（信号与信息处理专业论文）数字存储示波器等效采样的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 数字存储示波器在电子行业的各个领域中扮演着重要的角色。随着技术的不 断发展，对示波器工作带宽的需求越来越高。为了扩展示波器的工作带宽，实现 对于高频周期信号的采样，提出了等效采样理论。论文的主要研究目的，是根据 等效采样理论，设计等效采样电路，在2 5 0 m h z 实时采样率的数字存储示波器中， 期望实现最高采样率2 5 g h z 的等效采样系统。 论文首先对等效采样的实现原理进行详细分析，深入讨论了几种等效采样方 案的实现原理，在综合每种实现方案的优缺点、实现难点的基础上，结合课题的 研究目标，对每种方案进行可行性分析，最终确定采用基于电容双斜率充放电原 理的随机等效采样方案。在对方案进行的可行性分析基础上，采用f p g a + 单片机 微控制器的结构来实现整个系统的设计，并对系统的功能框架、硬件电路以及与 硬件配套的软件算法进行了详细的设计与讨论，最终将系统植入到数字存储示波 器中，实现数字存储示波器等效采样功能。 论文根据等效采样原理，独立设计了整个系统。将系统移植到数字存储示波 器的实际应用环境，进行了详细的测试， 了方案原理上的缺点，达到了设计目标， 波器等效采样技术的应用。 通过对等效采样软件的不断完善，弥补 经过实际测试，满足现阶段数字存储示 关键词：等效采样，双斜率电容充放电，延时单元，单片机，波形重建 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t d 珥t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p ep l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ne v e r ya r e ao ft h ee l e c t r o n i c s i n d u s t r y w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , t h ed e m a n do fo s c i l l o s c o p e s w o r kb a n d w i d t hb e c o m em o r ea n dm o r eh i g l l i no r d e rt oe x t e n di t sw o r kb a n d w i d t ht o s a m p l et h eh i 曲- s p e e dp e r i o d i cs i g n a l ，e q u i v a l e n ts a m p l i n gt e c h n o l o g y h a sb e e n p r o p o s e d t h ed e s i g no ft h ee q u i v a l e n ts a m p l i n gs y s t e m ，i na c c o r d a n c e 丽me q u i v a l e n t s a m p l i n gp r i n c i p l e ，i st h em a i np u r p o s eo ft h i ss t u d y , a n dt h es y s t e me x p e c t st oa c h i e v e t h em g hs p e e do f2 5 g h ze q u i v a l e n ts a m p l i n gr a t ei nt h ed i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e w h i c hh a st h es p e e do f2 5 0 m h zr e a l t i m es a m p l i n gr a t e t h es t u d yp r o v i d e sad e t a i l e da n a l y s i so fp r i n c i p l eo ft h ee q u i v a l e n ts a m p l i n g s y s t e m sr e a l i z a t i o na tf i r s t ，a n dt a k e ss e v e r a le q u i v a l e n ts a m p l i n gp r o j e c t st om a k ea d e e pd i s c u s s i o n t h e nt h es t u d ys y n t h e s i z e st h e i ra d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e sa n dd e s i g n d i f f i c u l t i e st oc o n d u c taf e a s i b i l i t ya n a l y s i sf o re a c ho ft h e m f i n a l l y , w et