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虚拟仪器“特性曲线测量仪”的设计 郑江 南京大学电子科学与工程系 210093 南京 njucn@163.com 摘 要：在电路测量中，任意波形发生器和数字存储示波器等仪器通常作为相互独立的 设备进行操作，测量的结果往往以信号分析为目的。本文基于虚拟仪器概念，提出一种整合 任意波形发生器和数字存储示波器成为一个系统的方法，可以用来自动测量电路以及器件的 特性曲线。 关键词： GPIB 自动测量特性曲线 1、引言 电子测量仪器的发展经历了三个阶段，模拟测量（如早期的示波器）、数字测量（如数 字存储示波器）、计算机控制下的数字测量。其中模拟测量将电压、电阻等不可见物理量转 化成可见的位移量，以目视测量的方式完成测量。数字测量则是将物理量通过A/D 变成数字 信号，由数字设备中的处理器完成测量功能，由于处理器的引入，不仅可以测量简单的物理 量，还能够计算出复杂的物理信息。但是由于数字设备中的处理器性能的限制，无法进行更 为复杂的计算。计算机与这种数字测量仪器的连接就显示出其重要意义，不仅仅能够增加信 息的计算量，而且还能够提供一些诸如远程测量的功能。在这样的由通用个人计算机、测量 仪器或测量模块硬件、控制及计算软件组成的系统上，使用者既可以通过仪器面板，也可以 借助于计算机上友好的图形用户界面及图形化编程语言来控制仪器的运行，以完成对被测量 的采集、分析、判断、显示、存储及数据处理（如图1），这是现代电子测量技术的发展方 向[1]。 图 1 虚拟仪器及现有自动测量系统的软硬件结构 计算机和硬件模块之间的连接有很多种方法，包括串行口、并行口、GPIB 总线等等， 串行口是最廉价的方法，但是由于其速度低，在高速数据采集的虚拟仪器系统中，常常不被 - 1 - 采用。并行口虽然有较高的速度，但和串行口一样，只能一对一的控制，如果需要控制多个 设备，必须加装扩展卡。GPIB 总线方式数据传输速率高达1.5Mb/s，传输距离最大可达20m， 而且一个GPIB 接口最多可以连接15 个设备。这些优异的性能，使得GPIB 成为计算机控制 的自动测量的主力。 目前利用GPIB 实现虚拟仪器的应用很多，不过很多还处于如何实现连接，各种软件语 言访问GPIB 连接的设备[2][3]，也有部分涉及到完整的软件系统实现被测量的计算机后处理， 但通常只是涉及1 台[1] [4] 或若干台相同、相似设备 的开路的被动测量系统，图1 中给出的结 构就是一个被动式测量的开路系统的框图。本文则提出一种主动测量的闭路虚拟仪器系统。 2、原理与结构 图2 则给出了一个主动测量的闭路系统的框图。 图 2 主动测量的闭路系统的框图 图中结构简单清晰，测试系统由计算机、GPIB 卡、GPIB 电缆、任意波形发生器、数字 存储示波器等仪器构成。计算机发送指令给波形发生器，控制其产生指定的波形，波形发生 器产生的波形加载到测试对象输入端，示波器连接测试对象（电路或器件）的各测试点，读 取测试对象相关测试点的响应波形参数。由于波形发生器输出阻抗为 50 Ω，而很多时候无 法保证被测对象的输入阻抗为50 Ω或高阻态（常用数字任意波形发生器提供这两种负载模 式），因此示波器在测量测试对象的输出信号的同时，还需要对波形发生器送出信号进行测 量。 计算机以一定的频率间隔，连续发送指令给波形发生器，使波形发生器依序产生多个不 同的指定参数的波形，再通过示波器测量稳定数据，将不同指定参数下测得的数据存储起来， 最后可以通过统计绘图软件绘制出特性曲线图。针对不同的被测对象，不同的测量目标，可 以提出不同的波形指令集、测量参数，从而可以获得多种多样的被测信息曲线。表1 列出了 几种特性曲线测量的方法。