示波器的原理和使用范文

导语：如何才能写好一篇示波器的原理和使用，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公文云整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

【关键词】有源电力滤波器，消谐，应用

前言

针对非线性负荷和不平衡负载对电网和设备的危害日益严重，有源电力滤波器APF作为一种理想的谐波无功补偿装置，能够对频率和幅值均发生变化的谐波和无功进行补偿，解决了传统无源滤波器的不足，因此，对APF的研究、分析和应用具有十分重要的意义。

1.问题的提出

1.1安装在煤机厂低压补偿柜上的DZ47-60/32微断开关经常跳闸？

1.2安装在市区配变台架下的无功补偿箱电容投不上？

经过谐波检测仪检测和初步分析，发现主要是以下原因：

对于问题1原因是：煤机厂有一台高频炉开机后产生高次谐波且幅值较大，经检测Hi>80%；

对于问题2原因是：

（1）电压高。变压器低压侧出口电压U>240V，而无功补偿箱的控制器电压判据是：U>240V时过压保护动作。

（2）谐波电流大。经谐波测量仪测出：Himin=15%，Himax=60%，而控制器谐波判据为Hi>8%时电容器自动退出。

对于电压高的问题可以通过调节母线电压和变压器分接头来解决，但对于谐波超标就必须安装消谐滤波装置。

2.APF装置模型的建立

APF装置实际上是一个与负荷谐波电流反相位的补偿电流源，有四部分组成，其结构图如图1：

（1）检测部分：要求快速检测负荷电流中的无功电流iq和谐波电流ih瞬时值；

（2）控制部分：根据检测到的iq和ih向逆变电源部分各开关元件发出控制信号；

（3）逆变电源部分：采用控制极可关断的晶闸管（GTO），或电力晶体管（GTR）及绝缘栅双极晶体管（IGBT），用多种控制方式的脉冲宽度调制（PWM）技术，把直流电流或电压转换成幅值不变、宽度可调的高频脉冲；

（4）输出部分：由高频滤波器和变压器组成。将逆变电源输出的高频脉冲中的脉动成分滤除后补偿电流经变压器输入系统。

3.解决方案

在高频炉和无功补偿箱上加装有源滤波器（APF）。

4.APF的理论依据和消谐分析

4.1APF的理论依据

以日本赤木先生1980年提出的瞬时无功功率矢量控制理论，其主要思路是将供电系统的交流电压通过矢量变换去除负荷电流中的有功基波电流，然后将其余电流归结为补偿电流矢量作为可控变量，从而抑制电网电压波动、三相不平衡和谐波，从而提高电能质量。

4.2消谐分析

如图2，将谐波源负荷电流i（t）按供电点电压u（t）分解为与电压波形相同且同相位的有功电流ip（t）和与其正交的无功电流iq（t）。即 i（t）=ip（t）+iq（t） 其中：ip（t）=KU（t） K为比例系数

系统向谐波源负荷供给的有功功率

电流i（t） 的无功分量：

由于不产生有功功率，APF只产生一个与iq幅值相等且反相的电流if，即if=-iq is=if+i=ip

因此，APF就把负荷电流中的全部谐波分量和基波无功分量完全补偿，消除了注入系统的谐波电流。

5.结束语

通过在低压补偿柜和无功补偿箱上加装APF装置，解决了无功补偿装置因谐波超标投不上的问题，又防止了高频装置因产生高幅值谐波电流引起的开关误动。因此，综合其自身特点可以推而广之，可应用于配网低压谐波超标、功率因数偏低以及没装消谐装置的高频装置上，以限制或消除谐波、提高功率因数，极大的改善电能质量。

参考文献

[1]中国国家标准 GB7251.1-2005.《低压成套开关设备和控制设备1》[S]

[2]中国国家标准GB/T15576-2008.《低压成套无功功率补偿装置》 [S]

[3]王兆安，杨君等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998.

[4]胡学之，皮大能.有源电力滤波器及其应用技术综述[J].

篇2

关键词：数字示波器；模块化；FPGA

中图分类号：TM935文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)20-30375-02

The Design of Digital Oscilloscope

LIU Yan

(Tianjin Industry University, Information and Communication Engineering Institute, Tianjin 300160, China)

Abstract: The modern electronic digital oscilloscope is the most commonly measured angle of the apparatus, which is a can be used to observe, measure and record all kinds of transient voltage and wave to show their relationship with the time the electronic device. This article described the digital storage oscilloscope in detail and the principle features of this paper, a microcontroller and a programmable logic device to control the core of the design plan, and gave its hardware and software design of the structure and ideas.

Key words: Digital oscilloscopes;modular;FPGA

1 引言

数字示波器是智能化数字存储示波器的简称，是模拟示波器技术、数字化测量技术、计算机技术的综合产物。它能够长期存储波形，可进行负延时触发，便于观侧单次过程和缓变信号，具有多种显示方式和多种输出方式，同时还可以进行数学计算和数据处理，功能扩展也十分方便，比普通模拟示波器具有更强大的功能，因此在电子电信类实验室中使用越来越广泛。

2 数字示波器的工作原理

数字存储示波器不是将波形存储在示波管内的存储栅网上，而是存在存储器中，因而存储时间可以无限长。数字存储示波器主要利用A/D转换技术和数字存储技术来工作，它能迅速捕捉瞬变信号并长期保存。该示波器首先对模拟信号进行高速采样以获得相应的数字数据并存储，存储器中储存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形；然后利用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需要的各种信号参数；最后，该示波器根据得到的信号参数绘制信号波形，并对被测信号进行实时、瞬态分析，以方便用户了解信号质量，快速准确地进行故障诊断。数字存储示波器将输入模拟信号经过AD/转换，变成数字信号，储存在半导体存储器RAM中，需要时将RAM中存储的内容读出显示在LCD，或通过DA/转换，将数字信号变换成模拟波形显示在示波管上。数字存储示波器框图如图l所示。数字存储示波器可以采用实时采样，每隔一个采样周期采样一次，可以观察非周期信号川。数字示波器的采样方式包括实时采样和等效采样(非实时采样)。等效采样又可以分为随机采样和顺序采样，等效采样方式大多用于测量周期信号。数字示波器工作原理框架如图1。

3 数字示波器的主要特点

与传统的模拟示波器相比，数字存储示波器有其非常突出的特点，其具体表现如下：(1)信号采样速率大大提高数字存储示波器首先在采样速率上有较大地提高。可从最初采样速率等于两倍带宽提高至五倍甚至十倍。相应对正弦波取样引入的失真也从10%降低至3%甚至1%。(2)显示更新速率更高数字存储示波器的显示更新速率最高可达每秒40万个波形，因而在观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲方面更加方便。(3)波形的采样、存储与显示可以分离在存储阶段，数字示波器可对快速信号采用较高的速率进行采样与存储，而对慢速信号则采用较低速率进行采样与存储;在显示阶段，不同频率的信号读出速度可以采用一个固定的速率并可以无闪烁地观测极慢信号与单次信号，这是模拟示波器所无能为力的。(4)存储时间长由于数字存储示波器是把模拟信号用数字方式存储起来，因此，其存储时间理论上可以无限长。(5)显示方式灵活多样为适应对不同波形的观测，数字存储示波器有滚动显示、刷新显示、存储显示、插值显示等多种显示方式。(6)测量结果准确LCD上每个光点都对应存储区内确定的数据。操作时可用面板上的控制装置(如游标)在LCD上标示两个被测点，以算出两点间的电压或电流，再利用计算机的字符显示功能在LCD上直接显示测量结果，从而减少了人为误差，提高了测量的准确度。(7)触发功能先进与模拟示波器不同，数字存储示波器不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号还可以任意选择超前和滞后的时间。(8)便于程控并具有多种方式的输出由于数字存储示波器的主要部分是数字系统，又由微计算机管理，故可通过接口接受程序控制，也可通过接口用于各种方式的输出。

4 数字存储示波器的系统结构

示波器主要以微处理器、数字存储器、A/D转换器与D/A转换器为核心，输人信号经过A/D转换器把模拟波形转换成数字信息，存储在数字存储器内，显示时再从存储器中读出。通过接口可以与计算机相连，利用机内微处理器系统对存储的信号作进一步处理.也可以直接将数字信号送至液晶显示器，这样大大改进显示特性，增强功能，便于程控化和智能化。比传统数字示波器精确得多的实时波形采集技术，使数字测量更加精确，主要用于高精度测量和分析，以及组成自动测试系统。其主要性能指标包括采样速率、带宽、显示更新速率、存储深度等。

