（光学工程专业论文）基于usb接口的数字存储示波器的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 本课题是研究基于u s b 接口的数字存储示波器，它既是一个虚拟的测试仪 器，也是一个计算机的外设，它和计算机一起组成一个功能强大的测试系统。 为了实现本系统的功能，在数据采集模块，采用了先进的采样技术欠采 样技术，并且采用了延时精度能够达到1 0 p s 的延时芯片、高带宽的采样保持放 大器、高速高精度的模拟数字信号转换器；在控制模块，采用单片机和大容量 高速可编程逻辑器件配合的方法，结合单片机的强大功能和可编程器件的灵活 性、高速性，解决了高速数据采集的实时缓存，使得控制具有更高的效率和性能； 在计算机接口模块，采用了目前在计算机外设中普遍采用的、易于安装、扩展方 便的高性能接口技术u s b 接口技术，使得研制的设备具有即插即用和较高 的数据传输速率等特点；在计算机中的波形显示和分析模块，采用n i 公司专门 针对虚拟仪器的开发平台l a b w i n d o w sc v i 作为开发工具，使系统的用户界面兼 有功能强大、人性化和方便操作的特点。 基于u s b 接口的数字存储示波器，具有方便、易用、灵活等优点，而且成 本低廉、功能强大，可以对信号的频谱进行分析。能够对5 m h z 以下的信号进行 随机采样、波形显示、频谱分析，还能够对采集的波形数据进行存储、共享。上产厂 本课题的主要特点有：第一、提出了基于u s b 接口技术的虚拟仪器概念， 使得虚拟仪器和计算机的连接和使用更方便。第二、采用高性能、大规模可编程 逻辑器件( p l d ) 实现高速电路的总线切换以及控制，使得电路的效率更高、速 度更快，确保了仪器的性能。第三、研制了一种基于u s b 接口的数字存储示波 器，解决了有关的系列技术难题。 关键词：虚拟仪器i 数字存储示波器；u s b 接口；频谱分析。 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t t h ea i mo ft h i sg r a d u a t ed e s i g ni st od e s i g nad i g i t a ls a v eo s c i l l o g r a p h ( d s o ) b a s e do nt h eu s bi n t e r f a c et e c h n o l o g y i ti sn o to n l yav i r t u a lt e s ti n s t r u m e n t b u ta l s o ap e r i p h e r a lo f c o m p u t e r s t 0 9 e t h e rw i t hc o m p u t e r s ，t h ei n s t r u m e n tc a nc o n s t r u c ta p o w e r f u l t e s ts y s t e m i no r d e rt or e a l i z et h ef u n c t i o n so ft h i s s y s t e m ，t h e a d v a n c e d s a m p l i n g t e c h n o l o g y - - u n d e rs a m p l i n gt e c h n o l o g y , i su s e di nt h ed i g i t a ls a m p l i n gm o d u l e t h e d e l a yc h i p ，w h o s ed e l a yp r e c i s i o nc a nb e1 0 p s ，w i d eb a n ds a m p l e h o l da m p l i f i e r ( s h a ) ，a n dh i g hs p e e da n dp r e c i s ea n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o n ( a d c ) a r eu s e di nt h e s y s t e m i n t h ec o n t r o l m o d u l e m a k i n gg o o d u s eo ft h e p o w e r f u l f u n c t i o no f s i n g l e c h i pm a c h i n e ( s c m ) a n dt h ef l e x i b i l i t ya n dt h eh i g hs p e e do fp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e s ( p l d ) t or e a l i z et h ec a p a b i l i t ya n dt h ee 伍c i e n c yo fc o n t r 0 1 i nt h e m o d u l eo fi n t e r f a c ew i t hc o m p u t e r s u s bi n t e r f a c et e c h