引言

 

　　在实际应用中,常常需要用示波器同时观测多个信号,或需要比较同一电路中不同点之间信号的频率、幅值和相位,以及观测电信号通过网络后的相移和失真等情况。为了对侮号进行测量和比较研究,需要把不同信号或同一信号的不同部分同时显示在荧光屏上。这些都需要在荧光屏上能同时显示几个波形。为了实现这一目的,通常采用双扫描示波显示、多线显示或多踪显示。本文介绍的将单踪示波器改为多踪显示的一种装置,制作简单,与原有的示波器一起使用,既节约了开支,又提高了实验技术水平。

 

　　典型电路设计与分析

 

　　转换电路由NE555时基振荡器、74LS169组成的计数器和MAX309多路开关等芯片构成,通过1个Y通道能同时显示多踪信号,电路简单、稳定、可靠,波形显示效果好,便于对信号进行分析和研究,其电路如图1所示。

 

　　本电路采用555芯片作为振荡器,其3脚输出的方波作为切换电路的控制信号,控制信号直接接在16进制的计数器 上作为多路开关的选通信号。

 

　　MAX309为双回路开关芯片,一路为直流通道,另一路为信号通道,两路信号通过力日战器后在示波器水平位置上同时显示四路不同的信号。由于输入信号为交流信号,故使用双电源供电,除保证交流信号正常传输外,同时也扩大了引号输出的动态范围。

 

 

图1 单/多踪示波器转换电路

 

　　外部电源仅需要+5V的电源电压、+5V电压输入至IC1(ICL7660)的8脚,在其5脚输出-5V的电压,对多路开关芯片与运放进行供电。IC2(NE555)接成多谐振荡器的形式,产生35kHz的方波作为16进制计数器IC3(74LS169)的时基币号。取74LS169的低两位Qa、Qb,连接到IC4(MAX309)自A0、A1端作为多路开关的选通信号。MAX309为双回路自模拟开关芯片。其中一路是由2K、lK、1K、1K组成的电阻分压网络,分别取出3V、2V、lV、0V的直流电压作为信号所要显示波形的直流分量,使其在示波器的不同位置上显示出来。另一路则为信号源的四个输入端,通过Qa、Qb对E路开关的控制,分别对回路信号进行选通(两路选通信号同步进行)。信号由多路开关输出后再由运放电路IC5(LF353)进行放大或衰减处理。信号通过改变反馈电阻10K、10K、40K、60K、60K对其进行放大或衰减。用四路波段开关分别选择不同反馈电阻，实现不同增益的控制，最终完成与直流分量重叠相加后输出的目的。

 

　　电路调试

 

　　电路焊接完毕后,首先进行外观检查,检查无误后,再进行通电测试。用万用表测ICL7660的5脚是否为-5V,如果输出正确,进行下一步的测量,否则马上断电检查,是否有短路或电路焊错等问题;用示波器观察555输出的波形是否正确,其频率值是否与计算值相同,其次再用示波器观到计数器的Qa、Qb端的波形是否为555时基信号的二分频、四分频,最后观察第一路开关的输出是否为阶梯波信号,台阶数值分别为0V、lV、2V、3V。然后分别接人4路不同的信号,用示波器观察其最终输入波形是否在示波器水平位置显示出来,改变波段开关即可改变其幅值的大小。

 

　　振荡电路与模拟开关电路的分析

 

　　NE555时基振荡器输出频率的精度对由74LS169所组成计数器的可靠性影响较大,因此,必须给予重视。如图1所示,NE555组成的时基振荡器产生的振荡周期T=0.693(R1+2R2)·C,振荡频率f=1/T,即f=1.443/(Rl+2R2)·c,输出振荡频率波形的占空比D=t1/T=(R1+R2)/(R1+2R2)
　　注:t1为输出脉冲的持续时间
t1=0.693(R1+R2)·C
　　当R2>R1时,则D约等于50%,即输出振荡波形为方渡。由上述有关公式的推导,得出以下结论。

 

　　·振荡周期与电源电压VDD无关,主要取决于充电放电的总时间常数,即仅与R1、R2和C的数值有关。

 

　　·振荡信号的占空比与电容C的大小无关,而仅与R1、R2的大小比值有关。

 

