（信号与信息处理专业论文）基于pc机虚拟实验仪器系统的研究与实现.pdf

摘要 随着社会的进步和科技的迅猛发展，当今社会对测量仪器的需求越来越广 泛，对测量技术各种要求越来越高。以虚拟仪器为代表的新型电子测量仪器改 变了传统仪器的设计观念，充分利用计算机强大的软硬件功能，使得其中部分 硬件功能由软件实现，实现硬件软件化，把电子测量技术和计算机技术紧密结 合起来，是融合了电子测量、计算机和网络技术的新型测量技术。与传统仪器 相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力和操作性能方面都具有明显的优势， 特别是基于计算机平台的各种测量仪器由于成本低、使用方便、性能更强等优 点得到了更广泛的应用，对科研和教学都有重要的意义。 本文设计了一套基于p c 机的虚拟实验仪器系统，整个系统的硬件平台是以 f p g a 为主控芯片的数据采集卡，在此基础上利用l a b v i e w 语言实现了虚拟数 字示波器、信号发生器和虚拟频谱仪等组成的虚拟仪器系统的开发，并通过 r e m o t ep a n e l s 技术实现了对系统的远程控制。 ( 1 ) 本文首先介绍了课题的研究背景及意义，虚拟仪器的国内外现状和本文 所做的主要研究工作。 ( 2 ) 阐述了系统的实现指标、虚拟仪器软件开发平台的选择以及数据采集的 关键技术，并提出系统的总体设计方案。 ( 3 ) 阐述了系统硬件平台的设计过程，在提出硬件平台设计方案后，研究了 信号调理电路、a d 转换电路、u s b 接口和d a 模块的设计，并在f p g a 中利 用硬件描述语言v e r i l o g 编写了a d 采样控制模块和s r a m 读写控制模块。 ( 4 ) 详细叙述了虚拟实验仪器系统的软件开发过程，该系统实现了虚拟数字 示波器、信号发生器和频谱分析仪等仪器。在阐述了本系统软件设计方案的基 础上，给出了采集模块、滤波模块、参数测量、数据保存和回放、信号发生以 及幅度谱、相位谱和功率谱分析等模块的详细设计过程，并对每个仪器的功能 进行了综合测试和结果分析。 ( 5 ) 详细阐述了远程虚拟仪器实验室的实现过程，通过对d a t a s o c k e t 技术和 r e m o t ep a n e l s 技术两种远程虚拟仪器技术做出对比，选择r e m o t ep a n e l s 技术实 现对本系统的远程监控。 关键词：虚拟实验仪器；l a b v i e w ；数字示波器；频谱分析仪；数据采集卡 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so ft h es o c i e t ya n dt h e r a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , t h es o c i a ld e m a n do fm e a s u r i n gi n s t r u m e n ti sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e ， a n dm e a s u r i n gt e c h n o l o g yo fa l lk i n d so fd e m a n di s h i g h e ra n dh i g h e r v i r t u a l i n s t r u m e n t , a sar e p r e s e n t a t i v eo ft h en e we l e c t r o n i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n tc h a n g e s t h et r a d i t i o n a ld e s i g ni d e a , m a k ef u l lu s eo fs t r o n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r ef u n c t i o no f c o m p u t e r , w h i c hm a k e sh a r d w a r ef u n c t i o n sa r er e a l i z e db ys o f t w a r e t h ee l e c t r o n i c m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yi nc l o s ei n t e g r a t i o nw i t h , i st h e n e wm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sw h i c hf u s e dt h ee l e c t r o n i cm e a s u r e m e n t , c o m p u t e ra n d n e t w o r k t e c h n o l o g y c o m p a r e d 晰t h t h et r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t