按照从整体到局部的系统设计原则，根据现代数字存储示波器的性能指标要求和实际研制需要，首先确定所设计的DSO系统应该具备的功能和所需达到的性能。

（1）被测周期信号的频率范围为10Hz～10MHz，仪器输入阻抗为1MW，显示屏的刻度为8 div×10div，垂直分辨率为8bits，水平显示分辨率≥20点/div。

（2）垂直灵敏度要求含1V/div、0.1V/div两档。电压测量误差≤5%。

（3）实时采样速率≤1MSa/s，等效采样速率≥200MSa/s；扫描速度要求含20ms/div、2μs /div、100 ns/div三档，波形周期测量误差≤5%。

（4）有自动设置功能，具有多种采集、触发和显示方式。

（5）仪器的触发电路采用内触发方式，要求上升沿触发，触发电平可调。

（6）系统失真小、精度高、抗干扰性强，能稳定工作在各种工作环境中。

根据上述的设计指标要求，参考基于ARM+FPGA架构的系统设计原则，我们将本系统设计成由以下几个子系统组成：模拟通道、数据采集和处理模块、系统控制模块、键盘与显示模块、电源模块和系统监控电路模块。相应的结构框图如图2所示。通道2和外部触发通道的输入信号调理电路，信号调理电路是将通道和触发信号进行放大或衰减、滤波等调理，把被测信号调节到VIPs=500mV～2V的ADC满量程范围。数据采集和处理模块主要器件为高速ADC和FPGA。ADC负责将调理过的信号采集下来，FPGA根据触发信号对采集下来的波形值进行接收、插值和存储，并将存储的波形值传输给ARM主控模块进行后续的处理和显示工作。考虑到系统对采样速率的高要求，我们采用了并行采样技术，利用两个500M的ADC分别在时钟信号的上升沿和下降沿采样来实现最高1G的采样速率。这样不但可以降低数据的数率以便后端的处理，也减少了系统成本。系统控制模块完成对系统其它模块的控制，并接收FPGA传输来的波形值，根据键盘的操作对波形和菜单进行实时的显示与更新。它还完成系统与上位机的通信。本系统对系统任务进行了合理的分割，引入了嵌入式实时操作系统μCOS-Ⅱ来调度系统的各个任务。键盘与显示模块主要完成系统的人机交互工作以及波形和菜单的实时显示和更新。本系统采用一个单片机单独管理键盘，一个LCD显示器作为系统的显示部件。操作者每一次按键时，单片机都向主CPU发出一个中断，主CPU响应键盘的中断，并对键语进行分析，根据操作者的要求实时地更新菜单和波形。电源模块完成对系统的供电功能；系统监控电路模块完成对整个系统运行状况的实时监控工作，一旦发生异常，复位整个系统。

5 系统软件设计

系统采用硬件描述语言，VHDL，按模块化方式进行设计，并将各模块集成于FPCA芯片中，然后通过Quar-tusll4.1软件开发平台，对设计文件自动地完成逻辑编译、逻辑化简、综合优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，最后对FPGA芯片进行编程，实现系统的设计要求。

系统主要实现的功能是提供良好的人机交互功能，包括显示波形、键盘控制和通信等功能。系统软件设计的目标是在硬件的基础上，能实现所设计的各种功能，而且系统的稳定性要好，实时性要高。本系统主要实现系统的初始化、信号的采集与转换、存储、显示及通信等功能。本系统的软件整体框架如图3。初始化部分是系统加电后首先执行的动作，主要完成的任务有：定义程序中使用的全局变量或数组，并对其进行初始化；对液晶进行复位，向液晶发初始化命令，清除液晶显示缓冲区、初始化液晶模块内部寄存器等；进入显示主界面；设置默认的衰减/放大倍数；设置触发产生电路的触发信号比较电平；初始化键盘扫描电路；初始化触发电路，其中包括触发信号是来自内部还是外部，上升沿还是下降沿触发，自动触发还是单次触发等；根据时基大小设置采样时钟的分频比。初始

化完成后进入主循环，系统开始正常工作。初始化是保证系统正常运作的基础，只有正确配置了CPU的工作模式寄存器、空间控制寄存器、中断向量表等参数，CPU才能进入正常的工作状态。参数提取是把系统软件的状态字、标志字、环境变量等常用参数从FLASH中读取到RAM中。系统在初始化阶段关闭中断，当初始化完成后开中断，响应数据采集中断、定时中断和复位中断。

主循环部分主要工作是负责正常显示时的数据处理和波形显示，它根据不同的显示状调用相应的处理和显示程序。数据采集和显示过程中，主程序首先判断采样是否结束，如果结束，再判断系统是否处于扫描模式。

6 结束语

利用本文提出的以单片机和可编程逻辑器件为控制核心的数字存储示波器可以实现波形的采集、存储、参数的处理与计算等功能，而且轻巧便携、简单实用。而利用该示波器的通讯功能还可以与外部计算机相连以进行更为复杂的数据运算、分析和处理，从而为工业现场应用和科学研究提供很大的方便。要数字存储示波器它与模拟示波器相比，具有极强的优越性，且随着科学技术的不断进步和其制造成本及市场价格的不断下降，其发展前景十分看好。

参考文献：

[1] 周惠艳,习友宝,詹惠琴,等.数字存储示波器在自动测试系统中的应用[J].仪表技术与传感器,2008(01).

[2] S,孙晶.基于声卡的虚拟双踪数字存储示波器[J].仪器仪表用户,2008(01).

[3] 熊开盛,董兆鑫.简易数字存储示波器中信号显示模块的设计[J].武汉工程大学学报,2007(01).

[4] 李维森.当代数字示波器的发展应用[J].中国电子商情（基础电子）,2007(Z1).

[5] 将示波器用于高速数字系统设计与调试[J].电子设计技术,2007(06).

篇3

关键词：电子测量 教学方法 理论教学 实验教学

中图分类号：G642.4

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2015.03.128

1 引言

现代科学技术的发展，如现代数学、物理学、微电子学、材料学等科学的发展为电子测量技术的发展创造了条件。电子测量技术的发展又为各行各业科学技术的发展提供了有利的工具，推动了现代科学技术的发展与进步。当今的各行各业都离不开电子测量技术和电子测量仪器，甚至在一些原先与“电”无关的专业，如化学、生物、医学、土木建筑等行业也都得到了充分的利用。各式各样的精密电子测量仪器在各种实验室里早已成为不可替代的基本工具和设备，因此电子测量技术的课程绝对不是可有可无的。当代大学生、研究生必须把电子测量技术和仪器作为一门基本功，认真学好。不论哪行哪业，在今后的工作中都将会大有益处、受益非浅。《电子测量技术》如此重要，如何更有效的展开本课程的教学工作，是一个值得我们深思的问题，本文笔者从理论教学和实践教学两个方面对《电子测量技术》课程的教学方法进行探索与实践。

2 理论教学

电子测量技术课程的内容主要包括电路参数测量、频谱分析、时域信号的测量、晶体管特性测量等电子测量的基本原理和测量误差分析，并包含了相关电子测量仪器的工作原理、性能指标、实际应用和相关仪器的最新成果等。与很多课程一样，该课程的理论内容非常枯燥，如果在教学过程中将理论内容和实验内容严重脱节，只是一味的介绍理论知识，将使得学生无法全面掌握电子测量的核心技术。若要出色的完成这门课程的教学是一项非常有挑战性的任务。理论教学工作作者是从教材选择、教师的自我提高、逆向思维教学法三个方面展开的。

2.1 教材的选择

一本好的教材不仅可以使教师易教，大大提高教学效果和教学质量，而且还可引导教学改革和教学思想的转变，而且可使学生易学，启发学生思维、引导学生创新。

笔者选用的教材是电子工业出版社出版的由桂林电子科技大学陈尚松等编写的《电子测量与仪器》，该书按高等学校电子信息科学与工程类专业的教学要求编写，教材中的内容与时俱进，技术上跟进更新。书中的内容是按发展历程讲解仪器原理，容易入门，叙述深入浅出，图文并茂，宜学宜懂，同时也包含了扩展或深入的内容可供教学和科研的不同需求选用；该书的具体内容做到了理论联系实际，既讲电子测量原理，又讲具体仪器应用，通过实例与仪器型号参数介绍，加深对仪器的认识和对国内外技术水平的了解。在内容上每章均附本章要点、小结和思考题与习题，便于学生预习、复习和总结。

