【導(dǎo)讀】一個功能齊全的物理實驗室造價不菲，其中的各式實驗儀器常常價格昂貴，而且管理復(fù)雜。試想如果能夠構(gòu)建一個可放入口袋、隨時便攜的虛擬電子實驗室，那么將為未來帶來無限的可能。虛擬電子實驗室，是通過一系列基于軟件的應(yīng)用來實現(xiàn)的仿真電子儀器所組成的模擬實驗室環(huán)境，用戶可以在該環(huán)境中開展大量電子實驗。
本文旨在演示用戶如何使用ADI ADALM2000和簡單的開源編程語言Python開發(fā)所需的虛擬實驗室儀器。通過Python與ADALM2000相結(jié)合，可以開發(fā)多種虛擬實驗室儀器，如示波器、信號發(fā)生器、數(shù)字萬用表等。其中，示波器作為物理電子實驗室中常用的基本儀器之一，是個不錯的入門選擇，將在下文中重點討論。
什么是示波器？
示波器可用于常見電路和復(fù)雜電路的信號分析，是電子工程的重要組成部分。如今的示波器能夠與計算機連接，因此在示波器中捕獲的信號能夠以數(shù)字形式存儲，供日后分析。
圖1.示波器示意圖
示波器用于直觀呈現(xiàn)模擬或數(shù)字波形的電壓和時間特性。前面板控件（放大器觸發(fā)、掃描時間和顯示屏）用于調(diào)整顯示內(nèi)容，以更好地直觀呈現(xiàn)信號。
示波器可展示信號輸入在特定時間段內(nèi)的行為，這對于分析常見電路至關(guān)重要。此外，它有助于驗證這些電路的功能。這也是示波器成為不可或缺的電子實驗設(shè)備的主要原因。ADI允許工程師定制自己的示波器來滿足需求，從而可以改進特定電子電路的分析。
ADALM2000是什么？
ADALM2000是主動學(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，以及兩個可編程的電源。對于基礎(chǔ)用戶或?qū)W生，可以將Scopy與ADALM2000連接。對于應(yīng)用開發(fā)人員，可使用libm2k庫開發(fā)應(yīng)用接口。對于固件開發(fā)人員，還可以選擇開發(fā)能夠直接在ADALM2000上運行的定制軟件或HDL。
開始使用
安裝Python和PyCharm
Python是功能強大、簡單易學(xué)的開源編程語言。Python可從Python官方網(wǎng)站下載。如果不確定要使用哪個版本，請選擇Python 3.7。
Python可在沒有集成開發(fā)環(huán)境(IDE)的情況下使用，但為了更輕松地下載庫和進行調(diào)試，可以使用PyCharm。PyCharm是一個IDE，為開發(fā)人員提供多個必需的工具，因而是用于Python開發(fā)的熱門IDE。在JetBrains官方網(wǎng)站下載最新版PyCharm Community。
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，將使用libm2k、matplotlib和NumPy。
Libm2k
若要使用Python與ADALM2000交互，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。我們將重點介紹該功能。
○ AnalogOut用于信號發(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。
○ 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
○ 運行可執(zhí)行文件。當(dāng)“設(shè)置”窗口提示選擇其他任務(wù)時，請務(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的默認環(huán)境中。
Matplotlib
若要創(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。有關(guān)該庫的詳細信息，請訪問matplotlib網(wǎng)站。
NumPy
簡單的示波器仍將需要大量數(shù)學(xué)計算。NumPy庫可以為復(fù)雜的計算提供簡單的函數(shù)。有關(guān)該庫的詳細信息，請訪問NumPy網(wǎng)站。
安裝Matplotlib和NumPy
若要安裝matplotlib和NumPy，請在PyCharm中按照以下步驟操作：
○ 轉(zhuǎn)到“文件”>“設(shè)置”>“項目解釋器”。
○ 點擊“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：
○ 信號源（或信號發(fā)生器，如適用）
○ ADALM2000
○ 探頭和限幅器
如果信號發(fā)生器可用，請按照圖4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.使用信號發(fā)生器和ADALM2000的實際設(shè)置
表1.引腳配置
對于其他可用的信號源，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
在這一部分將逐個代碼塊介紹程序，還將討論代碼的作用，并說明以這些方式編寫代碼的原因。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)虛擬示波器的三個庫（libm2k、matplotlib和NumPy）。
統(tǒng)一資源標(biāo)識符(URI)是連接到PC的每個ADALM2000的唯一標(biāo)識符。該代碼塊確保ADALM2000連接到PC。如果沒有ADALM2000設(shè)備插入PC，代碼將自動退出。
通過檢測到的URI連接到ADALM2000?！皍ri[0]”是在連接了多個設(shè)備的情況下檢測到的第一個ADALM2000設(shè)備的URI。
對ADC和DAC運行校準(zhǔn)。這是確保獲得準(zhǔn)確測量的重要步驟。
