（控制理论与控制工程专业论文）基于usb的虚拟示波器设计.pdf

查堕垄三盔堂亟主堑塑生堂焦迨塞 兰! ! ! ! ! ! 基于u s b 的虚拟示波器设计 摘要 虚拟仪器( 简称v i ) 是电子测量技术与计算机技术深层次结合、具有 良好发展前景的新一类电子仪器。本文是在虚拟仪器概念的基础上结合模 拟，数字示波器的优缺点，研究出的一种基于u s b 总线的虚拟示波器( v o ) ， 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。 论文首先简要地介绍了虚拟仪器的现状及发展前景，说明了本设计广 泛韵应用前景。接着对整个设计进行了系统的分析和规划，使各部分的功 能明确，还提出了主要的性能指标。接下来的章节对各部分的功能和实现 方法进行了详细的说明。主要有以下的几方面：第一部分是模拟信号处理 部分，这部分从仪器的安全性和测量的准确性角度出发，介绍了a d 电路 以及之前的模拟信号的处理。第二部分是数据采集卡的控制逻辑的介绍， 这部分是整个设计的重点和难点，这一部分主要是基于c p l d 来实现的。 主要功能是控制数据采集的流程，包括数据的采集到数据的保存，触发逻 辑的实现，以及与单片机的接口等几部分。第三部分主要介绍了数据采集 卡与计算机通讯的接口。在本设计中采用了u s b 的接1 3 方式，在这部分中 先对u s b 进行了一个简单的介绍，然后介绍了具体的硬件电路和单片机的 程序设计。最后介绍了系统的抗干扰设计。 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 在整个虚拟示波器的设计中，作者的任务是系统的规划和各个部分的 协调，并且独立设计了这个仪器的硬件电路，包括c p l d 编程和单片机的 编程部分，以及与计算机的通讯协议的制定。在文章的附录部分给出了仪 器的硬件外形和计算机的控制界面。 关键字：虚拟仪器，u s b 接口，示波器，可编程逻辑器件，a d 转换器 i i 查堕堡三盔堂堡主塑塞圭堂焦堡皇一 s t u d yo fv i r t u a lo s c i l l o g r a p h b a s e do n u s b a b s t r c t v i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) i san e we l e c t r o n i ci n s m m a e n tt h a ti sc o m b i n e d w i me l e c t r o n i cm e a s m et 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 y i th a sg o o d o u t l o o k t h ea i m o f t h i s p a p e r i s t o d e s i g n a v i r t u a l o s c i l l o g r a p h ( v o ) b a 。s e d o 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 t a l s oap e r i p h e r a lo f c o m p u t e r s t o g e t h e r 们t l lc o m p u t e r s ，t h ei n s t r u m e n tc a n c o n s t r u c tap o w e r f u lt e s ts y s t e m b e g i no ft h ep a p e r , i n t r o d u c e dt h e v i r t u a li n s t r u m e n t sa c t u a l i t ya n d o u t l o o k ，e x p l a i n e dt h ep a p e r sa b r o a da p p l i a n c eo u t l o o k a n ds y s t e ma n a l y s e d t h ed e s i g n sf f m c t i o nt h e nb r o u g h tf o r w a r dp r i m a r yp e r f o r m a n c et a r g e t s i n f o l l o ws e c t i o n s ，d e t a i l e de x p l a i n e de v e r yp a r t sf u n c t i o na n dr e a l i z e dm e a n s t h i sc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ef o l l o w i n gp a r t s ，t h ef i r s ti sa b o u ta n a 3 0 9 s i g n a lp r o c e s s ，w h i c hs t a r t s 砸t i li n s t r u m e n ts e c u r i t ya n da c c u r a c yr e q u i r e m e n t s ， i n t r o d u c e s a n a l o gs i g n a p r o c