n o l o g yi su s e dt or e a l i z et h e p l u ga n dp l a y ( p n p ) a n dh i g hd a t at r a n s f e rr a t e u s bi n t e r f a c ei sac a p a b l ei n t e r f a c e t e c h n o l o g y , w h i c hi sw i d e l yu s e df o rt h ep e r i p h e r a lo fc o m p u t e r s i nt h em o d u l eo f w a v e s h a p ed i s p l a ya n d d a t aa n a l y s i si nc o m p u t e r s ，l a b w i n d o w sc v i ，w h i c hi st h e p r o d u c to f n ic o r p o r a t i o ns p e c i a lf o rt h ev i r t u a ji n s t r u m e n t j su s e da st h es o f t w a r e d e v e l o pp l a tt or e a l i z et h e c h a r a c t e ro f p o w e r f u l ，h u m a n i s t i ca n dc o n v e n i e n t t h e d i g i t a ls a v eo s c i l l o g r a p hb a s e do n u s bi n t e r f a c ed e s i g n e dh a st h ec h a r a c t e r s o fc o n v e n i e n ta n df l e x i b i l i t y i tc a l lb ec o n n e c t e dt oc o m p u t e r sw i t hp n p t h es i g n a l w a v ei sd i s p l a y e dc l e a r l yo nt h es c r e e no f t h ec o m p u t e r sa n dt h ea n a l y s i so f t h ed a t ai s p r e c i s e i tc a ns a m p l et h er a n d o ms i g n a lw i t ht h ef r e q u e n c yw i d eu n d e r5 m h za n d d i s p l a yt h es i g n a lw a v e f o r m a sf a ra st h ec y c l es i g n a lw i t l lt h ef r e q u e n c yu n d e r 10 m h zi sc o n c e m e d t h ei n s t r u m e n tc a ns a m p l ei tw i t hu n d e rs a m p l i n ga n da n a l y z e t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i tc a na l s os a v ea n ds h a r et h ed a t as a m p l e df r o mt h es i g n a l k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，d i g i t a ls a v eo s c i l l o g r a p h ，u s bi n t e r f a c e f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i s 第甜页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 随着科学技术突飞猛进的发展，世界已进入新的技术革命时代。作为技术革 命先导的电子技术已渗透到国民经济的各个领域中去。电子测量，从广义上来说 是指利用电子技术进行的测量。电子测量仪器则是采用电子技术测量电量或非 电量的测量仪器。 1 1 虚拟仪器概述 虚拟仪器是一种概念性仪器，迄今为止，业界还没有一个明确的国际标准和 定义。虚拟仪器，实际上就是种基于计算机的自动化测试仪器系统。 “软件既是仪器”是n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司虚拟仪器的核心思想。从 这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和i o 部件构建虚拟仪器。i o 部件可 以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板( d a q ) 或传感器。