示波器是一種用途十分廣泛的精密電子測量儀器，在科學研究領域和實驗室中應用廣泛，但目前這類儀器設計復雜，價格較昂貴。
隨著科學技術的發展，1986年美國國家儀器公司首先提出了虛擬儀器的概念。虛擬儀器是在以PC機為核心的硬件平臺支持下，通過軟件編程來實現儀器的功能。與傳統的實體儀器相比。虛擬儀器最大的特點在于其功能的可重構性和應用的靈活性，使用者可以通過修改軟件來方便地修改、增減儀器的功能，提高了儀器的使用效率，降低了成本。利用虛擬儀器技術只需配備必要的數據采集硬件，不僅可以實現傳統示波器的各項功能，而且還具有存儲、回放等特點。
鑒于虛擬示波器的各種優點和廣泛用途，研制出性能優越的虛擬示波器具有重要的實際應用價值。數據采集系統是整個虛擬示波器的重要組成部分，其性能的優劣直接關系到整個系統的品質，所以需要專門為其設計高速、高精度的數據采集系統。
1 系統總體設計方案
本數據采集系統的總體結構如圖1所示。模擬信號經過多路選擇開關CD4051選通后進入信號調理電路，先經過兩片放大倍數可自動設定的AD526適當放大，然后進入采樣保持模塊。采樣保持電路由LF398芯片完成，它的邏輯輸入引腳與AD574的狀態轉換引腳通過一個非門進行連接，這樣就實現了采樣狀態與保持狀態的自動轉換，無需單片機進行控制。信號經過采樣保持電路后進入AD574進行模／數轉換，轉換后的數據存放到高速緩存芯片IDT7202中，單片機通過查詢緩存器的標志位，執行向其寫入數據或者從中讀出數據命令。當數據存滿時，從IDT7202中讀出數據并將它寫入CH372，再通過USB將數據上傳至PC機進行相關調理與顯示。
1．1 信號調理電路
為了保證高精度的模／數轉換結果，要求輸入信號接近A／D模塊的滿量程值。信號調理的作用是使輸入信號滿足A／D轉換器的幅度要求，同時也擴大了輸入信號的幅度范圍。比如大信號必須經過適當的衰減，以免因為幅度過大而損壞電路中的元器件或引起信號失真。而小信號又需要適當的放大，否則采集恢復后的信號幅度太小，難以正確的觀測信號，并且也沒能夠充分利用A／D轉換器的分辨率，會增大A／D轉換的誤差。
在本系統中，利用兩片AD526和單片機AT—mega32設計了能夠進行自動增益控制的放大器。AD526是美國AD公司生產的一款性能優良的軟件可編程放大器，單片AD526的放大倍數是1，2，4，8和16，兩片AD526級聯后可獲得32，64，128和256倍增益。由于輸入模擬信號幅度大小的差異，有可能要求使用不同的放大倍數進行放大，以滿足線性放大要求，則放大器的放大倍數需要實時控制，AD526能夠滿足這樣的要求，它的放大倍數隨時可以由一組數碼控制。將從CD4501輸入的現場信號根據要求自動調整到適合A／D轉換的最佳輸入范圍，再啟動AD574進行轉換，能夠有效地保證在低輸入時的轉換精度，擴大采集系統的動態范圍。可編程控制增益電路如圖2所示。
1．2 A／D轉換電路
采用Ateml公司的AVR系列單片機ATmega32與AD574構成數據采集部分。ATmega32是一款高性能、低功耗的8位AVR微調理器，先進的RISC結構，具有32 KB的系統內可編程FLASH。AD574是美國AD公司研制的12位逐次逼近型模數轉換器，具有外接元件少、功耗低和精度高等特點，它的轉換速度為25μs，轉換精度為O．05％，輸入的模擬電壓可以是單極性也可以是雙極性，內部集成轉換時鐘，可廣泛應用在數據采集系統中。由于AD574芯片內有三態輸出緩沖電路，因而可直接與單片機的數據總線相連，而無須附加邏輯接口電路。
在本采集系統中，采用了AD574芯片0～+10V單極性輸入方式，將它的第2引腳直接接地，則可實現12位高精度轉換，轉換結果分兩次輸出。AD574狀態引腳STS接至單片機PC口的第3引腳，采用查詢方式讀取轉換結果。當R／C=0時，啟動A／D轉換器進行模／數轉換；經25μs后STS=1，表明A／D轉換結束，此時將R／C置1，即從數據端讀取數據，具體控制邏輯如表1所示。AD574與AVR單片機的接口電路如圖3所示。
2 系統軟件設計
數據采集系統的軟件設計使用C語言編寫，程序分成若干個功能相對獨立的模塊，包括主程序、增益控制、數據采集、USB通信等子模塊，對各個子程序分別進行單獨設計與調試，最后將調試好的各子程序塊鏈接起來進行總體調試。數據采集程序設計的流程圖如圖4所示。
3 結 語
通過對該數據采集系統的軟硬件設計，實現了雙通道的數據采集。系統經過多次實驗，能夠對O～10V的模擬電壓信號進行精度高采集，性能指標達到了設計要求，實驗測試效果良好。本設計為較高精度的數據采集提供了一種新穎、方便和可靠的解決方案。