e s sc i r c u i tb e f o r ea dc o n v e r t e r t h es e c o n d i n t r o d u c e sc o n t r o l l i n gl o g i co fd a t ac o l l e c t i o nc a r d ，w h i c hi st h ee m p h a s e sa n d d i f f i c u l t yo ft h ew h o l ed e s i g n t h er e a l i z a t i o no ff u n c t i o nm a i n l yb a s i so n i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 c p l d t h e m a i n l yf u n c t i o ni st oc o n t r o lp r o c e s so f d a t ec o l l e c t i o n , i n c l u d i n g t h ec o l l e c t i o na n ds a v eo fd a t e ，t h er e a l i z a t i o no f t r i g g e rl o g i ca n di n t e r f a c e w i t hm c u t h et h i r d p a r ti n t r o d u c e st h ei n t e r f a c eb e t w e e n d a t ec o l l e c t i o nc a r d a n d c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n i n t h i sd e s i g n t h ew r i t e ru s e su s bi n t e r f a c e i n a d v a n c e ，s i m p l yi n t r o d u c eu s b f o l l o w i n g ，i n t r o d u c ec o n c r e t ec i r c u i ta n d p r o g r a m m e rd e s i g no fm c u f i n a l l y , i n t r o d u c ea n t i d i s t u r bd e s i g no fs y s t e m i nt h ew h o l e d e s i g n ，t h ew r i t e rm a i n l yw o r k so ns y s t e ml a y o u ta n dh a r m o n i z e o fe a c h p a r t s b e s i d e ，t h e w r i t e r d e s i g n si n d e p e n d e n t l y c i r c u i to ft h i s i n s t r u m e n t ，i n c l u d i n gp r o g r a m m i n go fc p l da n dm c u ，a n dd e s i g n i n go f c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l w i t h c o m p u t e r t h ea p p e n d i c e s l i s tf o r mo ft h e i n s t r u m e n ta n dc o n t r o l p a n e lo f c o m p u t e r k e y w o r d s ：v i r t u a l i 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 太原理工大学硕士研究生学位论文 一绪论 1 虚拟仪器的现状及发展展望 ( 1 ) 传统示波器介绍 示波器在现在的电子设计以及开发研究中已经成为不可缺少的工具 之一，也是最重要的工具之一，示波器大致可分为模拟示波器、数字示波 器，以及本文所介绍的虚拟示波器等几大类。m 模拟示波器长期以来直是波形测量的主要工具，它能把抽象的各种 电信号比较直观地显示在屏幕上，以便对信号进行定性的分析。这种示波 器通常由垂直偏转系统( 主要包括垂直放大) 、水平偏转系统( 主要包括 扫描彝水平放大) 和显示电路组成。模拟示波器只能用来观察和分析重复 的周期信号，对于慢速信号、单次或偶尔出现的高频信号，是难以观察和 分析的。模拟带宽可以做到很高是其突出的优点所在。3 随着数字技术的飞速发展数字示波器中已经成为了现代示波器的主 流，数字存储示波器以其独有的优点在科学研究，电子设计和设备维修中 起着越来越重要的作用。数字存储的方法克服了模拟示波器所有缺点，并 且还带来了很多附加的特色，下面列出部分特点嘲： 可以显示大量的预触发信息。 可通通过使用光标和不使用光标的方法进行全自动的测量。 可以长期贮存波形。 可以在打印机或绘图仪上制作硬拷贝以供编制文件之用。 太原理工大学硕士研究生学位论文 可以按通过不通过的原则进行判断。 波形信息可用数学进行处理。 ( 2 ) 虚拟仪器的现状与展望 虚拟仪器( 简称v i ) 是电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具 有很好发展前景的新一类电子仪器。虚拟仪器要比传统的电子仪器更为通 用，在组建和改变仪器的功能和技术性能方面更为灵活、更为经济，更能 适应迅猛发展的当代科学技术对测量技术和测量精度的要求。所以，导致 了现在的虚拟仪器飞快发展。0 1 虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，实际上，使用者 是在操作具有测试功能软件的电子计算机进行测量时，犹如操作一台虚设 的电子仪器，虚拟仪器因此而得名。“”1 虚拟仪器由硬件和软件两部分组成嘲。虚拟仪器的硬件主体是电子计 算机，通常是个人计算机也可必是任何通用电子计算机。为计算机配置 的电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟数字转换器 ( a d c ) 、数字模拟转换器( d a c ) 、数据采集卡( d a q ) 等。电子计算 机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基 础。电子计算机和数据采集模块通过与配套的计算机测试软件结合起来， 组成通用的一台完整的电子测量仪器。使用者是通过友好的图形界面( 通 常是设在电子计算机终端显示屏上图形化的虚拟菜单式控制机构，这些菜 单式的控制机构的图形，通常只占显示屏的一部分，形成了虚拟仪器的虚 拟前面板) ，以点击菜单来调控虚拟仪器的性能，就像在操作自己定义、 自已设计的一台电子仪器。测量信号是由测试软件的调理，经由电子测量 硬件平台的采集，再经电子计算机的处理，得到最终的测试结果，并以数 2 查堕堡三盔堂亟主堑塞生堂焦迨塞 据、曲线、图形甚至是多维测试结果模型，显示在电子计算机的终端显示 屏上( 通常占据着电子计算机终端显示屏的主要幅面) 。当然，测试结果 也可以直接通过计算机网络传送或记录保存。 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软 件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪 器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响的开发环境，是n i 公 司的l a b v i e w 软件和l a b w i n d w o s c v i 开发软件。l a b v i e w 采用图形化编程 方案，是非常实用的开发软件。l a b w i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的开发 人员准备的、在w i n d o w s 环境下的标准a n s ic 开发环境。除了上述的优 秀开发软件之外，美国h p 公司的h p v e e 和h p t i g 平台软件，美国 t e k t r o n i s 公司的e z - - t e s t 和t e k t n s 软件，以及美国h e md a t a 公司的 s n a p - - m a r t e r 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件 【1 1 虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术传统领域的各类仪 器。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济 性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的 更高更新的测量课题和测量需求。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不 能前进”。1 虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。 本文是在虚拟仪器概念的基础上结合模拟，数字示波器的优缺点，研 究出的一种基于u s b 总线的虚拟示波器，本虚拟示波器将计算机和测量系 统融合于一体，用计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功能，用计算机 的显示器代替传统仪器物理面板。本设计利用n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 软件在上位机上设计出的操作方便、形象逼真的仪器面板，不仅可以实现 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 传统示波器的功能，而且具有存储、再现、分析、处理波形等特点，还可 以进行各种信号的处理、加工和分析，完成各种规模的测量任务。而且仪 器的体积小、耗电少，方便携带，可以在不同的计算机上使用。 2 系统规戈 j 系统的完成，规划是最重要的，在开始做具体的工作之前，作者结合 “自顶向下”设计思想，按照系统行为描述，系统功能划分，系统子结构 设计这样的设计规划流程对系统进行了规划设计，为以后的设计奠定了坚 实的基础。本论文的结构安排也是按照这样的流程进行的。虚拟示波器由 硬件电路和上位机程序组成。但本文的重点是对硬件电路的介绍，包括模 拟信号处理，数字信号处理，控制逻辑的实现，还有与上位机通讯的单片 机程序。