2.2 教师的自我提高

在任何一门课程的教学过程中教师都具有主导作用，教师知识水平的提高可使教学质量得到有效地提高。我们知道电子技术的发展是非常迅速的，电子产品的发展速度呈摩尔定律所描述的规律，即集成电路的规模和微处理器的性能每18个月都会提高一倍，在这一速度的带动下各种电子测量仪器的生产厂家不断发展更新自己的产品。作为《电子测量技术》的教师，一方面应该时刻关注研制和生产电子测量仪器的商家的产品动态，要实时关注Aglient、Tektronix等这些大的电子仪器生产厂家的产品动态，定期查阅他们产品的资料，用来深化和扩展教学内容，将这些新内容、新知识在课堂上呈现给学生，丰富课堂内容激发学生的学习兴趣和热情，拓宽学生视野做到与时俱进；另一方面教师要主动进行电子测量方面的科学研究，促使教师对该方面的知识有更深入的理解，多参加学术交流会议，到科研水平较高的国内国际会议或其它相关的平台学习，通过与他人交流学习来提高教师自身的水平。

2.3 逆向思维教学法

任何一门课的理论学习都是一个枯燥的过程，如何化枯燥的理论学习为一个有趣的学习过程也是教师要思考的一项重要内容。这要求教师明确教学目的，在双重考虑教学目的和本专业实际情况的条件下，选取授课内容和授课方法。本课程主要介绍电子测量的原理及仪器使用部分，教师将理论教学的阵地从教室转移到实验室，直接面对仪器教学，使用逆向思维的方法进行理论教学，先从教学生如何使用测量仪器开始，让学生对仪器的结构有一个直观的感性认识，懂得仪器的各个旋扭或按键分别实现了什么功能，以及各旋扭或按键间如何协调工作，以使用过程中遇到的问题引发对理论知识的思考与学习。

以信号源和示波器的教学为例，这一教学过程将第三章和第六章的内容结合起来，先对信号源和示波器两种仪器的表面结构进行讲解，让学生使用示波器测量信号源输出的信号，学生使用仪器并利用仪器观察到信号后学习积极性也被调动起来，教师由实际操作引导理论知识的学习。如在信号源的使用过程中，信号的形状会发生变化，由此引出怎样才能使信号的波形发生改变，这就指引学生去学习“函数信号发生器的基本组成”部分的内容，这里讲解了常见信号波形的产生和转换方法；再如我们可以从示波器上观察到信号源的频率可以从低频段调到调频段，在同一频段内频率也会在一定范围内发生变化，信号源是如何实现这些频率变化的呢？带着这样的问题能引导学生学习信号源内部电路设计中的多种频率合成方法。在示波器的使用过程中同样提出问题，引导学生去学习示波器的理论内容，如打开示波器观察到光点，通过辉度与聚焦的调整引导学生学习示波管的原理及构造，这一显示原理也用于其他的显示设备上，如频谱仪、扫频仪等，做到触类旁通；通过示波器的触发模式调节键观察不同触发模式下信号的显示变化，反过来引导学生去研究是怎样的设计变化促使了显示屏信号的相应变化，带着学生学习示波器X通道中的触发电路的组成、触发耦合方式、触发电平、触发极性等知识；再如使用示波器观察信号源的同一个信号波形时，通过调节垂直或水平偏转旋扭观察信号波形的变化，为何会出现这种变化？带着同样的思考引导学生学习X通道、Y通道的放大电路设计等等。

3 实验教学

本课程的实验教学采取验证性实验和设计性实验相结合的策略。

3.1 验证性实验

验证性实验的目的是让学生通过操作各个实验项目，使他们对电子测量的基本概念、原理及方法有更加深入的认识和理解，培养学生独立思考的习惯，提高学生理论联系实际的能力和分析、解决问题的能力。在本课程的理论教学过程中，学生已基本掌握了实验所用用仪器的操作和使用方法，学会利用现有设备采取正确方案进行一些简单的测试测量。教师设计一些具有锻炼学生思考能力的实验给学生。如：通用计数器的应用，该实验要求学生理解通用智能计数器工作原理，掌握测量频率周期的测量方法及其检定高频信号源频率准确度，熟悉计数器的其他扩展功能；再如通用示波器的应用，要求学生理解示波器的工作原理、技术指标，熟练掌握通用示波器测试信号参数的方法等。

3.2 设计性实验

《电子测量技术》课程综合运用了电子、计算机、通信、控制等方面的技术知识，教师结合本专业的基础课程，设计了本课程的设计训练题目，目的是培养学生将科学理论与实际工程相结合的能力，通过设计训练，要求学生在掌握电子测量仪器基本理论的基础上，能根据所学知识综合设计简单的测量电路，运用单片机、FPGA、Protel等工具对简易电子测量系统进行仿真与设计，从而提高学生的创新设计实践能力。

设计题目主要有简易信号源设计、简易计数器设计、简易频率计设计、简单的数据采集卡设计等，让学生通过这些题目进一步对课本理论知识进行深入的学习。设计要求学生首先要写出《设计任务书》，包括以下内容：第一，仪器名称、用途、特点及简要设计思想；第二，主要技术指标；第三，仪器应具备的功能；第四，仪器的设备规模；第五，系统的操作规范等。该任务书反映同学的设计目标，同时也是教师作为设计完毕进行验收的依据。在设计之前要先学习基本的设计方法；在设计过程中除写好《设计任务书》外，还要做到理论联系实际，实现书本知识到工程实践的过渡，要求学生在每一步设计结束要及时与教师沟通，尽可能完善设计工作。硬件电路设计前要画好硬件原理框图，过程中要绘制详细的电路图，仿真无误后方可制作电路板；硬件完成后要规划软件控制流程图，根据流程图逐步、逐点编写程序；最后进入软、硬件联调、实验，最后还要撰写设计报告。教师根据任务书中的指标逐项检查设计成品。

通过课程设计同学们学习了硬件电路设计、软件程序设计、电路调试等知识，使学生深入理解并掌握了测量仪器的基本原理，硬件结构和工作原理。掌握程序的编制方法和程序调试的方法，掌握常用接口的设计及使用。学生为其它课程、项目和毕业设计做了大量的知识储备，也为将来在自动化、智能检测、电子信息工程、测试计量技术及仪器、电子科学与技术及其它领域工作打下良好基础及应用实践能力。

4 结论

作者在课程教学过程中采用理论教学与实验教学相结合的教学模式。教师在“做中教”，学生在“做中学”。教师充分利用实验室现有的实验仪器、智能仪器控制软件、虚拟仪器软件等，较为全面地介绍电子测量技术的基本知识、电子测量仪器及测试系统的工作原理以及它们在工程实际中的具体应用，让学生尽可能广的学习到本课程所涉及的专业知识。经实践，本文提出的理论教学和实验教学方法证明了该方法的构建激发了学生的学习兴趣，巩固和加深了学生对理论知识的掌握与理解，提高了学生分析问题和解决问题的能力并加大了授课的信息量，符合创新人才培养和社会发展的要求。

参考文献：

【1】陈尚松，郭庆，雷加.电子测量与仪器【M】.电子工业出版社，2012.

【2】范泽良，王永奇.电子测量与仪器【M】.清华大学出版社，2010.

