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中北大学学位论文 基于等效时间采样的高速数据采集及无线发射系统的设计 摘要 本文以“窄脉冲时域反射仪的设计 课题为背景，针对该仪器产生的波形特点： 在同一次测试中多次启动发射电路将产生一个固定的波形。对该固定波形，采用精确设 计采样点，把高速数据采样转换为相应的多次低速采样，并将采集所得波形进行重新拼 凑，达到高速数据采集的目的，采集数据的传输采用r f 无线传输模式。 系统采用了一组较低采样速率的a d ( 模拟数字) 转换芯片和较低速大容量的存储 芯片，通过计数器计时结合专门编写的控制模块精确确定采样时间，由此产生的时钟控 制信号精确地控制低速a d 转换芯片的采样点，并存入对应的存储单元，最后将数据按 照高速采集的要求重新组合，达到高速数据采集的要求。本文在深入地讨论了基于c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 技术的电路的设计过程的 基础上，详细叙述了数据采集逻辑控制模块的硬件研制过程、系统软件设计过程和 v h d l ( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 硬件描述语言设计过程。设计了无线数 据发射模块。 该系统具有较高的性能价格比，满足设计的频率1 0 0 m h z 的数据采集所需要求，具 有较高的实用价值，并且采用了i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m a b l e ，在系统可编程) 技术，使 得电路的修改和升级像软件一样方便、快捷，整机体积也大大缩小了，满足了发展的需 要，并加快了该项目的开发进度。整个系统具有较简单的硬件电路和较低的成本，并且 可以有效提高窄脉冲时域反射仪的测量精度，同时该系统以其高的性能价格比使其在 r g b 图象处理、高精度视频、数字存储示波器、电力电缆故障测试、国防、航空航天、 通讯等领域可以得到广泛的应用。 关键词：等效时间采样，高速数据采集，无线传输，v h d l ，r f 中北大学学位论文 t h e d e s i g no fh i g hs p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do ne q u i v a l e n t t i m es a m p l i n ga n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e m a b s t r a c t t h ep a p e ri su n d e rt h eb a c k g r o u n do f n a r r o w p u l s et i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t r y ( n a n o w - p u l s et d r ) b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a v e 。t h ep a p e rr e a l i z et h e h i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nb ym e a n so fa c q u i r eaf i x e dw a v em a n yt i m e sa n dd a t ap r o c e s s i n g i na d d i t i o n ，t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s s e sa n da n a l y z e st h et h e o r ya n ds t r u c t u r eo fh i g h s p e e d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n d a n t e - j a m m i n g t e c h n o l o g y t h et r a n s m i s s i o no fc o l l e c t i n gd a t au s e s r fw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d e t h eh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mu s e sl o w s p e e ds a m p l er a t ea dc o n v e r t e ra n d l o w s p e e dm e m o r i z e r t h es y s t e mg e n e r a t e st i m es e q u e n c eb yt h ec o u n t e ra n dc o n t r o lm o d u l e t h es y s t e mc o n t r o lt h el o w s