（电路与系统专业论文）基于随机采样的高速数据采集系统设计.pdf

摘要 摘要 现代数字信息处理技术能够处理越来越复杂的信号，并且可对信息进行多样 化的描述。当外部信息是模拟量时，在数字化信息处理的过程中要提取信号的时 间域特征、频率域特征等参数时，就必须对模拟信号进行数字量化。当输入信号 的频率足够高时，般采用并行处理技术或等效采样技术。并行处理技术以处理 速度和电路的复杂程度换取a d c 采样带宽的降低，同时系统的成本也很高。等 效采样技术是一个经济且行之有效的选择，进行等效采样的前提是被采样信号必 须是周期信号。等效采样系统通过对该信号多次触发，用多个等效采样序列重建 输入信号。也就是说，利用转换速率比较低的单个a d 转换器实现对宽频带周期 信号的捕捉。 随机等效采样系统的特点是输入信号频率高、时序要求严格，在采样带宽相 同的情况下，可以大幅度降低系统制造成本，这正是随机采样系统的优点。本论 文介绍的随机采样的高速数据采集系统既能完成对频率为1 m h z 以下的信号实时 采样，又可对1 m h z 以上的周期信号采用随机等效采样技术进行采样。论文介绍 了系统设计主要包括的几个部分：( 1 ) 双斜率充放电电路设计，并进行了仿真和 硬件电路调试，它是随机等效采样系统的关键部分；( 2 ) 编码开关控制下的输入 衰减放大电路的设计；( 3 ) 数据采集系统触发电路、随机采样短时间产生电路、 存储器地址计数器电路等相关控制电路的设计、仿真和调试；( 4 ) 实时数据采集、 随机等效采样算法等软件的设计；( 5 ) 印制电路板的设计及电路调试的技术和体 会。 关键词：实时采样随机等效采样数据采集系统调试 2 基于随机采样的高速数据采集系统设计 a b s t r a c t i ti sn e c e s s a r yf o rm o d e m d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt od e a lw i t hc o m p l e xs i g n a l s a n dt or e p r e s e n tt h e mi nd i f f e r e n tf o r m s s i n c et h ei n p u ts i g n a l st i m e d o m a i na n d f r e q u e n c y d o m a i nc h a r a c t e r i s t i c m u s tb e a n a l y z e d ，n a t u r ea f f o r d ss i g n a l s i no t h e r f o r m s ，ap r e r e q u i s i t ef o rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi st h ec o n v e r s i o no fs i g n a l si n t o d i g i t a lf o r m w h e n t h ef r e q u e n c yo f t h ei n p u ts i g n a li sh i g he n o u 曲，p a r a l l e lp r o c e s s i n g o re q u i v a l e n ts a m p l i n gi su s e d p a r a l l e lp r o c e s s i n ga c q u i r e saw i d e rs i g n a lb a n da tt h e c o s to f s l o w i n gd o w n t h ep r o c e s s i n gs p e e da n d a d d i n g t h e c o m p l e x i t yo f t h ec i r c u i t a t t h es a m et i m e ，t h ee x p e n s eo ft h es y s t e mb a s e do n p a r a l l e lp r o c e s st e c h n o l o g yi sh i g h ， w h i l ee 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 se c o n o m i c a la n de f f e c t i v e t h ep r e r e q u i s i t eo f as i g n a lw h i c hc a l lb es a m p l e di ne 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 