如何使用Python和ADALM2000創(chuàng)建虛擬示波器

一個(gè)功能齊全的物理實(shí)驗(yàn)室造價(jià)不菲，其中的各式實(shí)驗(yàn)儀器常常價(jià)格昂貴，而且管理復(fù)雜。試想如果能夠構(gòu)建一個(gè)可放入口袋、隨時(shí)便攜的虛擬電子實(shí)驗(yàn)室，那么將為未來(lái)帶來(lái)無(wú)限的可能。虛擬電子實(shí)驗(yàn)室，是通過(guò)一系列基于軟件的應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的仿真電子儀器所組成的模擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，用戶(hù)可以在該環(huán)境中開(kāi)展大量電子實(shí)驗(yàn)。

本文旨在演示用戶(hù)如何使用ADI ADALM2000和簡(jiǎn)單的開(kāi)源編程語(yǔ)言Python開(kāi)發(fā)所需的虛擬實(shí)驗(yàn)室儀器。通過(guò)Python與ADALM2000相結(jié)合，可以開(kāi)發(fā)多種虛擬實(shí)驗(yàn)室儀器，如示波器、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字萬(wàn)用表等。其中，示波器作為物理電子實(shí)驗(yàn)室中常用的基本儀器之一，是個(gè)不錯(cuò)的入門(mén)選擇，將在下文中重點(diǎn)討論。
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什么是示波器？

示波器可用于常見(jiàn)電路和復(fù)雜電路的信號(hào)分析，是電子工程的重要組成部分。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。

圖1.示波器示意圖

示波器用于直觀(guān)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(guān)呈現(xiàn)信號(hào)。

示波器可展示信號(hào)輸入在特定時(shí)間段內(nèi)的行為，這對(duì)于分析常見(jiàn)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。ADI允許工程師定制自己的示波器來(lái)滿(mǎn)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(xiàn)分析儀，以及兩個(gè)可編程的電源。對(duì)于基礎(chǔ)用戶(hù)或?qū)W生，可以將Scopy與ADALM2000連接。對(duì)于應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員，可使用libm2k庫(kù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用接口。對(duì)于固件開(kāi)發(fā)人員，還可以選擇開(kāi)發(fā)能夠直接在A(yíng)DALM2000上運(yùn)行的定制軟件或HDL。

開(kāi)始使用

安裝Python和PyCharm

Python是功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易學(xué)的開(kāi)源編程語(yǔ)言。Python可從Python官方網(wǎng)站下載。如果不確定要使用哪個(gè)版本，請(qǐng)選擇Python 3.7。

Python可在沒(méi)有集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)的情況下使用，但為了更輕松地下載庫(kù)和進(jìn)行調(diào)試，可以使用PyCharm。PyCharm是一個(gè)IDE，為開(kāi)發(fā)人員提供多個(gè)必需的工具，因而是用于Python開(kāi)發(fā)的熱門(mén)IDE。在JetBrains官方網(wǎng)站下載最新版PyCharm Community。

安裝庫(kù)

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

Libm2k

若要使用Python與ADALM2000交互，需要安裝libm2k庫(kù)。這是C++庫(kù)，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(wàn)用表。

安裝Libm2k

安裝該庫(kù)的一種方法是按照以下步驟操作：

○ 轉(zhuǎn)到發(fā)布頁(yè)面。

■下載該庫(kù)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”窗口提示選擇其他任務(wù)時(shí)，請(qǐng)務(wù)必選擇安裝libm2k Python綁定。

圖2.Libm2k安裝窗口

○ 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(kù)。該庫(kù)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。有關(guān)該庫(kù)的詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)matplotlib網(wǎng)站。

NumPy

簡(jiǎn)單的示波器仍將需要大量數(shù)學(xué)計(jì)算。NumPy庫(kù)可以為復(fù)雜的計(jì)算提供簡(jiǎn)單的函數(shù)。有關(guān)該庫(kù)的詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)NumPy網(wǎng)站。

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(kù)包

硬件設(shè)置

在開(kāi)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

表1.引腳配置

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

簡(jiǎn)單的虛擬示波器

在這一部分將逐個(gè)代碼塊介紹程序，還將討論代碼的作用，并說(shuō)明以這些方式編寫(xiě)代碼的原因。隨后的部分中將演示修改基礎(chǔ)代碼，以添加更多功能，從而滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)人員用例要求。

首先，導(dǎo)入將用于開(kāi)發(fā)虛擬示波器的三個(gè)庫(kù)（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(méi)有ADALM2000設(shè)備插入PC，代碼將自動(dòng)退出。

通過(guò)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)。這是確保獲得準(zhǔn)確測(cè)量的重要步驟。

設(shè)置采樣速率和時(shí)長(zhǎng)?？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(zhǎng)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(zhǎng)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，并可使用該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(zhǎng)，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（找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城）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)建將處理的圖形。plt.subplots函數(shù)將返回圖形對(duì)象（存儲(chǔ)在g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。

這里可以添加網(wǎng)格線(xiàn)，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(xiāo)毀上下文。

運(yùn)行代碼，將會(huì)看到類(lèi)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，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

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。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(lèi)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，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，將使用文本標(biāo)簽和滑塊小部件，并將繼續(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(huà)下。在以下代碼塊中，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(lèi)似。唯一的區(qū)別是，為圖形使用NumPy陣列，而不是使用原始陣列。同時(shí)還根據(jù)圖形創(chuàng)建了波形對(duì)象。稍后將使用這些對(duì)象。

為了在圖形中顯示計(jì)算的Vpp、Vave和Vrms，將利用matplotlib庫(kù)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n_label。通過(guò)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。