　　模拟开关和多路转换器的作用主要用于信号的切换,目前集成模拟电子开关在小信号领域已成为主导产品,与以往的机械触点式电子开关相比,集成电子开关有许多优点,例如,切换速率快、无抖动、耗电省、体积小、工作可靠且容易控制等。但它也有若干缺点,如导通电阻较大,输入电流容量有限,动态范围小等。因而集成模拟开关主要使用在高速切换,要求系统体积小的场合。在较低的频段上(f<10Hz),则广泛采用双极晶体管工艺。

 

　　选择开关时需要重点注意以下指标:

 

　　·通道数量。集成模拟开关通常包括多个通道,通道数量对传输信号的精度和开关切换速率有直接的影响,通道数量越多,寄生电容和泄漏电流就越大。

 

　　·泄漏电流。一个理想的开关要求导通时电阻为零,断开时电阻趋于无限大,漏电流为零,常规的CMOS漏电流约1nA。如果信号源内阻很高,传输信号是电流量时,就特别需要考虑模拟开关的泄漏电流,一般希望泄漏电流越小越好。

 

　　·导通电阻。导通电阻会损失信号,使精度降低,尤其是当开关串联的负载为低阻抗时损失会更大。因此,导通电阻的一致性越好,系统在采集各路信号时由开关引起的误差也就越小。

 

　　·开关速度。指开关接通或断开的速度。对于需要传输快变化信号的场合,要求模拟开关的切换速度快,同时还应考虑与后级采样保持电路A/D转换器的速度相适应,从而以最优的性能价格比来选择器件。

 

　　除上述指标外,芯片的电源电压范围也是一个重要参数,它与开关的导通电阻和切换速度等有直接关系,电源电压越高,切换速度越快,导通电阻越小,反之,导通电阻越大。

 

　　结语

 

　　在电路设计和调试过程中发现,对波形显示效果影响最大的因素是NE555振荡器的振荡频率和幅度的稳定性,要想在示波器上得到完整而稳定的旅形,频率不能偏低,幅度不宜过小。

1． 对一个已设计完成的产品，如何用示波器经行检测分析其可靠性？
答：示波器早已成为检测电子线路最有效的工具之一，通过观察线路关键节点的电压电流波形可以直观地检查线路工作是否正常，验证设计是否恰当。这对提高可靠性极有帮助。当然对波形的正确分析判断有赖于工程师自身的经验。

2． 决定示波器探头价格的主要因素是什么？
答：示波器的探头有非常多的种类，不同的性能，比如高压，差分，有源高速探头等等，价格也从几百人民币到接近一万美元。价格的主要决定因素当然是带宽和功能。探头是示波器接触电路的部分，好的探头可以提供测试需要的保真度。为做到这一点，即使无源探头，内部也必须有非常多的无源器件补偿电路(RC网络)。

3． 一般的示波器探头的使用寿命有多长时间？探头需不需要定期的标定？
答：示波器的探头寿命不好说，取决于使用环境和方法。
标准对于探头没有明确的计量规定，但是对于无源探头，至少在更换探头，探头交换通道的时候，必须进行探头补偿调整。所有有源探头在使用前应该有至少20分钟的预热，有的有源探头和电流探头需要进行零点漂移调整。

4． 什么是示波器的实时采样率？
答：实时采样率是指示波器一次采集(一次触发)采样间隔的倒数。据了解，目前业界的最高水平是四个通道同时使用。

5． 什么是示波器的等效时间采样？
答：等效时间采样指的是示波器把多次采集(多次触发)采集到的波形拼凑成一个波形，每次采样速率可能很慢，两次采集触发点有一定的偏移，最后形成的两个点间的最小采样间隔的倒数称为等效采样速率。其指标可以达到很高，如1ps。

6． 什么是功率因数？如何如何测量？
答：功率因数：在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。有功功率与视在功率之比叫做功率因数，以COSΦ表示，其实最简单的测量方式就是测量电压与电流之间的相位差，得出的结果就是功率因数。

7． 如何表达和测试功率密度？
答：功率密度就是单位体积里的功率，一般电源里用W/in3。

8． 有无办法利用示波器测出高频变压器或电感磁芯的工作情况？
答：TEK推出的功率测试方案里就有一项功能——B-H曲线的分析，它能反应磁芯的工作状态，还能测出动态电感值，并得出磁芯损耗。

9． 开关电源的噪声有多种如布线不合理引起的交叉干扰、电感漏磁、二极管反向尖峰...等引起噪声，如何用示波器鉴别？
答：TEK的TDS5000示波器上有频域分析、分析噪声的频率段就能分析出噪声的种类，才好用相应的处理方法。示波器只能提供数据分析和波段形显示。
   
