虛擬電子實驗室：如何使用Python編程語言和ADALM2000創建示波器
前言：
作者：ADI 軟體系統工程師Arnie Mae Baes 及軟體系統工程師 Christian Garcia
摘要
虛擬電子實驗室是一系列基於軟體的儀器。這是作為軟體應用實現的模擬電子實驗室環境，使用者可以在該環境中開展大量電子實驗。功能齊全的物理實驗室可能造價昂貴且難以管理。想像一下，如果能夠建構一個可放入口袋的電子實驗室，將帶來無限可能！
本文旨在展示使用者如何使用ADALM2000開發自己的虛擬實驗室儀器。本文將使用Python這種簡單的開源編程語言。將Python與ADALM2000相結合，可以開發多個虛擬實驗室儀器，如示波器、訊號產生器、數位萬用表等。但本文將重點討論一種儀器——示波器。從該儀器入手是個不錯的選擇，這是我們在實際電子實驗室中常用的基本儀器之一。
簡介
儀器儀錶產業正穩定迅速地朝著虛擬化方向發展。基於軟體的儀器託管在PC上，PC使用盡可能少的專業硬體將其連接到必須測量/控制的設備。該硬體通常包括用於直接將訊號數位化或控制獨立儀器的接插板。
虛擬儀器儀錶因其彈性、模組化和可攜性而聞名。ADI為客戶提供適合幾乎所有用例的電子模組，其中ADALM2000就是一個很好的例子。
透過ADALM2000，工程師或開發人員可根據具體需求創建自己的虛擬電子實驗室。透過libm2k庫，用戶可以使用C++、C#或Python開發用於控制ADALM2000的軟體應用。後面部分將詳細討論ADALM2000和libm2k。
什麼是示波器？
示波器可用於常見電路和複雜電路的訊號分析，因而是電子工程的重要組成部分。除此之外，如今的示波器能夠與電腦連接，因此在示波器中擷取的訊號能夠以數位形式儲存，供日後分析。
圖1. 示波器示意圖。
示波器用於直覺呈現類比或數位波形的電壓和時間特性。前面板控制項（放大器觸發、掃描時間和顯示幕）用於調整顯示內容，能更直覺呈現訊號。
示波器向我們展示訊號輸入在特定時間段內的行為，這對於分析常見電路非常重要。此外，其有助於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備的主要原因。此外，我們允許工程師定制自己的示波器來滿足需求，從而可以改善特定電子電路的分析。
ADALM2000是什麼？
ADALM2000是主動學習模組，具有數位示波器、函數產生器、邏輯分析儀、電壓表、頻譜和數位匯流排分析儀，以及兩個可編程的電源。對於基礎用戶或學生，可以將Scopy與ADALM2000連接。對於應用開發人員，可使用libm2k庫開發應用介面。對於韌體開發人員，還可以選擇開發能夠直接在ADALM2000上運行的定制軟體或HDL。
開始使用
安裝Python和PyCharm
Python是功能強大、簡單易學的開源程式設計語言。Python可從 official Python 官方網站下載。如果您不確定要使用哪個版本，請選擇Python 3.7，或下載最新版PyCharm Community。
安裝庫
Python庫包含可用於特定應用的方法或函數。在本文中，我們將使用libm2k、matplotlib和NumPy。
Libm2k
若要使用Python與ADALM2000交互，您需要安裝libm2k庫。這是C++庫，具有可用於Python、C#、MATLAB®和LabVIEW®的綁定，具備以下功能：
• AnalogIn 用於示波器或電壓表。我們將重點介紹該功能。
• AnalogOut 用於訊號產生器。
• Digital 用於邏輯分析儀或模式產生器。
• PowerSupply 用於恆壓發電機。
• DMM 用於數位萬用表。
有關該庫的詳細資訊，請瀏覽 libm2k 維基百科頁面。
安裝Libm2k
安裝該庫的一種方法是按照以下步驟操作：
• 轉到 發佈頁面。
o 下載該庫的最新可執行版本。示例：Libm2k-0.4.0-Windows-Setup.exe
