【原】ADALM2000實現(xiàn)雙電壓追蹤+頻譜分析儀

ADALM1000還是太老了，而且設(shè)計的很怪，我研究了很久才搞明白，它的通道是可以在輸出電壓的時候監(jiān)測電流，也可以反過來。。。

示波器到了100M，奈奎斯特50M，按照5倍采樣來看，20M做大部分的實驗是夠的，還有配套的雙電源！！！

跟蹤模式 (Tracking Mode) 是 Scopy 電源供應(yīng)控制中的一種功能，允許 V-（負(fù)輸出） 的電壓與 V+（正輸出） 的電壓成比例變化，確保兩者之間的電壓關(guān)系始終保持一致。具體來說，負(fù)輸出電壓（V-）是正輸出電壓（V+）的一個 比例值。

在 跟蹤模式 下，負(fù)輸出電壓（**V-）的值是根據(jù)正輸出電壓（V+**）自動調(diào)整的。公式如下：

其中，ratio 是用戶設(shè)置的比例因子，通常以百分比表示。

例如，假設(shè)正輸出設(shè)置為 1.0 V，如果比例因子設(shè)置為 **70%**，那么負(fù)輸出將會自動設(shè)為 -0.7 V。

動態(tài)同步：當(dāng)正輸出電壓變化時，負(fù)輸出會自動根據(jù)設(shè)置的比例因子進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。因此，負(fù)輸出電壓與正輸出電壓保持同步，且兩者之間的電壓差始終保持一致。

用戶只需要調(diào)整正輸出電壓，而負(fù)輸出電壓會自動按照比例變化，簡化了操作；在一些需要正負(fù)電壓對稱的應(yīng)用中，跟蹤模式能確保負(fù)輸出電壓和正輸出電壓之間的比例關(guān)系準(zhǔn)確無誤，避免了人為干預(yù)。

應(yīng)用場景：

對稱電源供電：例如，在一些實驗或原型設(shè)計中，需要同時使用正負(fù)電壓供電，而兩者之間需要保持一定的比例關(guān)系，跟蹤模式非常適合這種情況。

測試環(huán)境：對于一些需要精確負(fù)輸出電壓設(shè)置的測試，跟蹤模式可以確保兩者電壓同步變化，避免誤差。

總結(jié)來說，跟蹤模式 主要用于在用戶調(diào)整正電壓時，自動同步調(diào)整負(fù)電壓，從而確保兩者之間的電壓關(guān)系準(zhǔn)確無誤，適用于需要正負(fù)對稱電壓的測試場景。但是我研究這個API，其實是沒有硬件級別的支持的，換句話來說就是要軟件實現(xiàn);文末寫了實現(xiàn)

讓我眼饞的是！！！FFT再也不需要仿真了：

頻譜分析儀 的工作原理是將信號從 時域 轉(zhuǎn)換到 頻域，通過顯示信號的頻率成分幫助我們分析信號的特性。簡單來說，它可以顯示信號在不同頻率下的 幅度，通常以 dBFS 為單位表示。

時域與頻域轉(zhuǎn)換

頻譜分析儀的核心原理是通過 傅里葉變換（Fourier Transform）將信號從 時域 轉(zhuǎn)換到 頻域。時域信號描述的是信號隨時間變化的情況，而頻域信號則表示信號在不同頻率下的能量分布。頻譜分析儀通過對信號進(jìn)行傅里葉變換，分解出信號中的 頻率成分 和 幅度，并將其顯示在 頻譜圖 中。

輸入信號的捕獲

頻譜分析儀通過 探頭 或 輸入端口 捕獲信號，該信號可以來自各種來源，如無線通信設(shè)備、傳感器、信號發(fā)生器等。在 M2K 設(shè)備中，使用 探頭 1 和 2 來測量信號，能夠承受 ±25V 的輸入電壓。

信號處理：FFT

信號被捕獲后，頻譜分析儀使用 快速傅里葉變換（FFT） 算法來計算信號的 頻譜。FFT 是一種高效的算法，能夠快速地將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號。

FFT 計算：信號在采樣過程中被分成多個 頻率分量。每個分量代表一個特定的頻率范圍。FFT 會計算信號在這些頻率上的 幅度 和 相位。

窗口函數(shù)：頻譜分析儀還會使用 窗口函數(shù) 來優(yōu)化 FFT 的性能。常見的窗口函數(shù)有 Hanning、Flattop、Blackman-Harris 和 Kaiser 等，這些函數(shù)有助于減少頻譜泄漏，提高信號的分辨率和幅度準(zhǔn)確性。