以下将一一介绍。 ( 1 ) 仪器功能 本虚拟数字示波器设计参考了h p 公司的双通道台式数宁存储示波器 h p5 4 6 0 3 b 的功能，并在仪器分析和处理功能上有所扩展。仪器主要功能 包括：双通道信号输入、触发控制、通道控制、时基控制、波形显示、参 数自动测量、频谱分析、波形存储和回放等。表l l 是本虚拟数字示波 器与h p5 4 6 0 3 b 的功能对照表。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 1 虚拟示波器与h p5 4 6 0 3 b 功能比较 、示波器 比较项目、 虚拟数字示波器 h p 5 4 6 0 3 b 、 采样速率：i i j s s 采样速度：2 0 m s s 数据采集 1 0 m l s s 分辨率：8 b i t s 分辨率：8 b i t s 通道c h l 或c h 2 ；通道1 或2 ； 波形显示模式 x ym o d ex - ym o d e c h i + c h 2 及c t t l - c b 2 b1 + 2 及卜2 电压参数测量v r m s 等1 2 个参数v r m s 等7 个参数 时间频率参数测量7 个参数7 个参数 定位标尺 两个 两个 分析功能频谱分析李沙育分析无( 标准配置) 数据存储硬盘或软盘2 组易失性存储器 测量结果显示所有结果同时显示最多同时显示- - d 、 ( 2 ) 系统功能划分 虚拟数字示波器的主要功能是将数据采集卡的采集结果通过计算机 接口传送到计算机中进行处理并显示，同时上位机对数据采集卡进行各种 功能的控制。所以本虚拟示波器由一块u s b 总线的多功能数据采集卡和相 应的上位机软件组成。将它们安装在一台运行w i n d o w s 操作系统的p c 机 上，即构成一个功能强大的可存储数字示波器。功能框图如下图l l 所 示： 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 霉! 一i 系统框图 f i g l 1s y s t e mf l ：m c f i o n a lb l o c kd i a g r a m 数据采集模块 数据采集模块主要完成数据采集的控制，包括输入信号处理模块，a d 模块，a d 结果存储模块，逻辑控制模块，通讯模块。功能框图如图卜一2 所示： 图1 2 数据采集卡框图 f i g l - 2f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo f d a t a a c q u i r ec a r d 输入信号处理模块的主要功能是将对被测信号的各种参数进行处理， 转化成符合a d 电路输入要求的信号，并满足测量精度的要求。这一部分 的电路还包括对数据采集卡和被测电路进行保护的电路。这一部分是整个 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 数据采集卡的基础，直接影响到测量的精度和整体的安全性。 在数据采集卡中最重要的部分是a d 模块，a d 结果的好坏，稳定性， a d 转换的快慢直接关系到整个数据采集卡的速度等级和测量精度。本数据 采集卡的采样率是1 0 0 m h z 分辨率为8 位 a d 结果存储模块的主要作用是将a d 采集的结果按照一定的格式和顺 序，保存在数据采集卡上的缓冲区内，因为a d 模块的采样速度是很快的， 而u s b 的传送速度是不能将采集的结果实时地传送到计算机中，所以现将 a d 的结果保存在一个高速的缓冲区里，这样就解决了采样速度快和数据传 送慢之间的矛盾。 逻辑控锖0 模块是整个数据采集卡的控制核心，由于单片机的速度不：是 很快，不能对数据采集卡上的高速电路进行控制，所以必须有专门的逻辑 控制电路来实现对高速电路的控制。在这里采用了复杂的可编程逻辑器件 ( c p l d ) 实现这部分的功能。 通讯模块的作用是将数据采集卡上缓冲区内的数据读出并传送到上位 机中进行处理，显示。本数据采集卡采样了u s b 接口进行数据的传送。 软件的设计与实现 兰兰兰竺卜 _ 一波形显示 触发控制b - 一电压参数测量一 通道控制b 叫数据采集 1 一数据处理卜 f 。 一时间参数测量 l 数据存储 厂 时基控制h jl一频谱分析 i 图1 3 示渡器软件结构框图 f i g l - - 3f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo f v i r t u a lo s c i l l o g r a p h ss o f e w a r e 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 这里的软件主要是在计算机上运行的软件。它和数据采集卡配合控制 完成信号的采集、处理和显示。系统软件总体上包括数据采集、波形显示、 参数测量、频谱分析及波形存储和回放等五大模块，基功能结构框图如图 卜3 所示 波形显示模块 软件提供了三波形显示模式： a c h i ，c h 2 ，c h i & c h 2 模式：通过显示通道选择按键”c h i ”和”c h 2 ”， 可以任意显示某一通道或两通道输入信号的波形； b x y 模式：当两通道都处于选通状态时，使用此模式来显示李沙育 ( l i s s a j o u s ) 图形、测量相位差或频率； c c h i + c h 2 bc h i c h 2 模式：当两通道都处于选通状态时，使用此模 式来显示两通道信号代数相加、相减后的波形。 