a k et h e e q u i v a l e n ts a m p l i n gs y s t e mb a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h ed i f f e r e n ts l o pb e t w e e n c a p a c i t a n c ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g a s s y s t e mr e a l i z e d i nt h e d i g i t a ls t o r a g e o s c i l l o s c o p e b a s e do nt h ed e m a n da n a l y s i so ft h es y s t e m ，t h i sp r o j e e ta p p l i e st h e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m o ff p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e sa r r a y ) + m c u ( m i c r o p r o g r a m m e dc o n t r o lu n i ot or e a l i z et h ee q u i v a l e n ts a m p l i n gs y s t e mi nt h e d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e t h ed e s i g ni n c l u d e st h ef u n c t i o n a lf r a m e w o r ko ft h es y s t e m ， t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h es y s t e ma n dt h es o f t w a r ea l g o r i t h m s ，a n dr e a l i z e st h e e q u i v a l e n ts a m p l i n gu n i ti nt h ed i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h ee q u i v a l e n ts a m p l i n g ，t h i sp r o j e c ti n d e p e n d e n t l y d e s i g nt h ec o m p l e t es y s t e m t h es t u d ym a k e su pf o rt h ed i s a d v a n t a g e so ft h ed e s i g n p r o g r a mt h r o u g hc o n s t a n t l yo p t i m i z i n gt h ee q u i v a l e n ts a m p l i n gs o t t w a r ea l g o r i t h m s ，i n o r d e rt om a k et h es y s t e ms u i t a b l et ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fe n v i r o n m e n t a lo ft h e d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e t h i sp r o j e c ta c h i e v e st h ed e s i g no b j e c t i v eo fr e a l i z i n gt h e e q u i v a l e n ts a m p l i n gi nt h ed i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e a r e rt h ea c t u a lt e s t , v a r i o u s t e c h n i c a li n d i c a t o r sh a v er e a c h e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h es y s t e mm e e t st h e a p p l i c a t i o no fe q u i v a l e n ts a m p l i n gt e c h n o l o g yi nd i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e k e y w o r d s ：e q u i v a l e n ts a m p l i n g ，d i f f e r e n ts l o pb e t w e e nc a p a c i t a n c ec