篇4

关键词：自动控制原理；实验教学模式；虚拟实验

作者简介：任琦梅（1978-），女，河南平顶山人，河南城建学院电气与信息工程学院，讲师；董燕飞（1976-），女，河南平顶山人，河南城建学院电气与信息工程学院，副教授。（河南 平顶山 467036）

基金项目：本文系河南城建学院2013年度科学研究基金项目（项目编号：2013JZD007）的研究成果。

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）35-0139-02

“自动控制原理”是自动化及相关专业必修的一门重要的专业基础课，是一门理论性较强的工程科学，概念抽象，内容丰富，涉及知识面广。实验教学是自动控制原理教学的重要组成部分，通过实验可以使学生加深对理论知识的理解，并且初步将理论知识应用于工程实际。如何有效地组织实验教学，提高学生的工程应用能力、创新能力和综合素质，是实验教学改革中重要的研究内容。笔者结合几年来自控原理实验教学的经验，对常见的一些实验方式进行分析，对实验教学模式进行探讨。

一、常见的实验方式

1.采用信号发生器、模拟实验箱和慢扫描示波器构成实验平台

这种实验方式是在实验箱上用运算放大器、电阻、电容等元件搭建电路，模拟典型环节或系统，由函数信号发生器提供阶跃、脉冲、正弦波等信号作为环节或系统的输入信号，在慢扫描示波器上把响应曲线显示出来。

（1）优点：学生在实验过程中通过搭建电路可以对控制系统的构成有一个感性的认识；进一步练习和熟悉信号发生器、慢扫描示波器等仪器的使用，提高学生的动手能力。

（2）缺点：因为系统的阶跃响应过渡过程很快，普通示波器无法显示，因此需要使用慢扫描示波器，增加了实验室建设的成本；实验的主要目的是对控制原理中抽象的理论知识有更深的理解，但学生在实验过程中要花大量的时间来连接线路和调试仪器，容易忽视对实验结果的分析；实验中经常会受到元件参数不稳定的影响和设备条件的限制，使实验值和理论值不相吻合或误差过大，导致学生产生错误的理解；某些内容无法实验，或实验结果不直观、不准确：如根轨迹部分无法进行实验；频率特性部分Bode图需根据示波器得到的李萨育图形进行计算描点绘制，Nyquist图需根据测出的数据描点绘制。

2.采用模拟实验箱、AD/DA转换卡、计算机构成实验平台

这种实验方式也是在模拟实验箱上搭建电路来模拟典型环节或系统，模拟实验箱和计算机通过A/D、D/A转换卡和数据线进行通信，由计算机产生各种典型输入信号，经过A/D转换后送给模拟电路，输出信号经过D/A转换后送到计算机中进行显示。

如典型二阶系统的阶跃响应实验，模拟电路图如图1所示：

（1）优点：和第一种实验方式一样，学生在实验过程中通过搭建电路可以对控制系统的构成有一个感性的认识；计算机代替了函数信号发生器和慢扫描示波器的作用，降低了实验室建设成本；实验过程中无需过多调试仪器，实验过程变得简单，节省了实验时间，使学生可以把重点放在对实验结果的分析上；计算机强大的处理功能使实验结果更加准确直观，测量方便：如阶跃响应曲线上超调量和调整时间可以直接读数，频率特性实验中可以直接显示Bode图和Nyquist图。

（2）缺点：仍然没有解决根轨迹部分无法做实验的问题；做系统校正实验或高阶系统实验时，实验线路连接麻烦，出错时不容易检查，且修改系统参数不方便；实验结果的准确性和实验项目的设置对实验软件有依赖性，不能很灵活地自行设置实验内容。

3.利用MATLAB软件进行仿真实验

这种实验方式是利用MATLAB和SIMULINK软件强大的仿真能力，通过软件编程的方法在计算机上实现环节或系统的构建、参数的修改、输入信号的产生和实验结果的显示。

也以典型二阶系统的阶跃响应实验为例，在MATLAB软件命令窗口输入以下程序：

wn=1；t=[0：0.1：15]；

for z=[0：0.1：1，1.5，2]；

num=wn^2；

den=[1 2*z*wn wn^2]；

step（num，den，t）

hold on

end

hold off

即可得到图2所示相应曲线，图中自动以不同颜色分别显示阻尼比为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2时的阶跃响应曲线，对比分析性能非常方便。

也可以在SIMULINK中建立二阶系统的模型，类似系统框图的形式，在输入端接阶跃信号模块，输出端接示波器模块，仿真后也可得到系统的响应曲线。

（1）优点：MATLAB软件具有强大的数据处理和图形处理的能力，且编程方法简单易懂，实验结果更加准确直观；对根轨迹等部分在常规实验平台上无法进行的内容可以很容易地进行实验；系统模型用软件实现使得系统结构和参数的修改非常容易；SIMULINK中结构图的模型表示方法与理论教学中一致，加深学生对理论知识的理解；可以自行设计实验项目和实验内容，很方便地进行设计性实验。

（2）缺点：直接用软件编程进行实验，使学生缺乏对实际系统的感性认识。“控制系统仿真”课程往往在“自动控制原理”课程之后开设，学生在实验时对MATLAB语言和环境不熟悉，可能需要花大量时间在MATLAB编程上，而忽略了对实验结果的分析。

4.利用研发的虚拟实验系统进行实验

基于一些仿真功能强大且交互性好的软件（如MATLAB、EWB、LabVIEW等），根据实验项目和实验内容，研发界面友好的虚拟实验系统。学生在研发的虚拟实验系统上进行仿真实验。

同样以典型二阶系统的阶跃响应为例，图3是笔者研发的虚拟实验系统实验界面：

实验界面上显示了典型二阶系统的模拟电路图、系统框图和传递函数，在输入参数面板相应位置输入电阻R1和电容C的值，点击控制面板上的“绘制出曲线”即可在左侧示波器位置显示出响应曲线，系统的相关参数和性能指标同步显示出来。

（1）优点：实验过程简单，学生无需进行编程，根据提示搭建电路或改变参数即可得到实验结果，着重对实验结果的分析，提高了实验效率；实验结果准确直观，响应曲线、根轨迹、Bode图等清晰明了，便于学生对比分析；增设综合性、设计性实验，实验项目更加丰富，学生也可自行设计实验内容，提高学生的创新能力；实验形式更灵活、更开放，突破了时间、空间和实验条件的限制，只要有计算机即可进行实验，学生可自主选择时间和地点。

（2）缺点：学生通过虚拟环境进行实验，不接触实际器件和搭建电路，容易缺乏对控制系统的感性认识；仿真结果在理想情况下进行，实际系统的故障和异常运行情况不能完全反映，学生缺少对实际问题的分析。

二、结论

通过对上述实验方式的比较，传统的模拟实验教学模式可以增加学生对控制系统的感性认识，提高学生的动手能力和分析问题、解决问题的能力；虚拟仿真实验教学模式灵活方便，可以拓展学生的思维，进行更复杂的系统分析，并增加设计性实验项目，提高学生的创新能力。将虚拟仿真实验和物理实验结合起来更有利于提高学生自动控制理论分析设计和计算机仿真与系统调试的综合能力，提高学生的工程实践应用能力。

综合实验成本和实验效果的考虑，多数高校现在采用的是第2种和第3种实验方式配合使用，对简单的环节和系统的阶跃响应实验用第二种实验平台，使学生对实际系统有一个感性的认识，对复杂的高阶系统、根轨迹、系统校正等实验用第三种实验方法，使学生对抽象的理论知识有更深的理解。

从虚拟实验的角度来说，第4种方法要优于第3种方法，可以使不熟悉仿真软件的学生从相对复杂的编程过程中解脱出来，把实验的重心放到系统的分析和设计上。部分高校已经进行了自动控制原理虚拟实验的研究并开发了一些虚拟实验教学系统，但其规范性、通用性和开放性有待改进。对此进行深入研究，设计出界面友好、操作简便、实验项目合理丰富、通用性强的自动控制原理虚拟实验系统，不仅能有效提高自动控制原理课程的实验教学效果，也可以为许多电气电子类课程开设实验提供新的思路。

参考文献：

[1]夏德钤.自动控制理论[M].第3版.北京：机械工业出版社，2007.

[2]肖理庆，李巍.“自动控制原理”实验教学改革[J].电气电子教学学报，2012，（3）.

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【关键词】地震数据采集；滤波系统；测试验证

随着近代电子技术的发展，地球物理勘探技术在不断进步，作为最重要的地球物理勘探方法―地震勘探也在飞速的发展，无论是数据采集技术、仪器的升级改造方面，都得到了很大程度的提升。野外地震数据采集是地震勘探最重要的过程，它包括对地震信号的采集、地

震信号的放大和滤波处理、信号的预存储，能否在数据采集过程中消除干扰，高精度地采集到所需要的有效信号，是后期数据的正确处理和解译的关键，通常采用一定性能的滤波器对噪声信号进行处理，本设计结合当前地震勘探数据采集处理的要求和电子技术发展的现状，设计了基于FPGA的信号滤波系统。

1.滤波系统的设计与实现

地震数据采集的关键是地震波信号，它是地震勘探时利用人工激发产生的，在弹性不同的地层内传播规律来勘探地下地质情况的信号。

由图1可以看出，野外数据采集过程中能否消除干扰，高精度地采集到所需要的有效信号，是后期数据的正确处理和解译的关键，地震数据解译的正确与否又关系到后续工作的开展。数字滤波器主要有无限冲激响应数字数字滤波器（IIR数字滤波器）和有限冲激响应数字滤波器（FIR数字滤波器）。与IIR数字滤波器相比，FIR数字滤波器最显著的优点就是可以在设计任意幅频特性的同时，保证了严格的线性相位。线性相位对于一些性能较高的系统是非常重要的，所以FIR滤波器较IIR滤波器在现代信号处理中获得了广泛的应用。