参数测量模块 参数测量模块主要模拟h p5 4 6 0 3 b 的参数测量功能，完成包括v r m g 等1 2 个电压参数和频率、周期等7 个时间参数的测量并显示其测量结果。 频谱分析模块 频谱分析模块采用快速f f t 算法，完成频域信号分析。可实现频谱分 析控制。 数据存储和回放模块 按键“保存”控制进行数据存储；按键“回放”控制从数据文件中读 取数据显示。 ( 3 ) 所要达到的主要的技术特性： 模拟带宽：5 0 , t t t z ( - 3 d b ) 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 a d 转换率：1 0 0m h z 垂直解析度：8 b i t s 垂直灵敏度：l o m v l v v d i v 水平扫捕范围：2 0 n s l o m s t d i v 存储深度：6 4 k 垂直端输入耦合：a c ，d e ，g n d 接口：u s b l 1 输入最大电压：4 0 0 v p p 以上从系统行为描述，系统功能划分的角度对这个设计的任务进行了 下概括性的介绍。在以后的章节中将从系统子结构实现方面对各个模块 进行详细的说明。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 二模拟信号处理电路 1 输入信号调理电路 示波器的输入信号范围是很大的，普通示波器输入的安全电压是 4 5 0 v p p ，可以有效测量的电压范围是5 0 v p p ，而在虚拟示波器中的a d 转换 集成电路的供电电压是+ 5 v ，最大也只有+ 1 2 v ，a d 电路的被测信号输入 端的安全电压必须小于电源电压，否则将损坏a d 芯片。所以必须将输入 的被测信号的电压范围调理到a d 芯片的可测范围内，这样才能安全，正 确地进行a d 转换。另外，作为一种测量仪器，在对电路的某个信号进行 测量时，不能对被测电路的其他部分造成影响，这样就要求测量仪器的输 入阻抗很大。基于以上的原因，就有必要对输入的信号进行调理，保证在 精确测量的同时保护仪器本身和测量电路的安全，并且不对被测电路造成 影响。3 前端调理电路主要由保护电路，衰减控制，阻抗变换，主放大级，偏 置调节等部分组成。其框图如图2 一l 所示： 1 0 太亟理工大学硕士研究生学位论文 图2 1 信号调理电路框图 f i g 2 - 1f u n c t i o n a lb l o c k d i a g r a mo f s i g n a l sp r o c c s s 信号调理电路如图2 - 2 所示： 图2 2 信号调理电路 f i 9 2 _ it h ec i r c u i t o f s i g n a l sp r o c e s s l l 查堕堡三奎堂堡主堡基生堂垡笙銮一 图中保护电路主要采用了二极管钳位电路，对电路进行保护。该电路 设计简单，可靠性强等优点。 衰减网络主要由电阻和继电器组成分压网络。可以实现l o ：1 分压， 在选择量程比较小时( 2 0 m v v d i v 5 0 m v v d i v 1 0 0 m y v d i v ，) 不对输 入信号进行衰减，选择的量程大时( 2 0 0 m y v d i v ，5 0 0 m v v d i v ，i v v d i v ) ，先将输入的信号进行1 0 ：l 衰减，然后进入后面的处理模块，这 样就避免大的信号在阻抗变换和信号放大网络出现输出信号饱和的现象。 阻抗变换功能主要由高带宽的射极跟随器实现。由于示波器的输入电 阻是l m ，所以利用阻抗变换电路将高的阻抗输入变换成低的阻抗输出。 信号放大是信调理电路的重要组成部分。其作用是将输入的小信号放 大，要求信号在电路中的失真尽量小，增益稳定。因此选择了高带宽，低 功耗，电流反馈型运算放大器m a x 4 1 1 7 。电路的量程设置如表2 1 所示： 表2 一l 量程设置表 一一一t a b l e 2 1 s e t u ps h e e t o fm e a s u r es c a l e 量程设置开关状态 耦合方式量程( v d i v ) k 1k 2k 3k 4k 5k 6 g n dg n do f fo f f0 f f o no f fo f f a c2 0 m yo f fo no f fo f fo no f f d c2 0 m vo no no f fo f fo no f f a c5 0 m vo f fo n0 f fo f f0 f f o n d c5 0 m yo no no f f0 f fo f fo n a c1 0 0 m vo f f o n o f f0 f fo f fo f f d c1 0 0 m vo no no f f o f fo f fo f f a c2 0 0 m v0 f fo f fo n0 f fo n0 f f d c2 0 0 m vo no f fo n0 f fo no f f a c5 0 0 m vo f fo f fo no f fo f fo n d c5 0 0 m vo no f fo no f fo f fo n a ci vo f fo f fo no f fo f fo f f d ci vo no f fo n0 f f0 f fo f f 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 输入信号调理中还有一部分就是输出电路的偏置调节。