[发明专利]虚拟电子测量仪器集成系统之示波器

说明书

技术领域：

本技术发明是一种虚拟示波器，涉及虚拟仪器和电子测量技术及仪器领域，具体讲是一种以计算机为硬件平台核心，基于虚拟电子测量仪器集成系统总线VIIS-EM(Virtual Instrument Integration System for Electronic Measuring)，由系统控制器控制，用软件方法生成的虚拟示波器。

背景技术：

(1)示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成清晰可见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。利用示波器能观察各种信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

(2)虚拟仪器技术是计算机技术和仪器技术的深层次结合，其以计算机为软硬件基础平台，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成测试、测量任务。仪器的操作、测量、控制、分析和显示等功能均由软件来实现，通过修改软件即可修改或增减仪器的功能，充分体现了“软件就是仪器”的概念和技术理念。虚拟仪器是一种可实现各种测试仪器和各种仪器测试功能的技术，以其性价比高、灵活性好、速度快等优势成为仪器仪表领域的研究热点。

(3)“虚拟电子测量仪器集成系统”是吉林大学虚拟仪器实验室自主研发的一种由计算机操纵的模块化仪器集成系统，系统采用“一个控制器加多个仪器模块”的体系结构和设计思想，将各类通用的电子测量仪器模块化、板卡化，通过自定义专用仪器总线VIIS-EM集成到一个3U机箱中。

(4)VIIS-EM总线和系统控制器是虚拟电子测量仪器集成系统体系结构的基础。VIIS-EM总线是专门为虚拟电子测量仪器集成系统定义的一种总线，系统控制器负责命令的解析与数据的传输，控制各功能模块协调工作，并通过USB2.0接口与计算机通信。系统仪器模块包括任意波形/函数信号发生器、虚拟示波器、虚拟频谱分析仪、虚拟频率计数器、虚拟逻辑分析仪、LCR测试仪、频率特性测试仪、集成电路测试仪等一系列电子测量仪器。

发明内容

1.技术问题与本发明的目的

(1)传统的模拟示波器和数字示波器均以硬件结构为核心，结构封闭、灵活性不强、复杂功能实现困难、集成测试能力、数据管理和信号处理与分析能力仍然较差。本项技术发明所介绍的虚拟示波器可解决上述问题，采用以软件为核心的虚拟仪器技术是解决这一问题的优选方案；

(2)电子测量工作中，需要时间域、频率域、数字域和信号源等各类电子测量仪器配合协同工作，因此将各类电子测量仪器集成于一个统一的平台之上是电子测量仪器的发展趋势，采用虚拟仪器总线技术实现这一系统集成是最为有效的技术方案。虚拟示波器是“虚拟电子测量仪器集成系统”的模块化仪器之一。

2.本发明的具体内容

本技术发明是基于虚拟电子测量仪器集成系统总线VIIS-EM和系统控制器而设计的一种示波器，所采取的技术方案由具有虚拟示波器应用程序的pc机和数据采集部分构成。

虚拟示波器硬件结构

虚拟示波器硬件结构由信号调理模块、A/D转换模块、并行数据处理模块、触发电路模块、总线接口通信模块等五部分组成。

(1)信号调理模块：将输入的模拟信号调整到ADC所能识别的合适的电压范围内，由高阻衰减、阻抗变换、差分变换等部分组成，各部分通过微控制器和FPGA实现实时控制。

(2)A/D转换模块：两块双通道数模转换器，每块A/D的两个通道采用并行交替采样，做为示波器数据采集通道，是外界模拟信号与可处理的数字信号之间的桥梁，该模块是整个示波器的核心。

(3)并行数据处理模块：转换后的数据通过FPGA设计的数据选择器统一存入FPGA内部的FIFO中，FIFO做为一种简单的先入先出型数据缓存器，在不同时钟域之间实现传输。

(4)触发电路模块：触发电路控制每次采集的起始位置，使用户观察到稳定的波形。通道信号或外触发信号通过一个多路选择器，由微处理器选择一路作为触发信号源，再通过信号整形电路输入给FPGA，进行时序控制。

(5)总线接口通信模块：微处理器通过双口RAM实现系统总线接口的通信。微处理器负责系统的初始化(包括向双口RAM写入配置信息、设置电路初始状态)并分析和处理总线发送过来的命令，控制相应的电路单元。

虚拟示波器软件结构

虚拟示波器软件主要包括应用程序和驱动程序两个层次。