n a t i o n a li n s t r u m e n t s 所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品( 如l a b v i e w ) 、g p i b 产品、数据采集产品、 信号处理产品、图像采集产品、d s p 产品、v x i 控制产品等。 h p 对虚拟仪器的定义是“将传统测量仪器中的公共部分( 如电源、操作面 板、显示屏幕、通信总线和相关测量功能) 集中起来共享，利用计算机及网络技 术通过软件与硬件的结合实现多种物理仪器的共享。” 独立仪器只有一块仪器面板，如示波器只有示波器的面板，频谱仪有频谱仪 的面板。但虚拟化仪器的“面板”显示在p c 的屏幕上，仪器的操作是通过鼠标 选中不同的按键和旋钮来完成的。采用不同的软硬件组合，用户就能在屏幕上定 义自己的仪器，生成不同的“仪器面板”。“传统的独立仪器由制造商来定义它 的功能，虚拟仪器完全由用户定义仪器的功能。”n a t i o n a li n s t r u m e n t s 国际 销售经理n o r m a ny e e 说。 与其它基于计算机的自动化测试系统一样，虚拟仪器是最新p c 技术( 如 p e n t i u mi i i ) 、先进的测试技术( 如v x i p x i 功能模块仪器) 和强大的软件包等多 种技术的大集成。虚拟仪器与传统独立仪器的应用领域既有交叉又有补充。高速 度、高带宽和专业测试领域独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域， 虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟 仪器的拿手好戏，独立仪器无法胜任。 1 。2 数字存储示波器简介 以前的数字存储示波器，它用a d 变换器把模拟波形转换成数字信号，然 后存储在半导体存储器r a m 中，需要时，将r a m 中存储内容调出，通过相应的 d a 变换器，再恢复为模拟量显示在示波管屏幕上。在这种示波器中，信号处理 功能和信号显示功能是分开的。其性能，包括速度和精度，完全取决于进行信号 处理的a d 、d a 变换器和半导体存储器。 第1页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一、基本原理与方框图 ( 1 ) 基本原理 在数字存储示波器中，把输入的被测模拟信号先送至a d 变换器进行取样、 量化和编码，成为数字“l ”、“0 ”编码，存储到r a m 中，这个过程称为存储器的 “写过程”。然后，再将这些“l ”、“o ”码从r a m 中依次取出顺序排列起来，经 d a 转换使其包络重现输入模拟信号，这就是“读过程”。在数字存储示波器中， 采用实时取样方式，可观测单次信号；采用顺序取样或随机取样方式，可观测重 复信号。 ( 2 ) 基本方框图 数字存储示波器的基本方框图如图1 1 。 图1 1 数字存储式波器基本方框图 y 输入信号经衰减放大后送至a d 变换器，按“t d i v ”开关设定的取样频 率下进行变换，从而得到一串数据流，在控制逻辑电路的作用下写入随机存储器 r a m 中。 r a m 的读写操作受r 控制，当r a m 的读写控制r w ：o 时，r a m ：进行 写操作，r = l 时，r a m 进行读操作。r a m 地址选择器在r a m 进行写操作时，将 写地址输出选做r a m 地址，在读操作时，则将读地址输出选作r a m 地址。 控制逻辑电路一旦接收到来自触发放大器的触发信号，就启动一次数据写入 循环，产生写功能信号送至r a m 读写控制，同时使写地址计数器计数。写地址计 数器将顺序递增的写地址送至存储器，确保每组数据写入至相应的存储单元中 去。 不管数据用何种速度写入存储器，存储器中存储的各数据均不相关地以固定 的速度不断读出，且显示时不产生闪烁。读出数据送至垂直d a 变换电路，用 第2页 国防科学技术大学研究生院学位论文 作示波器y 显示。同时一个以读出速率递增的计数器计数，输出送至水平d a 变换器，用作示波器x 显示。 晶体振荡器产生高精度、高稳定性的时钟。该时钟由分频电路产生与面板上 “t d i v ”开关设置相对应的取样时钟，去控制a d 变换器和存储器写入。时 基分频电路亦产生读脉冲，提供给读地址计数器和显示地址计数器，以产生稳定 的阶梯扫描电压。 一、u s b 接口的发展 1 3u s b 接口技术简介 随着计算机的广泛应用，微机外设也在不断更新。微机接口是微机某一部件 与总线的联系。它负责主机内外设备间的信息交换。由于外设种类很多，在设计 p c 机系统时，就必须预留出尽可能多的i o 接口，造成系统成本高，外设连接 过于繁锁。为了降低成本简化设计，各p c 机厂商推出了自己的接口规范，产生 了外设总线的概念，它指在提高各种外设接口的兼容性，同时实现外设的自动识 别，配置，即插即用等功能。 u s b 是u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的简称，译为通用串行总线。它也是一种外设总 线，它是由i n t e l ，c o m p a q ，d i g i t a l ，i b m ，m i c r o s o f l ，n e c ，n o r t h e r nt e l e c o m 等几家 计算机和通讯公司联合制定的，成为了行业标准。