數(shù)字示波器在高頻信號(hào)采集中的應(yīng)用

數(shù)字示波器在高頻信號(hào)采集中的應(yīng)用

1 高頻信號(hào)的采集 

當(dāng)要對(duì)一個(gè)高頻信號(hào)(比如高達(dá)100MHz的雷達(dá)波形)進(jìn)行采集和處理的時(shí)候。通常會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)高速或者超高速硬件采集電路，包括放大部分、濾波部分；A／D和D／A轉(zhuǎn)換部分等，這種電路的要求非常高，要求邊采集邊存儲(chǔ)，電路速度高，而且要考慮各種輻射干擾等，同時(shí)，目前市場(chǎng)上成品價(jià)格很難承受。并且根據(jù)采樣定理，一個(gè)最高頻率為／的連續(xù)信號(hào)，完全可以用時(shí)間上相隔了＝1／2f的一系列離散采樣值來(lái)表示。所以采樣頻率F應(yīng)等于或大于被采樣信號(hào)的最高頻率f的2倍，即F≥2f?？紤]到實(shí)際恢復(fù)波形的低通濾波器不可能具有完全理想的特性，為了正確恢復(fù)信號(hào)，通常取9＝(2．5-5)f或更高。當(dāng)采樣的信號(hào)高達(dá)100MHz時(shí)，就應(yīng)該達(dá)到500MHz的采樣率。

2 示波器與計(jì)算機(jī)的通信

Tektronix公司的TDS系列數(shù)字實(shí)時(shí)示波器早已經(jīng)在各處得到廣泛應(yīng)用，并且其配套的擴(kuò)展模塊TDS2CM和TDS2MM模塊具有與外部設(shè)備雙向通訊的功能，可直接與打印機(jī)、微機(jī)連接，使波形的存儲(chǔ)打印等工作變得十分方便。其中TDS220數(shù)字示波器擁有100MHZ的帶寬，以10 倍的掃描方式，達(dá)到1GS/s的采樣率。當(dāng)配套的TDS2CM模塊采用RS232電纜用串口通信與計(jì)算機(jī)連接后，利用相應(yīng)軟件(如Matlab等）可以對(duì)示波器的數(shù)據(jù)、波形直接進(jìn)行讀取、處理。
因此可以采用數(shù)字示波器與PC機(jī)間的通訊，在數(shù)字信號(hào)處理方面，此時(shí)數(shù)字示波器相當(dāng)于一個(gè)高速信號(hào)采集器，他把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，配合Matlab，能實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的采集與處理，而且與一般意義上的硬件處理器相比沒(méi)有了A/D和D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程，是處理的精度和速度都有了明顯的提高，而且價(jià)格上示波器配套模塊TDSCM2模塊也比相應(yīng)功能的硬件處理器便宜不少。

3 優(yōu)缺點(diǎn)

數(shù)字示波器與PC機(jī)的通訊不僅具有一般臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能，而且充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的功能和軟件設(shè)計(jì)的靈活性，他具有4個(gè)顯著特征：
(1)采用編程語(yǔ)言Matlab和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，軟件開(kāi)發(fā)效率高，可操作性和可維護(hù)性好；
(2)為數(shù)字存儲(chǔ)示波器增加了頻域分析功能；
(3)充分利用了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)與外設(shè)連接的能力，測(cè)量結(jié)果和波形可直接打印輸出或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享；
(4)在相同硬件條件下，可以通過(guò)修改或增加軟件模塊，形成新的儀器功能。
由于要用到示波器，計(jì)算機(jī)以及RS232的連接，沒(méi)有單個(gè)硬件電路簡(jiǎn)單明了，是其不足之處。

4 應(yīng)用情況

4．1 通信原理

Matlab是美國(guó)Math Works公司推出的一種以矩陣為基本編程單位的高效數(shù)值計(jì)算語(yǔ)言，是一個(gè)集科學(xué)計(jì)算、圖像處理、聲音處理于一體的高度集成系統(tǒng)。他具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，其中的Instrument Control Toolbox提供對(duì)GPIB，RS-232，VXI，Centronics等端口進(jìn)行控制的功能。當(dāng)用Matlab軟件通過(guò)RS232與TDS2CM模塊串口連接可以實(shí)現(xiàn)示波器與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊，同時(shí)利用Matlab數(shù)值處理、矩陣運(yùn)算功能對(duì)示波器記錄的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和處理。
Matlab通過(guò)調(diào)用M文件函數(shù)來(lái)創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象，得到設(shè)備的文件句柄，這樣可以像操作文件一樣操作設(shè)備，對(duì)外設(shè)進(jìn)行相關(guān)的讀寫(xiě)。原理圖如圖1所示。

當(dāng)直接通過(guò)RS232進(jìn)行硬件通信控制時(shí)，示波器通過(guò)DCD(載波檢測(cè))，CTS(清除發(fā)送)，RI(振鈴提示)3個(gè)控制信號(hào)表示當(dāng)前狀態(tài)，用RTS(請(qǐng)求發(fā)送)發(fā)送數(shù)據(jù)。

4．2 數(shù)據(jù)傳榆

當(dāng)Matlab以二進(jìn)制格式對(duì)示波器的波形進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)與示波器實(shí)際數(shù)據(jù)換算由式(1)給出：
Xn=Xzero+Xiner·n
Yn=yzero+Ymult(Yn－Yoff) (1)
其中：Yn為輸入、輸出緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，
n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)：
Xn，Yn為示波器中實(shí)際采樣時(shí)間與信號(hào)幅值，
Xzero是所采集波形第一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間，
Xiner是水平軸上的采樣率，
yzero是0dB時(shí)的幅值，
Ymul是垂直軸上的比例因子；
Yoff是垂直偏移量。
由式(1)可見(jiàn)，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完全按照示波器的采樣率，波形真實(shí)可靠。程序流程圖如圖2所示。

對(duì)示波器的命令由fprintf函數(shù)以字符串的形式輸出。
設(shè)置和詢問(wèn)命令由具體的示波器廠商定義。
從示波器讀取數(shù)據(jù)的部分程序如下：
g=serial(′coml′)；
g．InputBufferSize=10000；
g．timeout=10；
g．BaudRate=9600；
g．Parity='none'；
g．StopBits=1；
g．Terminator='LF'
g．FlowControl='hardware'；
fopen(g)；
fprintf(g,'select：chl on′)；
fprintf(g,'data：source chl′)；
fprintf(g,'data：encdg srib′)；
fprintf(g,'data：start l′)；
fprintf(g,'data：stop 2500′)；
fprintf(g,'data：width 2′)；
fprintf(g,'wfmpre：xzero? ′)；
xzero=fscanf(g,'％f′)；
fprintf(g,'curve? ′)；
out=fread(g，2500,'intl6′)；
fclose(g)；
delete(g)；
freeserial('coml′)；

用上述程序?qū)?00MHz雷達(dá)波形的讀取如圖3所示。 

4．3 數(shù)據(jù)分析處理與實(shí)例

從示波器讀取的數(shù)據(jù)按式(1)轉(zhuǎn)換后就是實(shí)現(xiàn)測(cè)量所得的波形數(shù)據(jù)值，并且可以在計(jì)算機(jī)中做相應(yīng)的頻譜分析。

5 結(jié) 語(yǔ)

在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，利用數(shù)字示波器與計(jì)算機(jī)之間的通信對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行采集與處理，能完全滿足一般意義上的信號(hào)采集工作，可以成為實(shí)驗(yàn)室物美價(jià)廉的實(shí)驗(yàn)工具。