SJ8002B虚拟仪器实验系统简介

 SJ8002B虚拟仪器实验系统简介

一、虚拟仪器实验箱主要特点：

  1、 功能强。可以提供多波形信号源、任意波形信号源、数字存储示波器、逻辑分析仪、交直流电压表和频率计等多种虚拟仪器，能进行基本电参数、信号的时域和频域测试，还有温度检测控制、滤波器特性测试、CPLD电路设计与测试等实验。
  2、应用范围广、实验箱开放性好、可扩展性强。本实验箱还提供了多个实验程序和可选的多种实验电路板，可用于虚拟仪器、电子测量原理、电子技术、微机原理与接口技术、测控技术等课程。
   3、可进行验证性、设计性和综合应用性的实验。利用实验箱所提供的硬件平台和仪器驱动程序，学生可以通过软件编程，完成虚拟仪器的功能设计、界面设计和程序设计。例如，测试滤波器的频率特性，通过软件编程，实现扫频测量、实验数据处理、特性曲线显示全过程的自动化。

    选配套实验电路板：
    （1）、滤波器实验板，（2）、CPLD实验板，（3）、RLC实验板，（4）、运放实验板，（5）、温度实验板 ，（6）、压力传感器及实验板。

二、完成实验举例：

• 电子计数器测频和测周的原理                     R、L、C 元件参数的测量
• 交流电压表原理实验                             数字存储示波器实验
• 数据采集实验                                   数字合成信号源实验
• 滤波器频率特性测试                             信号的频谱分析和测试
• 逻辑分析仪的原理及应用                         温度检测与控制系统设计实验
• 压力测量和虚拟秤重仪设计                       简易多波形发生器的设计与调试
• 数字直流电压表的自动校准                       虚拟频率特性测试仪的软件设计
• 电子计数器测频和测周的自动选择                 CPLD逻辑电路设计与调试

       简易多波形发生器的设计与调试                   数字存储示波器实验

              

       电子计数器测频和测周的原理                        数字直流电压表的自动校准

        

        数字合成信号源实验                                 滤波器频率特性测试

                 

       R、L、C 元件参数的测量                          温度检测与控制系统设计实验

                  

        信号的频谱分析和测试                                逻辑分析仪的原理及应用  

                

三、主要性能指标

1、DDS信号源
波形：正弦波、方波、三角波等16种波形和任意波形	频率范围：10Hz ~ 1MHz
输出信号幅度范围：0.2V ～ 16V峰–峰值	通道数： 2
2、信号采集模块（示波器）
采用了并行的2路8位的高速A/D转换器，输入模拟电压范围：-10V～+10V	时基和伏格可调
数据存储深度：30KB/通道
3、虚拟直流电压表
12位双积分A/D	40mV～8V档可选
指针和数字两种显示方式
4、虚拟交流电压表
可测量有效值、峰值、平均值	被测信号频率1Hz～1MHz
5、虚拟数字频率计
可测量频率和周期，多种闸门时间和周期倍增选择	测频范围：1Hz～2MHz，测周范围：1μs～1s，
6、虚拟逻辑分析仪
24输入通道、多种采集时钟、外时钟/内时钟、波形显示/数字显示

四、实验箱系统组成

   虚拟仪器是以测试功能的硬件为基础，以软件为主导，完成对被测信号的采集、测量数据处理和测量结果的图形化显示。SJ8002B虚拟仪器实验箱是电子科技大学研制开发，其研制和应用获得2001年国家教育部教学成果二等奖 ，并已在电子科技大学、华北电力大学、南京邮电学院、四川理工学院、西华大学、乐山师范学院等高校推广应用。
   虚拟仪器的硬件系统的组成包含三个部分：（1）通用的个人计算机（PC），具有运行图形化编程软件的能力。（2）实验箱主板，具有数据采集、信号产生、定时计数、与计算机进行数据通信等多种功能。（3）多种实验电路板（插卡），如图1所示。此外，实验中根据需要可以再配备一些辅助仪器，如通用示波器、信号源等。
   软件的组成包括二部分：（1）虚拟仪器软件开发平台labView和labWindows/CVI；（2）虚拟仪器库，包含有示波器、信号源、电压表、计数器等十余种虚拟仪器驱动程序。

                    

                         图1  电子测量实验系统的基本组成

   虚拟仪器实验系统的实物照片如图2所示。 虚拟仪器实验箱主板如图3所示。

                
                                    图2   虚拟仪器实验系统

五、主板电路

    主板由五个基本功能模块组成，即信号源模块、高速数据采集模块、测频模块、数电子测量字I/O模块、以及直流电压测量模块构成，主板实物照片如图3所示。这里先介绍两个模块，其他模块在相应实验中介绍。