p e e ds a m p l er a t ea dc o n v e r t e ra n dl o ws p e e dm e m o r i z e rv i a t h e t i m es e q u e n c e a tl a s t ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ea dc o n v e n e ra n d m e m o r i z e rb yu s i n gt h ev h d l ( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) b a s e do nc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，d e s i g n st h ew i r e l e s sm o d u l eo fd a t at r a n s m i s s i o n i nt h ee n d ，t h eh i g h s p e e dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mu s e sl o ws p e e ds a m p l er a t ea d c o n v e r t e ra n dl o w s p e e dm e m o r i z e r , s ot h es y s t e mh a ss i m p l eh a r d w a r ea n dl o wc o s tb e c a u s e o fu s i n gi s p ( i ns y s t e mp r o g r a m a b l e ) t e c h n o l o g y , i tm a k e sd e v e l o pp r o j e c tm o r er a p i da n d m a k e sm o d i f yh a r d w a r ec i r c u i tm o r e e a s y s oc o m b i n e dw i t hu s eo fs o f tw a r e ，t h eh i g h s p e e d d a t a 。a c q u i s i t i o ns y s t e mc a l li m p r o v et h et e s tp r e c i s i o no ft h en a r r o w p u l s et d ra n ds i m i l a r t e s ts y s t e m - b e c a u s eo fi t sh i g hc a p a b i l i t ya n dl o w c o s t ，i tc a nb eu s e di nm a n yf i e l d sw i d e l y ， s u c ha s ：i m a g em a n i p u l a t i o n ，h i g h p r e c i s i o nv i d e o ，d i g i t a l s t o r a g eo s c i l l o g r a p h ，c a b l ef a u l t l o c a t i o n ，n a t i o n a ld e f e n c e ，a e r o s p a c ei n d u s t r ya n dc o m m u n i c a t i o n s k e y w o r d s ：e q u i v a l e n t t i m es a m p i n g ，h i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ， v h d l ，r f 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名墨! 垦盘 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：量进：整日期：签名：量进：逝日期： 导师签名： 0 8 s 、弓口 聃：勤卜 中北大学学位论文 1 1 研究本课题的背景及意义 第一章序言 计算机技术在飞速发展，微机应用同益普及深入，微机在通信、自动化、工业自动 控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用。在冶金、化工、医学和 电器性能测试等许多应用场合需要同时对多通道快变的模拟信号进行采集、预处理、暂 存和向上位机传送，再由上位机进行数据分析处理、自动报表生成、信号波形显示和输 出打印等处理。 数据采集( d a t a a c q u i s i t i o n ) 是获取信息的基本手段，数据采集技术作为信息科学 的一个重要分支，是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一 门综合应用技术。它研究数据的采集、存储、处理及控制等，具有很强的实用性。