st h a tt h es i g n a l m u s tb eap e r i o d i cs i g n a l t h ei n p u ts i g n a li sr e c o n s t r u c t e dw i t hs e v e r a lr a n d o m s a m p l i n g s e r i e s b ym u l t i t r i g g e r t h a ti s ，al o w - s p e e da d ci s u s e dt o c a p t u r e w i d e - b a n d ，h i g h s p e e dp e r i o d i cs i g n a l t h ec h a r a c t e r so fr a n d o me q u i v a l e n ts a m p l i n gs y s t e ml i ei nh i g hf r e q u e n c yo ft h e i n p u ts i g n a la n d t h ec o m p l e xc o n f i g u r a t i o no f l o g i cc i r c u i t w h e n f i l es a m p l i n gb a n di s c o n s t a n t ，r a n d o me q u i v a l e n ts a m p l i n g c a nr e d u c et h ec o s tg r e a t l y , w h i c hi st h em e r i to f t h es y s t e m t h er a n d o ms a m p l i n gs y s t e mi n t r o d u c e di nt h i st h e s i sc a l ls a m p l es i g n a l s w i t hf r e q u e n c yb e l o w1m h zi nr e a l t i m ea n ds i g n a l sw i t hf r e q u e n c ya b o v e1m h zi n e q u i v a l e n ts a m p l i n g s o m ei m p o r t a n tt e c h n i q u e si ns y s t e md e s i g na r eg i v e ni nt h i s t h e s i s ：( 1 ) t h ed o u b l es l o p ec h a r g e - d e c h a r g ec i r c u i tw h i c hi st h ek e yo far a n d o m s a m p l i n gs y s t e m i s d e s i g n e d ，s i m u l a t e da n da d j u s t e d ( 2 ) t h ed e s i g n o ft h e i n p u t a t t e n u a t i o n - a m p l i f i e r c i r c u i tu n d e rt h ec o n t r o lo fe n c o d es w i t c hi sg i v e n ，( 3 ) t h ec i r c u i t s r e v e l e n tt od a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ms u c ha st r i g g e rc i r c u i t ，t h ec i r c u i to fs h o r tt i m e g e n e r a t o ri nr a n d o ms a m p l i n ge t c ，a l ed e s i g n e d ，s i m u l a t e da n da d j u s t e d ，( 4 ) t h ed e s i g n o fs o f t w a r er e v e l e n tt od a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ms u c ha sr e a l t i m ed a t aa c q u i r s i t i o na n d r a n d o ms a m p l i n ga r i t h m e t i ci sg i v e n ，( 5 ) t h ed e s i g no fp c ba n dt h et e c h n o l o g ya n