本文旨在演示用戶如何使用ADI ADALM2000和簡單的開源編程語言Python開發所需的虛擬實驗室儀器。通過Python與ADALM2000相結合，可以開發多種虛擬實驗室儀器，如示波器、信號發生器、數字萬用表等。其中，示波器作為物理電子實驗室中常用的基本儀器之一，是個不錯的入門選擇，將在下文中重點討論。

什么是示波器？

示波器可用于常見電路和復雜電路的信號分析，是電子工程的重要組成部分。如今的示波器能夠與計算機連接，因此在示波器中捕獲的信號能夠以數字形式存儲，供日后分析。

圖1.示波器示意圖

示波器用于直觀呈現模擬或數字波形的電壓和時間特性。前面板控件（放大器觸發、掃描時間和顯示屏）用于調整顯示內容，以更好地直觀呈現信號。

示波器可展示信號輸入在特定時間段內的行為，這對于分析常見電路至關重要。此外，它有助于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。ADI允許工程師定制自己的示波器來滿足需求，從而可以改進特定電子電路的分析。

ADALM2000是什么？

ADALM2000是主動學習模塊，具有數字示波器、函數發生器、邏輯分析儀、電壓表、頻譜和數字總線分析儀，以及兩個可編程的電源。對于基礎用戶或學生，可以將Scopy與ADALM2000連接。對于應用開發人員，可使用libm2k庫開發應用接口。對于固件開發人員，還可以選擇開發能夠直接在ADALM2000上運行的定制軟件或HDL。

開始使用

安裝Python和PyCharm

Python是功能強大、簡單易學的開源編程語言。Python可從Python官方網站下載。如果不確定要使用哪個版本，請選擇Python 3.7。

Python可在沒有集成開發環境(IDE)的情況下使用，但為了更輕松地下載庫和進行調試，可以使用PyCharm。PyCharm是一個IDE，為開發人員提供多個必需的工具，因而是用于Python開發的熱門IDE。在JetBrains官方網站下載最新版PyCharm Community。

安裝庫

Python庫包含可用于特定應用的方法或函數。在本文中，將使用libm2k、matplotlib和NumPy。

Libm2k

若要使用Python與ADALM2000交互，需要安裝libm2k庫。這是C++庫，帶有可用于Python、C#、MATLAB?和LabVIEW?的綁定，具備以下功能：

○ AnalogIn用于示波器或電壓表。我們將重點介紹該功能。

○ AnalogOut用于信號發生器。

○ Digital用于邏輯分析儀或模式發生器。

○ PowerSupply用于恒壓發電機。

○ DMM用于數字萬用表。

安裝Libm2k

安裝該庫的一種方法是按照以下步驟操作：

○ 轉到發布頁面。

■下載該庫的最新可執行版本。示例：Libm2k-0.4.0-Windows-Setup.exe

○ 運行可執行文件。當“設置”窗口提示選擇其他任務時，請務必選擇安裝libm2k Python綁定。

圖2.Libm2k安裝窗口

○ 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。該庫備受歡迎且易于使用，用于在Python中定制和顯示可視化內容。有關該庫的詳細信息，請訪問matplotlib網站。

NumPy

簡單的示波器仍將需要大量數學計算。NumPy庫可以為復雜的計算提供簡單的函數。有關該庫的詳細信息，請訪問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“文件”>“設置”>“項目解釋器”。

○ 點擊“設置”窗口右側的+圖標。

○ 將出現“可用軟件包”窗口。在搜索框中，搜索matplotlib和NumPy。

○ 指定要安裝的版本（選擇最新版本）。

○ 點擊安裝軟件包按鈕。

圖3.在PyCharm中安裝庫包

硬件設置

在開始編碼前，我們先設置硬件組件。需要使用以下硬件組件：

○ 信號源（或信號發生器，如適用）

○ ADALM2000

○ 探頭和限幅器

如果信號發生器可用，請按照圖4中顯示的配置，使用探頭和/或限幅器將ADALM2000設備連接到通道1和通道2。

圖4.使用信號發生器和ADALM2000的實際設置

表1.引腳配置

對于其他可用的信號源，也可以遵循相同配置。最后，通過USB端口將ADALM2000設備連接到PC。

簡單的虛擬示波器

在這一部分將逐個代碼塊介紹程序，還將討論代碼的作用，并說明以這些方式編寫代碼的原因。隨后的部分中將演示修改基礎代碼，以添加更多功能，從而滿足開發人員用例要求。

首先，導入將用于開發虛擬示波器的三個庫（libm2k、matplotlib和NumPy）。

統一資源標識符(URI)是連接到PC的每個ADALM2000的唯一標識符。該代碼塊確保ADALM2000連接到PC。如果沒有ADALM2000設備插入PC，代碼將自動退出。