目前，u s b l 1 标准得到了广 泛支持。这种支持体现在从w i n d o w $ 操作系统到u s b 接口芯片中等一系列软件 与硬件产品中。2 0 0 0 年初，u s b 2 0 标准问世，它以具4 8 0 m b i f f s 的传输速率得 到了广泛关注，在一定程度上代表了微机接口的发展趋势。 二、u s b 性能特点： 图1 2 星型拓扑结构示意图 ( 1 ) 通讯速度快。目前u s b i 1 协议支持全速1 2 m b s 传输速率，比并z 快 了十多倍，当u s b 2 0 协议已经将4 8 0 1 d b i t s 的速率推向实用。 第3页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 2 ) 具有真正的即插即用功能。因为主机操作系统负责扫描总线上的所有 接口，自动识别u s b 设备的插拨，并相应地加载或卸设备驱动程序，这就实现了 即插即用功能。 ( 3 ) 具有多设备星型拓扑结构。如图1 2 所示。在图1 2 中，每个h u b 集 线器可向上连接到另一个h u b 。e h 于协议中规定使用8 位数据寻址，所以每一个 主机最多可连接1 2 7 个设备( 其中o o 地址用于缺省地址，在设备刚入网或复位 时使用) 。 ( 4 ) 总线供电。对于一些小型设备如u s b 鼠标或键盘等可以用接口内置的5 v 直流电源，这就方便了用户使用。 ( 5 ) 占用系统资源少。所以无论多少个设备连接在系统中，主机只给u s b 主 机控制分配i 0 地址和中断向量。 ( 6 ) 具有四种传输方式。每个u s b 控制器芯片都支持命令、等时、中断以及 批量四种传输方式，它们是根据不同应用背景设计的，如等时传输适合于无需检 错的音频传输场合。 1 4 基于u s b 接口的测试技术 课题的目的是设计一种虚拟仪器系统，即基于u s b 接口的数字存储示波器。 基于前面对虚拟仪器和数字存储示波器的介绍，本系统既有数字存储示波器的功 能，又有虚拟仪器的特点。 本系统就是实现对信号波形进行数据采集，然后把波形数据传输到计算机， 在计算机里对波形数据进行分析处理、波形显示、频谱分析等等。所以系统基本 上分为以下几个模块： ( 1 ) 数据采集模块 ( 2 ) 接口模块 ( 3 ) 客户端软件 系统中的数据采集模块，由前端的硬件电路来实现，在本课题方案中，采用 先进的采样原理，并且采用国际上通用的高速高精度模拟数字信号转换器，对 波形进行信号采集。 接口模块，基于前面介绍的u s b 接口，采用美国国家半导体公司生产的先 进u s b 控制器实现u s b 接口的功能。 客户端软件，要实现强大的信号分析处理功能，需要很多复杂的功能。在系 统中，采用美国国家仪器公司的专门针对虚拟仪器的产品，l a b w i n d o w sc v i 作 为开发平台。 本系统预期实现的功能是能够对5 m h z 的信号能够进行随机采样，对1 0 m h z 的周期信号能够实现欠采样，并且把采样的波形数据在客户端程序中显示并进行 频谱分析。 第 4 页 里堕型兰垫查奎兰墼窒竺堕兰堡丝塞 第二章系统的整体结构及其实现方法 2 1 系统功能目标 本课题采用高速a d 转换器以及先进的采样技术对高频信号进行采样和存 储，然后通过u s b 接口把所采集到的数据输入到p c 机，运用微机强大的软件 处理能力对波形数据进行分析、处理和显示。 本测试系统的要实现的功能目标如下： 1 、高带宽：模拟带宽达到5 m ，重复波形带宽1 0 m ； 2 、高采样速率：a d 的采样速率最高能够达到4 0 m ； 3 、存储深度深：前端高速静态随机存储器的存储深度为6 4 k 1 6 b i t s ； 4 、多种测量分拆处理功能及频谱分析功能： 5 、数据网络共享功能。 2 2 系统的基本机构 根据前面对虚拟仪器基本构成的描述，下面具体描述本课题实现的系统体系 结构。和普通虚拟仪器一样，本系统分为硬件和软件两大模块。 ( 1 ) 硬件的层次结构 系统的硬件层次结构如图2 1 。硬件要实现的功能就是把要处理的信号变成 数据流，并且将这些数据传输到主机里。而且硬件要求能够接受上层软件传送过 来的命令，并且把这些命令解释成系统中的硬件语言来实现用户要求的功能。 因为系统要求对高速信号进行处理，所以信号的输入端要求能够保证输入的 高速信号不受干扰。在系统中，信号的输入线采用屏蔽电缆，并且信号进入电路 板以后的布线也经过认真的综合考虑，进行合理布局。 信号的处理，主要功能是把模拟信号变成计算机能够处理的数字信号。因为 在系统中要求能够根据用户的命令实现对信号的不同硬件处理，所以处理电路也 要求能够接收用户的控制命令，并且把这些命令解释为硬件电路的处理控制命 令。 硬件与计算机的接口电路，采用u s b 接口技术，下面会对u s b 接口的性能 进行一些必要的分析。 p c 机就是一台普通的微机，装上w i n d o w s 操作系统，装上系统软件，对 波形数据进行处理。 图2 1 系统的硬件层次结构 第5页 里堕型兰丝查奎耋塑窒圭堕耋堡篁塞 ( 2 ) 系统的软件层次结构 系统的软件层次结构如图2 2 。下层硬件产生的数据，要送到计算机里进行 处理，计算机需要能够读取下层硬件的数据，因为本系统采用的是u s b 接口， 所以要求操作系统能够获取u s b 接口的数据。