【導讀】一個(gè)功能齊全的物理實(shí)驗室造價(jià)不菲，其中的各式實(shí)驗儀器常常價(jià)格昂貴，而且管理復雜。試想如果能夠構建一個(gè)可放入口袋、隨時(shí)便攜的虛擬電子實(shí)驗室，那么將為未來(lái)帶來(lái)無(wú)限的可能。虛擬電子實(shí)驗室，是通過(guò)一系列基于軟件的應用來(lái)實(shí)現的仿真電子儀器所組成的模擬實(shí)驗室環(huán)境，用戶(hù)可以在該環(huán)境中開(kāi)展大量電子實(shí)驗。
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)驗室儀器。通過(guò)Python與ADALM2000相結合，可以開(kāi)發(fā)多種虛擬實(shí)驗室儀器，如示波器、信號發(fā)生器、數字萬(wàn)用表等。其中，示波器作為物理電子實(shí)驗室中常用的基本儀器之一，是個(gè)不錯的入門(mén)選擇，將在下文中重點(diǎn)討論。
什么是示波器？
示波器可用于常見(jiàn)電路和復雜電路的信號分析，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(guān)呈現模擬或數字波形的電壓和時(shí)間特性。前面板控件（放大器觸發(fā)、掃描時(shí)間和顯示屏）用于調整顯示內容，以更好地直觀(guān)呈現信號。
示波器可展示信號輸入在特定時(shí)間段內的行為，這對于分析常見(jiàn)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(shí)驗設備的主要原因。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)習模塊，具有數字示波器、函數發(fā)生器、邏輯分析儀、電壓表、頻譜和數字總線(xiàn)分析儀，以及兩個(gè)可編程的電源。對于基礎用戶(hù)或學(xué)生，可以將Scopy與ADALM2000連接。對于應用開(kāi)發(fā)人員，可使用libm2k庫開(kāi)發(fā)應用接口。對于固件開(kāi)發(fā)人員，還可以選擇開(kāi)發(fā)能夠直接在A(yíng)DALM2000上運行的定制軟件或HDL。
開(kāi)始使用
安裝Python和PyCharm
Python是功能強大、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和進(jìn)行調試，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
Python庫包含可用于特定應用的方法或函數。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(diǎn)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用于數字萬(wàn)用表。
安裝Libm2k
安裝該庫的一種方法是按照以下步驟操作：
○ 轉到發(fā)布頁(yè)面。
■下載該庫的最新可執行版本。示例：Libm2k-0.4.0-Windows-Setup.exe
○ 運行可執行文件。當“設置”窗口提示選擇其他任務(wù)時(shí)，請務(wù)必選擇安裝libm2k Python綁定。
圖2.Libm2k安裝窗口
○ 安裝結束。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容。有關(guān)該庫的詳細信息，請訪(fǎng)問(wèn)matplotlib網(wǎng)站。
NumPy
簡(jiǎn)單的示波器仍將需要大量數學(xué)計算。NumPy庫可以為復雜的計算提供簡(jiǎn)單的函數。有關(guān)該庫的詳細信息，請訪(fǎng)問(wèn)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：
○ 轉到“文件”>“設置”>“項目解釋器”。
○ 點(diǎn)擊“設置”窗口右側的+圖標。
○ 將出現“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
硬件設置
在開(kāi)始編碼前，我們先設置硬件組件。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(shí)際設置
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(guò)USB端口將ADALM2000設備連接到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，導入將用于開(kāi)發(fā)虛擬示波器的三個(gè)庫（libm2k、matplotlib和NumPy）。
統一資源標識符(URI)是連接到PC的每個(gè)ADALM2000的唯一標識符。該代碼塊確保ADALM2000連接到PC。如果沒(méi)有ADALM2000設備插入PC，代碼將自動(dòng)退出。
通過(guò)檢測到的URI連接到ADALM2000?！皍ri[0]”是在連接了多個(gè)設備的情況下檢測到的第一個(gè)ADALM2000設備的URI。
對ADC和DAC運行校準。這是確保獲得準確測量的重要步驟。
設置采樣速率和時(shí)長(cháng)?？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秒內獲得樣本的次數，時(shí)長(cháng)是獲得這些樣本的持續采樣時(shí)間。例如，如果將采樣速率設為1000，時(shí)長(cháng)設為3，那么每秒將獲得1000個(gè)樣本，并持續采樣3秒。因此，共有3000個(gè)樣本。