h a r g i n ga n d d i s c h a r g i n g ，d e l a yu n i t ，m c u ，w a v e f o r mr e b u i l d i n g 学位论文独创性声明 馘；遂旌蠢益茹是焘毒师惫畏意研妻 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 本裂乳 签字日期：枷夕：支2 髟 导师签名：系坤毫 签字日期：炒6 罗歹筋 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的盈士学位论文磁鲤盔丝乐豇醛鬯篷叁垂撕乳 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：一二虹 导师签名：g 兰邋茎 妙。? 年其2 占b 各注：审核通过的涉密论文不得签署搿授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至： l 月一日。 说明：本声明及授权书：嵫装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 课题的提出以及研究意义 在数字存储示波器技术中，常用的采样方法有两种：实时采样和等效采样。 实时采样是指在触发信号到来后，一次完成整个数据采集过程，其特点是顺 序、等时间间隔。通常对输入信号的实时采样都必须满足n y q u i s t 采样定理【l 】，即 采样频率至少为输入信号频率的2 倍。 然而，在数字存储示波器的实际应用中，对输入信号的采样和波形的重绘， 是在时域内完成的，一个周期内仅仅采集信号的两个点是远远不够的，按照n y q u i s t 定理进行对信号进行采样绘波时，会造成波形失真的情况，如图1 1 所示。 采样点处于 信号峰值点 附近时 波形重建 效果 采样点处于 信号过零点 附近时 鞣重建 、，、，一。，八，u 一八一。， 图1 1 两倍信号频率采样造成的波形失真情况 f i g 1 1d i s t o r t e dw a v e f o r mu n d e rt h es i t u a t i o nt h a ts a m p l i n gr a t ei st w i c ea sl a r g ea ss i g n a l 如图1 1 所示，根据n y q u i s t 定理采样所得的波形在恢复中，发生了严重的失 真，甚至当采样位置的不同，失真的波形也发生变化，不能真实的恢复原信号波 形，无法满足示波器的基本示波功能。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 根据使用示波器等仪器时的实际效果，为了能较准确的恢复时域上的波形， 一个完整的波形周期通常要有1 0 个以上的采样点，才能包含较准确的波形信息， 也就是说采样频率通常需要设置为输入信号频率的1 0 倍以上。举例说明，如果要 细致的观察1 0 0 m h z 信号的波形时，就必须用至少1 g h z 工作频率的采样系统对 信号进行采样、存储，才能较准确地恢复信号波形的真实情况。而对于1 g h z 超高 速a d 实时采样系统的应用，不仅带来转换精度的下降，还带来转换数据高速存 储的设计问题，这也导致系统的整体设计难度、硬件成本的上升。 在应用广泛的数字存储示波器中，采用的a d 芯片的最高工作频率在2 0 0 m h z 左右，根据前面分析可知，通过实时采样技术，最多可以对2 0 m h z 信号进行采样 示波。如果用实时采样技术，对接近甚至高于实时采样频率的周期信号进行示波， 会造成什么情况呢? 图1 2 就是当采样率低于信号频率情况下，示波器工作时出现 的问题。 采样频率低干 信号频率时采 样情况 重建波形失真 情况 图1 2 信号的混叠现象 f i g 1 2t h ea l i a s i n gw a v e f o r mo f t h es i g n a l 图1 2 中描述的是信号的混叠现象，当采样率不够高的时候，复现波形与真实 波形相比，虽然波形的峰峰值没有发生变化，但是波形的频率发生了变化，甚至 波形发生失真，最终导致示波错误。 基于以上分析，得到一个结论：如果使用示波器观察一个1 0 0 m h z 的信号， 采样率应该要达到1 g h z 甚至更高，而采用实时采样的方式难以实现。本论文如果 利用实时采样技术，实现2 5 g h z 的采样速率，难度可想而知。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 为了解决对高频周期信号进行数据采集的问题，提出了等效采样技术。等效 采样是指对周期信号多次采样，把不同周期中采样得到的数据进行重组，来复现 一个信号周期波形。等效采样的特点是：突破实时采样频率的限制，使采样频率 可以大大低于输入信号的实际频率，降低系统的速率，使低速系统能够处理高速 信号，降低系统的设计难度以及硬件成本。 等效采样在高频信号采集中的优点，使得其在测控领域中，成为一项非常重 要的技术，并且逐渐应用在了采样示波器、数字存储示波器等仪器内1 2 引。我国在 测控领域的研究相对落后，掌握等效采样技术，对于我国测控技术的发展有着重 要的意义。 