随着 现代电子科学技术的发展，对于单次信号、高速低重复率信号、干扰信号等高速瞬态信 号的测量就显的越来越重要，例如在图象处理、卫星遥感、遥测等方面，对于这些信号 的测量，必须采用高速甚至超高速数据采集，才能准确地记录和再现原始信号，以便对 其进行分析和处理。 从现有的技术和产品来看，低速、低分辨率的数据采集技术已相当成熟，实现起来 比较容易，单片a d c 即可满足要求，产品的稳定性和可靠性已无庸置疑。而高速数据采 集技术是信息技术的基础和前沿，目前我国的高速数据采集技术相对比较落后，是我国 信息技术的颈瓶，研究和发展该项技术对于我国的军用和民用领域都具有重要的价值和 广阔的应用前景。以数字化仪器为主的数据采集处理技术越来越广泛地应用于工业过程 控制、实时观察工业生产的动态及趋势。传统获取现场数据的方法，效率低、误差大、 难以输入计算机。而数据采集器是一种具有现场实时数据采集、处理功能的自动化设备， 它具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输等功能。为现 中北大学学位论文 场数据的真实性、有效性、即时性、可用性提供了保证，并能方便输入计算机，己广泛 应用在工业、农业、商业、交通、物流、仓储等行业f 1 2 j 。 高速数据采集是现在电子信息实时处理系统的重要环节，这是因为在某些情况下， 必须采用高速数据采集技术才能满足信息处理的实时性与准确性。譬如，雷达信号，干 扰信号等信息的采集与处理，只有借助高速数据采集才能够实现，本课题的研究与设计 将在r g b 图象处理、高精度视频、数字存储示波器、电力电缆故障测试、国防、航空 航天、能源、通讯等领域得到广泛的应用，所以高速数据采集系统的设计与应用，是适 应现代科技发展的关键，具有重要的理论和现实意义f 1 】o 众所周知，对一频带受限信号厂( f ) ，其频谱函数带宽为丘，则只有在抽样、日j 隔i 不 大于1 2 工时，信号f ( t ) 可以用等间隔的抽样值f ( n l ) 唯一表示，这就是时域抽样定理， 也称奈奎斯特( n y q u i s t ) 定理。也就是说，对带宽为f 的带限信号，必须用大于或等 于2 丘的采样频率采样彳可能最终恢复原信号。在带宽五越高时，对a d 转换器的采 样速率要求也就越高，这就严重制约了系统对更高带宽信号的晌应。但是，实际需要采 集的许多信号为周期重复信号，其基本特征是信号的重复出现，从而利用较低的采样频 率采样较高带宽信号并再现信号波形成为可能，这就是等效时问采样方法。该方法在数 字存储示波器中应用广泛。 本课题是省留学生基金“窄脉冲时域反射仪的设计”中数据采集无线传输及处理部 分。窄脉冲时域反射仪是利用脉冲的时域反射原理来测量电线、电缆等导体的长度的仪 器。本课题是将前级电路的发射脉冲和反射脉冲进行高速数掘采集，然后通过无线发射 芯片发送到上位机，上位机接收数据并进行处理计算出测量导体的长度。采用无线传输 可以使用多个下位机而共用一个上位机。本课题就是针对此应用对数掘采集及无线传输 部分进行了研究开发。 2 中北大学学位论文 1 2 数据采集系统的概述及发展现状 1 2 1 数据采集系统的基本概述 数据采集与处理系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识 别的数字信号，送进计算机处理、存储、传输和显示，以便实现对某些物理量的测量、 监视：其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。 数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下应有 尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求2 1 。 与模拟系统相比，数字系统有精度高、稳定性好等一系列优点，但数字系统只能处 理离散的数字信号。外部世界各种被检测量，如温度、压力、位移、流量、角度、位置 等，通过相应的各种类型的传感器转换成便于进一步处理的物理量( 一般为电压、电流、 电阻或电脉冲等信号) 。只有一部分传感器可以将外部世界的被检测量直接转换为数字 信号或开关信号( 只是一种只有0 、1 两个状态的数字信号) 。所以往往需要将这些模拟 信号转换为便于处理和存储的数字信号【2 1 。 图1 1 示出在实际外部世界中的数据采集技术。显然要采集的有以下三类信号： 外 部 世 界 1 、开关信号 图1 1 外部世界中的数据采集技术 3 中北大学学位论文 开关信号也即只有两个状态( 0 或1 ) 的数字信号，如丌关的合与断：继电器的激 励与释放等等。 2 、数字信号 数字信号即指用二进制形式表示的数，如数字电压表、键盘等的输出信息。频率输 出型数据传感器输出的信号也为数字信号。 3 、模拟信号 模拟信号系指在规定的连续时间内，对输入信号的幅值可以在连续范围内任意取值 的信号。 由于对开关信号或数字信号计算机可以直接采集处理，所以数据采集技术主要讨论 模拟信号( 特别是模拟电压信号) 的采集。将这些由模拟信号转换而来的数字信号与直 接来自传感器的其它数字信号、开关信号等送往计算机，并进一步予以处理、显示、传 输与记录的过程，称为数据采集( d a t a a c q u i s i t i o n ) 。