10． 用示波器怎样可以测试到开头电源的幅射？
答：开关电源存在幅射干扰，一般做法是设法探出干扰源，然后再去屏蔽它。用示波器可以傅立叶变换的功能分析其频率成份构成，根据频率范围，从而判断干扰的种类。

1、引   言
 　　八十年代后期，随着超大规模集成电路、微型计算机系统及软件技术的发展，在传统测试平台的基础上又出现了虚拟仪器技术。这种虚拟仪器以微型计算机为统一的硬件平台，在其中配以具有测试和控制功能可实现数据交换的模块化硬件接口卡，辅以具有测试仪器功能且形象逼真的软件模块，通过系统管理软件的统一指挥调度从而实现传统测控仪器的功能。
　　这种以软件为核心的系统不必象传统仪器那样受到生产厂商所设计功能的限制，可以使用户充分利用计算机超强的运算、显示以及连接扩展能力来灵活地自己定义强大的仪器功能，因此虚拟仪器技术在几年之内迅速发展，目前已经在机械、电子、电力、交通、航空航天、化工、冶金等行业获得了广泛的应用。
 　　同传统测试仪器相比，虚拟测试平台具有以下优点：
　　1）开放性：利用通用硬件平台构建虚拟仪器系统具有开放性，便于系统的升级和更新。
　　2）易用性：丰富的软件资源和良好的人机交互图文界面使得虚拟仪器系统非常易于使用。
　　3）性能价格比高：相同的性能条件下开发费用和维护升级价格相对比较便宜。
 2、测试系统中的数据管理
　　任何一个信息系统都需要涉及数据管理，虚拟仪器系统也不例外。数据管理是信息系统的一个功能，也是信息系统所包含的一项重要任务，它的作用在于组织数据和方便各类用户使用数据。数据管理，从数据本身来讲，是指收集数据、组织数据和提供数据等几个方面，随着网络和多媒体技术的发展，它不仅包括了数据的产生、收集、存储、删除等活动，又增加了数据传输、访问、共享和安全等方面。
　　目前广泛应用的虚拟仪器平台的系统框囹如图1所示。然而分析图1我们可以看到：在大部分现存的系统中，所得到的数据和分析结果采用打印方式直接输出然后归档保存，采用手工方式管理数据。部分系统将数据和结果保存入文件系统，采用文件方式管理数据。这二种管理方法从数据管理的角度来看都存在着缺陷和局限。
　　 

　　手工方式对数据管理的缺陷是显而易见的：无法处理大量的数据，速度慢，易出错，效率极低。虽然文件系统管理方式比手工管理方式有了很大的改进，但是依然在以下几个方面存在问题。
 　　（1）安全性差
　　文件系统没有或缺乏安全机制，无法识别用户身份，不能禁止未授权用户的使用。因此不能有效的保护数据免遭恶意破坏或误操作而造成的数据损失，也无法保证重要数据不被泄露。
 　　（2）数据冗余度大
　　由于数据是面向程序的，一个数据文件只能为某一用户的特定用途服务，其他应用所需要的相同数据只能重复存储，造成了大量的数据冗余。数据冗余不仅会浪费存储空间，降低存储器的利用率，而且还会带来潜在的数据不一致。这主要是由于文件系统中数据的更新是每个应用程序各自进行的，相同的数据间没有一致的保护措施。
 　　（3）缺乏数据独立性
　　在文件系统中，应用程序和数据结构相互依赖。数据文件是按照具体要求建立的，而应用程序的编制直接依赖于数据的存储格式和存取方法。当存储介质或数据结构发生变化时，相应的应用程序也必须进行修改，增加了程序编制和维护的工作量。 