目前市场上的计算机，主板都带 有u s b 接口根控制器，引出两个u s b 接口插座。u s b 接口根控制器接收底层硬 件发送过来的数据，并且转换成操作系统能够理解的标准格式。 图2 2 系统软件的层次结构 本系统就是计算机的一个外设，为了让操作系统能够识别，操作系统需要相 应的驱动程序。本系统，相对于计算机来说，是一个u s b 接口外设，w i n d o w s 9 8 操作系统带有对u s b 接口的驱动程序支持，在系统中包含了u s b 根驱动程序， 能够识别通用的u s b 接口标准协议，这极大的减轻了设备驱动程序的编程。 设备驱动程序，要求针对具体设备的特点，编写相应的驱动程序，实现系统 的各种功能。本系统充分利用u s b 接口的各种优点，要求实现即插即用、电源 管理、本系统的数据传输协议等功能。 客户端软件，也就是用户操作的界面，要求具有人性化的特点，便于用户操 作。所以客户端的界面尽量使之接近传统独立测试仪器的操作面板，同时也增加 了许多模块，充分利用计算机处理的快速性，是用户操作起来更直接、更简单、 更快速。本系统的客户端软件，采用n i 公司的专门针对虚拟仪器的开发平台一 第6贾 国防科学技术大学研究生腕学位论文 l a b w i n d o w sc v i ，在这个开发平台星，带有许多针对虚拟仪器的控件，即方便 了软件开发，也使得开发的应用程序更具备虚拟仪器的特点。 2 。3 采样的理论分析 本系统要求能对高速信号进行模拟数字信号转换，并且根据用户的需要， 能够实现对信号的随机采样，以及对周期信号进行欠采样。下面对采样理论进行 一些简要的分析。 一、基本采样理论 香农( s h a n n o n ) 采样定理为了避免信息损失，带宽为模拟信号必须用 f ， 2 f 。的采样速率进行采样。 奈氏( n y q u i s t ) 采样定理设有一个频率带限信号x ( t ) ，其频带限制在 ( 0 ，f 。) 内，如果以不小于f , = 2 f 。的采样速率对x ( t ) 进行等间隔采样，得到时问离 散的采样信号x ( n ) = x ( n t 。) ( 其中t , - 1 f ；称为采样间隔) ，则原信号x ( t ) 将唯一 的被所得到的采样样本x ( n ) 完全确定。 已知这些样本值，用如下方法重建x ( t ) ：产生一个冲激串，其冲激强度就是 这些依次而来的样本值；然后将该冲激串通过一个增益为t 。，截止频率大于f h 的，而小于( f 。- f 。) 的理想低通滤波器，该滤波器的输出就是x ( t ) 。 内差公式： 圳= 薹跏) s i n c 睁州) ) 二、带通采样理论 带通采样定理：设一个频率带限信号x ( t ) ，其频带限制在( f 。，f 。) 内，如果 采样速率f 。满足： f ，= 2 ( f 。+ f 。) ( 2 n + 1 ) 式中，i 1 能取满足2 ( f h f l ) 的最大正整数( 0 ，l ，2 ，) ，则用f s 对 x ( t ) 进行等间隔采样所得到时间离散的采样信号x ( n ) = x ( n t s ) ( 其中t s = 1 称为采 样间隔) 能准确确定原信号x ( t ) 。 三、欠采样 采样频率高于两倍的n y q u i s t 频率的采样称为过采样( o v e r s a m p l i n g ) 。 有待数字化的模拟信号的频率超过了采样频率的一半，这时的采样称为欠 采样( u n d e r s a m p l i n g ) 。 第7页 里墅壁墅姿墅堕竺堂丝丝一 四、欠采样效果：混迭 五、 当f ， 2 f 。才能 保证源信号的信息不损失。若将其一个周期( t ) 。的波形等份为n 份，如图所示， 第一次采样采取波形上第1 点，经过k t a ( k = l ，2 ，) 时间后采取波形上第2 点，则此时采样频率为 。一 1 一 n 一 无 k 瓦+ 瓦i n ( 足n + 1 ) 7 0 k + 1 显然 一v ，、时，输出的下跳也 不是理想从高电平到低电平。而且输入的周期信号也不可能是完全平滑的曲线， 而是有一定的噪声，如果比较器的上跳电平值和下跳电平值相等，当输入信号的 值在v 。，附近时，信号中的噪声，将使得输出值的上升沿和下降沿不稳定，将会 使得上升沿和下降沿产生许多振荡。所以，在系统中，采用磁滞回线电路，在电 路中加一个正反馈。如图3 3 。 + 1 25 c i li l v s = 5 v ，s i n g l esu p p l y - i|i l 、 赆 _ 4 im 惑 + 2；c f d i f f e r e n t i a l i n p u t v o l t a g e m v 图3 2a d 8 5 6 1 输出与差分输入的关系图 图3 3 比较器的磁滞回线电路连接图 可以算出比较器的上跳门电平v 。和下跳门电平v 。 v , j 2 ( v + 一1 一v m ) 币+ 矿w 其中v + 是系统提供的正电压。 所以输出的矩形波同输入周期信号的关系如下： 第1 4页 国防科学技术大学研究生院学位论文 输入周期信号 矩形波信号 ，。，。 ，7 。|k 7 ；k ； i i i ； j 厂 一 图3 4 比较器将周期信号转化为矩形波信号 ( 2 ) 延时步进电路和取样脉冲电路。 