                              图3  虚拟仪器实验箱主板

    主板上的短路块使用说明：

   1、信号源模块

   它是一个采用直接数字合成（DDS）的任意波形发生器，由平台软件直接提供了十六种函数的波形数据，可产生正弦波、方波、三角波等16种波形。也可以由用户自己提供波形的数据，产生用户所需的任意波形。信号源的频率和幅度均可由用户编程控制。DDS信号源的组成原理如图4所示。

                        图4 DDS信号源的组成结构

    由图4可见：DDS信号源由相位累加器、RAM波形存储器、DAC数模转换器以及低通滤波器组成。其工作原理是：相位累加器在时钟信号驱动下对频率控制码进行累加，输出累加值即相位序列码作为RAM的地址。从RAM里面取出预先存放的一个周期输出波形的幅值编码，然后再经DAC转换得到模拟的阶梯电压，最后经过低通滤波器使其平滑后即得到所需要的信号波形。
    DDS信号源有如下优点：（1） 信号频率稳定，分辨率高，输出频点多（可达到2N-1个频点，N为相位累加器的位数）；（2）频率切换速度快，可达us级；（3）频率切换时相位连续；（4）可以产生任意波形信号，其主要性能指标为：

    分辨力： 输出频率小于1MHz时分辨力为1Hz ；
    输出频率范围：正弦波：1Hz～ 2MHz ，其它波形：1Hz ～ 200KHz；
    输出信号幅度范围：0.1V ～ 16V峰–峰值；
    幅度分辨率：1％；
    通道数：2（2个独立的DDS信号源）。

   2、采集模块（数字示波器）

   采集模块有CH1和CH2两个采集数据输入通道。通道增益、采样速率、采样点数、触发源等也可通过编程控制。图5所示为实验平台中数据采集模块的原理框图。该采集模块既可以实现示波器的功能也可以实现交流电压表等的功能。为了扩展输入的电压范围，通道中包含有前级衰减电路前级仪用放大电路中间衰减器和后级放大电路，最后由A/D转换电路，变换成数字量并且存储在RAM中，当采集完成以后计算机通过EPP口把数据取回，并对其进行数据处理。
    数据采集采用了8位的A/D转换器，模拟输入电压范围（峰峰值）：-50V到+50V；
    采样速率20M、10M、5M、2.5M、1M、500K、250K、100K、50K、25K、12.5KSPS；
    可程控增益×20、×10、×5、×2、×1、×0.5、×0.2、×0.1、×0.05、×0.02；
    数据缓存深度：30KB。

                            图5  数据采集部分一个通道的原理框图

六、系列化实验板

   包括R、L、C电路实验板、滤波器电路实验板、温度检测实验板、CPLD实验板、键盘点阵实验板、电路自装实验板（白板）等，如图6所示。

               

                           图6   系列化实验板

    实验平台上安装有一62芯的双排插座，系列化实验板插入此插座，实现实验板和平台之间的信号线的可靠连接，从而可进行不同的实验。
   实验时，实验电路板插入62芯插座接入测试平台，实验平台内的信号源模块通过插槽上的AO（模拟输出AO1和AO2）插脚给实验板提供激励信号；测试平台内的采集模块通过插座上的AI（模拟输入AI1和AI2）插脚实时的采集并存储实验板的输出响应信号。当采集完预置的点数后，微机通过EPP接口读取采集数据，再经分析和处理后，将实验结果显示在屏幕上。

七、62芯插座引脚定义

    实验模块是测试平台的测试对象，每个模块包含一个独立的实验。为了方便实验板与测试平台之间的信号线连接，测试平台提供了与实验板连接的62芯插座，插座上各针脚连接的信号定义如图7所示。该插座包括29个数字IO端口（DO0～DO28）；两路模拟输出信号Aout1和Aout2；两路模拟输入信号Ain1和Ain2，它们分别与CH1和CH2两个数据采集通道相连；模拟供电（+12V，+5V，模拟地）和数字供电（VCC和数字地）。

             

                                  图7  实验板接口电路示意图

八、使用注意事项：

   1) 实验前不通电，先接线和插卡。
   2）在运行软件前要先打开实验箱的电源。如果在实验运行过程中，关闭过实验箱电源，有部分实验需要重新初始化，即退出程序，重新运行软件。
   3）示波器和信号源的实验软件界面可同时运行，但是信号源在修改设置参数时，请先停止示波器的测量。
   4）以上注意事项适合于本实验课程的所有实验。