一種高精度便捷式全數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)
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2．2 測頻電路
示波器對信號(hào)的測頻是根據(jù)等精度頻率計(jì)的原理設(shè)計(jì)的。由可編程邏輯器件EPF10K50V完成，100 MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)直接進(jìn)入EPF10K50 V。器件采用信號(hào)輸入變換電路輸出的方波脈沖作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入信號(hào)，用標(biāo)準(zhǔn)的100 MHz進(jìn)行記數(shù)，最后算出輸入信號(hào)的頻率。
通過圖形法和VHDL語言對EPF10K50V編程，本設(shè)計(jì)中，CPLD完成對信號(hào)頻率的測量。頻率測量原理如下：在單位測量時(shí)間Tp中被測信號(hào)計(jì)數(shù)值為Nx，對標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)值為Ns，在已知標(biāo)準(zhǔn)頻率fs的基礎(chǔ)上，被測信號(hào)頻率值fx滿足：
2．3 幅度信號(hào)采集
為了滿足對高頻率信號(hào)的采集，選用ADI公司推出的AD7667來實(shí)現(xiàn)對被測信號(hào)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(shí)間小于1μs，采用單+5 V電源供電。由信號(hào)變換電路把被測信號(hào)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(jì)
示波器的顯示及指令輸入由智能終端設(shè)備LJD-ZN-3200K來實(shí)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(jì)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(jì)好的圖形界面加載到智能終端存儲(chǔ)單元，然后按設(shè)定對坐標(biāo)值進(jìn)行識(shí)別，即可實(shí)現(xiàn)觸摸式控制輸入。示波器共有9個(gè)功能鍵，分別為：3個(gè)垂直區(qū)分度選擇按鈕，用于垂直靈敏度選擇；3個(gè)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(shí)時(shí)采樣和等效采樣；波形存儲(chǔ)按鈕和波形調(diào)出按鈕，用于當(dāng)前的波形采集存儲(chǔ)及調(diào)出；單次觸發(fā)按鈕，能對滿足觸發(fā)條件的信號(hào)進(jìn)行單次采集與存儲(chǔ)。
3 信號(hào)采集及處理分析
3．1 信號(hào)采集原理
對不同的頻率信號(hào)進(jìn)行測量時(shí)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(hào)分析技術(shù)中，常用的信號(hào)采樣方法有兩種：實(shí)時(shí)采樣和等效采樣。
實(shí)時(shí)采樣(Real Sampling)通常是等時(shí)間間隔的，其最高采樣頻率是奈奎斯特極限頻率，特點(diǎn)是，取樣一個(gè)波形所得脈沖序列的持續(xù)時(shí)間等于輸入信號(hào)實(shí)際經(jīng)歷的時(shí)間，所以取樣信號(hào)的頻譜比原信號(hào)還要寬。在本設(shè)計(jì)中采用A／D轉(zhuǎn)換器件頻率為400 kHz，根據(jù)采樣特性可計(jì)算出該數(shù)字示波器能對不大于50 MHz的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣輸出。
等效采樣(Equivalent Sampling)是指針對周期信號(hào)的時(shí)域重復(fù)的特點(diǎn)，在不同的時(shí)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(shí)重構(gòu)出原始信號(hào)波形的數(shù)據(jù)采集方法。它利用信號(hào)的周期性，以增加采集時(shí)間為代價(jià)，降低對高速采樣電路的壓力，通過重組恢復(fù)原始信號(hào)。
本文采用提取等效采樣時(shí)間采樣，它是用信號(hào)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(hào)的重復(fù)頻率fi，采樣D個(gè)周期的信號(hào)波形，然后把記錄的數(shù)據(jù)通過一個(gè)簡單的算法重新排列組合，以獲得一個(gè)完整的輸入信號(hào)波形，這樣等效采樣率是實(shí)際采樣率的D倍。
實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，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(gè)周期實(shí)際采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，L=int(M／D)，M是記錄的采樣數(shù)據(jù)的總和。輸出信號(hào)的重復(fù)頻率為：
提取等效時(shí)間采樣的方法可以提高采樣率，但要求輸入信號(hào)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(hào)無關(guān)，當(dāng)輸入信號(hào)的重復(fù)頻率偏離式(2)中所給的值，等效采樣度變最大時(shí)間偏差為：
等效于展寬了頻帶，此時(shí)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(jì)的數(shù)字示波器，較容易地測量高頻信號(hào)的頻率和幅值。
最后，把采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后進(jìn)行統(tǒng)一的分析，復(fù)現(xiàn)出信號(hào)的函數(shù)曲線，可計(jì)算得到幅值。
由于在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中對電壓信號(hào)采樣分析采用的是等效方式，采集到的是以時(shí)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(huì)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(jì)算
設(shè)計(jì)的波形顯示窗口一共有354x446像元素，能滿足設(shè)計(jì)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(hào)波形。
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