延时步进电路的步进精度决定了一个周期能够采样的点数，如果延时步 进精度为t 。，信号周期为t ，则一个周期能够采样的最多点数为：n = # 。在 d 电路中，采用a d 公司的a d 9 5 0 1 芯片。 为了实现对周期信号的欠采样，必须要有高精度的延时芯片。对于i o m 的周 期信号，为了能够精确的恢复波形，采样点至少要有5 0 个点，所以，延迟的步 进精度至少要达到2 n s 。 l a t c h d i g i t a l d a t a t r i g g e r i n p u t r e s e t i n p u t 0 u t p u t 图3 5a d 9 5 0 1 的系统工作时序 a d 公司的延迟芯片a d 9 5 0 1 具有l o p s 的延迟步进精度，完全能够满足本系 统的要求。但是a d 9 5 0 1 带有3 0 n s 的系统延迟。所以要采取办法，消除或者避开 3 0 n s 的系统延迟，在本系统中，把这3 0 n s 的系统延迟加入到总的延迟时间。 a d 9 5 0 1 是一个数字可编程延迟产生芯片，可以对输入脉冲进行可编程的时 间延迟输出，输入输出电平完全和t t l 和c m o s 兼容。a d 9 5 0 1 可以提供精确到l o p s 的时间矫正。通过外接电容电阻的组合，可以设置延迟的最大范围对于单个 a d 9 5 0 1 ，延迟的最大延迟范围可以连续从2 5 n s 到1 0us 。在最大的延迟范围内， 一个8 位的数据字选择时间延迟长短。在一个脉冲的上升沿触发以后，a d 9 5 0 1 里堕坠兰丝查奎兰墼窒竺堡兰丝丝塞 的延迟输出等于8 位数据字选择的延迟( t 。) 加上内部的系统延迟( t 一。) 。 a d 9 5 0 1 的性能参数如下： 延迟分辨率：l o p s 最大延迟范围：2 5 n s 一1 0 u s 最大触发速率：5 0 m h z a d 9 5 0 1 的时间延迟时序如图3 5 。 a d 9 5 0 1 的工作时序，也是需要特别的注意，才能充分发挥该延迟芯片的精 确时间延迟。由图中可以看出，芯片有l a t c h 一个输入信号，用以锁存输入的 延迟数据，因为在触发信号到来之前必须要锁存准备好延迟的编程数据，所以在 l a t c h 信号的低电平阶段，就要使延迟的编程数据出现在a d 9 5 0 1 的编程数据 寄存器，并且持续到l a t c h 信号变成高电平。只有在这些过程都完成以后，出 现的触发信号才能正确的按照编程数据决定的延迟时间进行延迟。 a d 9 5 0 1 的最大延迟时间和外接电阻电容的关系如下： ( t m ) = r 。( c e x t + 8 5 p f ) 3 8 4 所以系统总的时间延迟等于：( t p , ) + ( t 。) = 3 0 n s + ( 堕萼凳墼堑) r * ( c “l + 8 5 d f ) 3 8 4 。 根据前面的介绍，比较器输出的方波信号作为延时的触发信号。a d 9 5 0 1 的延时长短由输入的数据值决定，而且每次触发信号到来以后，延时的时间 长短要求递增。所以，输入a d 9 5 0 1 的数据大小在每次触发信号到来之前都 要递增，而且锁存在a d 9 5 0 1 的数据锁存器中，这个任务由可编程器件来实 现。因为前面比较器的输出具有反相输出，所以以输出的q 作为数据递增信 号，而以比较器输出的q 作为数据锁存信号。时序图如下： q 计数信号 锁存信号 i l | l i ； l l iill 图3 6a d 8 5 6 1 的输出信号控制a d 9 5 0 1 的延迟数据 根据采样信号的周期的大小，必须要调节延时步进的精度，一般来说，在信 号的一个周期内，采样1 0 0 个点就能很好地恢复信号，所以a d 9 5 0 1 的最大延迟 时间，必须要根据信号的周期来调节。同时，延迟步进的精度也是由最大延迟时 间决定的，因为该芯片只有8 b i t s 的延迟编程寄存器，芯片只能步进2 5 6 次，所 以芯片的步进精度也就由最大延迟时间决定，延迟步进精度t 与最大延迟时间t 的关系是： 第1 6页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ， t = 一 2 5 6 前面介绍过，a d 9 5 0 1 的最大延迟时间由外接电阻和电容的大小来决定，在系 统中，同时外接五个不同量级的电阻和电容，在操作中，根据信号周期，选用不 同量级的电阻、电容，来改变延迟芯片的步进精度，优化采样脉冲，实现对信号 的最佳采样。 因为用改变外接电阻、电容大小的方法来改变延迟精度，只是一种粗略的调 节，只能调节大致的量级，所以还需要更精细的调节。前面介绍过，因为a d 9 5 0 1 的延迟大小由锁存在存储器中的数据决定的，而锁存器中的数据是由可编程器件 递增产生的，所以为了更精细地调节延迟精度，可以改变可编程器件中的数据递 增值，产生合适的采样脉冲。 产生的采样脉冲，是用来控制采样保持器的采样保持时钟的，所以采样脉 冲中的保持信号要有足够的长度，来让采样保持器保持信号，模数转换器转换信 号。所以a d 9 5 0 1 的延迟输出以后，要等待模数转换器转换完成以后，才能对 a d 9 5 0 1 进行重置。在系统中，用比较器的反相信号输出作为重置信号。 a d 9 5 0 1 的连接图如下图。 