s ，t h e v i r t u a l i n s t r u m e n t si nt h el e v e lo fi n t e l l i g e n c e ，p r o c e s s i n gp o w e ra n do p e r m i n gp e r f o r m a n c e h a v eo b v i o u sa d v a n t a g e s a l lk i n d so fm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sw h i c he s p e c i a l l yb a s e d o nc o m p u t e rp l a t f o r m ，a sar e s u l to ft h el o wc o s t ，e a s yt ou s ea n dm o r es t r o n g p e r f o r m a n c ea n ds oo nt h ea d v a n t a g e st og e tm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n t h e s eo n s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dt e a c h i n gh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fap cb a s e dv i r t u a le x p e r i m e n ti n s t r u m e n t s y s t e m 场es y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r mi s ad a t aa c q u i s i t i o nc a r dw h i c hb a s e do n f p g aa st h em a i nc o n t r o lc h i p ，t h i su s eo fl a b v i e wl a n g u a g er e a l i z e dt h ev i r t u a l i n s t r u m e n ts y s t e mv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mi n c l u d e sv i r t u a ld i g i t a lo s c i l l o s c o p e ， v i r t u a ls i g n a lg e n e r a t o ra n dt h ev i r t u a ls p e c t r u ma n a l y z e r ，a n dt h r o u g ht h er e m o t e v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yt oa c h i e v er e m o t ec o n t r o ls y s t e m ( 1 ) f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h t o p i c ，v i r t u a li n s t r u m e n ta n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e r ( 2 ) i n t r o d u c e dt h es y s t e mr e a l i z a t i o ni n d e x ，v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ep l a t f o r m s e l e c t i o na n dd a t ac o l l e c t i o no fk e yt e c h n o l o g y , a n dp u t sf o r w a r dt h eo v e r a l ld e s i g no f t h es y s t e m ( 3 ) e l a b o r a t e dt h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g np r o c e s s ，t h ep r o p o s e dd e s i g ns c h e m e o fh a r d w a r ep l a t f o r m , r e s e a r c ht h es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，a dc o n v e r s i o nc i r c u i t , u s bi n t e r f a c ea n dd am o d u l ed e s i g n , a n dt h eu s eo ft h ef p g ah