通過檢測到的URI連接到ADALM2000。“uri[0]”是在連接了多個設備的情況下檢測到的第一個ADALM2000設備的URI。

對ADC和DAC運行校準。這是確保獲得準確測量的重要步驟。

設置采樣速率和時長。可用采樣速率有1 kHz、10 kHz、100 kHz、1 MHz、10 MHz和100 MHz。采樣速率是在1秒內獲得樣本的次數，時長是獲得這些樣本的持續采樣時間。例如，如果將采樣速率設為1000，時長設為3，那么每秒將獲得1000個樣本，并持續采樣3秒。因此，共有3000個樣本。

啟用并將通道1設置為示波器的模擬輸入。

Linspace用于創建等間距的樣本陣列，并可使用該NumPy函數創建時間x軸數據陣列。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。最后一個參數是希望在起始和結束值范圍內生成的樣本數。

在該示例中，起始值是0，結束值是設置的時長，也就是3。對于樣本數，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。該數組將存儲在time_x中。

data_y存儲我們使用ADALM2000設備收集的波形樣本。通道1的樣本存儲在data_y[0]中，通道2的樣本存儲在data_y[1]中。為了顯示精確的波形頻率，必須使用與time_x相同的樣本數量。

創建將處理的圖形。plt.subplots函數將返回圖形對象（存儲在g中）和軸對象（存儲在ax中），這些對象將用于自定義整個圖形。

這里可以添加網格線，作為波形的參考坐標。添加軸標簽和y限制，以添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；一個信號發生器輸出：10 Hz，2 V p-p

雙通道虛擬示波器

在這一部分，將使用上一部分中的代碼，并添加更多代碼塊，以創建雙通道虛擬示波器。

若要添加另一個通道，請復制ocsi.enableChannel和ocsi.setRange行代碼，并將第一個參數從

在創建圖形時，為通道2添加另一個圖形。通道2的數據在data_y[1]陣列中。也可以自定義兩個圖形的顏色，以便輕松區分二者。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信號發生器輸出：10 Hz，2 V p-p；通道2信號發生器輸出：5 Hz，3 V p-p。

虛擬示波器的其他功能

在這一部分，將為虛擬示波器添加其他功能，以提升交互性。Matplotlib提供我們可以使用的多個小部件。在該示例中，將使用文本標簽和滑塊小部件，并將繼續使用上一部分中的代碼。

為matplotlib滑塊添加另一次導入。

將時間和數據陣列轉換為NumPy陣列。在下一個代碼塊進行的計算中，將使用這些陣列。

獲取所有波形數據后，提取這些波形的特性將不在話下。在以下代碼塊中，從獲取的兩個通道的數據中提取了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，為圖形使用NumPy陣列，而不是使用原始陣列。同時還根據圖形創建了波形對象。稍后將使用這些對象。

為了在圖形中顯示計算的Vpp、Vave和Vrms，將利用matplotlib庫中的文本標簽小部件。創建字符串標簽label_ch1和label_ch2，然后連接這兩個字符串，以創建最終標簽n_label。找元器件現貨上唯樣商城通過使用plt.text創建文本標簽。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符串。第四和第五個參數分別是文本和框的樣式。

接下來，創建偏移滑塊。該滑塊用于調整波形的參考電平。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函數用于為偏移滑塊創建具有特定特性的對象。

創建update_offset函數，并將其注冊到offset_slider對象。每次更改滑塊的值時，該函數都會向波形添加偏移量。

運行代碼，將會看到類似圖7的圖形。

圖7.帶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。將會看到波形實時上下移動。

圖8.調整偏移量滑塊（向左滑動），用于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。文中還演示了如何使用ADALM2000和Python開發虛擬示波器。討論了軟件要求和硬件設置，并提供了3個示例供參考。

關于ADI公司

ADI是全球領先的高性能模擬技術公司，致力于解決最艱巨的工程設計挑戰。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術，搭建連接現實世界和數字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網http://www.analog.com/cn。

關于作者

Arnie Mae Baes于2019年12月加入ADI公司，擔任固件工程師。在進入公司的第一年，她重點負責GUI和固件開發。2020年12月，她加入消費電子軟件工程部門，現在重點負責固件測試開發。她畢業于菲律賓八打雁國立大學，獲電子工程學士學位。聯系方式：arniemae.baes@analog.com。

Christian Jason Garcia是ADI公司的一名固件驗證工程師，工作地點在菲律賓垂亞斯將軍城。他擁有圣托馬斯大學電子和通信工程學士學位，于2018年11月加入ADI公司。他在電動交通部門專門負責SmartMesh網絡的軟件測試和系統驗證。聯系方式：christian.garcia@analog.com。

作者：ADI軟件系統工程師Christian Jason Garcia & Arnie Mae Baes

審核編輯：湯梓紅