一種高精度便捷式全數(shù)字示波器的設(shè)計[圖]

摘要：設(shè)計制作了一臺便捷式數(shù)字示波器，能對小于20 MHz的任意周期的赫茲信號進行頻率、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O(shè)P37進行信號預(yù)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(shè)備實現(xiàn)人機交互，具有對周期信號進行測量、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(jié)果表明，系統(tǒng)頻率測量誤差小于0.05%，信號幅值測量誤差小于1%。

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(shù)的日新月異，使各類電信號越來越復(fù)雜，在工程應(yīng)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(shè)計，系統(tǒng)盡可能地采用數(shù)字集成電路，結(jié)構(gòu)簡單，測量結(jié)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(shè)計方案

該數(shù)字示波器主要由測量控制和顯示輸出兩部分組成。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2.5 V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(guān)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(zhuǎn)換器件進行數(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，然后進行分析，最后，把經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過RS 422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(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的標準頻率信號直接進入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，用標準的100 MHz進行記數(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，對標準信號的計數(shù)值為Ns，在已知標準頻率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，進行精確測量。

2.4 人機交互部分設(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)定對坐標值進行識別，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)進行存儲，然后進行統(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)果進行曲線擬合的方式對數(shù)據(jù)進行修正，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)插算法進行處理，形成相應(yīng)的輸出，復(fù)現(xiàn)被測信號波形。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)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)軟件部分的設(shè)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(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)點有機結(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經(jīng)處理后由RS 422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(yīng)的功能，系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

5 測試結(jié)果

(1)系統(tǒng)能對10 Hz～20 MHz的任意周期信號進行測量，對大于20 MHz的信號，由于輸入信號調(diào)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。對相同頻率的信號，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(nèi)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1 V/div，0.1 V/div及2 mV/div三檔，對比專用數(shù)字示波器測試結(jié)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400 kHz，等效采樣速率可達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)具有存儲和調(diào)出顯示信號波形的功能。

用所設(shè)計的示波器，分別對多種信號的不同頻率、幅值進行測試，同時對比高精度數(shù)字示波器測量結(jié)果，具體測試數(shù)據(jù)如表所示。

6 結(jié)語

樣機測量結(jié)果表明，系統(tǒng)頻率測量誤差小于0.05%，信號幅值測量誤差小于1%，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被測信號進行很好的復(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)品使用時操作復(fù)雜，精度低的缺點，并且所設(shè)計的數(shù)字示波器集成度高，工作過程受外界環(huán)境的干擾小，測量數(shù)據(jù)可視化，界面友好，可復(fù)現(xiàn)被測信號波形，故可作為一種內(nèi)嵌式設(shè)備，嵌入到一些柔性工業(yè)測量系統(tǒng)當中，這在工業(yè)自動化領(lǐng)域和測試領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。