a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g ev e r i l o gp r e p a r e dt h e a ds a m p l i n gc o n t r o lm o d u l ea n ds r a mc o n t r o l m o d u l et or e a da n dw r i t e ( 4 ) r e s e a r c ht h ev i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e ms o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s s t h i s s y s t e mh a sr e a l i z e dt h ev i r t u a ld i g i t a lo s c i l l o s c o p e ，v i r t u a ls i g n a lg e n e r a t o ra n d s p e c t r u ma n a l y z e r , v i r t u a li n s t r u m e n t i nt h es y s t e mb a s e do ns o f t w a r ed e s i g n , g i v e s t h ed e t a i l e dd e s i g no fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l e ，a n dc o m p r e h e n s i v et e s ta n dr e s u l t s a n a l y s i so nt h ew h o l es y s t e m ( 5 ) e x p o u n d e dt h er e m o t ev i r t u a li n s t r u m e n tl a b o r a t o r yi m p l e m e n t a t i o np r o c e s s ， t h r o u g ht ot w ok i n do fr e m o t ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yt om a k ec o m p a r i s o n , c h o o s i n gt h er i g h tt e c h n o l o g yt or e a l i z et h es y s t e mr e m o t em o n i t o r i n g k e yw o r d s ：v i r t u a le x p e r i m e n ti n s t r u r n e n t ；l a b v i e w ；d i g i t a lo s c i l l o s c o p e s ；s p e c t n m a a n a l y z e r ；d a t aa c q u i s i t i o nc a r d i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 在高校电工电子课程中，实验教学是一种非常重要的教学环节，是连接理 论和实践的“桥梁”。实验能够增强学生的学习兴趣，发挥学生的主观能动性，加 深对所学知识的理解，进而运用所学的知识。 然而，近些年全国高校纷纷扩招，学生数量不断增加。高校的实验设备和 规模无法满足教学的需求，加上实验室部分仪器的老化，因此高校必须采购大 量的实验仪器，造成高校财务繁重【1 1 。虚拟仪器的出现解决我们面临的问题，虚 拟仪器利用p c 机强大的软件功能实现对信号数据的分析和处理，使原本需要硬 件实现的技术软件化，以最大程度地增强系统的灵活性，降低系统的成本【2 1 。在 这样的情况下，虚拟仪器向着高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、智 能化、模块化和网络化的方向发展，并且越来越能突显其灵活性和方便性，并 满足多数用户的需求【3 1 。 以虚拟仪器为基础的虚拟仪器实验室，相对于传统实验室来说，具备以下 的优势1 4 1 ： ( 1 ) 减少实验仪器成本的投入。虚拟仪器能够在一台p c 机和板卡上完成数 字示波器、信号发生器、频谱分析仪等仪器的功能，很大程度上减少了资金投 入。其次，虚拟仪器利用软件的强大功能而开发，提供了二次开发的途径，同 时减少了维护的费用。 ( 2 ) 虚拟仪器拥有开放式管理的特点。虚拟仪器实验室能够通过互联网来传 送数据，老师能够远程监控学生实验的过程，同时管理多个学生做实验。学生 也能通过计算机网络将实验的结果反馈给指导老师。 在科学技术迅速发展的今天，高校和科研机构需要更多更好的实验仪器。 一方面，我国高档次的教学和科研仪器主要依赖于进口，如数字示波器、逻辑 分析仪、频谱分析仪，这些设备工艺比较复杂，要求有高水平的制造生产技术， 生产高精度的仪器比较难，一般价格比较昂贵【5 1 。