实现数据采集的系统即为数据采集 系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) ，这通常包括模拟量输入、开关量输入、数字量输 入以及模拟量输出、开关量输出、数字量输出等子系统，在数据采集系统中采集模拟量 信号的子系统( 简称模入予系统) ，占有及其重要的地位。 1 2 2 数据采集系统的发展及现状 数据采集器的研制在国外己经相当成熟，而且数据采集器的种类不断增多，性能越 来越好，功能越来越强大。比如虚拟仪器的创始人美国国家仪器公司( n i ) 的各系 列数据采集卡，可配合n i 的虚拟仪器软件完全配置使用。美国f l u k e 公司的2 6 2 x a 系列 数据采集器是一种小型、便携、操作筒单、使用灵活的数据采集器。它可以单独使用， 也可以和计算机连接使用。它具有多种测量功能，多种数据存储方式和多种控制方式。 2 6 2 x a 共有2 1 路模拟输入通道，可直接测量电压( 交流直流至3 0 0 v ) 、电流( 利用分流器) 、 4 中北大学学位论文 温度( 9 种热电偶，一种铂电阻) 、频率和电阻等，8 路数字输入输出可用于数字信号的处 理。另外4 路用于报警输出【4 3 】。 美国恩泰克科学公司的数据采集器e d l ( e m o n i t o rd a t a l i n e ) ，该仪器技术先进、 功能齐全，并可以与恩泰克p m 软件d o s 版及e f m 窗口版的多种软件完全配置使用；美 国尼高力仪器技术公司的2 7 0 0 型数据采集器，完美地将数据记录仪，程控开关与数字表 的优势集于一身，是一款高精度、多功能、使用方便的多路数据采集器。惠普的h p 3 4 9 7 0 a 型数据采集器具有6 1 2 位分辨率，0 0 0 4 基本直流准确度和高达2 5 0 通道秒的扫描率， 非易失性存储器可保存多达5 0 0 0 0 个带有时间标记的读数，可测包括直流电压、交流电 压，由热电偶、r t d 和热敏电阻提供的温度，2 线3 1 1 4 线电阻，交直流电流，频率和周期。 在国内，由于数据采集技术不断发展，市场上出现了各种新型的数掘采集器。例如 北京凯文斯系统集成有限责任公司e 1 6 系y u e p p 并口宽动态范围的高精度数据采集器数 据通道最大可以达至z j l 6 个( 单端) ，可编程增益为1 、2 、4 、6 、8 t , 2 _ ，采样最高频率决定 于微机的c p u 及处理速度，一般为6 0 8 0 k i - i z 。北京测振仪器厂研制的h z 9 6 0 9 数据采集 器振动分析仪，它采用中文显示，直观醒目，操作简单方便；采用先进的微电脑技术， 工作可靠；采用高性能电池，体积小，重量轻，便于现场使用，采用频谱分析技术和故 障诊断技术，是进行数据采集，完成设备状态分析和故障诊断的得力助手，它可以与微 机通讯，建立设备状态数据库，对联设备进行更精细的状态分析。采用压电加速度传感 器，可测量振动信号的加速度，速度和位移，还可测量电压信号和转速信号，采样频率 为1 h z 一1 0 k h z 。北京众人精密测控技术公司的产品是f 一5 0 0 0 系列笔记本专用数据采集控 制器，具有程控增益( 1 ，2 ，4 ，8 ) ，通道扩展，0 2 的精度等特点，但分辨率不超过1 2 位( 市 场价格为7 0 0 0 r m b ) 。 总之，经过对国内外现有数据采集行业产品的性能、价格、功能的了解，其概况如 下： ( 1 ) 国外的数据采集器精度高采样速度快、功能较全，但价格教为昂贵。 5 中北大学学位论文 ( 2 ) 体积较大，操作复杂。 ( 3 ) 采样频率和采样精度两者不能很好的统一。 ( 4 ) 国内数据采集器的采样精度较低，一般为o 2 1 1 2 1 。 数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它与传感技术、信号处理技术、计算机 技术一起构成了现代检测技术的基础【3 2 】。 科学技术的发展己在数据采集的采样速率、分辨率、精度、接口能力及抗干扰能力 等方面提出了越来越高的要求【2 1 。迄今为止，工业上使用的数据采集系统大致可分为四 种： l 、基于通用微型计算机( 如p c 机) 的数据采集系统。这种系统主要功能是将采集 来的信号通过外部的采样和a d 转换后的数字信号通过接口电路送入微机内进行处理， 然后再显示处理结果或经过d a 转换输出。它主要有以下几个特点吼 系统较强的软、硬件支持。通用微型计算机系统所有的软、硬件资源都可以用来 支持系统进行工作。 具有自开发能力。 系统的软硬件的应用配置比较小，系统的成本较高，但二次开发时，软硬件扩 展能力较好。 在工业环境中运行的可靠性差，对安放的环境要求较高；程序在r a m 0 0 运行， 易受外界干扰破坏。 2 、基于单片机的数据采集系统。它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集 系统，是近年来微机技术快速发展的结果，它具有如下特点【1 2 1 ： 系统不具有自主丌发能力。因此，系统的软硬件丌发必须借助丌发工具。 系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则，因此系 统的软硬件应用配置比接近于1 ，具有最佳的性价比。