• 運行可執行檔。當「設定」視窗提示您選擇其他任務時，請務必選擇安裝libm2k Python綁定。
圖2. Libm2k安裝視窗
• 安裝結束。Libm2k將安裝在Python的默認環境中。
Matplotlib
若要創建示波器顯示，您需要使用matplotlib庫。該庫備受歡迎且易於使用，用於在Python中定制和顯示視覺化內容。有關該庫的詳細資訊，請瀏覽 matplotlib 網站。
NumPy
簡單的示波器仍將需要大量數學計算。NumPy庫可以為複雜的計算提供簡單的函數。有關該庫的詳細資訊，請瀏覽 NumPy 網站。
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「檔」>「設定」>「專案解譯器」。
• 點擊「設定」視窗右側的+圖示。
• 將出現「可用套裝軟體」視窗。在搜尋框中，搜尋matplotlib和NumPy。
• 指定要安裝的版本（選擇最新版本）。
• 點擊安裝套裝軟體按鈕。
圖3. 在PyCharm中安裝庫軟體。
硬體設定
在開始編碼前，我們先設定硬體元件。需要使用以下硬體元件：
• 訊號源（或訊號產生器，如適用）
• ADALM2000
• 探頭和限幅器
如果訊號產生器可用，請按照圖4中顯示的配置，使用探頭AND、OR限幅器將ADALM2000裝置連接到通道1和通道2。
圖4. 使用訊號產生器和ADALM2000的實際設定。
表1. 接腳配置
|
訊號產生器 |
ADALM2000 |
|
Ch1 正極引線 (+) |
1+ |
|
Ch1 接地 |
1– |
|
Ch2 正極引線 (+) |
2+ |
|
Ch2 接地 |
2– |
對於其他可用的訊號源，您也可以遵循相同配置。最後，透過USB埠將ADALM2000裝置連接到PC。
簡單的虛擬示波器
在這一部分，我們將逐每一代碼塊介紹程式。我們還將討論代碼的作用，並說明以這些方式編寫代碼的原因。我們將在隨後的部分中展示其他示例，在這些示例中，我們會修改基礎代碼，以增加更多功能，從而滿足開發人員用例要求。
首先，導入將用於開發虛擬示波器的三個庫（libm2k、matplotlib和NumPy）。
統一資源識別項(URI)是連接到PC的每個ADALM2000的唯一識別碼。該代碼塊確保ADALM2000連接到PC。如果沒有ADALM2000裝置插入PC，代碼將自動退出。
透過檢測到的URI連接到ADALM2000。“uri[0]”是在連接了多個裝置的情況下檢測到的第一個ADALM2000裝置的URI。
對ADC和DAC運行校準。這是確保我們將獲得準確測量的重要步驟。
設定採樣速率和持續時間。可用採樣速率有1 kHz、10 kHz、100 kHz、1 MHz、10 MHz和100 MHz。採樣速率是在1秒內獲得樣本的次數，持續時間是獲得這些樣本的持續採樣時間。例如，如果將採樣速率設為1000，持續時間設為3，那麼每秒將獲得1000個樣本，並持續採樣3秒。因此，共有3000個樣本。
啟用並將通道1設定為示波器的類比輸入。
Linspace 用於創建等間距的樣本陣列。我們將使用該NumPy函數創建時間x軸資料陣列。該函數的第一和第二個參數分別表示陣列的起始和結束值。最後一個參數是希望在起始和結束值範圍內產生的樣本數。
在該示例中，起始值是0，結束值是設定的持續時間，也就是3。對於樣本數，將duration與sample_rate相乘，即可獲得所需的總樣本數，也就是3000個樣本。這3000個樣本將均勻放置在0和3之間。該陣列將儲存在time_x中。
data_y儲存我們使用ADALM2000裝置收集的波形樣本。通道1的樣本儲存在data_y[0]中，通道2的樣本儲存在data_y[1]中。為了顯示精準的波形頻率，必須使用與time_x相同的樣本數量。
創建我們將處理的圖形。plt.subplots函數將返回圖形物件（存儲在fig中）和軸物件（存儲在ax中），這些物件將用於自訂整個圖形。