另一方面，计算机拥有强大的 信号处理技术，应用在虚拟仪器中，虚拟仪器利用软件的强大功能而开发，实 武汉理工大学硕士学位论文 现硬件软件化，增强了系统的灵活性，使得虚拟仪器的功能更加全面【6 1 。因此， 能够开发出一套虚拟实验仪器系统，使之用于多种实验教学，将大大节约实验 经费，并产生可观的经济效益，而且对教学也将提供一定的便利性【7 1 。本文正是 在这种背景下设计了由虚拟示波器、信号发生器和频谱分析仪组成的虚拟实验 仪器系统。 虚拟实验仪器系统作为实验环节的一个重要组成部分，不仅要让学生懂得 简单的软件设计，最重要的是需要培养他们的动手能力，发挥整个系统的二次 开发能力，让学生更深入的学习和研究虚拟频谱分析仪，最终能够到达满意的 教学成果【8 1 。 1 2 虚拟仪器国内外现状 随着计算机技术和现测量测试技术的飞速发展，现代测量系统的要求越来 越高，测量的速度、精度、实时性、数据准确度、完整性都需要进一步提高， 而测量系统的可靠性、智能化等要求也不要逐渐提升。如今高精度的虚拟仪器， 因为工艺复杂，制造技术要求高，所以价格都很昂贵，使得虚拟仪器的设计有 着更广阔的前景。虚拟仪器集计算机技术、网络通信技术和测量技术于一体， 成为了在测量测试领域内的技术热点，使得传统仪器和计算机体系更好融为一 体1 9 1 。而国内由于在这方面起步比较晚，因此与国外相比还有一定的差距，不过 随着国内学习国外技术步伐的加快，国内已有一些企业或研究所做出了不错的 成绩，如中电4 1 所，中控泛华等【1 0 1 。 美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i ) ，使整个行业发生了革命 性地变化，其改革创新顺应了时代的潮流，引领整个测量测控行业。该公司不 断推出新的虚拟仪器产品，其图形化编程语言l a b v i e w 及其相应的硬件引领整 个虚拟仪器市场【1 1 1 。n i 创造了基于革新性的测试测量技术，为客户提供了测量 与自动化的最佳方案。n i 的虚拟频谱分析仪通过数据采集卡并配合专门用于虚 拟仪器设计的软件l a b v i e w 设计出相应的频谱分析仪【1 2 1 。n i 公司的虚拟频谱分 析仪在很多方面都具有领先地位。另外荷兰t i e p i ee n g i n e e r i n g 公司的h s 8 0 1 型 虚拟仪器是五合一( 任意波形发生器、数字存储示波器、瞬态波形记录仪、频谱 分析仪、数字表) 虚拟综合测试仪，美国l i n k 公司推出d s 0 2 9 0 2 、d s 0 2 9 0 4 和 d s 2 5 2 1 6 三款d s o 系列混合信号数字存储示波器( - - 合一，存储示波器+ 逻辑分 析仪+ f f t 频谱分析仪) ，处于世界领先水平1 1 3 1 。美国的h p 公司、r a c a l 公司和 2 武汉理工大学硕士学位论文 t e k t r o n i x 等公司也相继加入研究，使得虚拟仪器世界不断出现新产品。美国的 大学生已经普及了在测量测控领域应用极为广泛的虚拟仪器及其图形化编程语 言l a b v i e w t l 4 】。 国内近些年虚拟仪器技术发展迅速，但仍然落后于国际先进水平。世界各 大产商都向中国市场进军，这充分体现了我国在测量测控仪器领域的巨大发展 空间，因此我们需要投入时间和资金进行研究【l 扪。9 0 年代中期以来，我国很多 高校和科研机构一直开展对虚拟仪器的大量研究，开发具有自主知识产权的虚 拟仪器设备。其中清华大学、重庆大学、华中科技大学等高校走引进和自主研 发的路线，在引进和吸收美国n i 公司和l i p 公司产品的基础上，取得大量的研 发成果，为中国在虚拟仪器行业做出巨大贡献1 16 1 。成果最为显著的是重庆大学测 试中心，他们研发的产品包括数字示波器、频谱分析仪，小波变换信号分析仪 等多个虚拟仪器，而且可以按照客户的需求定制，得到市场的广泛认可，不少 高校与其合作【1 7 】。 近些年来，国内部分高校认识到虚拟仪器在基础实验课程中的优势，逐步 引入了虚拟仪器实验室并将其应用于教学和科研中，华中科技大学、复旦大学、 上海交通大学、广州暨南大学相继建立虚拟仪器教学实验室。运用各种虚拟实 验仪器仪表和设备，对建立起来的实验模型进行实时仿真，构成新型的教学实 验【1 8 】。一些基础性实验，如物理实验、机械基础实验、电子技术实验、自动控制 原理与系统实验等，都可以采用虚拟的方法进行实验。虚拟实验的应用和发展， 是对传统实验教学模式的补充和完善，符合新世纪的高等教育人才的培养目标。 同时我们开设这门课程，能够引导更多的同学进入到这个领域，努力开发我们 自己的平台【1 9 l 。 有关专家还指出，在未来的几年内，数据系统的设计和开发还将面临一个 非常重要的时期，无论是开发高速通信系统，还是其它的计算机系统等，用户 都会越来越倾向于使用一台示波器和一台频谱分析仪，来同时从不同的角度全 方位地捕获和分析系统中的信号，从而解决来源于不同角度的问题【2 0 】。因此，虚 拟仪器实验室将会不断补充并取代传统实验仪器。 1 3 本文主要研究工作 本系统将结合测量仪器技术、数字信号处理技术及计算机技术，开发了以 数据采集卡、计算机及软件为核心的虚拟实验仪器仪表系统。在分析市场上高 武汉理工大学硕士学位论文 性能虚拟示波器、信号发生器和频谱分析仪的基础上，提出了一种可行的设计 方案，并且实现对整个系统硬件的设计和软件的开发。 