。

簡單的虛擬示波器

在這一部分，我們將逐個(gè)代碼塊介紹程序。我們還將討論代碼的作用，并說明以這些方式編寫代碼的原因。我們將在隨后的部分中演示其他示例，在這些示例中，我們會(huì)修改基礎(chǔ)代碼，以添加更多功能，從而滿足開發(fā)人員用例要求。

首先，導(dǎo)入將用于開發(fā)虛擬示波器的三個(gè)庫（libm2k、matplotlib和NumPy）。

統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符(URI)是連接到PC的每個(gè)ADALM2000的唯一標(biāo)識(shí)符。該代碼塊確保ADALM2000連接到PC。如果沒有ADALM2000設(shè)備插入PC，代碼將自動(dòng)退出。

通過檢測(cè)到的URI連接到ADALM2000。“uri[0]”是在連接了多個(gè)設(shè)備的情況下檢測(cè)到的第一個(gè)ADALM2000設(shè)備的URI。

對(duì)ADC和DAC運(yùn)行校準(zhǔn)。這是確保我們將獲得準(zhǔn)確測(cè)量的重要步驟。

設(shè)置采樣速率和時(shí)長?？捎貌蓸铀俾视? kHz、10 kHz、100 kHz、1 MHz、10 MHz和100 MHz。采樣速率是在1秒內(nèi)獲得樣本的次數(shù)，時(shí)長是獲得這些樣本的持續(xù)采樣時(shí)間。例如，如果將采樣速率設(shè)為1000，時(shí)長設(shè)為3，那么每秒將獲得1000個(gè)樣本，并持續(xù)采樣3秒。因此，共有3000個(gè)樣本。

啟用并將通道1設(shè)置為示波器的模擬輸入。

Linspace 用于創(chuàng)建等間距的樣本陣列。我們將使用該NumPy函數(shù)創(chuàng)建時(shí)間x軸數(shù)據(jù)陣列。該函數(shù)的第一和第二個(gè)參數(shù)分別表示陣列的起始和結(jié)束值。最后一個(gè)參數(shù)是希望在起始和結(jié)束值范圍內(nèi)生成的樣本數(shù)。

在該示例中，起始值是0，結(jié)束值是設(shè)置的時(shí)長，也就是3。對(duì)于樣本數(shù)，將duration與sample_rate相乘，即可獲得所需的總樣本數(shù)，也就是3000個(gè)樣本。這3000個(gè)樣本將均勻放置在0和3之間。該數(shù)組將存儲(chǔ)在time_x中。

data_y存儲(chǔ)我們使用ADALM2000設(shè)備收集的波形樣本。通道1的樣本存儲(chǔ)在data_y[0]中，通道2的樣本存儲(chǔ)在data_y[1]中。為了顯示精確的波形頻率，必須使用與time_x相同的樣本數(shù)量。

創(chuàng)建我們將處理的圖形。plt.subplots函數(shù)將返回圖形對(duì)象（存儲(chǔ)在fig中）和軸對(duì)象（存儲(chǔ)在ax中），這些對(duì)象將用于自定義整個(gè)圖形。

我們可以添加網(wǎng)格線，作為波形的參考坐標(biāo)。添加軸標(biāo)簽和y限制，以添加有關(guān)圖形的更多細(xì)節(jié)。

顯示圖形。

在代碼末尾銷毀上下文。

運(yùn)行代碼，將會(huì)看到類似圖5的圖形。

圖5. 單通道正弦波輸出；一個(gè)信號(hào)發(fā)生器輸出：10 Hz，2 V p-p。

雙通道虛擬示波器

在這一部分，我們將使用上一部分中的代碼，并添加更多代碼塊，以創(chuàng)建雙通道虛擬示波器。

若要添加另一個(gè)通道，請(qǐng)復(fù)制ocsi.enableChannel和ocsi.setRange行代碼，并將第一個(gè)參數(shù)從libm2k.ANALOG_IN_CHANNEL_1更改為libm2k.ANALOG_IN_CHANNEL_2。