图3 7a d 9 5 0 1 的连接图 二、实现随机采样的功能框图如下： 1 时钟 随机采样的时序很简单，就是微控制器发出采样命令，模数转换器把模拟信 号转换成数字信号，并且通过d m a 方式把转换的数据存储到随机存储器中，存满 一桢数据以后，可编程器件停止对随机存储器存储数据，同时产生一个中断信号 给c p b ，让c p u 开始读取随机存储器中的数据。 实现随机采样的功能框图如图3 8 。 蕉1 7页 里堕型兰垫查奎兰堑壅竺堕兰堡篁塞 ( 1 ) 前端信号处理电路 图3 8 随机采样的功能框图 图3 92 d 3 9 2 2 4a r s 的前端信号处理电路 因为模数转换器a d 9 2 2 4 a r s 能转换的信号的范围是o 一5 v ，而且差分输入的 张度大小是4 v ，所以前端衰减放大电路，必须要把信号转换到a d 9 2 2 4 a r s 工作范 围以内。在本系统中采用a d 公司的运算放大器a d 9 6 3 1 芯片。a d 9 6 3 1 是一款宽 带宽、超低失真的电压反馈放大器。它的性能参数如下： 带宽：3 2 删z 超低失真：一1 1 3 d b ct y p 1 m h z 一9 5 d b ct y p 5 m h z 一7 2 d b ct y p 2 0 m h z 电压上升斜率： 1 3 0 0 v u s 0 0 2 精度的建立时间： 1 6 n s 因为a d 9 2 2 4 的最佳工作范围是：0 5 - 4 5 v ，所以，为了把一2 一+ 2 v 的交流信 号调整到0 5 - 4 5 v ，需要在a d 9 6 3 1 的输出端加一个交流耦合电路，同时使得信 号电平偏移到0 5 - 4 5 v 。具体的连接电路如图3 9 。 ( 2 ) 采样存储电路： 由于在随机采样中，不需要前端的采样保持器，所以，每个时钟周期，都需 要把采样的数据存储到随机存储器中。在系统中，把a d 转换器的时钟同时输入 到可编程器件中，每一个时钟周期，可编程器件都产生一个递增的数据，作为随 机存储器的地址。存储完一桢数据，可编程器件给单片机产生一个中断，让单片 机读取随机存储器中的数据。具体的存储电路分析见下面章节的分析。 第l s页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 2 信号采集模块的具体设计 一、前端输入通道的选择 前端模拟电路为模数转换器提供正确的输入信号和控制信号，以便对模拟 信号进行精确采集，获取正确的数字信号。由前面的分析可以知道，本系统具有 两个通道，一个通道实现对周期信号进行欠采样，另一个通道实现对一般信号的 随机采样。但是在系统中只有一个模数转换器，所以系统中需要个通道选择开 关，用来实现选择正确的通道进行数据采集。 通 一a 采d 样9 保1 0 1 持器l道 选 择 摩斗 开 关 二、采样保持放大器 图3 1 0 前端模拟电路连接图 为了能够用低速a d 转换器，对高速信号进行采样，要求就有高精度高带宽 的采样保持器。在这里选择了a d 公司的a d 9 1 0 1 器件。 a d 9 1 0 1 的时序图如图3 1 1 。 _ a m n a l n o m g w；? 晶斗 0 ：每了0 戮w c 舞ho 到e l a y 簿虱，一 _ 一1 削，茹端撕_ 啼x d _ 二算闺 。c 。o c 一 ! 莉稼，lc 一。 “冀v t r a c k j ：y - h ol d t i m i n gd m g r a m 岱0 0 p s d i v ) 图3 1 1a d 9 1 0 1 的工作时序图 第1 9页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a d 9 1 0 1 是一个高精度、通用、高带宽采样保持放大器。在1 2 5 m s p s 到5 0 m s p s 的采样频率下，a d 9 1 0 1 分别提供8 b i t s 到1 2 b i t s 的精度。因为内部带有一个后 置放大器，所以a d 9 1 0 1 特别适用于相对低幅度的信号，这就使得在低电压工作 时，极大地改善了跟踪和保持模式时的失真。a d 9 1 0 1 的性能参数如下： - 采样带宽：3 5 0 m h z 采样速率：1 5 0 m h z 保持模式失真：一7 5d b 5 0 m s p s ( 2 5 m h zv t 一) 一5 7d b l2 5 m s p s( 5 0 m h zv 。、) 获取信号精度达到0 1 所需要的时间： 7 n s 孔径振动： i p s - 谱噪声密度：3 3 n v 压z 前面产生的采样脉冲，提供给采样保持器作为采样保持时钟。因为a d 9 1 0 1 的时钟信号是和e c l 标准兼容的，所以采样脉冲要转换成e c l 标准。在系统中采 用a d 公司的a d 9 6 6 8 5 超高速比较器，转换采样脉冲。因为延迟芯片a d 9 5 0 1 延迟 出来的信号，是和t t l 兼容的，所以在a d 9 6 6 8 5 芯片的i n v e r t i n gi n p u t 输入 端提供一个2 o v 的比较参考电平，这样a d 9 5 0 1 输出的高电平大于2 0 v ，a d 9 6 6 8 5 就输出e c l 标准的高电平，a d 9 5 0 1 输出的低电平小于2 0 v ，a d 9 6 6 8 5 就输出e c l 标准的低电平。