因为运算放大 器的输出直接接a d 转换器的输入，而a d 转换器要求输入信号的有效范围 是0 5 v 1 5 v ，中心电压是l v ，而运算放大器的输出电压在一5 v + 5 v 内的任意付置，所以必须将输出电压的范围固定在0 5 v 1 5 v 之间。在 这里用了一个d a 芯片实现这个功能。所用的d a 芯片是l t c 4 1 1 6 ，其内部 有两个1 2 位的d a 转换器，最大的输出电压是4 0 9 5 v ，分辨率为1 m v ，采 用了s p i 接口( 串行外设接口) ，用三条输出线就可以控制两个d a 的输出 电压。内部结构如图2 3 所示： 图2 3l t c l 4 4 6 内部结构1 f i g 2 1 3f u n c t i o n a lb l o c k d i a g r a mo f l t c l 4 4 6 1 3 址 蜊d v 叫t 奎星垄三盔兰亟主婴塞生堂焦鲨壅 在数据采集卡中，对l t c l 4 4 6 的控制用c p l d 中的时序电路实现。用三 根输出控制线就可以将d a 的输出电压控制在0 4 0 9 6 v 的范围内。c p ，d 原理框图如下图所示： ；d a t 邮删 i w r ja o r 口q i c l k 图2 4l t c l 4 4 6 k 控制框图 f i g 2 - 4c o n t r o lb l o c k d i a g r a m o f l t c l 4 4 6 c p l d 对l t c l 4 4 6 控制时序如图2 5 所示： c s1 4 4 6 c 1 4 非 洲1 4 辅 图2 5l t c l 4 4 6 控制时序图 f i g 2 5t i m i n g d i a g r a m o f l t c l 4 4 6 sc o n t r o l 图中的w r ，d b u s ，c b u s ，分别和单片机的写信号，数据总线，地 址总线连接。c s _ 1 4 4 6 ，c l k _ 1 4 4 6 ，d i n 一1 4 4 6 分别和l t c l 4 4 6 的c s ， c l k ，d i n 引脚相连。 图中的状态表示要将l t c l 4 4 6 的两路输出全部为4 0 9 6 v 。因为对 】4 太原理工大学硕士研究生学位论文 l t c l 4 4 6 的两路d a 输出的控制信号要2 4 位，而数据采集卡上的单片机是 8 位的，所以只能将单片机输出的控制信号分为4 个字节分别传送给c p l d ， 这4 个字节在单片机中的地址分配分别为o x f f f b ，o x f f f e ，o x f f f f ，o x f f f 8 ， 所以在上面的时序图中先对这4 个地址写控制字( 在图中的情况4 个字节 全为o x w ) ，每一个字节对c p l d 的锁存信号为单片机的写信号( w r ) ，对最 后一个字节写入控制字后，就开始置l t c l 4 4 6 的片选信号有效( 低电平) ， 将写入的2 4 位数据通过c p l d 的引脚( d i n1 4 4 6 ) 串行输出给l t c l 4 4 6 的 数据输入端。同时每发一位数据还要在时钟引脚上( c l k1 4 4 6 ) 发出 l t c l 4 4 6 需要的时钟信号。这样就完成了对l t c l 4 4 6 的控制。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2a d 转换电路 ( 1 ) 信号采样理论介绍 对于一个数据采集卡来说，最重要的指标之一是它的a d 采样频率的 大小，采样频率的大小决定了被测信号的范围，两者之间的关系可以用采 样定理来确定。 香农( s h a n n o n ) 采样定理：为了避免信息损失，带宽为厂模拟信号必 须用厂2 厂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( o ，厂。) 范围内，如果以不小于厂，一f 。的采样速率对x ( t ) 进行 等间隔采样，得到时间离散的采样信号x ( n ) = x ( n t ) ( 其中t = l f s 称为采样间隔) ，则原信号x ( t ) 将唯一地被所得到的采样样本x ( n t ) 完全 丽乏。 本设计采样i o o m h z 采样速率的a d 采样芯片( a d 9 2 8 8 b s t i 0 0 ) ，模拟 通道的带宽为5 0 m h z ( 正弦波) ，所以采用这个数据采集卡，可以测到最少 1 0 m h z 的方波。 ( 2 ) a d 转换电路 在虚拟示波器电路中，将模拟量数字化的三个过程，“取样”，“量化”， 及“编码”是由模拟数字转换器( a d c ) 来完成的。模拟数字转换器将一 个未知的连续模拟信号转换为离散的数字信号，进一步用于c p u 的处理、 显示、记录和传输。它是数字示波器的核心，决定着示波器存储带宽、分 辨率等主要指标。 在数字示波器中，涉及对宽带信号进行数据采集和存储。高速数据的 】6 太原理工大学硕士研究生学位论文 采集技术是宽带模拟信号数据采集的关键技术。所以，选用一个稳定性， 分辨率，转换速度符合要求的a d 芯片是至关重要的。