d e x p e r i e n c e i nc i r c u i ta d j u s t m e n ta r es h o w na tl a a t k e y w o r d ：r e a l t i m es a m p l i n g ，r a n d o me q u i v a l e n ts a m p l i n g ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ， s y s t e ma d j u s t 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及耿得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：甄! 垒王生日期：虫口虹i ! ! q 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全都 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。f 保密的论文在 解密后遵守此规孝) 本人签名：蓝【虱至生 导师签名：二五磁 日期：0 0 心f f9 日期：2 坚冱。j = 眨 第一章绪论 第一章绪论 随着计算机的广泛应用和微电子学的高度发展，数字系统已被广泛地应用于 国民经济、国防建设和科学实验的各个领域。和模拟系统相比，数字系统有精度 高、稳定性好等一系列优点，但是数字系统只能处理离散的数字信号。外部各种 被检测量，如温度、压力、位移流量等，通过相应的各种类型的传感器转换成便 于处理的物理量( 一般为电压、电流、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( 这是一种只有0 、l 两个状 态的数字信号) 。大部分传感器输出的仍是电压或电流等模拟信号，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。 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 要是指对模拟( 特别是模拟电压信号) 的采集。将模拟信号转换为数字信号与直 接来自传感器的其他数字信号、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 a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 。 1 1 数据采集系统概述 本论文介绍的数据采集系统的框图如图卜l 所示。模拟输入信号即在时间 上与幅值上均连续变化的信号，首先经过一个预采样滤波器，然后由采样保持电 路每隔一个采样间隔读出一次数据，再由模数转换器( a d c ) 量化为二进制数码， 即成为计算机可以接受和处理的数字信号。 接着由计算机进行数据处理，处理后的数据经由数模转换器( d a c ) ，将数字 信号转换为模拟信号。在此转换过程中，二进制数码首先转换为连续时间脉冲， 脉冲之间的空隙则经过“再建平滑滤波器”来填充平滑以恢复成模拟信号。 图1 1 数据采集系统的简化框图 1 2 数据采集方式的分类及特点 采样( 也称为取样) 就是将时间上连续变化的信号转换为时间上离敖的 信号，用来表达原信号的部分或全部特性。采样把连续信号转换为离散信号， 基于随机采样的高速数据采集系统设计 保证原信号和取样后的离散信号在同一时刻上相等或成比例。有两种基本的 数字化采样方式：“实时采样”( r e a l t i m es a m p l i n g ) 与“等效时间采样” ( e q u i v a l e n t t i m es a m p l i n g ) 。 实时采样是在一次触发后完成整个数据采集过程，实时采样的采样频率 必须满足n y q u i s t 采样频率的要求。对于实时采样，当数字化一丌始，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 的主要优点在于信号波形一到就采样，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；同时，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：缺点是它对信号的捕捉能力受到了采样速率的 限制。 为了补偿实时采样在采样速率上的限制，人们发展了等效采样技术。等 效采样技术是通过多次触发多次采样而获得并重建信号波形，一个信号能进 行等效采样的前提是该信号是周期信号。等效采样通过对高频周期信号的多 次采样，把在信号的不同周期中采样得到的数据进行重组，从而能够重建原 始信号波形。与实时采样不同，等效采样只能应用于周期信号，但信号频率 可以很高。