本系统硬件部分实现了对模拟输入信号的采集，并将采集的数据保存在 s r a m 中，接着从s r a m 中读取数据，并通过u s b 接口芯片与上位机进行通信。 上位机应用程序的开发是以图形化编程语言l a b v i e w 作为开发语言，对接收的 数据进行处理和分析，显示模拟信号波形，并进行参数测量和频谱分析，开发 了虚拟数字示波器、信号发生器、频谱分析仪等仪器，最终于实现对虚拟实验 仪器系统的网络远程监控。 本文研究的内容主要包括以下几个方面。 ( 1 ) 构建整个虚拟仪器系统的硬件平台，主要包括对芯片的选择，电路的设 计和调试，以及各模块的逻辑控制设计。 ( 2 ) 开发了系统的上位机应用程序，主要有虚拟数字示波器、信号发生器和 频谱分析仪三部分，并对系统进行测试和分析。 ( 3 ) 通过对d a t a s o c k e t 和r e m o t ep a n e l s 两种远程虚拟仪器技术对比，选择 r e m o t ep a n e l s 技术实现对本系统的网络远程监控。 1 4 本文章节结构 本文的章节安排如下。 第l 章介绍了论文课题的研究背景、研究的目的和意义，并简单阐述了本 论文主要研究工作以及论文章节结构。 第2 章主要阐述了系统总体设计方案及数据采集的关键技术。 第3 章阐述了整个系统硬件平台的设计，主要包括硬件电路设计和f p g a 逻辑设计 第4 章设计和实现了整个系统的上位机软件平台，主要包括虚拟示波器、 信号发生器和频谱分析仪三个部分，并对系统各模块做出测试和分析 第5 章分析并比较d a t a s o c k e t 和r e m o t ep a n e l s 两种网络远程控制技术， 实现对本系统的网络远程控制。 第6 章总结与展望。总结了本文的研究成果和需要改进的地方以及改进方 案。 4 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章系统总体方案设计及关键技术 2 1 系统的实现指标 本课题实现了以虚拟数字示波器、信号发生器和频谱分析仪等仪器组成的 虚拟实验仪器系统，其各项性能指标如下。 ( 1 ) 虚拟数字示波器：模拟信号输入通道数：2 路；单通道最大采样速 率为5 0 0 k s ；输入量程：5 y ；波形显示、游标控制、频率及电压参数测 量、数字滤波、实时谱分析；数据快速记录与回放等功能。 ( 2 ) 虚拟信号发生器：模拟信号输出通道数：4 路；输出电压范围： 2 5 y ；刷新频率：5 0 0 k s p s ；波形选择：正弦波、方波、三角波、锯齿波 四种标准信号的波形；可调节偏移量、相位、频率和幅度，预览输出信号波 形等功能。 ( 3 ) 虚拟频谱分析仪：模拟信号输入通道数：2 路；单通道最大采样速 率为5 0 0 k s ；输入量程：5 1 ；数字信号滤波；幅度谱、相位谱、功率 谱、功率谱密度、峰值检测等分析。 2 2 虚拟仪器开发平台的选择 目前，虚拟仪器软件开发平台大致可分为两类： ( 1 ) 通用编程软件。主要有v b 、v c + + 、d e l p h i 等各种软件开发平台。 ( 2 ) 图形化编程软件。主要有l i p v e e 、l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 等。 对于w i n d o w $ 编程基础较好的开发者来说，采用v b 、v c + + 等通用编程软 件编写程序无疑是一种很好的选择。现在很多开发者采用v b 和v c + + 相结合的 编程方式，用v b 开发虚拟仪器界面和处理数据，而底层的驱动程序、i 0 端口 操作则用v c + + 编写。还有些开发者选择v c + + 和汇编语言相结合，底层操作由 汇编语言来完成，提高整个程序的运行速度。 对于c 语言编程比较熟悉的开发者来说，采用n i 公司的一种软件开发平台 l a b w i n d o w s c v i 更合适，它简化了开发流程。l a b w i n d o w s c v i 开发平台主要 作用在于数据采集和测量测试系统的开发。l a b w i n d o w s c v i 为c 语言有经验的 5 武汉理工大学硕士学位论文 开发者提供了美观的前面板和使用便捷的库函数，使整个开发过程快速方便。 l a b v i e w 是美国国家仪器公司心i ) 的不断追求创新，自己开发的新软件产 品，是一种图形化的编程语言和集成开发环境，也是目前应用最广、功能最强、 最流行的虚拟仪器开发平台。它拥有一套数据采集与仪器控制、数据分析和处 理的数据软件库，为开发者提供了一个简洁、方便的开发环境，轻松开发各种 测量测试系统，而且能够随意搭建自己的仪器控制面板，并且不需要编写任何 复杂的计算机程序代码，大大简化了程序开发的过程。l a b v i e w 应用程序的结 构一体化衔接，整个条理很清晰。整个程序的前面板是图形用户界面，模拟传 统仪器的控制面板，该界面上主要包含有输入控件、显示控件。框图程序是v i 程序的图形化代码，相当于标准仪器内的功能部件，通过图形化代码对前面板 的熟人显示控件进行控制。图标连接器是模块化编程的一种连接方式。图标相 当于c 语言程序中的子函数部分。连接器则是主函数和子函数之间传递的参数。 