1 2 国内外研究现状 数据采集技术最典型的应用当属在测控领域的应用，各种各样的测试仪器特 别是数字存储示波器就是其中的代表，我国1 0 0 m h z 以上的测试仪器绝大多数依 靠进口。世界著名仪器制造公司如h p ( 惠普) 、f l u k e ( 富禄克) 、n i ( 美国国家仪器 公司) 、a g i l e n t ( 安捷伦) 、h i t a c h i ( 日立) 、t e c k t r o n i x ( 泰克) 等都相继推出 超高频的测试仪器，市场上可以见到的示波器中有的可以达到1 0 g h z ，而目前为 止世界上最高的模数转换器的速度还不到2 g h z ，根据n y q u i s t 采样定理，要想使 用单一的模数转换器是不可能达到这样高的采样率的。在这些高性能的测试仪器 中，使用的一项关键技术就是等效采样。 目前我国在测试领域的研究是相对落后的，特别是超高频领域，一个很重要 的原因就是我国对高速数据采集技术的研究落后。到目前为止，我国唯一形成产 业化的数字示波器是北京某公司研制的d s 3 0 0 b 系列。该设备采用单次采样 1 0 0 m s a s ，等效采样率可以达到1 0 g s a s 。虽然该设备的诞生证明了我国在高速数 据采集方法取得了长足的进步，但是同发达国家相比还是有不小的差距。 另外，现在的高速模数转换器件价格昂贵，由于我国微电子技术起步较晚， 技术还较为落后，高速模数转换器件基本需要进口国外产品，如果采用单一的模 数器件采用均匀采样的方法来数字化，随着输入信号频率的提高，必然带来高成 本。如果采用现在较为普遍的多通道并列采集技术，则必然需要更多的器件，例 如，如果采用1 0 倍的等效采样率，则需要1 0 路相同的采样保持电路，模数转换， 数据缓存器等器件，随着等效采样倍数的提高，所需要的器件数量成正比增加。 这仅仅从成本的考虑就是很不划算，何况还存在多通道增益差异和通道间不均匀 延时的问题，直接带来系统性能方面的严重问题。 基于以上现状分析，现阶段要开发自己的数字示波器，采用等效采样的方法， 完成高速数据的数字化，不仅能解决了上述问题，并且大大降低了系统的成本， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 符合我国当前的发展状况。 1 3 课题研究的主要目的和主要内容 课题研究的主要目的： 论文主要在研究传统的等效采样技术基础上，比较各种等效采样方法的优缺 点，并在此基础上提出一套适用于数字存储示波器应用的等效采样理论及其实现 方法。根据等效采样理论，建立系统实现方案，完成相应的硬件电路设计，配套 的等效采样软件算法，实现等效采样功能。 课题研究的主要内容： 论文是在分析等效采样理论基础上，建立起的一套用于实际数字存储示波器 中的等效采样系统模块。主要工作包括： 对等效采样理论进行深刻的分析与理解，提出一套满足设计目标的理论方 案： 根据理论方案，提出等效采样系统功能设计方案； 完成等效次啊也能够功能硬件设计，包括电路原理图与p c b 电路图设计： 编写等效采样软件算法程序。 完成系统软、硬件的联调、性能测试并最终实际应用到数字存储示波器中。 4 重庆大学硕士学位论文2 等效采样原理 2 等效采样原理 等效采样技术的发展经历了一个过程，早期的等效采样技术一般采用顺序等效 采样，随着技术的不断发展，又提出了随机等效采样的概念，本章将着重分析两 种等效采样基本原理，并结合实际应用方案进行详细的讨论与分析，确定论文最 终的设计方案。 2 1 顺序等效采样 2 1 1 顺序等效采样的基本原理 顺序等效采样的基本原理是：多周期采样中，采样点的采集按照一个固定的 次序进行，每到来一个新的触发事件就采集一个采样点，并将采样值填写到当次 存储位置上去，为了填满一个完整的波形记录，记录中有多少个存储位置就需要 有多少个触发事件【4 】，如图2 1 所示。 图2 1 顺序等效采样原理 f i g 2 1p r i n c i p l eo fs e q u e n t i a le q u i v a l e n ts a m p l i n g 由图2 1 可见，经过多轮采样，对波形幅值点的信息依次进行采集，再结合采 样信号频率与每次采样的延时时间，便可以恢复输入正确信号的波形信息。顺序 等效采样的关键之处在于：实现一种方案，控制多周期采样中的采样点与触发点 的间隔时间差，并按照采样次序将此时间差等间隔延长。其典型应用方案如基于 延时单元的顺序等效采样。 重庆大学硕士学位论文2 等效采样原理 2 1 2 基于延时单元的顺序等效采样 基于延时单元的顺序等效采样是一种利用固定的时间延时单元，按次序增加 延时时间的等效采样技术，原理如图2 2 所示。 发信号 第1 轮采样 第蹴采样 第礴它采样 第砷宅采样 ，一 _ 一 t 、7 n l 趾 i ! 2 a t1 | 一 i 3 t h iii 图2 2 基于延时单元的顺序等效采样原理 f i g 2 2p r i n c i p l eo fs e q u e n t i a le q u i v a l e n ts a m p l i n gb a s e do nt i m ed e l a yu n i t 由图2 2 可以总结出基于延时单元的顺序等效采样方案的原理：第一个触发信 号到来以后立刻采集，并将采样数据存入存储器内作为第一个采样点；第二个触 发信号到来时，启动一个定时系统，产生一个很小的时间延迟t ，经过这个t 的 延迟时间之后，采集到第二个采样点的数据并存储；第三个触发事件到来后，定 时系统产生2 a t 的延迟时间，采集第三个采样点的数据并存储，按此规律进行下 去。