1.1 FIR滤波器实现原理

FIR滤波器是指系统的单位冲击响应仅在有限的范围内有非零值的滤波器。FIR系统只有零点，因此这类系统不像IIR系统那样易取得比较好的通带和阻带衰减特性。但FIR系统有自己突出的优点为易实现精确地线性相位，FDAtool为MATLAB自带工具软件，适合的滤波器结构为直接型结构，如图2所示。

对应FDAtool工具箱对应FIR滤波器为卷积型结构，关键求出系统单位冲击响应。系统函数为：

式中：N为滤波器阶数；为输出信号；为滤波器系数；为滤波后信号；

基于微处理器平台编写程序用迭代法简单方便，把公式（2）展开，初始输出前N个点数据有一定误差，当输入数据点数大于滤波器阶数N时，输出滤波指标达到系统要求。

1.2 FIR滤波器硬件实现

作为地震仪的核心，整个采集滤波系统主要包括两部分：前端的预处理模块和滤波器模块。该系统的主要任务是根据实际野外勘探要求，对检波器采集到的地震数据进行噪声滤波处理，以获取有效的地质构造概括等相关信息。实际中理想采样是不存在的。在实际采样系统中，信号经过采样后，其频率分量随着频率的的增加而不断的衰减，且在等于采样频率一半处衰减为零。所以在不做均衡的情况下，必须保证采样频率足够高。本文设计的FIR数字滤波器为低通滤波器，采样率为4M，截止频率为500kHz。因此采样保持电路的驱动时钟频率为4MHz这里信号恢复低通滤波器截止频率选取为1.3M低通滤波器，这是结合理论和实验得到的。硬件原理图如图3所示。

2.滤波系统的测试与分析

2.1 测试方法

输入不同频率的正弦波，观测输出正弦波的幅度，同时比较输入、输出波形，得出输入、输出波形的相位差。

由于输出波形肯定滞后于输入波形，所以相位差必然为负数。为了更精确的得到相位关系，测试时不直接在示波器上测试，而是将数字示波器各组波形存储在计算机上，在计算机上采用示波器软件Ultrascope，用时间轴测出两个对应的峰值的时间差，根据输入正弦频率的，计算出相位差。如图4所示，输入正弦频率60KHz，输出应该滞后与输入波形，用两个时间轴分别对准输入输出信号对应的波峰，读出时间差为12.47us，那么这两个波形的相位差为-269.352。本文中测量相位差时均先记录相位差的范围为0°到-360°，这是由于小于-360°可以等效在0°到-360°范围内的相位差。理论设计的数字滤波器相频特性表明，该滤波器在阻带截止频率内有线性相位，因此只测试输入信号频率小于600kHz的样本的相位差。

2.2 测试结果及数据分析

如图4所示，滤波器的输入和输出波形均为正弦波，无明显失真。说明滤波器在处理单频信号时，引入其他谐波干扰在合理范围内。在测试FIR滤波器时，输入正弦信号幅度为1.0V，输入信号的步进为20kHz。但是由于示波器的测量数据可能与信号源显示数据不同，再加上示波器的线可能衰减高频信号，所以输入信号的幅度必须测量，根据测试得到的数据可以画出实际滤波幅频特性。

从图5可以看出，幅频曲线为一个低通滤波器。分析数据得到实测数据相对于理论数据通带无纹波，这应是测试误差造成的，但总体符合理论设计。在过渡带频率的信号衰减大于理论衰减，这应是由抗混叠滤波器和信号恢复滤波器的衰减引起，但偏大的衰减出现在过渡带，不影响滤波器性能这表明，抗混叠滤波器和信号恢复滤波器会影响系统特性，设计时应注意选择这两个滤波器的指标。同时可以观察到，输入信号频率继续增大时，实际衰减没有理论衰减大。在测试中发现，如图6所示，在测试阻带中的样本时发现正弦波上叠加了噪声，这造成了测试时读出的峰峰值增大。由于通带和过渡带信号样本幅度较大，噪声对衰减的计算影响较小。而由于阻带内滤波器输出信号较小，干扰的幅度对衰减计算影响较大。测试表明，当电源空载时电源和地之间存在20mV左右纹波，这个干扰应是由电源引入的。因此在实际应用中，应使用纹波小的电源，以减小电源引入的干扰。

3.结论

数字信号处理在生物医学、图像视频、雷达、通信、航空航天以及地球物理探测等领域都有广泛应用。数字信号处理技术已经逐步取代了模拟信号处理技术的主导地位，使地震勘探发生了质的飞越。在采集模块前端运用高精度ADC将模拟信号转换为数字信号，整个地震数据信号处理过程就以数字化的形式进行，实时根据数据处理要求编程实现各种功能，有利于大规模的地震数据的快速批量处理，大大简化信息分类、查找等过程，为了提高信噪比，获得精确、可靠的反演和解释结果，本文设计了高速的滤波系统，提高了信号的采集准确性，测试结果表明设计效果较好。

参考文献

[1]罗福龙.地震勘探发展技术综述[J].石油仪器，2005，19 （2）：1-5.

[2]胡文静，陈松，刘翔.基于FPGA的嵌入式程控数字滤波器实现研究[J].子器件，2009，32（6）：1040-1042.

[3]徐瑶瑞.抗混叠滤波器的原理及TLC1564在神经诱发电位检测仪中的应用[J].医疗装备，2009，2（12）18.

[4]兵，平利姣，朱自强.浅层地震勘探数据拟同步采集时差分析与实践[J].地球物理学进展，2008，23（6）：1958-1962.

[5]兵，平利姣，朱自强.浅层地震勘探数据拟同步采集时差分析与实践[J].地球物理学进展，2008，23（6）：1958-1962.

[6]维亮，庹先国，李怀良，等.高速多通道地震数据采集处理系统[J].仪表技术与传感器，2011（3）：61-63.

[7]吴黎慧，蒲南江，高磊.基于FPGA的FIR滤波器的误差分析[J].子测试，2011，34（08）：56-58.

篇6

【关键词】仿真软件;电工电子教学

电工电子是高职校工科电类专业的重要专业基础课，为后续课程准备必要的基础知识，对培养学生的电工基础知识、基本能力和综合素质具有其他电类课程不能替代的重要作用。该课程理论严密、物理概念多、逻辑性强，与工程技术及生活实际联系紧密，常常需要就宏观现象进行微观解释。

该课程不但要求学生掌握电路的基本原理和计算方法，更重要的是培养学生对电路的分析、设计及实际应用的能力。然而在进行电子线路教学中，由于学生对电子元器件及实际电子线路缺乏感性认识， 因此教师感到难教、学生感到难学，所以需要大量的电子线路实验来辅助教学。

为了满足电子线路教学实验的要求， 需要配置大量的电子设备、仪器、仪表、电子元器件、工具等。另外还需配备一定数量的、具有丰富实践经验的实习指导教师。因此学校有限的教学资源与学生日益增长的教学实验需求形成了一个较难解决的矛盾，所以在目前的教学条件下如何提高电子线路教学实验的开出率一直是一个重点也是一个难点。如今，利用计算机辅助教学就能有效地解决这一问题

一、仿真软件在电工电子课程理论教学中的作用

将计算机仿真软件引入电工电子课程教学，使理论教学与虚拟仿真实验紧密结合，能够使教学知识点更加容易理解、抽象的知识变得更加直观。学生在学习专业知识的同时也学习工具软件的使用方法，能更好地适应社会需要。

仿真实验能设置故障状态和极限状况，不会造成元器件和实验仪器的损坏。仿真软件逼真的界面及人机交互，可以产生身临真实的实验环境的感受。在电工电子教学环节，仿真实验作为一种展示性的辅助教学手段，便于教师解释复杂的物理过程或强调概念和原理，调动学生学习的积极性和主动性。

二、将虚拟仿真引入理论课堂，提高课堂教学效果

现在我们将仿真软件的虚拟实验功能引进课堂，在讲解理论的同时，利用多媒体同步演示，显示实验结果，使一些抽象的概念形象化、直观化、简单化，弥补了理论上的抽象性。下面是我们具体应用仿真软件来仿真的两个实例。在电工基础课程中要讲解仪器仪表的使用，比如信号发生器、示波器、晶体管毫伏的使用，由于实验中涉及的仪器仪表较多，学生在做实验时经常的到处出错，实验效果很差，但在做实验之前，先在课程上用仿真软件演示一遍实验要做的内容，强调实验过程中容易出现的错误，这样学生在真正做实验时就比较熟悉，达到了举一反三的效果。

