高精度便捷式全數(shù)字示波器設(shè)計(jì) - 全文

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　　示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。電子技術(shù)的日新月異，使各類電信號(hào)越來越復(fù)雜，在工程應(yīng)用中對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)采樣率和波形捕獲率也有較高的要求，數(shù)字示波器成了各個(gè)崗位的硬件開發(fā)和測(cè)試人員必不可少的工具。針對(duì)當(dāng)前柔性工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)的需要，本文給出DSP+CPLD的方案，實(shí)現(xiàn)了一種高精度、高集成的便捷式數(shù)字化存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)盡可能地采用數(shù)字集成電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果可靠性高，具有友好的人機(jī)界面，同時(shí)具有高采樣率、高分辨率及低誤差等特點(diǎn)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　該數(shù)字示波器主要由測(cè)量控制和顯示輸出兩部分組成。輸入信號(hào)在測(cè)量電路前端，經(jīng)由信號(hào)變換電路處理成各次級(jí)單元能處理的等效信號(hào)，主要是由比較電路處理輸出正方波和峰-峰值為2.5 V的等效運(yùn)算放大輸出信號(hào)。方波信號(hào)作為記數(shù)脈沖，觸發(fā)可編程邏輯器件CPLD來實(shí)現(xiàn)頻率值的測(cè)量。同時(shí)，經(jīng)運(yùn)算放大器輸出的信號(hào)輸入至采樣保持器，由主控制器DSP向其相關(guān)引腳發(fā)出鎖存信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的采樣和鎖存輸出的功能切換。

　　當(dāng)控制端置“1”時(shí)為鎖存輸出，這時(shí)，輸出的信號(hào)可供A/D轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;置“0”時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集。A/D采集回來的數(shù)據(jù)送給DSP，再由DSP先把外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中，然后進(jìn)行分析，最后，把經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過RS 422標(biāo)準(zhǔn)接口以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給液晶顯示器顯示輸出。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

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　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件部分由信號(hào)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(hào)輸入變換及采樣保持電路

　　信號(hào)輸入變換電路主要用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的等效變換。設(shè)計(jì)中采用高速的OP37進(jìn)行信號(hào)變換、采樣保持，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要部件，對(duì)信號(hào)起隔離緩沖作用。如果要對(duì)變化速度高的模擬信號(hào)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(hào)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(dòng)，并通過MUX實(shí)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(shí)間和很低的下降速度，器件的動(dòng)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(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

　　2.2 測(cè)頻電路

　　示波器對(duì)信號(hào)的測(cè)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(duì)EPF10K50V編程，本設(shè)計(jì)中，CPLD完成對(duì)信號(hào)頻率的測(cè)量。頻率測(cè)量原理如下：在單位測(cè)量時(shí)間Tp中被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為Nx，對(duì)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(cè)信號(hào)頻率值fx滿足：

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　　2.3 幅度信號(hào)采集

　　為了滿足對(duì)高頻率信號(hào)的采集，選用ADI公司推出的AD7667來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的幅值測(cè)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(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化成工作范圍內(nèi)的有效值，進(jìn)行精確測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)不同的頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)選取合理的采樣手段將直接影響系統(tǒng)的測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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：

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　　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：

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　　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(cè)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(duì)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(cè)參數(shù)的變化過程，但帶有一定程度的誤差，勢(shì)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(duì)測(cè)量結(jié)果造成干擾，采用軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行曲線擬合的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以保證測(cè)量結(jié)果的相對(duì)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(cè)信號(hào)波形。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　編程邏輯器件CPLD采用硬件描述語言VHDL為底層支撐，用原理圖輸入的方式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)。DSP軟件編程采用C語言與匯編語言混合編程，程序主體用C語言編寫，對(duì)于占用處理器時(shí)間較多的算法程序和I/O接口操作則采用匯編語言編程，匯編代碼可以用C語言可調(diào)用的函數(shù)或內(nèi)聯(lián)代碼的形式出現(xiàn)，把C語言和匯編語言的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來。系統(tǒng)軟件完成數(shù)據(jù)收集分析，把采集到的曲線坐標(biāo)經(jīng)處理后由RS 422標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸給智能終端，同時(shí)也能接收到智能終端的輸入信息，執(zhí)行相應(yīng)的功能，系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

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　　5 測(cè)試結(jié)果

　　(1)系統(tǒng)能對(duì)10 Hz～20 MHz的任意周期信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)大于20 MHz的信號(hào)，由于輸入信號(hào)調(diào)理電路器件帶寬的限制，導(dǎo)致用于測(cè)量輸入信號(hào)頻率的方波失真，致使示波器的測(cè)量信號(hào)頻率精度降低。對(duì)相同頻率的信號(hào)，等效采樣方式的波形比實(shí)時(shí)采樣方式的波形要好，其原因是同一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)前者的采樣點(diǎn)比后者的采樣點(diǎn)多。

　　(2)示波器的顯示屏刻度垂直方向有354個(gè)像元，水平方向有446個(gè)像元，顯示分辨率較高。

　　(3)示波器的垂直靈敏度分辨率包含1 V/div，0.1 V/div及2 mV/div三檔，對(duì)比專用數(shù)字示波器測(cè)試結(jié)果，信號(hào)在顯示屏上顯示明顯，波形失真小。

　　(4)示波器實(shí)時(shí)采樣速率為400 kHz，等效采樣速率可達(dá)200 MHz。

　　(5)系統(tǒng)在掃描速度包含了20 ms/div，2 μs/div及100 ns/div三檔。

　　(6)系統(tǒng)具有存儲(chǔ)和調(diào)出顯示信號(hào)波形的功能。

　　用所設(shè)計(jì)的示波器，分別對(duì)多種信號(hào)的不同頻率、幅值進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)對(duì)比高精度數(shù)字示波器測(cè)量結(jié)果，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表所示。

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　　6 結(jié)語

　　樣機(jī)測(cè)量結(jié)果表明，系統(tǒng)頻率測(cè)量誤差小于0.05%，信號(hào)幅值測(cè)量誤差小于1%，系統(tǒng)精度較高，能滿足一般的工業(yè)要求，并且可以在顯示模塊上對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行很好的復(fù)現(xiàn)。系統(tǒng)重量小于0.5 kg，體積為：20 cm×15 cm×10 cm。

　　它克服了同類產(chǎn)品使用時(shí)操作復(fù)雜，精度低的缺點(diǎn)，并且所設(shè)計(jì)的數(shù)字示波器集成度高，工作過程受外界環(huán)境的干擾小，測(cè)量數(shù)據(jù)可視化，界面友好，可復(fù)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)波形，故可作為一種內(nèi)嵌式設(shè)備，嵌入到一些柔性工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)中，這在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域和測(cè)試領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。