也就是说，对第n 个采样点的采集是在( n 1 ) a t 延迟后进行的。采样结束后， 对采样结果进行示波时，仍然按照这个固定的次序，将采样到的采样点的数据依 次读出，即第一个采样点在屏幕的最左边，采样点依次向右构成显示波形。这个 小的延迟时间t 的值，也代表等效采样的采样率。 顺序采样方案优点是原理简单，等效速度快，采样点以时间为顺序，易于实 现波形恢复。该方案设计的最大瓶颈是高精度延时单元的设计和使用，设计足够 小的延时单元本身就存在难度，在实际使用中，还要求对延时单元进行编程可控， 也为系统设计带来较高的难度。另外，该方案还存在一个缺点，它仅能对触发点 之后的信号进行采样，无法采样到触发点之前的信号，即无法实现波形的预采样， 对于数字存储示波器来说，就无法对触发点之前的信号进行示波，降低了示波器 的实用性。 6 重庆大学硕士学位论文2 等效采样原理 2 2 随机等效采样 2 2 1 随机等效采样的基本原理 随机等效采样技术是在顺序等效采样技术基础上发展而来，在采样信号连续工 作情况下，输入信号在满足触发条件后产生触发信号，如果能将触发信号与下一 次采样点之间的时间间隔( 这个时间间隔小于一个采样信号周期) 进行测量，就能得 到触发点后小于一个采样信号周期的波形点的信息。时间间隔的产生是随机的， 采样事件随机发生在触发点之后、小于一个采样信号周期的所有时间点上，如果 所有时间点上的采样事件都发生，就可以采集完成小于一个采样信号周期的波形 的信息，通过对随机产生的采样数据的位置重新整理，就能将这段波形进行复现【5 】， 从而实现等效采样。随机等效采样的基本原理如图2 3 所示： 输入重 复信号 第一次触 发采样 第二次触 发采样 第? 乏次触 发采样 第四次触 发采样 2 4i32 32 4l 触发点 八垒l 一 心 r t 1 i t - 一117 n几 - i t 2 几几丌n t 3 rr t 4- 1 l几几r 几 图2 3 随机等效采样原理 f i g 2 3p r i n c i p l eo fr a n d o me q u i v a l e n ts a m p l i n g 如图2 3 中所示，在随机等效采样中，采样脉冲的频率保持稳定，脉冲与脉冲 之间的时间t 为一个恒定的值，将这个时间t 等分为若干份，图2 3 中分为4 份。 多次采样中，每次信号触发后，触发信号与下一次采样脉冲之间都存在一个时间 差，如图2 3 中的t 1 、t 2 、t 3 、t 4 。可以根据t 1 、t 2 、t 3 、“推算出本次采样点相对 于触发点的位置，并将本次采样点的数据填充到完整波形数列中的相对位置上去。 时间差在一个采样周期内随机分布，当多轮采样后，采集的数据序列就能完整的 填充波形数列。通过对随机采样的数据序列进行排序，就能重构信号的一个完整 的采样波形。结合图2 3 实例，信号的复现顺序，就是按照第2 次采样值，第4 次 采样值，第1 次采样值和第3 次采样值的顺序重新构建起来的。 根据等效采样原理可知，实现原理的关键技术是如何将随机产生的相对采样数 7 重庆大学硕士学位论文 2 等效采样原理 据，填入完整波形数列中的正确位置，也就是说测量t l 、t 2 、t 3 、t 4 分别在t 时间 段中的相对位置。目前，讨论较多的方法有基于游标卡尺原理的随机等效采样和 基于双斜率电容充放电原理的随机等效采样。 2 2 2 基于游标卡尺原理的随机等效采样 基于游标卡尺原理的随机等效采样方案是根据游标卡尺原理，借助两个时钟 源来实现的等效采样【6 j ，其原理如图2 4 所示。 鲑 采 时 齄 对 采样 图2 4 基于游标卡尺的随机等效采样原理 f i g 2 4r a n d o me q u i v a l e n ts a m p l i n gb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs l i d ec a l i p e r 两个时钟源分别是采样时钟和触发振荡器时钟。这两个时钟就好像游标卡尺 上的主尺和游尺，采样时钟相当于主尺，触发振荡器时钟相当于游尺，不过在这 里它们不再是对长度进行测量，而是对时间进行测量。根据随机等效采样的原理， 将采样时钟的周期t 1 等分成1 0 0 个采样位置，设置触发振荡器时钟的频率比采样 时钟的频率略低一点，比如t 2 = 1 0 1 t 1 ( t 1 和i 2 分别是采样时钟和触发振荡器时 钟的周期) 。当系统进入等效采样后，采样时钟始终保持一个固定的频率采样，触 发条件到来时，触发时钟立刻起振，根据游标卡尺的原理，在1 0 0 个采样时钟的 周期内采样时钟和触发时钟相位会重合一次( 如图2 4 中所示) 。当相位重合时， 通过对触发时钟振荡次数的测量，就可推算出本次采样数据在1 0 0 个采样位置中 的相对位置。 