系统的软件一般都有应用程序。 系统的可靠性好、使用方便。应用程序在r o m 中运行不会因外界的干扰而破坏， 6 中北大学学位论文 而且上电后系统立即进入用户状态。 3 、基于d s p 数字信号微处理器的数据采集系统。d s p 数字信号微处理器从理论上而 言就是一种单片机的形式，常用的数字信号处理芯片有两种类型，一种是专用d s p 芯片， 一种是通用d s p 芯片。基于d s p 数字信号微处理器的数据采集系统的特点如下：精度高、 灵活性好、可靠性好、容易集成、分时复用等，但同时其价格不菲。 4 、基于混合型计算机采集系统。这是一种近年来随着8 位单片机在计算机应用领域 中迅速发展的一种系统结构形式。它是由通用计算机( p c 机) 与单片机通过标准总线( 例如 r s 2 3 2 c 标准) 相连而成。单片机及其外围电路构成的部分是专为数掘采集等功能的要 求而配置的，主机则承担数据采集系统的人机对话、大容量的计算、记录、打印、图形 显示等任务。混合型计算机数据采集系统有以下特点： 通常具有自开发能力。 系统配置灵活。易构成各种大中型测控系统。 主机可远离现场而构成各种局域网络系统。 充分利用主机资源，但不会占有主机的全部c p u 时自j 。 随着微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅为数掘采集系统的 应用开拓了广阔的前景，也对数据采集技术的发展产生了深刻的影响。数据采集系统的 发展趋势主要表现在以下几个方面： l 、新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采集系统的性 能。 2 、高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了数据采集系 统的广泛应用。 3 、新一代在系统编程技术i s p 的推出，必将对今后数据采集系统的发展产生深远的 影响。 4 、与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便了数据采集系统在各个领 7 中北大学学位论文 域里应用并有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。 5 、分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。 1 3 论文的结构安排 本文设计的高速数据采集系统是基于c p l d 的分布式系统，具有成本低廉，针对性 强，采用i s p 在系统编程技术，不但硬件设计简单，而且修改硬件如同修改软件一样方 便。同时系统采用无线通信进行与上位机的数据传输，可以很方便地和上位机连接，而 上位机可以对多个下位机的数据分别进行处理，提高了处理效率，减小了成本。具体章 节安排如下： 论文第l 章简要地介绍了本课题研究的背景、意义及发展现状； 论文第2 章主要讲述了数据采集的基本理论，等效时间采样的基本原理； 论文第3 章阐述了设计背景的波形特点和处理要求，提出了适合该专用数据采集系 统的的硬件整体设计方案，分别从a d 转化电路、数据存储电路等几个方面详细进行了 阐述； 论文第4 章首先从高速数据采集的逻辑控制分析出发，提出了专用逻辑控制的要求。 紧接着简要叙述- j e d a 技术的概述和开发流程，确定了专用的可编程芯片，针对该专用 的控制电路，详细叙述了使用c p l d 实现高速数据采集的逻辑控制的过程，给出了电路 原理和出仿真时序图； 第5 章对无线数据通信模块进行了简单介绍，着重讲述了无线发射的电路设计、通 信协议、编码方式等，介绍了系统的软件设计及调试，简要介绍了单片机的控制及发射 流程； 第6 章介绍了系统的抗干扰与误差分析； 最后是全文的总结，在此研究的基础上针对不足之处给出了展望并对下一步工作做 8 中北大学学位论文 了简要规划。 9 中北大学学位论文 第二章数据采集系统的基础理论 2 1 数据采集基本理论 “数据采集”是指将各种模拟量进行采集、转换成数字量，再进行存储、处理、显 示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。 数据采集的基本理论包括采样、量化与量化误差、编码、数据采集的有效位数等【3 】 下面分别加以讨论。 2 2 模拟信号的数字化过程 自然界中的物理量，大多是在时间上和幅值上均连续变化的模拟量，或称为连续时 间函数，而信息处理多由数字计算机来实现，处理的结果又常常需要以模拟量的形式 “反馈 给外界的物理系统。这里就需要解决模拟量与数字量之间的相互转化问题，即 采样与重构( 恢复) 的问题。这个问题也是数据采集系统的核心问题【3 【4 1 。 我们现在重点讨论的数据采集系统可以简化成讨论图1 1 的第一路数字信号的形成 过程。由传感设备传来的模拟信号x ( t ) 首先经过一个预采样滤波器进行初步处理，主要 是为满足采样定理的要求而滤除高频干扰，然后由采样器按照预定的时间i 白j 隔t 。对模拟 信号离散化得到离散时间信号x 。( n t 。) ，再经过量化变为量化信- g - x 。