高精度便捷式全數字示波器設計

2 硬件設計

　　系統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信號的等效變換。設計中采用高速的OP37進行信號變換、采樣保持，是數據采集系統的重要部件，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轉化，轉換精度要求比較高，為了防止A/D轉換過程中信號發生變化，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等精度頻率計的原理設計的。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器的時鐘輸入信號，用標準的100 MHz進行記數，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中被測信號計數值為Nx，對標準信號的計數值為Ns，在已知標準頻率fs的基礎上，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來實現對被測信號的幅值測量。AD7667是16位A/D轉換芯片，內部2.5 V參考電壓，工作范圍為0～2.5 V，LSB小于±2 b，轉換速率為800 Kb/s，轉換時間小于1μs，采用單+5 V電源供電。由信號變換電路把被測信號轉化成工作范圍內的有效值，進行精確測量。

　　2.4 人機交互部分設計

　　示波器的顯示及指令輸入由智能終端設備LJD-ZN-3200K來實現。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，完成數據傳輸。

　　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行識別，即可實現觸摸式控制輸入。示波器共有9個功能鍵，分別為：3個垂直區分度選擇按鈕，用于垂直靈敏度選擇;3個水平區分度選擇按鈕，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;單次觸發按鈕，能對滿足觸發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的測量精度，在數字信號分析技術中，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(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時間等于輸入信號實際經歷的時間，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400 kHz，根據采樣特性可計算出該數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合成高采樣率的數據樣本，從而真實重構出原始信號波形的數據采集方法。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，適當選取輸入信號的重復頻率fi，采樣D個周期的信號波形，然后把記錄的數據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，L=int(M/D)，M是記錄的采樣數據的總和。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要受到精確度的控制，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，把采樣得到的數據進行存儲，然后進行統一的分析，復現出信號的函數曲線，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，這些采樣數據反映了被測參數的變化過程，但帶有一定程度的誤差，勢必會引起采集數據失真的現象。為了避免非誤差允許范圍內的值對測量結果造成干擾，采用軟件對測量結果進行曲線擬合的方式對數據進行修正，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354x446像元素，能滿足設計要求，統一分析采集的數據，采用正弦內插算法進行處理，形成相應的輸出，復現被測信號波形。