一种多功能虚拟电子仪器制造技术

本发明专利技术公开一种多功能虚拟电子仪器，包括数字示波器、信号发生器、直流电压源、直流电压表、频率特性仪以及逻辑分析仪等功能。该虚拟电子仪器由人机交互模块、ARM控制模块、输入信号调理模块、DDS模块、输出信号调理模块、电源模块以及调试模块组成。本发明专利技术通过借助计算机强大的数据处理能力，减小了硬件电路体积、降低了耗材成本、提高了电路集成度，使携带和使用更加便捷。本发明专利技术还打破了传统电子测试仪器局只能限于实验室使用的障碍，使学生能够随时随地做实验，给学生以最大的自由空间，做到真正意义的全开放实验室。

【技术实现步骤摘要】
一种多功能虚拟电子仪器
本专利技术涉及电子测量领域，尤其是涉及一种多功能虚拟电子仪器。
技术介绍
随着计算机技术、集成电路技术、电子测量技术的高速发展，电子测量仪器在科学研究、实验教学以及工业生产中得到了广泛的应用。传统的电子测量仪器由于造价昂贵、集成度不高、体积庞大、携带不方便等原因，阻碍了其进一步的发展和应用，亟待一种解决方案改善现有电子仪器存在的弊端。虚拟仪器相比于传统仪器主要的优点在于应用的灵活性以及功能强大性。在虚拟仪器中，硬件仅用于信号的输入输出。这样不仅减少了元器件的使用，节约了成本，提高了电路集成度，也使硬件体积更小，携带更加便捷。因此，虚拟仪器有逐步取代传统仪器的趋势。目前我国存在的虚拟电子测量仪器大都体积大、成本高、集成度低、携带不方便，或者硬件结构过于简单，缺少必要的硬件调理电路，因此没有得到大范围的推广和应用。实验室是高等院校教学体系的重要组成部分，在培养学生科学素质、动手能力以及创新能力等方面发挥着巨大的作用。但由于实验室本身场地和课时的限制，使学生对实验室的一些常用电子测量仪器，例如信号发生器、示波器、万用表等仪器的使用并不熟练，这要求物理实验要不断引入新的实验方法，建立新的教学模式。
技术实现思路
为了解决高等院校实验室存在上述问题，本专利技术提供了一种多功能虚拟电子仪器。本专利技术结合虚拟仪器技术优势，设计出一种结合数字示波器、信号发生器、直流电压源、直流电压表、频率特性仪以及逻辑分析仪功能的虚拟电子仪器。本专利技术通过借助计算机强大的数据处理能力，最大程度的减少了硬件的开销，从而使硬件电路体积更小、价格更加低廉、集成度更高、携带更加方便。不仅如此，本专利技术还拓宽了实验室的时空概念，打破了传统电子测试仪器的使用只能局限于实验室的障碍。只需要拥有一台计算机，学生便能够随时随地做实验，让学生最大限度地利用实验室资源，能进一步给学生以最大的自由空间，做到真正意义的全开放实验室。本专利技术解决其技术问题的技术方案是：提供了一种多功能虚拟电子仪器，该虚拟电子仪器由人机交互模块、ARM控制模块、输入信号调理模块、DDS模块、输出信号调理模块、电源模块以及调试模块组成。其中人机交互模块和ARM控制模块之间通过USB2.0接口进行通信，ARM控制模块与输入信号调理模块、DDS模块、输出信号调理模块以及调试模块有电性连接，DDS模块与输出信号调理模块具有电性连接，电源模块为其他各个模块提供所需电压。所述的人机交互模块，利用计算机软件LABVIEW制作上位机界面，能够实现与下位机相互传递信息，从而实现人机交互。具体包括：信号发生器前面板界面设计及背面板程序设计；示波器前面板界面设计及背面板程序设计；直流电压表前面板界面设计及背面板程序设计；直流电压源前面板界面设计及背面板程序设计；频率特性仪前面板界面设计及背面板程序设计；逻辑分析仪前面板界面设计及背面板程序设计。所述的ARM控制模块，采用ST公司生产的STM32F103系列单片机，负责与人机交互模块进行通信；负责通过片内ADC实现对输入信号调理模块调理后的信号进行采样；以及控制DDS模块、输出信号调理模块产生所需要的特定幅值、相位、频率、直流偏置的各种波形。所述的DDS模块，负责输出频率、相位可调的正弦波、方波、三角波。DDS模块主要是通过器件AD9833实现的，输出信号的电压幅值为600mV。所述的输出信号调理模块，具体包括幅值衰减电路、模数转换电路、差分放大电路，用于对DDS模块输出的600mV信号进行幅值调节和直流偏置，从而能够输出幅值范围在-4V～4V之间，直流偏置电压可调的正弦波、方波、三角波。所述的输入信号调理模块，具体包括：开关电路、电压跟随器电路以及幅值调节电路，主要用于对幅值范围在-5V～5V外部输入信号进行幅值调节，使经过调理后的信号能直接被ARM控制模块的片内ADC采样。所述的电源模块，能够产生5V，-5V，3.3V，2V四直流种电压，为其他各个模块提供各自所需电压。