( n t 。) ，再由模数转换 器( a d c ) 把离散子样进行量化与编码转换为数字信号x ( n ) ，使之变成数字信号送到处 理器进行数字处理，处理器一般由数字计算机来承担，处理结果再由数模转换器( d a c l 转换成模拟量，经过平滑滤波器做平滑处理后送到外界系统中去。模拟信号的数字化过 程如图2 1 所示【6 1 。 】0 中北大学学位论文 x ( t ) x 。( n t 。) x 。( n t 。) x ( n ) 1r 采样 r 量化 1r 编码 x ( t ) 8 q 6 q 4 q 2 q x 。( n t 。) 8 q 6 q 4 q 2 q x a ( n t s ) 8 q 6 q 4 q 2 q x ( n ) 8 q 6 q 4 q 2 q ot ，2 t 。3 t 。4 t 。5 t 、 6 t 、7 t 。8 t ，t 0t 。2 t 。3 t 。4 t ；5 t 。6 t ，7 t 。8 t ，t 0t 。2 t 。3 t 。4 t ，5 t ，6 t 。 7 t 。8 t ， t ol2 t 。3 t 。4 t 。5 t 。6 t 。7 t 。8 t 。 t 图2 1模拟信号的数字化过稗 中北大学学位论文 2 3 实时采样与等效采样 2 3 1 基本采样方式的分类 基本采样方式可以分为两大类：即“实时采样”与“等效时徊j 采样”。 对于“实时采样”，当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采入并数字化， 然后，经过一个采样间隔，再采入第二个样本。这样一直将整个信号波形数字化后存入 波形存储器。“实时采样”除了通常使用的“定时采样”( 即“等间隔采样”) 外，还 常常使用“变步长采样”，即“等点采样 。这种采样方法不论被测信号频率为多少， 一个信号周期内均匀采样点数总共为n 个。由于采样信号周期随被测信号周期变化，故 通常称为“变步长采样”。 实时采样的主要优点在于信号波形- n 就采入，因此适用于任何形式的信号波形， 重复的或不重复的，单次的或连续的。又由于所有采样点是以时间为顺序，因而易于实 现波形显示功能。“实时采样”的主要缺点是时间分辨率较差，为了对高速模拟信号进 行不失真采集，根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须为信号最高频率的2 倍以上，即 必须采样高速采样技术才能实现，这就对器件速度、电路结构和系统调试提出了很高的 要求，从而增加了系统实现难度。但实际采集的一类宽带模拟信号往往是周期性信号， 这样就可以利用信号的周期性，采用等效时间采样原理用较低速的a d c 实现高速的数 据采集。等效时间采样减小了系统的实现难度，简化了周期性宽带模拟信号的高速数据 采集问题【3 1 。 2 3 2 等效采样的基本原理 等效采样的基本原理是利用被测信号的周期性，采用慢速的信号对其进行采样。等 效时间采样的过程如图2 2 所示【4 3 】。 1 2 中北大学学位论文 其中u o 为周期为t 的被测高频模拟信号，s 。1 k 1 为频率比u o 小的采样信号，它们的 周期差为t ，u s t 为采样脉冲s 。l k l 的作用下得到的各样品值。s 。l k 2 为频率等于1 at 的频率较高的采样信号，u s 2 为采样脉冲s c l k 2 的作用下得到的各样品值。从图上可以很 容易看出，采样脉冲s 。1 k 1 每取样一次，就较被测信号u o 延迟一段时间t ，当我们把由 此得到的样品值u s l 以t 的间隔重新排列时可以得到u e 。通过分析比较可以得出如果 让采样脉冲s 。l k l 采样足够的点，u e 与u s 2 是完全相同的，也即采样脉冲s 。】k l 与采样 脉冲s c l k 2 采样的结果是相同的，只是采样脉冲s c l k l 采样的速度是采样脉冲s c l k 2 的1 q ， 其中 q - - t t( 2 - 1 ) 因此我们称采样脉冲s 。1 k 2 为采样脉冲s 。l k l 的等效采样时钟，这种用比被测周期信 号频率低的信号代替高频采样信号对被测信号进行采样的方法就是等效时间采样【4 3 】。 蒋r + 墨tiil|il 乞刊|i iiliil i li i | | | | | 川| f | | i f | | | | 川| | | i f 洲川| | | | l 仙1 1 | | mj | f |l | | i i l l l 脯i l l i ”i 团i | | lq l q i l | | li | | fr l l , v 图2 2 等效时间采样 1 3 中北大学学位论文 等效时间采样技术可以实现很高的数字化转换速率。然而，这种技术要求信号波形 是可以重复产生的。由于波形可以重复取得，故采样可以用较慢速度进行。采样的样本 可以是时序的( 步进、步退、差频) ，也可以是随机的。这样就可以把许多采集的样本 合成一个采样密度高的波形。一般也常将“等效时间采样 称为“变换采样”。 2 4 量化与量化误差 1 、量化 量化就是把采样信号的幅值与量化单位比较。 量化单位q 定义为量化器满量程电压f s r ( f u l ls c a l er a n g e ) - 与2 “比【3 】 q ：f s r ( 2 1 ) 2 f l2 1j 其中n 是量化器的位数。显然，量化器的位数越多，量化单位越d 、a d 的精度就越高。 