啟用并將通道1設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函數創(chuàng )建時(shí)間x軸數據陣列。該函數的第一和第二個(gè)參數分別表示陣列的起始和結束值。最后一個(gè)參數是希望在起始和結束值范圍內生成的樣本數。
在該示例中，起始值是0，結束值是設置的時(shí)長(cháng)，也就是3。對于樣本數，將duration與sample_rate相乘，即可獲得所需的總樣本數，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。該數組將存儲在time_x中。
data_y存儲我們使用ADALM2000設備收集的波形樣本。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相同的樣本數量。
創(chuàng )建將處理的圖形。plt.subplots函數將返回圖形對象（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(gè)圖形。
這里可以添加網(wǎng)格線(xiàn)，作為波形的參考坐標。添加軸標簽和y限制，以添加有關(guān)圖形的更多細節。
顯示圖形。
在代碼末尾銷(xiāo)毀上下文。
運行代碼，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，請復制ocsi.enableChannel和ocsi.setRange行代碼，并將第一個(gè)參數從
在創(chuàng )建圖形時(shí)，為通道2添加另一個(gè)圖形。通道2的數據在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，應該會(huì )得到類(lèi)似圖6的結果。
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(gè)小部件。在該示例中，將使用文本標簽和滑塊小部件，并將繼續使用上一部分中的代碼。
為matplotlib滑塊添加另一次導入。
將時(shí)間和數據陣列轉換為NumPy陣列。在下一個(gè)代碼塊進(jìn)行的計算中，將使用這些陣列。
獲取所有波形數據后，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)通道的數據中提取了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(lèi)似。唯一的區別是，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庫中的文本標簽小部件。創(chuàng )建字符串標簽label_ch1和label_ch2，然后連接這兩個(gè)字符串，以創(chuàng )建最終標簽n_label。通過(guò)使用plt.text創(chuàng )建文本標簽。第一和第二個(gè)參數(0.2, 3)是文本的x和y位置。第三個(gè)參數是要顯示的字符串。第四和第五個(gè)參數分別是文本和框的樣式。
接下來(lái)，創(chuàng )建偏移滑塊。該滑塊用于調整波形的參考電平。將主圖形向左調整，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，并將其注冊到offset_slider對象。每次更改滑塊的值時(shí)，該函數都會(huì )向波形添加偏移量。
運行代碼，將會(huì )看到類(lèi)似圖7的圖形。
圖7.帶偏移滑塊的默認雙通道正弦波輸出
嘗試使用滑塊調整偏移量。將會(huì )看到波形實(shí)時(shí)上下移動(dòng)。
圖8.調整偏移量滑塊（向左滑動(dòng)），用于調整兩個(gè)通道輸出的偏移量
總結
本文解釋了擁有虛擬電子實(shí)驗室的重要性和便利性。文中還演示了如何使用ADALM2000和Python開(kāi)發(fā)虛擬示波器。討論了軟件要求和硬件設置，并提供了3個(gè)示例供參考。
關(guān)于A(yíng)DI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計挑戰。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現實(shí)世界和數字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶(hù)重新認識周?chē)氖澜?。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，擔任固件工程師。在進(jìn)入公司的第一年，她重點(diǎn)負責GUI和固件開(kāi)發(fā)。2020年12月，她加入消費電子軟件工程部門(mén)，現在重點(diǎn)負責固件測試開(kāi)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(diǎn)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(dòng)交通部門(mén)專(zhuān)門(mén)負責SmartMesh網(wǎng)絡(luò )的軟件測試和系統驗證。聯(lián)系方式：christian.garcia@analog.com。
作者：ADI軟件系統工程師Christian Jason Garcia & Arnie Mae Baes
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