又比如讲星形负载电路结构时，讲到星形对称负载有中线时，中线电流为零，中线不起作用，学生觉得抽象，但是用EWB仿真软件做一下该实验时，测其中线电流为零，去掉中线后，对电路的线电流及相电压没有任何影响，而当三相负载不对称时，中线电流不为零，但相电压却对称，从而给学生非常直观的感受。使他们知道了中性线在三相电路中的作用，上课效果非常的好。

得出结论后，让学生在理解的基础上记定性的一些结论就容易多了。在模拟电路中讲授三极管共发射极放大电路时， 三极管具有放大和反相的作用，学生理解起来非常困难。我们利用EWB仿真软件来仿真电路，用示波器来观察波形，可以明显看出放大的效果和反相的作用。学生先有了感性认识后，理论的讲解听起来就更轻松了，从而使上课达到了事半功倍的效果。

三、仿真软件简介

目前高等院校使用的软件大多为EWB、Protel、Multisim等，这些软件具有电路的逻辑编辑、化简、综合、构建、仿真测试功能。仿真软件或用仿真软件构成的虚拟实验台，它是不能取代传统的电工电子实验的，只能起到辅助的作用。

Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。它是一个完整的设计工具系统，具有一个庞大的元件数据库，并提供原理图输入接口，可以进行从原理图到PCB布线工具包的无缝数据传输。其中Multisim易学易用，便于学生进行综合性的设计、实验，有利于培养学生的综合分析能力、开发能力和创新能力。

MATLAB是一套高性能的数值计算和可视化软件。它最重要的特点是易于扩展，允许用户自行建立完成指定功能的M文件，从而构成适合其他领域的工具箱，这大大扩大了MATLAB的应用范围。MATLAB作为编程语言可视化工具，具有丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据和图像处理及交互式编程等功能，可解决工程、科学计算和数学学科中的许多问题，目前在信号处理、控制系统的仿真和神经网络的研究等方面都有广泛的应用。SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散或者两者混合的线性系统和非线性系统，与传统的仿真软件用差分方程和微分方程建模相比具有直观、方便、灵活的特点。

四、将虚拟仿真引入理论课堂，提高课堂教学效果

现在我们将仿真软件的虚拟实验功能引进课堂，在讲解理论的同时，利用多媒体同步演示，显示实验结果，使一些抽象的概念形象化、直观化、简单化，弥补了理论上的抽象性。下面是我们具体应用仿真软件来仿真的两个实例。在电工基础课程中要讲解仪器仪表的使用，比如信号发生器、示波器、晶体管毫伏的使用，由于实验中涉及的仪器仪表较多，学生在做实验时经常的到处出错，实验效果很差，但在做实验之前，先在课程上用仿真软件演示一遍实验要做的内容，强调实验过程中容易出现的错误，这样学生在真正做实验时就比较熟悉，达到了举一反三的效果。

又比如讲星形负载电路结构时，讲到星形对称负载有中线时，中线电流为零，中线不起作用，学生觉得抽象，但是用仿真软件做一下该实验时，测其中线电流为零，去掉中线后，对电路的线电流及相电压没有任何影响，而当三相负载不对称时，中线电流不为零，但相电压却对称，从而给学生非常直观的感受。使他们知道了中性线在三相电路中的作用，上课效果非常的好。得出结论后，让学生在理解的基础上记定性的一些结论就容易多了。在模拟电路中讲授三极管共发射极放大电路时， 三极管具有放大和反相的作用， 学生理解起来非常困难。我们利用仿真软件来仿真电路，用示波器来观察波形，可以明显看出放大的效果和反相的作用。学生先有了感性认识后，理论的讲解听起来就更轻松了，从而使上课达到了事半功倍的效果。

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关键词：激光振镜；差分数字信号；数模转换；振镜定位误差

中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）04-0108-01

1 引言

振镜作为激光扫描加工的关键部件，已经广泛应用于激光打标、激光精密切割、激光远程焊接等领域[1]。一直以来，控制卡输出模拟信号直接控制激光振镜是常见方式。随着加工精度以及设备自动化程度的要求越来越高，模拟信号控制的弊端也日益显露。数字信号为离散的二进制码，有很强的抗干扰能力；振镜驱动电路将数字命令转换为需要的控制信号。由于振镜外壳可实现良好的电磁屏蔽，因此控制信号的噪声水平明显低于直接接收控制卡输出的模拟信号，从而显著提高振镜扫描定位精度。

2 差分数字信号控制激光振镜的原理和实现方式

振镜使用摆动伺服电机，电机带动固定于转轴上的激光反射镜在一定范围内扇形摆动，实现激光扫描[2]。控制电压与摆角成线性比例关系，

V=Vmax・θ/θmax （1）

其中θ为转轴实际位置，V为摆动到该位置的控制信号电压。以实际摆角为最大摆角的0.01%为例，如摆角极限θmax为±11.25°（机械角），对应控制信号电压Vmax为±5V，实际角度即为±0.001125°，相应控制信号电压±0.5mV。由于信号电压必然存在一定噪声，因此噪声水平决定了振镜定位误差的下限。如果信号电压噪声水平过大，则电机可准确响应的角度将偏大，导致定位精度劣化。

根据振镜控制卡传输振镜控制命令的方式，可分为模拟式和数字式两种[3]。模拟控制卡直接输出公式（1）中的信号电压V至振镜，作为命令信号；数字控制卡将控制命令以数字信号方式发送至振镜，再由振镜内部电路进行数模转换得到信号电压V。本文主要研究数字信号传输方式，并对比两者的实际影响与结果。

控制卡输出双路差分式数字信号，它们幅值相同，相位相反，外部干扰将在接收端的差分信号提取过程中转换为共模信号得以消除，有效提升信号的抗干扰性。

振镜驱动电路对输入的差分信号进行减法运算转换为单端数字信号后，使用AD5542芯片对位置信号进行数模转换。该芯片为单通道、16位、串行输入。输入位置信号（DATA）、逻辑数据信号（CS）和时钟信号（CLK），输出控制电压信号（Vout），如图1所示。

振镜位置信号为16位，-32768bit至32768bit。由逻辑数据信号CS判断正负偏摆方向。数字命令信号与控制信号电压的典型转换关系如表1所示。

3 数字与模拟命令传输测量结果对比与分析

分别使用数字和模拟方式传输命令控制振镜摆动（图2a为数字传输图，图2b为模拟传输图），测量电机反馈信号（示波器放大10倍）。从图2b可见模拟方式带来的电机噪声水平约是数字控制的三倍。

数字传输时电机噪声水平5.2mV，考虑示波器10x档位，实际为0.52mV。该噪声幅值为振镜控制电压5V（单边）的0.01%，根据公式（1），当单边电机摆角（机械角）为11.25°时，该噪声水平对应角度为20μrad。根据反射原理，光学角为机械角的两倍，因此由电机噪声水平导致的可准确响应的光学扫描角下限为40μrad。以焦距160mmftheta透镜作为聚焦单元，该角度误差转换为长度误差为6.4μm，即振镜的固有定位误差。

同样道理可以推算，模拟传输时电机噪声水平是数字方式的3倍，由噪声导致的激光扫描定位误差为19.2μm。

以对激光光斑较敏感的应用如激光打标和刻线应用为例。使用最常见的1064nm光纤激光器和焦距160mmftheta透镜，激光聚焦线宽一般为40μm左右，固有定位误差19.2μm占线宽的48%，将导致扫描线发生明显扭曲，难以满足工艺要求；假如固有定位误差为6.4μm，则仅占线宽的16%，且尺度与聚焦光斑对材料的热影响区（HAZ）基本相当，因而可以忽略振镜固有定位误差带来的影响。

4 结语

使用差分数字信号传输命令控制激光振镜，可以显著提高振镜定位精度。具有抗干扰能力强、信号精度高、噪声水平低等优点。数字传输方式带来的电机噪声仅为模拟传输方式的1/3，计算结果表明该方式下的振镜固有定位误差更小，更适合激光精细加工和成套设备的自动化集成。

参考文献

[1]王文毅，吕勇.基于XY2-100协议的振镜控制转换板的设计与实现[J].自动化仪器与仪表，2014（12）：147-148+151.