连接器端口和前面板的输入控件和显示控件的对应关系要正确，才能实现模块 化编程。 通过上述对比，能够看出每个开发平台都有自己的长处。对于测试仪器硬 件采用通用仪器，则选择l a b v i e w 平台；对于c 语言编程经验丰富的，则 l a b w i n d o w s c v i 更加合适；而对w i n d o w s 编程熟悉的开发者，则可以选用v b 、 v c + + 等通用编程软件。通过对软件开发平台的发展情况和现实条件的分析，本 论文中采用l a b v i e w 设计虚拟实验仪器系统。 2 3 数据采样关键技术 2 3 1 采样定理 对于采集数据来说，采样频率( 采样间隔的倒数，简称采样率) 是一个非 常重要的参数。为了能够选定合适的采样频率，需要全面考虑各个方面的因素， 被采集信号的最高频率成分、采集硬件的性能、采集信号中的噪声以及测量测 控系统的精度要求等。选择合适的采样频率，我们的基础理论是采样定理，也 就是接下来我们要介绍的内容。 采样定理中，数据采集的采样频率必须大于等于被测量的信号所包含的最 高频率的两倍，只有这样采样的数据才包含原始信号的所有频率分量的信息。 如果采样频率不满足上面的条件，那么信号将发生畸劐2 。采样定理说明采样频 6 武汉理工大学硕士学位论文 率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。这就是整个采样定 理的内容，选择合适的采样频率对于数据采集来说是非常重要的。在采样率适 当和采样率过低的情况下对信号进行采集的结果完全不一样，如图2 1 所示。 ( a ) 足够采样率下的采样结果( b ) 足够采样率下的采样结果 图2 1 不同采样率下的采样结果 在采样率过低的情况，我们采集还原的信号与被测信号可能不一样，信号 会出现畸变，这种畸变叫做混叠。为了避免混叠这种现象的出现，通常在采集 信号之前，先对信号进行低通滤波，滤掉采集信号中过高的频率成分。这里用 到的低通滤波器实际就是抗混叠滤波器。理想情况下，抗混叠滤波器可以滤掉 采集信号中高于z 2 的频率成分，但是事实上，每个滤波器往往有一个中间过 渡地带，所以，在采样频率和滤波器类型的选择上，我们必须综合考虑两者。 在很多场合，使用一阶或二阶滤波器就可以达到较好的滤波效果了。 在选取采样频率的时候，我们通常会选择数据采集卡所能达到的最高采样 率。但是需要注意的是，过高的采样率可能导致计算机内存相对不足以及硬盘 存储数据量变大。根据采样定理可知，疋设置为被采信号最高频率成分厶的2 倍就可以了，但在实际测量中，为了较好地还原信号，一般实际应用中保证采 样频率为信号最高频率的5 到l o 倍，甚至更高1 2 2 1 。 2 3 2 等效时间采样 虚拟仪器的采集方式分为两种，分别是实时采样和等效时间采样。实时采 样最大的特点就是明显和直观，在每次采样触发后获取取样值，并且在时间上 均匀分布的。它采样的时间间隔是相同的，而且采样过程必须满足奈奎斯特采样 定理的要求，因而采样信号的频率带宽受到采样率的限制。 等效时间采样是通过多次采样，将被测信号不同周期的采样数据重组，从 而重建信号完整波形，因此被测信号必须是周期信号。等效时间采样重复地从 武汉理工大学硕士学位论文 被测信号的每个周期读取一部分采样点，把采样获取的数据重组来建立被测信 号的完整波形1 2 3 l 。从原理上来看，等效时间采样可以不遵循奈奎斯特采样定理， 能够以较低的采样率采样高频信号而不失真。等效时间采样有两种方式：顺序 等效采样和随机等效采样。 随机等效采样是在采样过程中通过大量触发事件，每次触发得到多个采样 值，然后按照采样点和触发点之间的时间间隔来确定采样点在信号中的位置， 重建被测信号的波形。 顺序等效采样的前提是被测信号必须周期性重复的，与随机等效采样的区 别是：顺序等效采样过程是这样的，每次触发后经过一个短暂而且确定的时间 延迟捕获一个样值，而且这种采集方式与时基设置和扫描的速度无关。当下一 次触发到来的时候，时间延迟必须增加出，增量出就是我们所用到的等效采样 的周期【2 4 1 。我们只需要依次将采集的样值显示出来就能够重建波形。 等效采样必须满足以下两个要求：这种采样方式的采样点数一定足够多， 即要求时间分辨率足够高，尽可能精确，覆盖范围要求足够广。采样信号触 发点位置必须有规则的变化，并能控制这种规则变化f 2 5 1 。对于周期信号来说，只 需要把相邻采样点之间的时间间隔固定，周期性的对信号进行数据采样即可。 2 4 系统的总体设计方案 整个系统的总体设计分为硬件数据采集平台和上位机软件平台两个部分， 硬件平台主要完成以下功能。 ( 1 ) 前端模拟输入信号的调理和高速的a d 转换。 ( 2 ) 高速大量数据存储，为了解决高速a d 转换和低速的通信之间的矛盾， 必须有高速大容量的数据存储器( s r a m ) 。 ( 3 ) 数据通信，主要是u s b 接口与上位机之间的数据通信。 上位机软件平台分为虚拟数字示波器、信号发生器和频谱分析仪三部分。 主要完成的如下功能。 ( 1 ) 控制功能：通道，时基和幅值的控制 ( 2 ) 显示和参数测量功能：对接收的数据处理，恢复模拟信号波形特征；对 电压和频率等参数测量 ( 3 ) 数据保存和回放：便于与实际的波形对比 ( 4 ) 频谱分析功能：幅度谱，功率谱和功率谱密度的分析 8 武汉理工大学硕士学位论文 整个系统的总体结构如图2 2 所示。 