　　这种虚拟仪器平台以数据库做为数据中心，由数、据提交、数据’使用、数据安全管理等几个部分组成。其中数据提交部分包括由硬件采集电路采集而得到的大量数据和由用户通过人机交互接口以及网络输入的少量数据信息。所提交数据的质量由数据采集部分的预处理模块以及使用者自己保证。数据使用部分由统计、检索、报表生成、打印、显示、决策控制以及远程通讯几个功能模块组成，各模块使用数据的目的、数量、方法、占用时间由各模块自行定义，但使用权限由安全管理部分限定。数据安全管理部分由系统安全策略、安全级别所决定。通过安全管理模块、数据库管理系统（DBMS）以及操作系统来共同完成。基于数据库管理的虚拟仪器系统系统框图如图2所示。
　　这样从数据管理的角度进行分析和设计的系统，可以有效的弥补前面所讨论系统的设计缺陷，具有以下优点：
 　　1〉安全性得到保证
　　操作系统和DBMS共同维护数据库本身的安全，确保数据库中的数据不会因误操作或系统故障造成数据丢失，系统破坏，更重要的是通过用户管理模块对用户进行授权和控制访问管理，保护数据不被非授权用户通过各种方式造成数据流失、篡改和破坏。
 　　2〉由于数据库系统的引心，使得数据管理工作更加高效、便捷。
　　（1）减少了数据冗余
　　利用数据库系统管理数据不再是面向具体应用，而是面向整个系统。所有数据集中管理，统一进行组织，存储和定义，避免了不必要的数据冗余。
　　（2〉数据实现了结构化
　　系统中的数据是通过数据库系统相互关联的，数据库系统是以一定的形式构成的，因此这种数据关联不仅表示为属性之间的联系，而且也表现了实体之间内在的联系。
　　（3）数据具有独立性
　　在前面的数据管理方式中，数据与应用程序之间相互依赖。在数据库系统中，应用程序不再同物理存储器上具体文件相对应，每个用户所使用的数据具有其自身逻辑结构。这种独立性给数据库的使用、调整、优化和进一步扩充带来了方便，提高了数据库应用系统的稳定性，减轻了程序员的负担。
　　（4）有统一的数据控制功能
数据库作为多个用户和应用程序的共享资源，对数据的存取往往是并发的，从而大大提高了数据的使用效率。
 　　3）提高了系统的开发效率
　　在中央数据库数据模型及各部分功能模块方案确定以后，各部分功能模块只针对中央数据库，因此其开发调试工作可以独立展开，互不影响。
 4、构建基于数据库的虚拟测试平台的方法
 　　4.1需求分析
　　需求分析的任务是通过详细调查需要处理的对象，充分了解被测目标的工作概况，明确用户需求，然后在此基础上确定功能。其重点是调查、收集与分析用户在数据管理中的信息来源、处理要求，安全性与完整性要求。需求分析是设计系统的基础，也是最困难最耗费时间的步骤。需求分析是否做得充分与准确，决定了系统实现的速度与质量。
 　　4.2数据模型设计
　　在需求分析阶段所得到的还只是现实世界的具体需求，通过将其进行综合，归纳和抽象，形成可供计算机使用处理的数据模型。在数据模型设计阶段，需要考虑到具体的DBMS的数据支持，同时必须注意数据采集的硬件实现问题，这包括硬件实现的可能性、复杂度、可靠性、价格等因素。综合以上因素对设计的数据模型进行优化。
 　　4.3硬件系统设计
　　根据选定的数据模型确定硬件系统的设计方案，包括控制器、主机箱、总线类型、仪器模块等部分的选择和连接方式。同时需要确定数据采集方案（包括预处理部分的硬件电路和算法〉、控制方案（包括控制电路、执行机构、相应的驱动程序、控制算法〉、决策方案（主要是算法设计）。
 　　4.4数据库系统设计
　　根据数据模型确定操作系统，数据库管理系统（DBMS）的类型。同时设计检索、统计、报表、安全管理、故障恢复等相关功能模块的方案。
 　　4.5系统平台的实施阶段
　　对以上所选定的各种方案进行综合评估，如果满足设计需求即可进行具体实施。否则需要重新设计或修改调整某些部分。
 　　4.6系统的运行和维护
系统经过调试、试运行后进入正式运行，在这其间要不断进行评价、调整。
 5、结束语
 　　现代化技术的进步以计算机技术的进步为代表。不断革新的计算机技术，从各个方面影响、引导着各行各业的技术革新。数据库和数据管理技术作为计算机技术的一个重要分支，自从1968年第一个商品化的数据库管理系统问世以来，得到了迅速的发展，随着计算机应用的不断深入，数据管理的重要性日益为人们所认识。虚拟仪器技术得益于现代计算机技术的进步，数据库技术和数据管理概念的引入将为虚拟仪器技术的发展带来新的活力和好处。期望本文能对虚拟仪器技术的开发应用有所裨益。