最后经过调查，试 验选择了a n a l o gd e v i c e s 公司的a d 9 2 8 8 模拟数字转换器。 a n q 2 r r 的内部结构如图2 6 所示： 内部由采样保持电路，基准电压源，数模转换电路，输出寄存器，和 时钟电路组成。 謦口d 蚝 蟊翱d v d d 码嘲| s e h ；盯拱 艇h 酊# 2 鼬i 赢f 珏鞴髓鱼1 s e h j 。 蛹胡 图2 6a 0 9 2 8 8 功能框图1 h g 2 - 6f u n c t i o n a lb l o c k d i a g r a mo f a d 9 2 8 8 a d 9 2 8 8 的性能特点 a d 9 2 8 8 是8 b i t 双通道含有采样保持电路的单片集成的模数转换器， 具有低功耗、体积小、动态特性好、易于实用的特点。 其性能如下： 】7 奎堕垄三奎堂堡主婴塞生堂焦堕塞 一 一一 双通道8 b i t 分辨率。 4 0 m s p ，8 0 m s p ，i o o m s p 三种型号采样速率器件可供选择。 低功耗c z 作在l o o m h z 时，每个通道仅为9 0 r o w ) 。 每个通道4 7 5 m h z 的模拟带宽。 内部集成1 2 5 y 参考电压。 两种数字信号输出格式：二进制补码和偏移二进制输出格式。 四级流水线结构。采用的是四级流水线结构的采样方式，即在第n 个时钟信号时输出的信号是前四个时钟周期时( 即第n 一3 个对钟) 的采样结 果。这样就可以实现高速的数据转换率。 四种工作模式可以选择。 模拟数字转换部分电路如图2 7 所示： 下面详细介绍a d 9 2 8 8 在系统中的配置以及与外围电路的配合： 电源 由于a d 9 2 8 8 转换最高速率是1 0 0 2 ，所以系统给a d 9 2 8 8 提供的电源必 须要求足够稳定。a d 9 2 8 8 有模拟电源输入和数字电源输入，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 u f ，l o u f 两个 个量级的贴片电容，用以消除系统中的商频信号耦合到电源中，给系统带 来噪声。 基准电压源 在本设计中利用了a 0 9 2 8 8 的内部的1 2 5 v 基准电压源作为参考电 压，也就是将参考电压的输出引脚直接和两个通道的参考电压输入端直 按相连。并接上0 1 u f 的电容去处高频干扰。这样使a d 电路基准电路设 计简单，可靠。 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 尉2 7 模拟数字转换电路 f 蟾2 7t h ec i r c u i to f a d a d 9 2 8 8 由两个工作方式配置引脚；s l ，s 2 在本设计中采用了s i = i ，s 2 = o 方式，即a 通道和b 通道都接同 一个时钟，两个通道同时输出数据。这样就可以简化a d 时钟电路和 a d 采样结果保存电路。具体时序如图2 - - 8 所示： 1 9 盔厘墨三盔堂堡主堕塞生堂焦丝塞 图2 8a d 转换时序图1 f i g2 - 8t h et i m i n gd i a g r a m o f a dc o n v e r s i o n 时钟电路 在应用高速a d 转换器时，转换时钟的质量是至关重要的，时钟的 稳定性将影响到转换结果的稳定性。在本文中a d 时钟由有源晶振产生， 再由c p l d 中的分频电路，输出上位机所选时基下对应的采样时钟，再经 过高速比较器的整型后得到稳定的a d 采样时钟。最后将时钟输入到 a d 9 2 8 8 的两个通道的时钟输入端，两个通道使用一个时钟。电路如图2 9 所示： 2 0 图2 9a d 时钟电路 f i g 2 - 9t h ec i r c u i to f a d sc l o c k 其中的高速比较器是8 a x 9 6 1 ，其延时时间为4 n s ，电流消耗为5 m a ， 一完全满足系统的要求。r 1 ，r 2 作用的产生一个电压滞环，使系统的稳定 性提高，而且使时钟的上升沿变得更陡，使a d 的转换结果更加准确。 c p l d 的时钟分频时序如图2 1 0 所示： n a m e ： _ v a l u e ：一1 2 6 9 n s5 0 9 n s 7 5 o n sl t i l ；0 n s1 2 5 ：0 n s j 蕾_ c l k 0 ：n 门厂 n 厂 厂 r 几r r 厂 广 门几 嗣卜w r 1_ _ j ： ：；、i ；j ： _ ： j 虚芦d b u s h 堕x 0 1 x ： 。 ，： 。0 口： 圈妒c o o s h0 虱 d ：x ，： j，-o ， _ 叠c l ko u t 0 厂 ：l。l ：ii ：l ；i | ，：l 二 图2 10 时钟控制时序图 f i g 2 - 1 0t h e t i m i n gd i a g r a mo f c l o c kc o n t r o l 图中的w r ，d b u s ，c b u s ，分别和单片机的写信号，数据总线，地 2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 址总线连接。c l k 为有源晶振输出的1 0 0 m h z 的时钟信号。c l k _ o u t 为 分频后的信号。在图中所示的状态对c l k 进行4 分频的时序图，c p l d 中 分频电路在单片机的地址中是0 x f f f d ，所以单片机对该地址写入分频比 的粹制字，就可以实现对1 0 0 m h z 信号的分频。 