2 5 本章小结 图2 - 2 系统总体结构图 本章简要地介绍了系统的实现指标，整个系统软件开发平台的选择，同时 阐述了数据采集关键技术采样定理和等效采样，最后在分析总结的基础上提出 了系统设计的总体方案。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统硬件平台设计 本系统的硬件平台设计主要包含两个部分的内容：双通道的数据采集模 块，该模块主要过程是将被测信号经过前端信号调理电路调理，然后用a d 转 换器对被测信号进行采样、量化，接着将数据写入s r a m 中，当s r a m 存满数 据后便从s r a m 中读出数据，最后将采集的数据通过u s b 接口芯片c h 3 7 6 上 传到p c 机；信号源发生模块，该模块发出频率和相位可控的正弦波、方波、 三角波。系统硬件结构框图如图3 1 所示。 3 1 信号调理电路 图3 1 系统硬件设计框图 输入的模拟信号存在杂波，信号弱，因此需要对采集的信号进行滤波、幅 值调整和阻抗匹配等，将信号调理到适当的范围以满足a d 转换芯片的要求。 本部分电路使用运放芯片a d 8 2 7 t 2 6 1 ，该芯片最高带宽为5 0 m h z ，芯片内部单片 集成2 片运放，分别对信号进行放大和平移。 本系统选用的a d 芯片为a d 9 2 8 1 ，其输入信号的范围为o 2 v ，因此信号 调理部分应该将输入信号调整到o 2 v 供a d 采样，主要包括两个环节： 第一个环节是对输入信号放大处理。一般输入信号为双极性的，因此我们 必须将信号调整到1 v 1 v 之间。电路中a d 8 2 7 运放1 的连接是对信号放大处 理，通过调节电位器对信号进行放大，如图3 2 所示。 第二个环节是信号平移。经过放大器后信号1 v l v 之间，而a d 9 2 8 1 芯片 的输入电压范围为0 - - - 2 v ，所以必须对信号的电平进行平移，调整到0 2 v 之间。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 这个环节由a d 8 2 7 运放2 的连接来完成，如图3 - 2 所示。 v lu 4a d 8 2 7 v 1 o u t l v + i n l ( 疑玎2 + l n l一2 v + 2 。1 2 v v 2 r r ， r 7 v 2 = ! y l + 土( 3 - 1 ) 2 0 0 k2 0 0 k v 2 ：旦v 1 + 土2 ( 3 2 ) 大值一的时候，v 2 0 ；而当v 1 达到正的最大值乙+ 的时候，v 2 2 v ，则 肇豪! p 3 ， j2 0 0 k2 0 0 k 一，2 孙 l 旦2 + 圪。2 p 叫 【2 0 0 k2 0 0 k 一7 2 + 旦( k + 一2 ) 2 ( 3 - 4 ) l 2 0 0 k 、“ r - - 鳖 ( 3 5 ) - - - - l - - ( v , 一+ - 2 ) 0 ( 3 - 6 ) 2 0 c i k 、。 由于一2 v v 1 + 2 v ，所以+ 2 v ，所以不等式恒成立。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2a d 转换电路 经过调理后模拟输入信号要通过a d 转换芯片a d 9 2 8 1 采样量化，最后将 采集的数据经u s b 接口芯片传送到p c 机。本系统采用的电路图如图3 3 所示。 图3 3a d 转换电路图 a d 9 2 8 1 是一款完整双通道、2 8m s p s 、8 位c m o sa d c ，专门针对要求两 个a d c 高度匹配的应用( 例如通信应用中的i q 通道) 进行了优化。2 8m h z 采样速率和宽输入带宽可涵盖窄带与扩频两种通道。a d 9 2 8 1 集成两个8 位、2 8 m s p sa d c 、两个输入缓冲放大器、一个内部基准电压源和多路复用数字输出缓 冲。其基本特性如表3 1 所示。 表3 1a d 9 2 8 1 的基本参数 分辨率 8 位( 1 2 5 6 ) 输入通道数 2 模拟输入电压v 单电源供电 + 2 7 v 5 5 v 吞吐率2 8 m s p s 信噪比 4 9 2d b 功耗2 2 5m w ( + 3v 电源) 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 a d 9 2 8 1 部分引脚的定义如表3 2 所示。 表3 - 2a d 9 2 8 1 的部分引脚定义 名称功能 d v s s 数字信号地 d v d d 数字信号工作电压 d m d 7 数据输出端 s e l e c t v q 通道选择端 c l o c k 时钟信号 s l e e p 睡眠正常工作模式 a 一i n b ii 通道，a b 输入 a v s s 模拟信号地 r e f s e n c e 参考选择 v i 迮f 内部参考输出 a v d d 模拟信号工作电压 c h i p s e l e c t片选信号 对该芯片的控制主要通过三根控制线完成，分别为片选信号c h i p s e l e c t ， 时钟信号c l o c k 和通道选择信号s e l e c t ，通过f p g a 为三个引脚提供时序来 完成数据采集的。 