我們可以增加格線，作為波形的參考座標。增加軸標籤和y限制，以增加有關圖形的更多細節。
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；一個訊號產生器輸出：10 Hz，2 V p-p。
雙通道虛擬示波器
在這一部分，我們將使用上一部分中的代碼，並增加更多代碼塊，以創建雙通道虛擬示波器。
若要增加另一個通道，請複製ocsi.enableChannel和ocsi.setRange行代碼，並將第一個參數從libm2k.ANALOG_IN_CHANNEL_1更改為libm2k.ANALOG_IN_CHANNEL_2。
在創建圖形時，為通道2增加另一個圖形。通道2的資料在data_y[1]陣列中。我們也可以自訂兩個圖形的顏色，以便輕鬆區分二者。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，應該會得到類似圖6的結果。
圖6. 雙通道正弦波輸出。通道1訊號產生器輸出：10 Hz，2 V p-p；通道2訊號產生器輸出：5 Hz，3 V p-p。
虛擬示波器的其他功能
在這一部分，我們將為虛擬示波器增加其他功能，以提升交互性。Matplotlib提供我們可以使用的多個小零件。在該示例中，我們將使用文本標籤和滑塊小零件。我們還將繼續使用上一部分中的代碼。
為matplotlib滑塊增加另一次導入。
將時間和資料陣列轉換為NumPy陣列。在下一個代碼塊進行的計算中，將使用這些陣列。
獲取所有波形資料後，提取這些波形的特性將不在話下。在以下代碼塊中，我們從獲取的兩個通道的資料中提取了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。唯一的區別是，我們為圖形使用NumPy陣列，而不是使用原始陣列。我們還根據圖形創建了波形物件。稍後我們將使用這些物件。
為了在圖形中顯示計算的Vpp、Vave和Vrms，我們將利用matplotlib庫中的文本標籤小零件。創建字串標籤label_ch1和label_ch2，然後連接這兩個字串，以創建最終標籤fin_label。我們將使用plt.text創建文本標籤。第一和第二個參數(0.2, 3)是文本的x和y位置。第三個參數是要顯示的字串。第四和第五個參數分別是文本和框的樣式。
接下來，我們創建偏移滑塊。該滑塊用於調整波形的參考位準。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函數用於為偏移滑塊創建具有特定特性的物件。
創建update_offset函數，並將其註冊到offset_slider物件。每次更改滑塊的值時，該函數都會向波形增加偏移量。
運行代碼，將會看到類似圖7的圖形。
圖7. 具有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。將會看到波形即時上下移動。
圖8. 調整偏移量滑塊（向左滑動），用於調整兩個通道輸出的偏移量。
總結
本文解釋了擁有虛擬電子實驗室的重要性和便利性。文中並展示如何使用ADALM2000和Python開發虛擬示波器。討論了軟體要求和硬體設定，並提供了3個示例。
參考電路
「ADALM2000概述」。ADI，2021年3月。
Bhunia、Chandan、Saikat Giri、Samrat Kar和Sudarshan Haldar。 「基於PC的低成本虛擬示波器」。IEEE教育論文集，第47卷第2期，2004 年5月。
「Limb2k示例：analog.py」。ADI
Tegen, Amelia和Wright, Jeremy。 「示波器：數位替代版：與類比示波器相比，數位示波器的測量、瞬態擷取和資料儲存能力明顯改善」 。IEEE Potentials，第2卷，1983年。
「什麼是libm2k？」 ADI，維基百科，2021年4月。