基于游标卡尺原理的随机等效采样优点： 可以实现对信号的预采样功能，大大的扩展等效采样的频率； 原理简单，实现方法多样； 8 重庆大学硕士学位论文 2 等效采样原理 测量速度快，测量精度高； 该方案同样存在以下难点： 采样时钟与触发振荡器时钟要绝对精准，并且编程可控； 触发信号到来时，触发振荡器要立刻起振； 假设要实现2 5 g h z 等效采样率，采样时钟为2 5 0 m h z ，则触发振荡器时钟 需输出2 4 8 m i - i z 信号，鉴相器就必须精确分辨这两个时钟的相位差( 4 0 p s ) ， 如此高精度的鉴相器设计非常困难； 2 2 3 基于双斜率电容充放电原理的随机等效采样 根据随机等效采样原理可知，如果能精确测量触发时刻到下一次采样脉冲之间 的时间间隔t ( 例如论文2 2 1 章节讨论的t 1 、心、1 3 、t 4 ) ，再结合采样周期时间t ， 就能推算出当次采样数据在完整波形数列中的正确位置。通常情况下，这个时间 间隔t 很短，无法直接测量，但是双斜率电容充放电的特性【5 7 ，8 1 为之提供了可能性。 双斜率电容充放电特性如图2 5 所示 敲电 ，一一 t 一 充嘲 一 1 0 0 t 图2 5 双斜率电容充放电特性 f i g 2 5c h a r a c t e ro f t h ed i f f e r e n ts l o pb e t w e e nc a p a c i t a n c ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g 利用此特性可以做n - 触发信号来到前，电容充电至稳定状态。触发信号来到 时，用一个大的电流源将电容内电荷迅速放掉，当下一个采样信号来到的时候停 止放电，转而用一个与放电电流源成比例的小的电流源对电容充电，同时开始计 时，当检测到电容电压与充电前电压值相等的时候，测出计时时间，根据这个时 间推算出充电时间也就是触发信号与下一采样信号的时间间隔，其本质就是将小 的时间间隔t 等比例放大后进行测量。如图2 5 中所示，实现将t 等比例放大1 0 0 倍。 基于双斜率电容充放电原理的随机等效采样优点【6 】： 可以实现对信号的预采样功能，极大扩展等效采样的频率； 测量精度高； 9 重庆大学硕士学位论文2 等效采样原理 技术成熟。 该方案存在难点如下： 复杂的模拟电路设计； 波形重建算法； 提高测量精度与响应速度。 2 3 等效采样方案可行性分析 2 3 1 基于延时单元的顺序等效采样可行性分析 论文的设计目标是在2 5 0 m h z 实时采样率的数字存储示波器中，实现2 5 g h z 等效采样率。由基于延时单元的顺序等效采样方案的基本原理可知，必须提供 4 0 p s ( 1 2 5 g h z ) 高精度延时单元或者步进值为4 0 p s 的延时单元，并且要在第二轮等 效采样前完成对延时单元的编程控制，做到在下一轮采样脉冲来时，较之上一次 采样多延时4 0 p s 的时间。想要设计得到如此高精度的延时单元本身就非常困难， 延时单元还要能够编程可控，这必然会导致系统的设计成本与难度的上升。 另外，实际使用中的数字存储示波器，都要求对触发点之前的信号波形进行 显示，基于延时单元的顺序等效采样方案只能对触发点以后的信号进行等效采样， 无法采集到触发点之前的信号信息，这也使得该方案的实用性大大降低。 综上所述，如果采用基于延时单元的顺序等效采样方案，要实现本课题的设 计目标，难度较大且无法满足示波器预采样功能。 2 3 2 基于游标卡尺原理的随机等效采样方案可行性分析 基于游标卡尺原理的随机等效采样方案可以实现对信号进行预采样，满足数 字存储示波器对此功能的要求，但是根据对原理的分析可知，实现此方案还存在 三个难点。 难点一：采样时钟与触发振荡器时钟要绝对精准并且编程可控。随着电子技 术的发展，锁相环技术日益成熟，利用专用的锁相环芯片或者f p g a 芯片内部带 有的锁相环资源，都可以实现精确的时钟输出，但是，由于采样时钟跟触发振荡 器时钟频率差很小，要实现设计目标，就要采用2 5 0 m h z 的采样时钟以及2 4 8 m h z 的触发振荡器时钟，想要通过编程产生精确、稳定的时钟非常困难。 难点二：触发信号到来时，触发振荡器要立刻起振。这一难点的实现包含两 个需要解决的问题，第一是要实现无延时启动触发时钟，在硬件上实现无延时启 动几乎不可能，但是如果延时是固定的，可以通过测量，后期用软件算法进行数 据修正。第二是要如何使启动的时钟立刻进入稳定输出状态，即使是利用锁相环 产生的时钟，在进入锁定前，频率和脉宽都会有点偏差，做到脉宽、频率在触发 后即刻进入精准的稳定状态，现有的技术难以实现。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 等效采样原理 难点三：高精度鉴相器设计。基于游标卡尺原理的随机等效采样的另一个关 键点就是检测相位重合点，想要设计高精度的鉴相器，可以利用现有的锁相环芯 片，或者在f p g a 内部设计鉴相电路。结合本课题设计目标，要实现2 5 g h z 等效 采样率，就要实现2 5 0 m h z 跟2 4 8 m h z 频率信号的相位( 4 0 p s ) 检测，这也是该方案 难以实现的技术之一。 综上所述，该方案虽然设计思想新颖，可以提高测量速度，但是方案存在的 设计难点，随着等效采样率的提高而难度加大。