数据输出格式 在本设计中a d 9 2 8 8 数据输出格式为偏移二进制输出格式，即输入电 压0 5 v 1 0 v 范围内时，数字量输出为0 x 0 0 0 x 7 f ，输入电压在1 o v 1 5 v 范围内时，输出的数字量为0 x 8 0 0 x f f 。 量化误差 在一个包含a d 转换器的数字采集系统中，当输入噪声电平较低时， 可以看作是理想情况，此时系统嗓声主要是量化噪声。 理想a d 转换器采用均匀量化，其转换交流信号的误差仅仅是量化误 差。理想a d 转换器产生的最大量化误差是1 2v q ( 量化电压) 。当a d 转换器的满量程范围为( 一v ，+ v ) 时，n 位a d 转换器的量化电压v q 等于： v q = 2 v 2 ” 布系统采用输入满量程为1 v 的8 位a d 转换器。其量化电压为： v q = l 2 8 = 4 m y 其量化噪声约为2 m v 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 三数据采集卡控制电路 1c p l d 技术简介 在本设计中采用了a l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 系列的e p m 7 5 1 2 用于整个数 据采集卡控制电路的设计。a l t e r a 公司的产品与其它公司p l d 产品的最 大区别是它采用连续式的互连结构，即采用同样长度的一些金属线实现逻 辑单元问的互连。在逻辑单元间提供快速、具有固定延时的通路。这种结 构的优点是布线速度快且易于仿真，在实现复杂的大型设计时，可以缩短 开发周期。” e p m 7 5 1 2 是m a x 7 0 0 0 系列的产品，有5 1 2 个宏单元，多种不同i o 引脚 数目的封装可供选择，内联基于e e p r o m ，组合传输延迟可快至5 n s ，输入 寄存器的建立时间非常短，可提供多个系统时钟且有可编程的速度功率 控制，多电压输出接口。其寄存器的配置是非常灵活的，非常适合高速数 据采集的逻辑控制。 开发a l t e r a 公司的可编程逻辑器件有两种软件，q u a r t u s 和m a x + p l u s i i 。本设计采用t 雌x + p l u s i i 可编程逻辑开发软件，其提供了一种与 结构无关的集成化设计环境，使设计者能对a l t e r a 的各种产品系列方便 地进行设计输入、快速处理和器件编程。 本次设计在设计c p l d 逻辑时采用自顶向下的设计方法，上层逻辑用 图形法设计，底层采用了国际上通用的v h d l ( v h s i ch a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 语言进行设计。这样使得设计层次明确，明确了 各个层次的作用和互相的关系，有利于模块的通用性，使得设计和调试变 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 得简单。缩短了开发周期。” 2 数据采集卡控制逻辑 ( 1 ) 功能介绍 在本设计中单片机的功能主要是将a d 的转换结果通过u s b 接口送到 计算机，而大部分的控制逻辑功能是由c p l d 实现的，单片机和c p l d 之间 的联系主要通过数据总线，地址总线，和控制总线( w r 和r d ) 联系，单 片机对数据采集卡的各种命令的实现是通过读写外部储存器的形式发给 c p l d 的，就象对外部的存储器操作一样简单，这样使得单片机可以将大部 分时间用于数据的传递，而不必参与具体的逻辑控制，而且c p l d 实现控 制的速度要比单片机快的多，有些控制的实现用单片机是不可能实现的 ( 比如触发控制) ，而对于c p l d 来说是远远能够胜任的，实践证明这种功 错配方式是完全可行的，并且达到了预期的效果。 c p l d 实现的逻辑控制功能主要有以下几部分： 实现与单片机的接口 对单片机的命令译码 将a d 采样结果保存到s r a m 从s r a m 中读取转换结果 控制两个s r a m 的换体 实现触发控制( 包括触发源选择，触发电平设置，触发沿设置) 量程选择的实现 采样时钟的设置 设置信号调理电路的基准电平 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 功能框图如图3 1 所示 图3 一l 控制逻辑框图 f i g3 - 1f u n 撕o n a lb l o c kd i a g r a mo f c o n t r o l l o g i c 其中信号调理基准设置，和时钟控制电路前面已经介绍过，在这一部 分就不再介绍。 ( 2 ) 功能块介绍 单片机接i l l 及指令译码部分 2 5 盔星堡三盔堂堡圭堑塞生堂焦造壅 数据采集卡中c p l i ) 与单片机的接口为标准的总线接口，这样做的好处 是接口简单可靠，节省单片机的资源，逻辑控制功能升级，更新简单，对 硬件电路依赖性低，几乎可以不改变硬件接线而使功能更新。 单片机可阻通过这样的接口对数据采集的全过程进行控制还可以将 数据采集结果和数据采集卡上各个电路的状态全部送到计算机中。逻辑功 能主要由地址译码( 指令译码) ，数据的接受和发送等部分组成。在本设 计中用到的地址线有5 根，可以实现6 4 种不同的操作，