在創(chuàng)建圖形時(shí)，為通道2添加另一個(gè)圖形。通道2的數(shù)據(jù)在data_y[1]陣列中。我們也可以自定義兩個(gè)圖形的顏色，以便輕松區(qū)分二者。在該示例中，通道1使用淺珊瑚色，通道2使用鋼藍(lán)色。

運(yùn)行代碼，應(yīng)該會(huì)得到類似圖6的結(jié)果。

圖6. 雙通道正弦波輸出。通道1信號(hào)發(fā)生器輸出：10 Hz，2 V p-p；通道2信號(hào)發(fā)生器輸出：5 Hz，3 V p-p。

虛擬示波器的其他功能

在這一部分，我們將為虛擬示波器添加其他功能，以提升交互性。Matplotlib提供我們可以使用的多個(gè)小部件。在該示例中，我們將使用文本標(biāo)簽和滑塊小部件。我們還將繼續(xù)使用上一部分中的代碼。

為matplotlib滑塊添加另一次導(dǎo)入。

將時(shí)間和數(shù)據(jù)陣列轉(zhuǎn)換為NumPy陣列。在下一個(gè)代碼塊進(jìn)行的計(jì)算中，將使用這些陣列。

獲取所有波形數(shù)據(jù)后，提取這些波形的特性將不在話下。在以下代碼塊中，我們從獲取的兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)中提取了Vpp、Vave和Vrms。要計(jì)算Vpp，將data_y numpy陣列中找到的最大值和最小值的絕對(duì)值相加。要計(jì)算Vave，只需用Vpp除以pi。要計(jì)算Vrms，用Vpp除以2乘以√2。

該代碼塊與前面部分類似。唯一的區(qū)別是，我們?yōu)閳D形使用NumPy陣列，而不是使用原始陣列。我們還根據(jù)圖形創(chuàng)建了波形對(duì)象。稍后我們將使用這些對(duì)象。

為了在圖形中顯示計(jì)算的Vpp、Vave和Vrms，我們將利用matplotlib庫中的文本標(biāo)簽小部件。創(chuàng)建字符串標(biāo)簽label_ch1和label_ch2，然后連接這兩個(gè)字符串，以創(chuàng)建最終標(biāo)簽fin_label。我們將使用plt.text創(chuàng)建文本標(biāo)簽。第一和第二個(gè)參數(shù)(0.2, 3)是文本的x和y位置。第三個(gè)參數(shù)是要顯示的字符串。第四和第五個(gè)參數(shù)分別是文本和框的樣式。

接下來，我們創(chuàng)建偏移滑塊。該滑塊用于調(diào)整波形的參考電平。將主圖形向左調(diào)整，為滑塊留出空間。plt.axes定義滑塊的尺寸、位置和表面顏色。Slider函數(shù)用于為偏移滑塊創(chuàng)建具有特定特性的對(duì)象。

創(chuàng)建update_offset函數(shù)，并將其注冊(cè)到offset_slider對(duì)象。每次更改滑塊的值時(shí)，該函數(shù)都會(huì)向波形添加偏移量。

運(yùn)行代碼，將會(huì)看到類似圖7的圖形。

圖7. 帶偏移滑塊的默認(rèn)雙通道正弦波輸出。

嘗試使用滑塊調(diào)整偏移量。將會(huì)看到波形實(shí)時(shí)上下移動(dòng)。

圖8. 調(diào)整偏移量滑塊（向左滑動(dòng)），用于調(diào)整兩個(gè)通道輸出的偏移量。

總結(jié)

本文解釋了擁有虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的重要性和便利性。文中還演示了如何使用ADALM2000和Python開發(fā)虛擬示波器。討論了軟件要求和硬件設(shè)置，并提供了3個(gè)示例。

審核編輯：郭婷