目前，该方案适用于对等效采样 率要求比较低的仪器，要实现本课题设计目标2 5 g h z 等效采样率，目前仍然存在 难以攻克的困难。 2 3 3 基于双斜率电容充放电原理的随机等效采样方案可行性分析 基于双斜率电容充放电原理的随机等效采样方案也可以实现对信号进行预采 样，满足数字存储示波器对此功能的要求，此方案没有采用对4 0 p s 的微小时间进 行直接测量，而是转为设计套电路，将这个4 0 p s 的微小时间差，等比例放大到 一个可以测量的范围进行测量。 该方案最大的难点是增加复杂的模拟电路设计，以实现对双斜率电容充放电特 性的控制，在可编程器件出现后，有效的利用器件内部逻辑资源，可以大大简化 此方案的设计。 该方案的另一个缺点是等效采样速率慢。除了经过电容充放电控制电路将时间 展宽外，还必须设计一套等效采样算法，对随机采集到的采样点进行排序，随着 等效采样速率的提高和等效采集点数目的增多，系统工作速度会进一步降低。在 数字存储示波器实际应用中，通过不断提高软件效率，优化系统参数，可以提高 系统的响应速度。 综上所述，基于双斜率电容充放电原理的随机等效采样方案虽然需要克服设计 难点，但是在方案设计上满足设计目标，有较高的实际可行性，本课题选择此方 案，实现数字存储示波器等效采样功能。 2 4 本章总结 本章着重介绍了顺序等效采样和随机等效采样的实现原理，并根据原理分别介 绍了三种实现方案，并讨论了每个方案的优缺点。通过对三种方案分别进行的可 行性分析，最终选择了基于双斜率电容充放电原理的随机等效采样方案。 重庆大学硕士学位论文3 等效采样系统的硬件设计 3 等效采样系统的硬件设计 本章根据随机等效采样的原理，结合基于双斜率电容充放电原理的随机等效采 样方案的可行性分析，完成了等效采样系统的硬件电路设计。硬件设计主要以双 斜率电容充放电控制模块为核心，包括a d 采样模块、触发信号产生模块等模块。 3 1 等效采样系统硬件原理框图设计 f p g a 技术出现后，凭借其技术优势，逐渐成为了高速逻辑控制中，应用最为 广泛的核心控制器。等效采样系统，需要设计高速控制逻辑，所以选用f p g a 芯 片作为逻辑控制芯片，不仅可以实现逻辑功能，还可以简化外围模拟电路设计。 随机等效采样方案中，除了采样的逻辑控制外，波形重建算法也是整个系统功 能最重要的部分之一，在算法编程中，凭借单片机的易用性、设计成本低等特点， 成为应用最为广泛的微控制器，因此论文选用单片机实现算法编程功能。 基于以上分析，论文采用了f p g a + 单片机的设计结构来实现等效采样功能， 硬件设计可分为八个部分，其中模拟信号部分包括：a d 采样模块、触发信号产 生模块、电容充放电控制模块；数字信号部分包括：触发信号控制模块、a d 采 样控制模块、数据存储模块、计时模块、单片机模块。系统结构框如图3 1 所示： 图3 1 系统硬件框图 f i g 3 1d i a g r a mo f t h eh a r d w a r es y s t e m 系统的工作流程如下：信号源经过触发信号产生模块，产生满足硬件触发条件 的触发脉冲，触发脉冲输入到f p g a 内部后，经过触发信号控制模块，决定是否 对本次触发点进行等效采样。如果启动等效采样，则将a d 采样模块输出的采样 1 2 重庆大学硕士学位论文 3 等效采样系统的硬件设计 脉冲与触发信号之间的时间差，以脉冲的形式输入到电容充放电控制模块中，利 用双斜率电容充放电特性，展宽这个代表时间差的脉宽，通过计时模块测量并记 录这个展宽后的脉宽的时间。同时，信号源经过模拟电路输入到a d 采样模块， 经过a d 转换后，将数字信号存入到f p g a 内部的r a m 。触发信号控制模块使能 等效采样后的第一次采样时，记录采样数据的存放地址，等效采样结束后，连同 计时模块测量的时间一起提交单片机，单片机根据等效采样算法，将随机等效采 样到的数据读取后进行排序，当波形所有的位置点都已采集完成，进行波形重绘。 接下来，本章将对硬件系统设计选用的主要芯片进行简要介绍，并对主要硬件 设计模块分别加以详细的讨论。 3 2 主要选用芯片 3 2 1s y 8 9 4 2 9 可编程频率合成时钟源 s y 8 9 4 2 9 作为一种通用的高质量可编程频率合成时钟源【9 】，可广泛用于需要通 过并行接口和串行接口设置来改变时钟频率的各种场合，尤其是解决在研制高速 数据采集系统过程中，遇到的高速、高稳定度时钟信号的产生问题。s y 8 9 4 2 9 采 用了查分e c l 电平输出，可编程输出频率范围达到2 5 m h z - - 4 0 0 m h z ，锁相环频 率合成结构峰间抖动小于2 5 p s 。s y 8 9 4 2 9 提供两种接口方式，串行接1 ：3 和并行接 口，可用3 3 v 或5 v 供电。s y 8 9 4 2 9 的内部结构原理简如图3 2 所示 + 3 3 vo f + 5 o v 图3 2 s y 8 9 4 2 91 为部结构原理简图 f i g 3 2t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo f t h ec h i ps y 8 9 4 2 9 s y 8 9 4 2 9 芯片内部采用锁相环结构，使用1 0 - 2 5 m h z 范围内的外部无源晶振作 1 3 重庆大学硕+ 学位论文3 等效采样系统的硬件设计 为频率基准源，此基准频率经过八分频送入锁相环电路，鉴相器和滤波器强迫v c o 输出为此八分频后频率的m 倍。