顯示頻譜圖

經(jīng)過 FFT 計算后，頻譜分析儀將結(jié)果顯示為 頻譜圖。在頻譜圖上：

X 軸：表示信號的 頻率，通常以 Hz 為單位。

Y 軸：表示信號在該頻率處的 幅度，通常以 dBFS（Full Scale） 為單位，表示信號強(qiáng)度。

掃頻設(shè)置（Sweep）

頻譜分析儀通常可以進(jìn)行 掃頻（Sweep），即對一個指定的頻率范圍內(nèi)的信號進(jìn)行分析。在掃頻模式下，頻譜分析儀會逐步掃描各個頻率區(qū)間并顯示對應(yīng)的信號強(qiáng)度。

可以設(shè)置：

起始頻率和停止頻率，確定分析的頻率范圍。

中心頻率和頻寬跨度，決定要分析的信號帶寬。

標(biāo)記與測量

頻譜分析儀還可以使用 標(biāo)記功能（Marker）來標(biāo)定和測量特定頻率點的信號幅度。可以將標(biāo)記置于：

峰值（Peak）：放置標(biāo)記在信號的最大峰值處。

其他指定頻率：自動或手動將標(biāo)記移至指定頻率位置，實時查看該頻率處的信號幅度。

但是這些功能其實是完全軟件做的。

平均與濾波

為了提高測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，頻譜分析儀提供了不同的 平均方式，例如：

RMS Averaging：通過對多次采樣結(jié)果取均值來減少波動，但不減少噪聲底。

Peak Hold：記錄并保持信號的峰值，直到新的峰值出現(xiàn)。

Exponential Averaging：對每個新值進(jìn)行加權(quán)平均，較大的權(quán)重給予最新數(shù)據(jù)。

顯示方式

頻譜分析儀可以選擇不同的 顯示方式，例如：

線性頻率模式：顯示頻率軸按等間距排列，適合分析寬頻帶信號。

對數(shù)頻率模式：頻率軸以對數(shù)間隔排列，適合觀察頻譜中的細(xì)節(jié)，特別是低頻部分。

高度動態(tài)范圍

頻譜分析儀能夠提供 寬動態(tài)范圍，特別是在 Kaiser 窗口等窗口函數(shù)的幫助下，可以識別出即使幅度差異很大的信號。通過高精度的頻率分辨率和動態(tài)范圍，頻譜分析儀能夠有效區(qū)分接近的頻率信號。

頻譜分析儀通過捕獲信號并應(yīng)用 FFT 算法將其轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)，提供關(guān)于信號頻率成分的詳細(xì)視圖。它通過調(diào)節(jié) 頻率范圍、掃頻設(shè)置 和 窗口函數(shù) 來優(yōu)化信號的分析，結(jié)合標(biāo)記、平均、和濾波等功能，幫助用戶準(zhǔn)確分析和測量信號的頻譜特性。

那我肯定是不樂意這個GUI的，因為我買ADALM2000不就是為了編程？

官方的庫是libm2k，libm2k 沒有內(nèi)置的頻譜分析儀 API ，但提供了實現(xiàn)頻譜分析所需的所有基礎(chǔ)功能：

高速數(shù)據(jù)采集 ：最高 100 MSPS 采樣率；

多通道支持 ：雙通道同步采集； 靈活的采樣率控制 ：支持多種采樣率設(shè)置； 觸發(fā)功能 ：支持復(fù)雜的觸發(fā)條件。

import matplotlib
plt.rcParams['font.family'] = 'SimHei'  # 替換為你選擇的字體
matplotlib.rcParams['axes.unicode_minus']=False

這里是顯示中文和負(fù)號。

信號統(tǒng)計信息:
通道 0:
  平均值: -0.0616 V
  標(biāo)準(zhǔn)差: 0.0099 V
  最小值: -0.0915 V
  最大值: -0.0305 V
  峰峰值: 0.0610 V

通道 1:
  平均值: -0.0991 V
  標(biāo)準(zhǔn)差: 0.0264 V
  最小值: -0.1525 V
  最大值: 0.0000 V
  峰峰值: 0.1525 V