在实际电路中，量化和编码是同时进行的。编码是把量化信号的电平用数字代码表示出 来，最常用的编码形式是二进制编码。 2 、量化方法 ( 1 ) “只舍不入”的量化 所谓“只舍不入”量化，是指信号幅度小于量化单位的部分，一律舍去。如图2 3 ( a ) 所示。 图2 3 ( a ) “只舍不入”量化过稃 1 4 中北大学学位论文 当o 至x 。( n t s ) q 时，x 。( n t s ) = 0 ；当q - x 。( n t s ) 2 q 时，x 。( n t 。) = q ；当q - - x s ( n t s ) 3 q 时，x 。( n t 。) = 2 q ；等等。 ( 2 ) “有舍有入”的量化 有舍有入的量化是将采样信号幅值与量化电平相比较，如果它们的差值小于 q 2 ，则将这部分舍去，若大于或等于q 2 ，则将这部分计入。如图2 3 ( b ) 所示 图2 3 ( b ) “有舍有入”的餐化过释 当o = x 。( n t s ) q 2 时，x 。( n t 。) = o ；当q 2 - x 。( n t 。) ，7 5 m h z t y p i 、内部基准电压产生 j 、内部时钟 3 、数据采集时序图： 2 6 中北大学学位论文 t l c 5 5 4 0 是具有两个低比较器块的半闪速a d c ( 每四位一个比较器) 。 如图3 4 所示，输入电压1 在c l k l 的下降沿采入高比较器块和低比较器块1 ，高 比较器块在c l k 2 的上升沿最后确定高位数据，低比较器块1 在c l k 3 的上升沿最后确 定低位数据，高位数据和低位数据在c l k 4 的上升沿组合在一起并且输出。 c l k lc l k 2c l k 3 c l k 4 c l k 5 c l o c k 咖帆，_ # n ：一5 0 e o u t p u t 输入电压2 在c l k 2 的下降沿被采样，高位数掘在c l k 3 的上升沿最后确定，低位 数据在c l k 4 的上升沿由低比较器块2 最后确定，高位数掘和低位数据在c l k 5 的上升 沿组合在一起并输出。 根据上面所述的内部操作过程，输出数据滞后模拟输入电压采样点2 5 个时钟。每 次在时钟周期的下降沿采样，数据的输出在下下个时钟周期的上升沿。 3 2 5t l c 5 5 4 00 , 09 1 、围电路设计 t l c 5 5 4 0 的模拟信号的输入范围可以由r e f b ( 参考电压底) 和r e f t ( 参考电压 顶) 来确定，我们选用其内部参考电压的外围电路连接，在器件内部有三个电阻分别连 接在v d d a 和r e f t s ，r e f t 和r e f b ，r e f b s 和a g n d 之间，内部的电阻使得电压参考 2 7 中北大学学位论文 端r e f t = 2 6 v ，电压参考端r e f b = 0 6 v 。模拟电压的输入范围是2 v 。在这样的参考电 压设计下，芯片的外围电路如图3 5 所示，各个参考点的电压也在图中给予标明。 v d d a 5 v ( a n a l o g ) 0 1l l f ，1 、 r e f b s 上 a g n d 3 3 数据存储电路 1 8 1 6 1 7 2 3 2 2 2 1 t l c 5 5 4 0 r 1 3 2 0 q n 0 蚺 2 6 3vd c r r e f 2 7 0 2n o l l i | l 8 。6 1vd c r 2 8 0qn o m 图3 5t l c 5 5 4 0 外围电路连接 3 3 1 数据存储方案的比较和确定 在高速数据采集电路的实现中，有两个关键的问题：一是模拟信号的高速转换；二 是变换后数据的存储及提取。根据前文的分析，t l c 5 5 4 0 的采样速度最高可达4 0 m h z 完全可以满足数据采集系统的设计要求，故现在首要解决的关键问题是与存储器的配合 问题。在数据采集电路中，有以下几种存储方案可供选择( 1 0 】 1 3 1 。 1 、静态r a m 实时存储 使用静态r a m 存储的原理是由地址发生器产生的地址信号选择对应的存储单元， 将对应的数据实时存入存储单元，使用静态存储器( s r a m ) 进行实时存储的特点是使 2 8 蠢一一 f l f 1o 中北大学学位论文 用最低的价格获得高的存储深度，有最高的( 单位速度单位存储深度) 价格比，但它的 缺点是不易形成高的存储速度，当存储速度上升，成本增加很快。 2 、分时存储方案 分时存储方案的原理是将高速采集到的数据进行分时处理，通过高速锁存器按时序 地分配给n 个存储器。虽然电路中增加了s r a m 的片数，但使存储深度增加了。用低 价格的s r a m 构成高速数据存储电路，能够获得较高的( 单位速度单位存储深度) 价格 比。但由于电路单数据口的特点，不利于数据的实时处理，并且为使数据被锁存后留有 足够的时间让存储器完成数据的存储，需要产生特殊的写信号线。 3 、双端口存储方案 双端口存储器的特点是，在同一个芯片里，同一个存储单元具有相同的两套寻址机 构和输入输出机构，可以通过两个端口对芯片中的任何一个地址作非同步的读和写操 作，读写时间最快达到十几个n s 。当两个端口同时( 5 n s 以内) 对芯片中同一个存储单元 寻址时，芯片中有一个协调电路将参与协调。