锁相环能稳定的工作的正常范围在4 0 0 - 8 0 0 m 1 4 _ z 内，此范围可略向两端扩展。v c o 的输出频率经过n 分频器后f o u t 和f o u t 查分 输出。m 是9 位二进制计数器，他决定基准频率的倍频数，设置值参见表3 1 ，n 分 频器决定v c o 输出频率的分频数，设置值参见表3 2 。 表3 1v c o 输出与m 计数器设置的对应关系( 外接1 6 m 晶振) t a b l e 3 1t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eo u t p u to f v c oa n dm - c o u n t e r 表3 2 n 分频数对照表 t a b l e 3 2c h e c kt a b l ef o rt h en u m bo f nf r e q u e n c yd i v i s i o n n 1 ：o 】输出分频数n 1 ：o 】输出分频数 00 2 lo 8 0141 11 6 3 2 2c 8 0 51 f 0 2 0 单片机 电路的控制、等效采样算法主要是由单片机完成的，在本系统中使用的单片机 为c 8 0 5 1 f 0 2 0 。这款单片机是完全集成的混合信号系统级m c u 芯片，具有6 4 个数字 i o 引脚。下面列出了一些主要特性【1 0 】 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) ； 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) ； 真正1 2 位、1 0 0 k s p s 的8 通道a d c ，带p g a 和模拟多路开关： 两个1 2 位d a c ，可编程更新时序； 6 4 k 字节可在系统编程的f l a s h 存储器； 4 3 5 2 字节的片内r a m ； 可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口； 5 个通用的1 6 位定时器； 具有5 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列； 1 4 重庆大学硕士学位论文3 等效采样系统的硬件设计 片内集成看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器； 3 3 v 电源进一步降低了系统的功耗 具有片内v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 0 2 0 是真正能独立 工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件配置为使能或禁止。f l a s h 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8 0 5 1 固件。 片内j t a g 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行非侵入 式( 不占用片内资源) 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器 和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用j t a g 调试时，所 有的模拟和数字外设都可全功能运行。 单片机的主要控制功能为：控制时钟芯片s y 8 9 4 2 9 串行配置的时序，产生系统 需要的2 5 0 m h z 时钟；将随机采集的数据进行算法重组，实现波形的重绘。 单片机的详细的工作程序将在软件设计章节进行详细介绍。 3 2 3a d 9 0 5 4 采样芯片 a d 9 0 5 4 是一款低价位高速8 位a d 转换芯片【l l 】，它具有高带宽、低功耗、高 采样率、高稳定性等特点，非常使用于数字存储示波器的设计，其内部包括有基 准源、跟踪保持放大器、定时器、编码逻辑多路分配器等主要模块，结构如图3 3 所示： v d dg n d 嘲璐隔 图3 3a d 9 0 5 4 内部结构 f i g 3 3i n t e r n a lc o n s t r u c t i o no ft h ea d 9 0 5 4 1 认7 一d a o t 物- o a t a d 9 0 5 4 芯片内集成的基准源和跟踪保持放大器可保证数字输出、输入可与 ”几、c o m s 、p e c l 逻辑直接连接。片内模拟输入信号由一个高速差动放大器缓 冲，并加到一个跟踪保持放大器( t i - i ) 上。t h 电路子啊采样器件采集输入信号并 在转换过程中保持该信号。e n c o d e 信号的上升沿激活采样和转换过程。若用户 选择单通道模式( d e m u c = 高电平) ，8 位数据将寄存在a 通道的存储单元内，数 1 5 z 匮罴器 重庆大