設(shè)置采樣速率和時長。可用采樣速率有1 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)，時長是獲得這些樣本的持續(xù)采樣時間。例如，如果將采樣速率設(shè)為1000，時長設(shè)為3，那么每秒將獲得1000個樣本，并持續(xù)采樣3秒。因此，共有3000個樣本。
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)建時間x軸數(shù)據(jù)陣列。該函數(shù)的第一和第二個參數(shù)分別表示陣列的起始和結(jié)束值。最后一個參數(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)置的時長，也就是3。對于樣本數(shù)，將duration與sample_rate相乘，即可獲得所需的總樣本數(shù)，也就是3000個樣本。這3000個樣本將
均勻放置在0和3之間。該數(shù)組將存儲在time_x中。
data_y存儲我們使用ADALM2000設(shè)備收集的波形樣本。通道1的樣本存儲在data_y[0]中，通道2的樣本存儲在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)將返回圖形對象（存儲在g中）和軸對象（存儲在ax中），這些對象將用于自定義整個圖形。
這里可以添加網(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)圖形的更多細節(jié)。
顯示圖形。
在代碼末尾銷毀上下文。
運行代碼，將會看到類似圖5的圖形。
圖5.單通道正弦波輸出；一個信號發(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。
若要添加另一個通道，請復(fù)制ocsi.enableChannel和ocsi.setRange行代碼，并將第一個參數(shù)從
在創(chuàng)建圖形時，為通道2添加另一個圖形。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使用鋼藍色。
運行代碼，應(yīng)該會得到類似圖6的結(jié)果。
圖6.雙通道正弦波輸出。通道1信號發(fā)生器輸出：10 Hz，2 V p-p；通道2信號發(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。
將時間和數(shù)據(jù)陣列轉(zhuǎn)換為NumPy陣列。在下一個代碼塊進行的計算中，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，從獲取的兩個通道的數(shù)據(jù)中提取了Vpp、Vave和Vrms。要計算Vpp，將data_y numpy陣列中找到的最大值和最小值的絕對值相加。要計算Vave，只需用Vpp除以pi。要計算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，為圖形使用NumPy陣列，而不是使用原始陣列。同時還根據(jù)圖形創(chuàng)建了波形對象。稍后將使用這些對象。
為了在圖形中顯示計算的Vpp、Vave和Vrms，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，然后連接這兩個字符串，以創(chuàng)建最終標(biāo)簽n_label。通過使用plt.text創(chuàng)建文本標(biāo)簽。第一和第二個參數(shù)(0.2, 3)是文本的x和y位置。第三個參數(shù)是要顯示的字符串。第四和第五個參數(shù)分別是文本和框的樣式。
接下來，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象。
創(chuàng)建update_offset函數(shù)，并將其注冊到offset_slider對象。每次更改滑塊的值時，該函數(shù)都會向波形添加偏移量。
運行代碼，將會看到類似圖7的圖形。
圖7.帶偏移滑塊的默認雙通道正弦波輸出
嘗試使用滑塊調(diào)整偏移量。將會看到波形實時上下移動。
圖8.調(diào)整偏移量滑塊（向左滑動），用于調(diào)整兩個通道輸出的偏移量
總結(jié)
本文解釋了擁有虛擬電子實驗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個示例供參考。
關(guān)于ADI公司
ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，致力于解決最艱巨的工程設(shè)計挑戰(zhàn)。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現(xiàn)實世界和數(shù)字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Arnie Mae Baes于2019年12月加入ADI公司，擔(dān)任固件工程師。在進入公司的第一年，她重點負責(zé)GUI和固件開發(fā)。2020年12月，她加入消費電子軟件工程部門，現(xiàn)在重點負責(zé)固件測試開發(fā)。她畢業(yè)于菲律賓八打雁國立大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：arniemae.baes@analog.com。
Christian Jason Garcia是ADI公司的一名固件驗證工程師，工作地點在菲律賓垂亞斯將軍城。他擁有圣托馬斯大學(xué)電子和通信工程學(xué)士學(xué)位，于2018年11月加入ADI公司。他在電動交通部門專門負責(zé)SmartMesh網(wǎng)絡(luò)的軟件測試和系統(tǒng)驗證。聯(lián)系方式：christian.garcia@analog.com。
作者：ADI軟件系統(tǒng)工程師Christian Jason Garcia & Arnie Mae Baes
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