双端口存储器方案适用于小存储深度、数 据实时处理的场合。由于双端口存储器本身具备了两套寻址系统，在电路的设计时，可 以免去在数据存储和读取时对地址时钟信号的切换问题的考虑，使数据变得简单和快 捷。 4 、先进先出存储方案 先进先出( f i f o ) 存储器也是近几年面市的一种特殊存储器件，其特点是在同一个 芯片旱的同一个存储单元配备有两个口：一个是输入口，只负责数据的写入：另一个是 输出口，只负责数据的输出。另外，在对这种存储器进行读和写的操作时不需要地址线 参与寻址，它的数据是按照一种环行结构依次存放的。先进先出( f i f o ) 存储器的另一个 与传统存储器不同的地方是传统存储器的一个存储单元中只要写入一个数据后，这个数 据将一直保存，直到下一个新的数据将其覆盖，无论这个存储单元中的数据被读取过多 少次也是如此。而先进先出( f i f o ) 存储器中的存储单元则不是这样，写入的数据一旦被 2 9 中北大学学位论文 读取后，则这个数据将永久消失。所以，一般先进先出( f i f o ) 存储器都是有“空”和 “满”的标志位表示先进先出( f i f o ) 存储器内部的状态。先进先出( f i f o ) 存储器方案 适用于小存储深度，数据需实时处理的场创1 1 1 。 对用户而言，存储器的存储速度和存储容量是一对矛盾体：双口r a m 和f i f o 可 以实现很高的存储速度，适合单路高速数据采集方案，但其存储容量难以满足对较大量 的数据存储的需求；一般的静态r a m 虽然速度有限，但其存储深度却是双口r a m 和 f i f o 难以企及的，并且在价格上是占绝对优势的，非常适合多路并行高速数据采集方 案的使用，但它的硬件复杂度会有所提高；而根据我们选择的单路多次采集的数据采集 方案，在每次采集时的速度并不是很高，因此，为了达到最大的性能价格比，我们的设 计是采用r a m 的实时存储方案，也就是数据存储的第一个方案。 3 3 2 静态存储器c y 7 c 1 0 9 c y 7 c 1 0 0 9 及存储电路的设计1 1 2 1 c y 7 c 1 0 9 c y 7 c 1 0 0 9 的管脚图如图3 6 所示。 1 、特性参数 高存储速度 t a a ( 从地址到数据有效时间) = 1 0 n s 低工作功率 1 0 1 7 m w ( 在最高工作频率下) 低c o m s 静态功率 一5 5 m w ( 最大值) ，4 m w ( 低功耗版本) 当未被选中时自动关闭 与t t l 兼容输入输出电平 3 0 o i o 1 1 1 2 j 3 1 4 1 5 6 图3 6c y 7 c 1 0 9 引脚图 忱挑啦丽翘抛琵岫面嘶瞒恸协 驼引约拐玎辑弘弘”挖纠扣伯协 ：6 4 2 7 6 5 4 3 2 1 e 0 1 2 ) 敝钒aa a a a a a旧吣妁眦 中北大学学位论文 2 、存储器功能描述： c y 7 c 1 0 9 c y 7 c 1 0 0 9 是8 位1 2 8 k 容量的高性能c o m s 静态存储器。使用片上所 提供的低电平使能端( c e t ) 和高电平使能端( c e 2 ) 以及输出使能端( o e ) 和三态驱 动，很容易进行扩展。 当芯片使能端l ( c e l ) 和写有效信号( w e ) 输入为低，同时芯片使能端2 ( c e 2 ) 为高时，数据就被写入到地址线( a o - - a 1 6 ) 所对应的存储单元。 在使芯片的使能端l ( c e ! ) 和输出使能( o e ) 为低，把写有效端( w e ) 和芯片 使能端2 ( c e 2 ) 为高时，当前地址线所对应的存储器中的数据就被输出到i o 引脚上。 当芯片未被选中，也就是c e l 置高或c e 2 置低时，芯片的8 个输入输出引脚( i o o i 0 7 ) 会呈现高阻念。芯片在o e 置高或在一个写操作过程中也就是c e l 为低，c e 2 ，为 高，并且w e 为低时，就会不能工作。 3 、存储电路的设计 使用单路的a d 和其对应的存储芯片，具有连接电路简单，控制方便的特点，只要 将存储器的地址端a 旷a 1 6 对应地连接到逻辑控制电路中生成的地址信号q o q 1 6 上，将 使能端和写有效端给单片机和控制逻辑进行控制，就可以进行对应的存储数据和读取数 据的操作了，同时可以将地址端的引脚在需要的位置反馈给控制电路，这将在后面的地 址电路的生成里详细叙述。这部分的详细电路参见附录的整体电路原理图。 3 4 单片机及其控制设计 单片机控制部分包括系统清零和读出数据，本系统采用内置4 k b 可擦写闪存的 a t 8 9 c 5 1 单片机，它的指令系统与m c s 5 1 完全兼容，存储器采用电擦写模式。其主要 作用是：负责a d 转换过程的启动及完成控制；对自动存储于存储器内的采集数据进行 处理，也可通过串行口或并行口传给p c 机作进一步处理。 3 1 中北大学学位论文 单片机主要控制信号及功能： p 1 口 数据线 p 0 0 系统清零，包括地址以及控制逻辑部分 p o 1控制a d 与存储器的连接和断开 p o 2采集完成位 p 0 3读出数据地址信号控制 p 0 4存储器读写控制 p 1 0发射芯片f s k 控制 p 1 1发射芯片a s k 控制 单片机