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20世纪80年代，计算机技术在不断的发展，同时，随着计算机技术的发展，我国的电路设计分析方法也随之产生了非常大的转变，在这样的发展形势下，也出现了很多新型的功能强大的软件，这些软件的出现使得以往的设计思路和设计方法有了颠覆性的转变，这样一来也在很大程度上提高了电路设计的质量和水平。

2Multisim软件介绍

Multisim基本界面:Multisim基本界面主要有菜单栏、系统工具栏、设计工具栏、使用中的元件列表、仿真开关、元件工具栏、仪表工具栏、电路窗口、状态栏等。与所有的Windows应用软件类似,菜单栏提供了本软件几乎所有的命令。定制用户界面。启动菜单栏Options选项菜单中的Preferences命令,出现Preferences命令对话框,该对话框有6个选项,可对图纸格式、方向、尺寸、标题栏、元件放置方式、元器件和编辑窗口背景颜色、导线宽度、导线连接方式等进行设置。选取元器件、放置元器件。用户界面最左侧一列为实际元件库,共有13个元件库。第二列背景为绿色是虚拟元件库,共有10个虚拟元件库。右侧一列为仪器库。根据实际需要,选择实际元件库中的元件、(或虚拟元件库元件)总线、激励源、地线、及仪器,放置在编辑窗口,在根据元件之间走线,调整好元件等的位置。编辑和调整。利用Multisim提供的强大功能对仿真原理图进一步调整和修改,以保证仿真原理图的美观和正确。同时对元器件、激励源、虚拟仪器的编号、参数等进行设定。绘图操作。利用操作界面主工具栏View\Toolbars\GraphicAnnota-tionToolbars,将编辑窗口内的元器件等用具有电气意义的导线、符号连接起来,构成一个完整准确的仿真电路原理图。操作工具栏。simulate\Analyses,选择好仿真的基本分析方法。共有18种仿真分析方法,常用的有:直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析等,设计者可根据实际需要进行选择。运行仿真开关,进行仿真实验。

3Multisim仿真实例

运用Multisim进行电子电路设计仿真的基本步骤：

3.1仿真原理图设计步骤。a.定制用户界面；b.元器件(包括虚拟元件)选取、放置；c.放置总线；d.放置激励源、接地端；e.放置虚拟仪器；f.线路的连接；g.编辑调整。

3.2模拟仿真。a.设置激励源参数；b.设置虚拟仪器参数；c.选定仿真分析方法；d.运行仿真开关,观察仪器显示的测试参数、波形；e.调整电路参数,得出最佳仿真结果。

3.3仿真实例。仿真目的要求。a.对设计电路运行仿真,参数调整；b.功能验证、电路改进、结果分析。

3.4本例运行仿真的波形图,当然也可以选择其它特征点作为仿真波形的输出端。虚拟仪器示波器与普通实验室现实示波器面板相试,本例是一个双踪示波器,有A、B两个通道,可用来比较两个波形图。G是接地端,A、B通道分别只需一根线与被测点相连,测量的是该点与“地”之间的波形,当电路中已有接地符号时,可不接地。

4常见问题及解决思路

4.1仿真过程中常见的问题。因为设计人员在要求方面有着非常显著的不同，所以在设计的过程中也会经常遇到找不到合适的方针元件的情况，而Multisim在运行的过程中存在着非常多的仿真元件，但是其还是不能完全的满足用户的实际需要，这样就会对系统正常功能的发挥产生十分不利的影响，仿真运行面临着失败或者是错误的问题。

4.2缺仿真元件的解决方法。首先是可以使用性能比较类似的元器件对其予以取代，但是如果采用这种方法有可能会对准确性产生相对较大的不利影响。其次是可以通过相关网站之间的联系，从这些元器件库当中查找同时也采购需要的器件模型，同时还要根据实际的需要对图形或者是引脚进行适当的改进和处理。第三是使用Multisim所提供的编辑工具当前的元器件模型进行适当的处理和，这也是一个非常重要的改进方法。第四是如果需要在系统运行的过程中自己创建一个元件，那么在这一过程中就需要对SPICE予以全面的了解，同时还要对各种元件之间的关系和参数熟练的掌握，所以在这一过程中一定要注意的就是其设计的科学性和合理性。一般情况下，在设计的过程中主要要考虑到的是以下几个方面：首先是元件的名称、制造商等一些最为基本的材料、其次是元件的符号，元件的符号应该清晰的展现在电路图当中，这样用户也就可以对其有一个全面的清晰的认识。之后就是元件模型，在其运行的过程中应该提供一个相对全面的数据，这也成为了系统运行过程中需要关注的一个主体内容，如果在这一过程中没有元件的模型，就没有办法对电路进行科学的仿真和分析。然后就是元件的封装。元件封装的过程中需要提供一个相对比较科学的电路板接口，这样也就使得电路板设计软件在实际的运行中能够满足外形的需要。最后一点就是元件自身的电气参数。一些元件在运行的过程中应该充分考虑到参数的要求，，虽然在系统运行的过程中并不会对其仿真的质量和效果产生一些不利的影响，但是它更能反映元器件自身的运行状况，这样处理也给元件的查找工作提供了诸多的便利。

4.3仿真失败提示的处理。设计人员一定要对失败提示进行全面的分析，同时还要采取有效的措施来对其进行处理，这样也就完成了模拟仿真过程，常见错误的纠正方法如下所示：如果是没有找到节点或者是节点出现错误的情况，按照失败提示，设计人员可以根据仿真原理图对其进行详细的分析，从而在这一过程中找出那些存在着一定缺失的节点，找到对应的方式予以纠正。如果出现了设计结果冲突的现象，就证明设计者设计的仿真原理图和电气设置的基本规则出现了一些严重不符的现象，同时通过对仿真原理图和相关规则的仔细分析，要对原理图或者是原则做适当的修正和调整。

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关键词：直流漂移的抑制；脉冲宽度触发；视频触发

中图分类号：TP202文献标识码：A文章编号：1672-3198（2008）04-0255-02

示波器是电子测量中的最基础、最常用的测试仪表，虚拟示波器是示波器测量技术中的研究热点和发展方向。虚拟示波器的设计涉及电子测量、信号处理和计算机技术等多方面的内容，其中硬件电路是完成整个示波器功能的基础，同时也是决定虚拟示波器性能的关键所在。要设计出性能优越的的硬件电路就必须对其中的关键技术进行深入研究。

本文在对100MHz虚拟示波器总体设计的基础上，重点研究了直流漂移的抑制、等效采样、触发电路、总线接口电路等。

1 直流漂移的抑制

虚拟示波器硬件电路组成图如图1 所示。硬件部分主要由信号调理电路、触发电路、AD转换器、存储电路、总线接口电路、控制电路构成。信号调理电路是将输入信号调理到AD变换器的输入范围，从而扩大输入信号范围，且对直流漂移的抑制主要由信号调理电路完成。

直流漂移的抑制方法很多，如采用高质量的稳压电源、使用经过老化的实验元件、使用反馈及温度补偿、用差分放大电路、运用斩波技术、自动调零技术、参数补偿等。本文采用的是差分电路的方法来抑制直流漂移。

图1 虚拟示波器硬件电路组成图

信号调理由信号衰减电路、电压跟随电路、前置放大电路、主放大电路组成。对于直流漂移有抑制作用的部分有衰减电路、前置放大器与主放大器两个部分，起主要作用的部分是前置放大器和主放大器，这两个部分均采用模拟公司的AD8330放大器来完成。此放大器的特点是可对0至150MHz的信号进行可编程放大，具有低噪声，低失真特性。一个AD8330用作前置放大器，另一个用作主放大器。用前置放大器的目的是将输入信号中的漂移均匀分到输出脚上，从而使主放上的输入信号漂移一致，从而利用主放大器差分放大消除直流漂移。

数控衰减器可用X9C102来实现。衰减电路可用数控电位器X9C102实现，X9C102是一种高可靠性的数控电位器，含有99个带温度偿的阻抗单元，其电阻阵列的总电阻1KΩ，5V供电超低功耗，工作电流最大为3mA，待机电流最大为500uA。电位器是通过由99个阻抗单元组成的电阻阵列和抽头开关网络实现的，其游标抽头节点位置通过CS、/UD和INC三线接口来控制，且保存在非易失存储器中，上电时唤醒此保存的游标抽头节点位置值。很适合用于控制、参数调整和信号处理的应用场合。对X9C102数控电位器进行操作时，CS、/UD和INC三线输入控制游标抽头在阻抗阵列中的移动。首先将片选信号CS置低，若需要上移游标抽头，则/UD应置为高电平，每次INC输入一个由高到低跳变的下降沿，则游标抽头向上移一级，直至最大值时100%的信号通过电位器，即此时不衰减。若需要下移游标抽头，则/UD应置为低电平，每次INC输入一个由高到低跳变的下降沿，则游标抽头向下移一级，直至最小值时没有信号通过电位器，即此时全部被衰减。

