一種高精度便捷式全數(shù)字示波器的設計

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摘要：設計制作了一臺便捷式數(shù)字示波器，能對小于20MHz的任意周期的赫茲信號進展頻率、幅值測量，同時也能對信號波形實時顯示。該示波器以數(shù)字信號處理器TMS320VC33和可編程邏輯器件EPF10K50V為核心，以OP37進展信號預處理，再由A／D芯片AD7667完成信號采集，通過總線將信號傳輸給主處理器，采用LJD-ZN-3200K智能終端設備實現(xiàn)人機交互，具有對周期信號進展測量、連續(xù)和單次觸發(fā)及存儲等功能，并可對被測信號無失真顯示。系統(tǒng)測試結果說明，系統(tǒng)頻率測量誤差小于0．05％，信號幅值測量誤差小于1％。

關鍵詞：數(shù)字示波器；數(shù)字信號處理器；可編程邏輯器件；信號測量

0引言

示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。電子技術的日新月異，使各類電信號越來越復雜，在工程應用中對信號實時采樣率和波形捕獲率也有較高的要求，數(shù)字示波器成了各個崗位的硬件開發(fā)和測試人員必不可少的工具。針對當前柔性工業(yè)測量系統(tǒng)的需要，本文給出DSP+CPLD的方案，實現(xiàn)了一種高精度、高集成的便捷式數(shù)字化存儲示波器的設計，系統(tǒng)盡可能地采用數(shù)字集成電路，構造簡單，測量結果可靠性高，具有友好的人機界面，同時具有高采樣率、高分辨率及低誤差等特點。

1系統(tǒng)設計方案

該數(shù)字示波器主要由測量控制和顯示輸出兩局部組成。輸入信號在測量電路前端，經(jīng)由信號變換電路處理成各次級單元能處理的等效信號，主要是由比較電路處理輸出正方波和峰-峰值為2．5V的等效運算放大輸出信號。方波信號作為記數(shù)脈沖，觸發(fā)可編程邏輯器件CPLD來實現(xiàn)頻率值的測量。同時，經(jīng)運算放大器輸出的信號輸入至采樣保持器，由主控制器DSP向其相關引腳發(fā)出鎖存信號來實現(xiàn)對待測信號的采樣和鎖存輸出的功能切換。

當控制端置“1〞時為鎖存輸出，這時，輸出的信號可供A／D轉換器件進展數(shù)據(jù)采集；置“0〞時實現(xiàn)對信號的采集。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)存儲在外部存儲器中，然后進展分析，最后，把經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過RS422標準接口以數(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。

2硬件設計

系統(tǒng)硬件局部由信號輸入變換電路、采樣保持電路、主控制電路、智能終端設備等局部組成。

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。設計中采用高速的OP37進展信號變換、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展A／D轉化，轉換精度要求比較高，為了防止A／D轉換過程**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MU*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適宜的外接保持電容到達最正確。信號調理電路如圖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計的。由可編程邏輯器件EPF10K50V完成，100MHz的標準頻率信號直接進入EPF10K50V。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，用標準的100MHz進展記數(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N*，對標準信號的計數(shù)值為Ns，在標準頻率fs的根底上，被測信號頻率值f*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轉換芯片，內部2．5V參考電壓，工作*圍為0～2．5V，LSB小于±2b，轉換速率為800Kb／s，轉換時間小于1μs，采用單+5V電源供電。由信號變換電路把被測信號轉化成工作*圍內的有效值，進展準確測量。

2．4人機交互局部設計

示波器的顯示及指令輸入由智能終端設備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備分辨率為640×480，能滿足系統(tǒng)設計的要求。該設備終端通過串行接口與主控制器通信，完成數(shù)據(jù)傳輸。

將設計好的圖形界面加載到智能終端存儲單元，然后按設定對坐標值進展識別，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出按鈕，用于當前的波形采集存儲及調出；單次觸發(fā)按鈕，能對滿足觸發(fā)條件的信號進展單次采集與存儲。

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展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(RealSampling)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。在本設計中采用A／D轉換器件頻率為400kHz，根據(jù)采樣特性可計算出該數(shù)字示波器能對不大于50MHz的輸入信號進展采樣輸出。

等效采樣(EquivalentSampling)是指針對周期信號的時域重復的特點，在不同的時間段進展屢次較低采樣率的采樣，然后將這些低采樣率的樣本復合成高采樣率的數(shù)據(jù)樣本，從而真實重構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，它是用信號的重復頻率fi與采樣率fs的特殊關系，使等效的采樣率增加D倍。

首先，適中選取輸入信號的重復頻率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頻率fi要受到準確度的控制，而等效采樣率為Dfs，與輸入信號無關，當輸入信號的重復頻率偏離式(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轉換的速度和微處理器的速度幾乎無關，用這種方法結合設計的數(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)進展存儲，然后進展統(tǒng)一的分析，復現(xiàn)出信號的函數(shù)曲線，可計算得到幅值。

由于在設計過程當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。為了防止非誤差允許*圍內的值對測量結果造成干擾，采用軟件對測量結果進展曲線擬合的方式對數(shù)據(jù)進展修正，以保證測量結果的相對精度。

3．2顯示分辨率計算

設計的波形顯示窗口一共有354*446像元素，能滿足設計要求，統(tǒng)一分析采集的數(shù)據(jù)，采用正弦內插算法進展處理，形成相應的輸出，復現(xiàn)被測信號波形。

4系統(tǒng)軟件設計

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現(xiàn)系統(tǒng)軟件局部的設計。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，對于占用處理器時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語言可調用的函數(shù)或內聯(lián)代碼的形式出現(xiàn)，把C語言和匯編語言的優(yōu)點有機結合起來。系統(tǒng)軟件完成數(shù)據(jù)收集分析，把采集到的曲線坐標經(jīng)處理后由RS422標準接口傳輸給智能終端，同時也能接收到智能終端的輸入信息，執(zhí)行相應的功能，系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

5測試結果

(1)系統(tǒng)能對10Hz～20MHz的任意周期信號進展測量，對大于20MHz的信號，由于輸入信號調理電路器件帶寬的限制，導致用于測量輸入信號頻率的方波失真，致使示波器的測量信號頻率精度降低。對一樣頻率的信號，等效采樣方式的波形比實時采樣方式的波形要好，其原因是同一個信號周期內前者的采樣點比后者的采樣點多。

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

(3)示波器的垂直靈敏度分辨率包含1V／div，0．1V／div及2mV／div三檔，比照專用數(shù)字示波器測試結果，信號在顯示屏上顯示明顯，波形失真小。

(4)示波器實時采樣速率為400kHz，等效采樣速率可達200MHz。

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

(6)系統(tǒng)具有存儲和調出顯示信號波形的功能。

用所設計的示波器，分別對多種信號的不同頻率、幅值進展測試，同時比照高精度數(shù)字示波器測量結果，具體測試數(shù)據(jù)如表1，表2所示。

6結語

樣機測量結果說明，系統(tǒng)頻率測量誤差小于0．05％，信號幅值測量誤差小于