高精度便捷式全數(shù)字示波器設(shè)計

2 硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件部分由信號輸入變換電路、采樣保持電路、主控制電路、智能終端設(shè)備等部分組成。

　　2.1 信號輸入變換及采樣保持電路

　　信號輸入變換電路主要用于實現(xiàn)信號的等效變換。設(shè)計中采用高速的OP37進(jìn)行信號變換、采樣保持，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要部件，對信號起隔離緩沖作用。如果要對變化速度高的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換精度要求比較高，為了防止A/D轉(zhuǎn)換過程中信號發(fā)生變化，就必須采用S/H電路。S/H電路和A/D配合，可以消除A/D的輸出脈動，并通過MUX實現(xiàn)多路采樣控制。

　　在這里采用高性能單片采樣/保持器LF398，具有很高的直流精度、很快的采樣時間和很低的下降速度，器件的動態(tài)性能和保持性能可通過合適的外接保持電容達(dá)到最佳。信號調(diào)理電路如圖2所示。

　　2.2 測頻電路

　　示波器對信號的測頻是根據(jù)等精度頻率計的原理設(shè)計的。由可編程邏輯器件EPF10K50V完成，100 MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號直接進(jìn)入EPF10K50 V。器件采用信號輸入變換電路輸出的方波脈沖作為計數(shù)器的時鐘輸入信號，用標(biāo)準(zhǔn)的100 MHz進(jìn)行記數(shù)，最后算出輸入信號的頻率。

　　通過圖形法和VHDL語言對EPF10K50V編程，本設(shè)計中，CPLD完成對信號頻率的測量。頻率測量原理如下：在單位測量時間Tp中被測信號計數(shù)值為Nx，對標(biāo)準(zhǔn)信號的計數(shù)值為Ns，在已知標(biāo)準(zhǔn)頻率fs的基礎(chǔ)上，被測信號頻率值fx滿足：

　　2.3 幅度信號采集

　　為了滿足對高頻率信號的采集，選用ADI公司推出的AD7667來實現(xiàn)對被測信號的幅值測量。AD7667是16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部2.5 V參考電壓，工作范圍為0～2.5 V，LSB小于±2 b，轉(zhuǎn)換速率為800 Kb/s，轉(zhuǎn)換時間小于1μs，采用單+5 V電源供電。由信號變換電路把被測信號轉(zhuǎn)化成工作范圍內(nèi)的有效值，進(jìn)行精確測量。

　　2.4 人機(jī)交互部分設(shè)計

　　示波器的顯示及指令輸入由智能終端設(shè)備LJD-ZN-3200K來實現(xiàn)。LJD-ZN-3200K是集輸入、輸出為一體的智能圖形化界面輸出設(shè)備分辨率為640×480，能滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。該設(shè)備終端通過串行接口與主控制器通信，完成數(shù)據(jù)傳輸。

　　將設(shè)計好的圖形界面加載到智能終端存儲單元，然后按設(shè)定對坐標(biāo)值進(jìn)行識別，即可實現(xiàn)觸摸式控制輸入。示波器共有9個功能鍵，分別為：3個垂直區(qū)分度選擇按鈕，用于垂直靈敏度選擇;3個水平區(qū)分度選擇按鈕，用于水平掃描速度選擇;采樣方式切換按鈕，用于選擇實時采樣和等效采樣;波形存儲按鈕和波形調(diào)出按鈕，用于當(dāng)前的波形采集存儲及調(diào)出;單次觸發(fā)按鈕，能對滿足觸發(fā)條件的信號進(jìn)行單次采集與存儲。

　　3 信號采集及處理分析

　　3.1 信號采集原理

　　對不同的頻率信號進(jìn)行測量時選取合理的采樣手段將直接影響系統(tǒng)的測量精度，在數(shù)字信號分析技術(shù)中，常用的信號采樣方法有兩種：實時采樣和等效采樣。

　　實時采樣(Real Sampling)通常是等時間間隔的，其最高采樣頻率是奈奎斯特極限頻率，特點是，取樣一個波形所得脈沖序列的持續(xù)時間等于輸入信號實際經(jīng)歷的時間，所以取樣信號的頻譜比原信號還要寬。在本設(shè)計中采用A/D轉(zhuǎn)換器件頻率為400 kHz，根據(jù)采樣特性可計算出該數(shù)字示波器能對不大于50 MHz的輸入信號進(jìn)行采樣輸出。

　　等效采樣(Equivalent Sampling)是指針對周期信號的時域重復(fù)的特點，在不同的時間段進(jìn)行多次較低采樣率的采樣，然后將這些低采樣率的樣本復(fù)合成高采樣率的數(shù)據(jù)樣本，從而真實重構(gòu)出原始信號波形的數(shù)據(jù)采集方法。它利用信號的周期性，以增加采集時間為代價，降低對高速采樣電路的壓力，通過重組恢復(fù)原始信號。

　　本文采用提取等效采樣時間采樣，它是用信號的重復(fù)頻率fi與采樣率fs的特殊關(guān)系，使等效的采樣率增加D倍。

　　首先，適當(dāng)選取輸入信號的重復(fù)頻率fi，采樣D個周期的信號波形，然后把記錄的數(shù)據(jù)通過一個簡單的算法重新排列組合，以獲得一個完整的輸入信號波形，這樣等效采樣率是實際采樣率的D倍。

　　實際實現(xiàn)時，D的選取取決于所需要的等效采樣率fe，使得fe=Dfs即可。而L是單個周期實際采樣點的個數(shù)，L=int(M/D)，M是記錄的采樣數(shù)據(jù)的總和。輸出信號的重復(fù)頻率為：

　　提取等效時間采樣的方法可以提高采樣率，但要求輸入信號的重復(fù)頻率fi要受到精確度的控制，而等效采樣率為Dfs，與輸入信號無關(guān)，當(dāng)輸入信號的重復(fù)頻率偏離式(2)中所給的值，等效采樣度變最大時間偏差為：

　　等效于展寬了頻帶，此時頻帶的寬度與A/D轉(zhuǎn)換的速度和微處理器的速度幾乎無關(guān)，用這種方法結(jié)合設(shè)計的數(shù)字示波器，較容易地測量高頻信號的頻率和幅值。

　　最后，把采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，然后進(jìn)行統(tǒng)一的分析，復(fù)現(xiàn)出信號的函數(shù)曲線，可計算得到幅值。

　　由于在設(shè)計過程當(dāng)中對電壓信號采樣分析采用的是等效方式，采集到的是以時間為自變量的離散序列，這些采樣數(shù)據(jù)反映了被測參數(shù)的變化過程，但帶有一定程度的誤差，勢必會引起采集數(shù)據(jù)失真的現(xiàn)象。為了避免非誤差允許范圍內(nèi)的值對測量結(jié)果造成干擾，采用軟件對測量結(jié)果進(jìn)行曲線擬合的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以保證測量結(jié)果的相對精度。

　　3.2 顯示分辨率計算

　　設(shè)計的波形顯示窗口一共有354x446像元素，能滿足設(shè)計要求，統(tǒng)一分析采集的數(shù)據(jù)，采用正弦內(nèi)插算法進(jìn)行處理，形成相應(yīng)的輸出，復(fù)現(xiàn)被測信號波形。