图2 信号调理电路图

在衰减电路的后面紧跟的是电压跟随器，电压跟随器起到隔离的作用，使输入信号不受后面电路的影响。

对信号的调整是通过对衰减器和主放大器系数进行调整决定的，因此整个硬件中还要有个测幅电路与之相配合。

电路中的测幅电路没有画出，测幅的目的是通过测量幅度来控制衰减器和放大器的倍数，从而使信号刚好进入AD变换器的范围。下图是调理电路的工作流程图。

图3 信号调理电路图

在调整电路工作的过程中，每次调整衰减系数都要记录衰减位置，以便于以后计算信号幅度。对衰减与放大系数进行调节，频率不要太慢或太快，大约在几千赫兹就可以。流程图中的的幅度适中是指调节后的信号幅度刚好是AD的最大输入值或略小于其最大输入值；幅度过大是指调节后的信号幅度超过了AD的最大输入值；幅度过小是指调节后的信号幅度低于一定的AD输入电压。

2 触发电路设计

触发电路在虚拟示波器中的作用很重要，是保证信号显示的重要部分，是决定信号捕捉能力的重要方面。示波器的触发可分为内触发与外触发。一般示波器的内触发类型有边沿触发、脉宽触发及视频触发等。下面分别介绍。

边沿触发可由比较器来实现，将调理好的信号接入比较器的一端，另一端接参考电平。当输入信号比参考电平高时，比较器将输出高电平，当输入电平为低时，比较器将输出低电平。由于测量的信号基本是周期信号，因此比较器将输出一串脉冲。如果选的是上升沿触发，则脉冲的上升沿将是信号的触发点。

脉宽触发是用来捕捉脉冲序列中某一时间宽度特性码，或周期信号中出现的与规定时间宽度不符的异常信号。这里只设计脉宽在33ns到500ns的脉宽触发，更宽的脉冲宽度触发可在软件中实现。脉冲宽度触发电路可通过积分电路、放电电路及放大电路来实现。积分电路的作用是将要测量的时间变成电压量，以便于测量，而放电电路的作用是将电放掉，以便以后继续测量。放大电路的作用是将对积分出的电压进行放大与缩小，便于后面的电路使用。

视频触发是对视频信号而进行的触发，可借助于芯片LM1881来实现。视频触发中单行触发电路图如图4所示。

图4 视频单行触发电路

LM1881可以提取出视频信号的同步信号，从而可以利用同步信号将视频信号提取出。LM1881共可以提取出4种视频信号，有复合同步信号、垂直同步信号、奇偶场信号等。图中的芯片除了LM1881外，还用了三片MM74C193N（计数电路）。在上图中用到的有复合同步信号和垂直同步信号，垂直同步信号用于初始该电路中的计数器，由计数器的BORROW引脚形成触发脉冲。

视频触发中多行及场触发电路要更复杂一些，可用CPLD实现。

外触发是利用非测量信号来工作的，一般来说此信号与被测信号周期有倍数关系。其实现可与内触发中的边缘触发共用一个通道。

3 等效采样电路及总线接口电路

等效采样电路是针对2MHz到100MHz信号实现的，2MHz以下的电路用实时采样来实现。等效采样可分为随机等效采样和顺序等效采样。在本设计中，用随机等效采样来实现。因此，等效采样的实现有两个关键问题，一是要知道是否需要用随机等效采样，即关于频率测量的问题；二是时间间隔测量问题，由于触发信号与取样时钟是不同步的，他们之间无固定的时间关系，故触发信号与下一个取样时钟间的时间间隔是随机的，其值在0到一个取样周期内变化。

关于频率的测量可以根据整形电路的输出通过计数的办法来实现。对于时间间隔测量问题，采用双斜率电容充放电电路的方法来测量。由于这方面的资料较多，这里不再讨论。

虚拟示波器中，硬件与软件的数据传输和控制是实现测量功能的重要环节，选用USB2.0作为传输总线。USB2.0最高速度为480Mb/s，即插即用，十分方便，不需要插入机箱中，避免了电磁环境的干扰。

在硬件电路中，选择Cypress半导体公司的CY7C68013来完成USB传输的任务。它是Cypress公司新一代高速产品。

4 小结

虚拟示波器是计算机技术、仪器技术和通信技术相结合的产物，而硬件电路是实现功能的基础，因此硬件电路的设计是比较重要的，本文简单介绍了硬件电路的组成，重点介绍了抑制直流漂移的调理电路的设计和触发电路的设计，对虚拟示波器的设计有一定的指导意义。

参考文献

［1］Analog Devices AD8330，2000，（3）.

［2］邱传飞.基于SOPC的高速数据采集系统的研究与实现［D］.中国人民理理工大学通信学院学位论文，2007.

［3］National Semiconductor LM1881 vedio sync Separator，1995，（2）.

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【关键词】网络；虚拟实验室；数字仿真

一、EDA技术的应用

电子设计自动化EDA（Electronic Design Automation）技术是电子设计技术的核心。EDA主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。目前，EDA技术使用普及、应用广泛、工具多样、软件功能强大。广大电子工程人员掌握这一先进技术，这不仅是提高设计效率的需要，更是我国电子工业在世界市场上生存、竞争与发展的需要。

二、电子虚拟实验室设计软件选择

现在的高校电子实验室普遍存在“软件少，硬件多”的问题，所有实验还是以基础训练型为主，比如：电路测试与电工基础实验，模拟电子技术实验，数字电路实验，单片机与接口技术实验等，大部分都是简单容易实现的。综合型和设计型实验很少，比如单片机开发实验等。学生在已安装好实验电路的实验台上来完成操作，从而完成验证定律、定理和结论，缺乏主体意识，没有带着问题去学、去做实验，不利于学生创新能力的培养。为了解决这方面的问题，我们以电子基础课为突破口，引入计算机虚拟仿真技术，创建电子虚拟仿真实验教学平台，不但可以完成各种基本实验，更可以进行设计性、综合性实验。通过虚拟仿真实验，可以观察和分析电路的结构、功能及工作原理，加强对实验原理、规则和实物实验操作要领的认识，使学生感悟和应用最先进的技术，并能引导他们积极主动地去探索新知识。学生可以自行设计电路进行仿真，并能通过观察分析模拟实验结果，及时地验证设计是否正确、合理。目前，众多院校在电路实践教学改革中引入了EDA技术，并建立了EDA实验室。配备了EWB、Pspice、Multisim、Protel、Max PluslI、System View等电路级仿真的主流软件及配套硬件。本文采用一款能仿真单片机的EDA软件-Proteus，在电子虚拟实验室的设计领域得到广泛推广和应用。

三、Proteus软件应用

Proteus软件是由英国Labcenter Electronics公司开发的

EDA工具软件。该软件集成了高级原理布图、混合模式SPICE电路仿真、PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。它是一种混合电路仿真工具，包括模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其电路组成的仿真等。Proteus6.7是目前最好的模拟单片机器件的工具，可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU及其电路。Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。（1）proteus的工作过程。运行proteus的ISIS程序后，进入该仿真软件的主界面。在工作前，要设置view菜单下的捕捉对齐和sys

tem下的颜色、图形界面大小等项目。通过工具栏中的p（从库中选择元件命令）命令，在pickdevices窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在source菜单的Defineco degeneration tools菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在source菜单的Add/remove source files命令下，加入单片机硬件电路的对应程序；通过debug菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。（2）Proteus软件所提供的元件资源。Proteus软件所提供了30多个元件库，数千种元件。元件涉及到数字和模拟、交流和直流等。（3）Proteus软件所提供的仪表资源。对于一个仿真软件或实验室，测试的仪器仪表的数量、类型和质量，是衡量实验室是否合格的一个关键因素。在Proteus软件包中，不存在同类仪表使用数量的问题。Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似但功能更多。

四、电路设计流程

电路级设计工作流程如图所示，设计者首先确定设计方案，同时选择合适的元器件，然后设计电路原理图。接着进行第一次仿真，包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交直流分析、瞬态分析。系统在进行仿真时，必须要有元件模型库的支持，计算机上模拟的输入输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。

参 考 文 献