等效采样又可以分为顺序等效采样( 简称顺序采样) 和随机等效 采样( 简称随机采样) ，两者的区别在于，随机等效采样采集的信号不仅仅局 限于在触发点之后，还能在触发点之前。 顺序等效采样基本原理是：在输入信号是波形完全相同的周期信号情况 下，可以利用具有时序( 步进、步退、差频) 的宽度极窄的采样脉冲在被测 信号各周期不同相位上逐次进行采样。以步进顺序等效采样为例，步进延迟 脉冲相对于信号起点来讲依次延迟a t 、2 a t 、3 t 、n t 时间，所以顺 序采样系统的a d c 依次输出与信号波形在t 、2 g t 、3 a t 、n g t 的瞬时 幅度成正比的电压，该输出电压的包络重现了原信号波形。如果原信号周期 为t ，步进延迟时间为t ，取满一个信号周期需n 个点，则经过顺序采样变 换后波形周期增大n t t ( 即频率下降n t t 倍) 。利用顺序采样技术就把被 测高频周期信号变为相似的低频信号( 包络重现) 【j j 。 随机采样是指每个待采信号周期采样一次，但每次采样的起始点相对于 待采信号的某一电平值之间的时间是不固定的，具有随机性。在随机等效采 样方式下，首先让a d c 在最高转换速率下连续工作，等触发信号的到来，通 过一个时间展宽电路来获取从触发信号到触发后a d c 的第一个采样时钟的时 间差。这个时间差表明了触发后的初始数据采样时刻。以这个时间差作为起 第一章绪论 点，随后而来的每次采样，对应的时间位置构成了个递增序列，这个序列 的间隔由a d c 的采样速率决定。因此，完成了一轮采样之后，我们可以得到 一组数据。这组数据在存储器中的位置就由这次采样数据对应的时间序列决 定。经过多轮的随机采样，得到多组采样数据序列，在重复输入周期性波形 的前提下，就可以用这多组采样数据序列重建出信号波形。 采用实时采样的数据采集方式可以观测非周期信号，其主要缺点是时间 分辨率较差，每个采样点的采入、量化、存储，必须在小于采样间隔的时间 内全部完成，等效采样的数据采集方式可以比较容易地得到很宽的带宽 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，采集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较高的波 形。 1 3 本课题的研究背景与研究任务 本课题来源于深圳麦创电子技术有限公司的科研项目，要求在模拟示波器基 础上，增加存储电路和随机等效采样功能，使模拟示波器成为模拟数字混合示波 器，并具有很高的重复带宽。随机等效采样技术在美国、罔本等国的示波器生产 厂家已经应用很成熟，中国的普源公司也成功地生产出高性能随机采样示波器， 但随机等效采样技术方面的文献并不多。本文以科研项目为基础，结合相关文献 资料对随机采样的高速数据采集系统进行整体设计，该系统最高采样速率为 2 0 m s p s ，等效采样速率为1 0 0 m s p s ，图卜2 给出了系统框图”j 。 图卜2 基于随机采样的高述数据采集系统框圈 随机采样的高速数据采集系统包括硬件系统和软件系统两部分，硬件部分主 要包括前置衰减放大电路、时剧展宽电路、 d 及其控制电路、存储器及其控制 基于随机采样的高速数据采集系统设计 电路、d a 及其输出调理电路等；软件部分主要包括对硬件的控制、实时采样的 数据处理、随机采样的算法实现等。在毕业设计过程中，论文完成了以下工作： 1 前置调理电路设计； 2a d 转换及存储电路设计； 3 随机采样短时间产生电路及时间轴展宽电路设计与仿真； 4 基于c p l d 的数据采集系统控制电路的设计与仿真： 5 实时数据采集、随机等效采样算法等相关软件编程； 6印制电路板的设计及系统软硬件调试； 第二章随机采样理论基础 第二章随机采样理论基础 采样技术归纳起来可分为实时采样和等效采样，而等效采样又分为随机等效 采样和顺序等效采样。如果采用等效采样技术和精确的时间轴展宽电路，数据采 集系统可以工作在较低的实时采样率而获得很高的重复带宽。本章将讨论随机采 样原理及其系统结构。 2 1 随机采样原理 当被测信号频率远高于a d 转换器最大采样频率时，根据n y q u i s t 采样定 理，从a d 采样序列数据中重构信号波形是不可能的。但是，如果被测信号是周 期信号，通过测量每次a d 采样序列起点与参考点( 信号的触发时刻) 的时间 差，就能确定本次采样序列在信号波形中的位置。当这个时间差是随机分布，并 且在很短的时间段内遍历其在一个a d 时钟内所有可能的取值时，通过分布在这 个时间段上的随机采样序列的叠加，在叠加次数n 足够大时，可以遍历所有可能 的波形采样过程，从而重构目标信号的完整采样波形，或者说等价于一个完整的 波形 在进行采样时，每个采样点的v 值( 电压值) 由a d 转换器提供，而x 值由 下式给出： t n = t o n + n t ( 2 一卜1 ) 6 基于随机采样的高速数据采集系统设计 式中，t 为a d 转换器的采样周期，t o n 是第n 次数据获得过程触发点与下一个 采样时钟间的时间，t 。