還有電壓追蹤功能：

電壓跟蹤可視化
開始電壓跟蹤，持續(xù) 10 秒...
時間 0.0s: 設(shè)置電源 +1.0V / -1.0V
時間 2.0s: 設(shè)置電源 +2.5V / -2.5V
時間 4.1s: 設(shè)置電源 +4.0V / -4.0V
時間 6.0s: 設(shè)置電源 +3.0V / -3.0V
時間 8.1s: 設(shè)置電源 +1.5V / -1.5V

import libm2k
import time

class SymmetricVoltageController:
    """正負(fù)對稱電壓控制器 - 實現(xiàn)正負(fù)電壓自動同步跟蹤"""
    
    def __init__(self, power_supply):
        self.ps = power_supply
        self.tracking_enabled = False
        self.voltage_ratio = -1.0
        self.tolerance = 0.05  # 電壓容差
        
    def enable_symmetric_tracking(self, ratio=-1.0, tolerance=0.05):
        """啟用對稱電壓跟蹤模式"""
        self.tracking_enabled = True
        self.voltage_ratio = ratio
        self.tolerance = tolerance
        
        # 啟用雙通道
        self.ps.enableChannel(0, True)
        self.ps.enableChannel(1, True)
        print(f"對稱電壓跟蹤已啟用，比例: {ratio}")
        
    def set_symmetric_voltage(self, positive_voltage):
        """設(shè)置對稱電壓 - 核心功能"""
        if not self.tracking_enabled:
            raise Exception("請先啟用對稱電壓跟蹤模式")
            
        # 計算負(fù)電壓
        negative_voltage = positive_voltage * self.voltage_ratio
        
        # 同時設(shè)置正負(fù)電壓
        self.ps.pushChannel(0, positive_voltage)
        self.ps.pushChannel(1, negative_voltage)
        
        # 等待電壓穩(wěn)定
        time.sleep(0.01)
        
        # 驗證設(shè)置結(jié)果
        actual_pos = self.ps.readChannel(0)
        actual_neg = self.ps.readChannel(1)
        
        # 檢查對稱性
        symmetry_error = abs(actual_pos + actual_neg)
        is_symmetric = symmetry_error < self.tolerance
        
        result = {
            'target_positive': positive_voltage,
            'target_negative': negative_voltage,
            'actual_positive': actual_pos,
            'actual_negative': actual_neg,
            'symmetry_error': symmetry_error,
            'is_symmetric': is_symmetric
        }
        
        print(f"正電壓: {actual_pos:.3f}V, 負(fù)電壓: {actual_neg:.3f}V, "
              f"對稱誤差: {symmetry_error:.3f}V")
              
        return result
        
    def voltage_sweep_symmetric(self, voltage_list):
        """對稱電壓掃描"""
        results = []
        
        for voltage in voltage_list:
            print(f"\n設(shè)置對稱電壓: ±{voltage}V")
            result = self.set_symmetric_voltage(voltage)
            results.append(result)
            time.sleep(0.1)
            
        return results

# 使用示例
def symmetric_voltage_demo():
    ctx = libm2k.m2kOpen()
    if ctx is None:
        print("設(shè)備連接失敗")
        return
        
    try:
        ps = ctx.getPowerSupply()
        ps.reset()
        ctx.calibrateADC()
        ctx.calibrateDAC()
        
        # 創(chuàng)建對稱電壓控制器
        controller = SymmetricVoltageController(ps)
        
        # 啟用對稱跟蹤
        controller.enable_symmetric_tracking(ratio=-1.0, tolerance=0.05)
        
        # 測試對稱電壓設(shè)置
        print("=== 對稱電壓跟蹤測試 ===")
        test_voltages = [1.0, 2.5, 3.3, 4.0, 5.0]
        
        for voltage in test_voltages:
            result = controller.set_symmetric_voltage(voltage)
            if result['is_symmetric']:
                print(f"? ±{voltage}V 對稱設(shè)置成功")
            else:
                print(f"? ±{voltage}V 對稱設(shè)置失敗，誤差: {result['symmetry_error']:.3f}V")
            time.sleep(0.5)
            
        # 關(guān)閉電源
        ps.enableAll(False)
        
    finally:
        libm2k.contextClose(ctx)