所述的调试模块，包括串口模块、程序下载模块、按键开关和贴片LED，这些模块是为了使仪器更加方便调试和使用。本专利技术所述的数字示波器由输入信号调理模块、ARM控制模块、人机交互模块和电源模块组成。所述数字示波器能够采集、显示并存储电压幅值范围在-5V～5V两个通道信号的波形，通过上位机的示波器界面中可以测量并显示两个通道信号的频率、相位，幅值最大值、最小值和峰值，可以选择显示直接耦合或者交流耦合的波形，还可以实现电平触发、上升沿触发、下降沿触发和连续触发四种触发方式。本专利技术所述的数字示波器采样率为857.73KHz，最大输入电流可以达到25mA，输入阻抗约为1kΩ。本专利技术所述的直流电压表由输入信号调理模块、ARM控制模块、人机交互模块和电源模块组成。所述的直流电压表与数字示波器共用输入信号调理模块和ARM控制模块，因此直流电压表与所述数字示波器参数指标相同。在上位机的直流电压表界面中可以直接测量并显示幅值范围在-5V～5V两个通道信号的直流电压。本专利技术所述的信号发生器由人机交互模块、ARM控制模块、DDS模块、输出信号调理模块和电源模块组成。通过设置上位机的信号发生器界面参数，可以产生波形、频率、幅值、相位、直流偏置可调的双通道信号。本专利技术所述的信号发生器输出电压范围：-4V～4V，幅值衰减步进值：0.5dB；最大输出电流：25mA；输出频率：0Hz～1MHz，频率步进值为1Hz。本专利技术所述的直流电压源由人机交互模块、ARM控制模块和电源模块组成。通过设置上位机的直流电压源界面参数，可以实现控制单片机STM32F103的片内模数转换器输出至多两路0～3.3V幅值可调的直流电压。本专利技术所述的逻辑分析仪由人机交互模块、ARM控制模块和电源模块组成。通过设置上位机的逻辑分析仪界面参数，能够控制单片机STM32F103获取至多8路信号的逻辑电平，并将所述的至多8路信号的逻辑电平显示在逻辑分析仪界面，所述的逻辑电平兼容TTL电平和CMOS电平。本专利技术所述的频率特性仪由人机交互模块、ARM控制模块、DDS模块、输出信号调理模块、输入信号调理模块和电源模块组成。所述的频率特性仪能够通过上位机控制信号发生器产生幅值已知的正弦波作为待测网络的输入信号，将待测网络的输出和幅值已知的正弦波接入数字示波器的测量引脚，测量出输出信号与输入信号的幅值和相位差，利用上位机便可以分析出待测网络的幅频特性和相频特性，并用波特图显示出来。所述的频率特性仪输出正弦波电压范围：-4V～4V；输出正弦信号频率范围：0Hz-100KHz，频率步进值最小值为1Hz。本专利技术的有益效果在于：1.本专利技术集成度高，不仅在一块PCB板上集成了信号发生器、示波器、频率特性仪、逻辑分析仪、直流电压源、直流电压表这些仪器，而且还具有串口、开关、LED等模块，可以作为STM32F103单片机开发板来使用。2.本专利技术将实验设备微型化，抛开计算机，外围硬件尺寸只有10cm*8cm*3cm，方便携带，允许师生随时随地进行实验，不仅适应于课堂实验教学，而且还可以用于课外学生自主实验，能够有效提高学生的自主性和动手能力，培养学生创新精神，从而提高综合素质。3.本专利技术还具有硬件成本低的特点。通过PC机对数据的分析处理与显示，降低了外围硬件成本、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多功能虚拟电子仪器，其特征在于，具有数字示波器、信号发生器、直流电压源、直流电压表、频谱分析仪以及逻辑分析仪功能，包括ARM控制模块、输入信号调理模块、DDS模块、输出信号调理模块、人机交互模块、电源模块以及调试模块组成，所述的人机交互模块和ARM控制模块通过USB 2.0接口进行通信。

【技术特征摘要】
1.一种多功能虚拟电子仪器，其特征在于，具有数字示波器、信号发生器、直流电压源、直流电压表、频谱分析仪以及逻辑分析仪功能，包括ARM控制模块、输入信号调理模块、DDS模块、输出信号调理模块、人机交互模块、电源模块以及调试模块组成，所述的人机交互模块和ARM控制模块通过USB2.0接口进行通信。2.根据权利要求1所述的一种多功能虚拟电子仪器，其特征在于，所述的ARM控制模块采用STM32系列微控制器，且所使用STM32微控制器中含有USB2.0接口。3.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵振宇，王连明，陈菊芳，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22