是第n 次数据获得过程第r 1 个采样点相对于触发点的时间 值。 由于输入信号的触发点和采样时钟的无关性，t o n 的值在o 5 0 n s 之间完全是 随机的，而任意一次触发后，每两点之间却是相关的，其时间差为一个采样时钟 周期，即5 0 n s 。次触发，完成一次数据获得过程，得到若干对离散的电压一时 间值( 对应波形显示上的若干个v - x 坐标点) 。由于信号的高频重复性和t o n 的随 机性，很快t o n 就能在0 - 一5 0 n s 以内构成波形。相应地，其他时间段的波形也被构 成，它们一起组成了完整的被测信号波形。 如果被测信号的周期为t o 经过i n 次触发以后能够显示一个不失真的波形， 那么，构成的波形周期t = m t o ，即显示的波形周期t 与被测信号的周期t o 相比 被显著地拉长了，这样就把高频信号转换成低频信号。再将采集的数据以通用示 波器显示方式给出，这就是随机采样的基本原理。 2 2 随机采样系统结构 随机采样系统的关键技术是测出每次触发点与下一个采样时钟间的时间，利 用它来摆正各次触发后采集的样品数据在时间轴上的关系，从而保证重现被测信 号波形。图3 - 2 给出了随机采样系统结构，它包括相位检测、时间展宽、方波转 换、时间测量等四个部分。 触发信号 图3 2 随机采样系统结构 相位检测部分主要完成在进行随机采样时，将触发点到第一个a d 转换时刻 的时间差转换成窄脉冲t x ，t x 取值范围为( o ，t ) ，其中t 为a d 转换器的转 换周期，同时，为了避开时间展宽电路放电开始时的非线性，在相位检测电路中 加入一个等待周期，将t x 的取值范围扩展到( t ，2 t ) ：时间展宽部分主要完成 将相位检测电路检测到的窄脉冲按照一定的比例展宽成锯齿波，展宽比由充放电 电流之比决定：方波转换部分完成将时间展宽后锝到的锯齿波信号转换成脉冲信 号，作为计数的闸门信号：时间测量部分完成对闸门信号进行测量，测量出的计 数值送c p u 处理，作为本次采集数据在d ar a m 中存放位置的依据。 时 翠 第二章随机采样理论基础 2 3 随机采样系统时间轴展宽方法 时间展宽电路结构如图3 3 所示，图3 - 4 是时间轴展宽的设计关系。 图3 - 3 时间展宽电路原理 相健差窄 积分信号 方波输出 k，7 f 瓢i 一 恰 ，l i 斗l h 1 图3 - 4 时l 司轴展宽的坟计关系 电路使用了两个恒流源，一个提供放电电流1 2 ，在一定时间内将采样，保持电 容放电至u 。；另一个提供充电电流1 1 ，使采样保持电容上的充电电压在下一个 窄脉冲到来之前充电到最初状态( 以触发信号为周期) 。触发相位差信号( 窄脉冲) 作用于高速开关对管的基极，平时对管工作在浅截止状态，信号到来后迅速导通， 对采样，保持电容放电，放电时间是窄脉冲宽度。由于是恒流放电，敖放电电压 u m 与窄脉冲宽度成正比。电容的放电电流： c = 1 2 1 1 ( 2 - 3 1 ) 放电电压为： u m = 芸( 1 1 1 2 ) ( 2 - 3 2 ) 因电容充电电流为1 1 ，故充电时间为： 砂= 渤丢= j 篙。卜c z 。， 电压比较器将电容的放电电压转换成方波，u o 是为避开放电电压初始阶段的非线 性区丽设置的参考域值。设比较器输出脉冲脉宽为t w ，根据几何学比例关系有： 唑=丽twum ( 2 删 a + n 。 基于随机采样的高速数据采集系统设计 因u ozo v ，故 t w t x + 砂( 2 - 3 - 5 ) 根据式( 2 3 3 ) 和式( 2 - 3 - 5 ) 有 m = n ，2 r x - ( 2 - 3 6 ) 令 月= 万1 1 一( 2 - 3 - 7 ) 则关系 月：i r w ( 2 - 3 8 ) 成立。n 是电容放充电电流的比值，即窄脉冲展宽比与电容放充电电流之比成f 比，近似等于1 3 。取n = 1 0 0 ，t o = o 2 n s 0 0 的存在减少了输入动态范围) ，则当t x = 5 n s 时，通过电路可以获得5 0 0 n s 的脉冲宽度输出，即触发信号相位差在时间轴上被 展宽了1 0 0 倍( 忽略t o 因素) 。因此能足够精确地测量分布在此时间段上的随机 采样序列的起点时刻。如果等价采样最大倍率为1 0 0 。则展宽电路分辨率至少为 l ，用周期为t o 的时钟对t w 进行计数时，起点时刻量化值为： = ”百t x - ( 2 - 3 9 ) 这个值可以提供给c p u 来确定一次采样序列在整个波形重构图上的位置。 