3 3d a 模块设计 此模块信号的输出主要是通过n i o si ic p u 控制d d s 芯片来完成的，整个 d d s 系统包括三个部分：数控振荡器( n c o ) 、数模转化器( d a c ) 和低通滤 波器( l p f ) 。 3 3 1d d s 原理简介 直接数字频率合成技术( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ) ，是一种以数字信号处理 理论为基础的全数字频率合成技术。简单的说就是直接查表得到每一点波形所 对应的数字值。典型的d d s 结构包括：相位累加器、波形查找表、数模转换 1 3 武汉理工人学硕士学位论文 器和低通滤波器组成。实际的应用过程当中，还会根据实际的需要加入调频 ( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，f m ) 和调相( p h a s em o d u l a t i o n ，p m ) 等功能，如下 图3 - 4 中的d d s 基本结构【2 7 1 。 图3 4d d s 的基本结构 d d s 主要几个组成部分的原理如下。 ( 1 ) 相位累加器的原理 相位累加器是d d s 的核心部位，其主要由一个加法器和一个寄存器组成， 其中加法器用于实现相位相加，其加数与被加数分别是相位寄存器的当前值和 频率寄存器的值，也就是频率控制字( f s w ) 。 ( 2 ) 波形查找表的原理 从上面介绍相位累的输出可知，其输出的是f s w 的累加值，这个累加值跟 正弦波的相位有一定的关系，这个值实际上是一个相位的量化值，但其不能直 接作为波形直接输出，还需要经过一个相位序列码到幅度序列的变换装置，而 这个变换装置就是波形查找表，因为d d s 经常用于合成正弦波，所以也叫正 弦查找表。 ( 3 ) 频率调制寄存器和相位调制寄存器 频率调制寄存器和相位调制寄存器分别用于存储f s w 和p s w 的值，在 实际使用d d s 时就通过改变这两个寄存器的值来实现调频和调相。 ( 4 ) 数模转换器和低通滤波器 实际使用中我们需要是模拟正弦波信号，因此需要一个数模转换器把数字 量的幅值码转换成模拟电平的输出，数模转化器输出的也并不是理想的正弦波， 而是一个经过抽样，保持电路输出的阶梯状波形，其中含有大量的高次谐波和杂 散频率，必须经过一个低通滤波器后才能达到我们所需要的比较理想的正弦波。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) 相位累加器输出 n 一 、一 ( b ) 正弦查找表输出 l 门 。 7 ( c ) 数模转换器输出( d ) 低通滤波器输出 图3 5d d s 的合成过程中各阶段波形 3 3 2d d s 芯片介绍 本文使用的d d s 芯片为a d 9 8 3 4 ，该芯片结构包括：数控振荡器( n c o ) 、 相位调制器、正弦查询表r o m 和1 0 位数模转换器。系统的时钟能高达5 0 m ， 能支持的供电电压为2 3 v 5 5 v 。该芯片能够提供相位调制和频率调制的功能， 并且能够为用户提供多种输出波形，在芯片内部的正弦查找表能够被旁路掉， 这样能够输出一个线性上升或下降的三角波，如果正弦查找表没有被旁路掉， 那么输出就会是一个正弦波。a d 9 8 3 4 的结构图如图3 6 。 p o ，p l 图3 - 6a d 9 8 3 4 的结构图 该芯片的频率控制字可由下面的式子得到 f = a p h a s e xf 岫噬| 铲( 3 - 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 上面的式中，0 a p h a s e 2 2 8 1 ，缸的最大值为5 0 m h z 。 该芯片的相位控制字可由下面的公式得到 z k p = k 2 n 4 0 9 6 ( 3 8 ) 上面的式中，0 1 1 9 也坠n q 2 l c u r s o r p o s it io n h 睢到。 图4 1 2 游标调节程序框图 表4 1 参数测量各节点 函数节点名称函数节点图标 冲量 ( i xn u 岫1 v l i , ：r 1 一柚l r - - t - 矗1 脉冲测量节点 极性( 毫 j _ 捌砖并，謦冲持续期 譬潮队错误，咄气土一占空比 l l d 侍谬输出 l 一秘量信 交毫和直毫分量估计 i u i j r 1 v l i b ：扯x | z t i m a t e t i 】 交流直流分量估计节点 詹口。匪叁z 卜变藐分量估计c 伢) 信号_ e i ! ；l 一蔷嚣器主暑葬猫7 估计输 信号的交鞠直漉电平 舫覆 1 x _ 圳t t r 1 v l i l ：b u s 订】 均方根节点 一一匹互 一筻脚哏值 z 豇戳假4 计篁输 序费豳拘均方根h 1 ) - 啊l h 1 靠h 1 t 饥一l 盈咀幸 一 ” 脉冲参数节点 。 事f ：in i 。i ” ；l 一4 l ：f 哪 p m k t e 武汉理工大学硕士学位论文 参数测量模块包