a d 9 6 6 8 5 和a d 9 5 0 1 的连接见a d 9 5 0 1 的连接图( 图3 7 ) 。 从a d 9 1 叭的工作时序图中可以看出，当保持信号到来以后，a d 9 1 0 1 保持 的信号，经过一段振动以后，才出现稳定的保持电平，所以在系统中，模数转换 器a d 9 2 2 4 并不是在a d 9 1 0 1 的保持信号出现以后，马上就开始采样并存储数据， 而是在保持信号出现以后，在可编程器件的控制下，a d 9 2 2 4 等待一个时钟周期， 才开始存储数据。 三、模臌转换器 由于本系统是要把模拟波形信号转换成数字信号来进行处理和分析显示，所 以对于本系统，其关键器件之一就是模拟数字信号变换器。由于本系统要实现 对5 m 带宽的随机信号进行随机采样，根据前面采样定理章节的分析，要求a d 器 件的采样带宽至少达到4 0 m 。同时，由于要对波形数据进行精确显示、分析和显 示，所以要求采样精度至少达到1 2 位。 经过对系统要求的精确分析，比较了各种高速高精度a d 转换器，选择了a d 公司的模数转换器a d 9 2 2 4 a r s 。a d 9 2 2 4 a r s 的性能指标以及具体用法如下。 a d 9 2 2 4 a r s 是一个单通道、1 2 b i t 、4 0 m s p s 的模数转换器，带有一个片上高 性能采样保持器和一个参考电压。由于带有一个真正的差分输入结构，a d 9 2 2 4 a r s 允许用户灵活地选择差分输入或者单端输入，而且用户可以灵活地选择输入范围 和偏移。 a d 9 2 2 4 a r s 的性能参数如下： 采样带宽：4 0 m s p s 采样精度：1 2 b i t s 差分非线性误差：0 3 3 l s b 信号对噪声的失真率为：6 8 3 d b a d 9 2 2 4 a r s 自带一个片上可编程参考电压，用户也可以选择一个外部参考电 第 2 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 压，用以适应在应用中对精度和温度漂移特性的要求。 单个的输入时钟用以控制所有的内部转换循环周期。输出数据直接以二进制 格式输出。在a d 9 2 2 4 a r s 中有一个引脚，如果测量的电压超出测量范围，这个引 脚就发出高点平，这个引脚的信号，可以和数据的最高位联合起来用以判断，是 高溢出还是低溢出。 a d 9 2 2 4 a r s 的转换时序如下： a n a l o g i n p u t l n p u t c l o c k d a t a o u t p u t 卜t 。j i t o i t c t h 一 图3 1 2a d 9 2 2 4 a r s 的转换时序 从转换时序图中可以看出，虽然在每一个时钟周期，a d 9 2 2 4 a r s 都输出 个1 2 b i t s 的数据，但是，对于输入的信号s 1 的幅度数据是在延迟三个时钟周期 以后才输出。因为这个特点，在欠采样中，a d 9 2 2 4 a r s 和采样保持放大器a d 9 1 0 1 的配合需要可编程器件控制，在保持住信号以后，a d 9 2 2 4 a r s 采样的第三个数 据作为有效数据存储。 下面详细介绍a d 9 2 2 4 a r s 在系统中与其它电路的配合，以及其它措施，充 分发挥该器件的功能。 i 、电源。因为a d 9 2 2 4 a r s 的转换精度是1 2 b i t s ，转换最高速率是4 0 m ， 所以系统给a d 9 2 2 4 a r s 提供的电源必须要求足够稳定。a d 9 2 2 4 a r s 有两个模 拟电源输入和一个数字电源输入，分别提供给芯片中的模拟模块和数字模块使 用，为了保证供电的稳定性要求，在电源输入到芯片以前，在芯片的电源输入引 脚的附近，并联了0 1 虾、o 0 1 虾和0 0 0 1 灯三个量级的贴片电容，用以消除系 统中的高频信号耦合到电源中，给系统带来噪声。 2 、时钟。时钟信号给模数转换的过程提供工作的节拍，时钟的稳定性对 a d 9 2 2 4 a r s 的工作性能具有很大的影响。a d 9 2 2 4 a r s 只有一个时钟输入引脚。 在系统中，选用高精度的4 0 m h z 的卧式晶振作为a d 9 2 2 4 a r s 的时钟。为了防 止时钟信号在输入到a d 9 2 2 4 a r s 以前受到噪声的干扰，在系统的布局走线时， 让晶振的信号输出引脚紧靠a d 9 2 2 4 a r s 的时钟输入端，而且，尽量避免其它信 号线穿过时钟信号走线。 3 、基准电平。a d 9 2 2 4 a r s 的信号输入端，既可以选择差分输入，也可以 选择单端输入。在本系统中，选用单端输入的信号输入方式，所以信号输入的另 一端必须作为模数转换的基准电源。为了保证信号转换的精度，需要给 a d 9 2 2 4 a r s 提供高精度的基准电平。因为a d 9 2 2 4 a r s 的工作范围是o 一5v 而 且两个输入端的张量是2 v ，所以为a d 9 2 2 4 a r s 提供2 5 v 的基准电平最合适。 在系统中采用电源分压，然后滤波的方法，先用两