2 4 随机等效采样算法 不同的随机等效采样速率对重构波形所需的采样次数和每轮采样数据中有用 的采样点数也不同。表2 1 给出了用2 0 m 的a d c 进行随机等效采样的参数【4 1 。 表2 - 1随机等效采样参数对照表【”1 t d i v ( n s )实时采样 等效采样等效采样 等效采样 周期( n s )周期( n s )倍率m 1 王：度l 5 , 0 0 0 5 05 014 0 9 6 2 ，0 0 05 0 2 02 5 】6 3 8 1 ，0 0 0 5 01 058 1 9 5 0 05 051 04 0 9 2 0 05 022 5 1 6 3 i1 0 05 0l5 08 1 i 5 05 00 51 0 04 0 l 2 05 0o 。22 5 01 6 l o5 0o 15 0 08 55 00 0 51 0 0 04 25 00 0 22 5 0 0 1 第二章随机采样理论基础 注：表1 中等效采样倍率m 是等效采样率对应实时采样率的倍数；一次 随机采样长度j 是每一轮采样的4 k 个数据中将被利用的数据个数。 每次进行随机等效采样时，由c p u 发出启动a d c 采样的信号，并将采样结 果以循环存储形式存入4 kr a m 。在触发信号到来时，启动触发后采集数据个数 计数器，这个计数器计满后的溢出信号做为a d c 采样时钟的停止信号，同时， 利用这个信号产生一个中断，让c p u 读取采样停止时a dr a m 地址计数器的计 数值，对这个值进行不同的偏移后，将a dr a m 中采样数据进行处理，处理后的 数据送入显示存储器( d a r a m ) 。设置不同的地址偏移就可以实现同步、延迟、 负延迟触发功能1 4 】l 。 触发信号到来时刻与触发后第一个采样点的时间间隔由时间扩展电路扩展、 经整形后作为选通信号。让4 0 m 计数脉冲对其进行计数，并将计数结果提供给 c p u ，用以确定本次采样数据在显示r a m 中的位置，设为x i ；c p u 将a d c 停 止采样时的地址计数器的值读入，并向前偏移f 2 个地址单元，以这一地址为中 心，前后各取舵个采样点，同时根据时间扩展电路测量出的时间计数值，设为 t i ( 0 t l t ) 决定本次采样序列在重构的信号波形中的位置。将一个a d c 时钟周 期分成等长的m 段，每段分别映射一个0 m 1 间的整数值i j ；然后通过查表的 方法得到t i 对应的i i 值。有了x i ，1 i ，m 和f 这四个值，就可以从r a m 中读取 有效数据，进行等效算法排序，然后将排序结果写入显示r a m ，从而重现高频 周期信号波形。 显示免a m 图2 - 1随机等效采样算法地址映射关系 等效排序算法就是按顺序从4 kr a m 中读取2 l ( = z ) 个有效数据，以触发点后 的第一个采样点对应的地址为中心，以i i 为地址的偏移量以m 为地址步长，写 入显示r a m ，算法如图2 1 所示。算法公式为： a d d = b a s e + i i + k m - ( 2 4 一1 ) 其中：a d d 为某个数据为写入显示r a m 中对应单元的地址；k 为从采样r a m 中顺序读取的数据的次序值，其取值范围为一l 到+ l - 1 ；b a s e 为触发点后第一 1 0 基于随机采样的高速数据采集系统设计 个采样点在显示r a m 中的地址，取为显示r a m 的中点，从而保证触发点前后 各取相同的采样点数。 第三章系统硬件结构与前置衰减放大电路设计 第三章系统硬件模块功能与前置衰减放大电路设计 3 1 系统硬件模块功能介绍 随机采样的高速数据采集系统硬件模块主要包括：宽频带放大系统、基准时 钟系统、2 0 m s p s 实时采样系统和随机等效采样系统。各模块功能概述如下： 3 1 1 宽频带放大系统 本系统要求实现对1 0 0 m 周期信号的随机等效采样，广谱信号通过宽频带放 大电路进入模拟，数字变换系统，同时，其输出通过放大器放大、整形，为环行存 储器地址发生器提供同步触发脉冲，该同步脉冲同时与a d c 采样时钟一起进入 随机等效采样系统，用来产生用于摆正每次采样序列在原周期信号波形重建时的 位置的时间。 在本系统中，主放大器的总放大增益是一定的，相对于不同的输入信号幅值 通过衰减网络进行幅度衰减，让后继电路处理的信号电平幅值一致；比例衰减放 大电路同步于衰减网络动作，其作用是对衰减网络输出的5 m v d i p 5 0 m v d i v 信 号统一衰减至5 m v d i v ，以保证全量程内的输出信号大小一致。然后再通过主放 大器将放大到0 2 v ，提供给a d 转换器。 3 1 2 基准时钟系统 该系统利用一个4 0 m 的晶体，经分频得到2 0 m 的基准时钟。将2 0 m 时钟分 成两部分，一部分直接送数据选择器；另一部分接到一个1 6 位计数器的时钟端， 通过给计数器赋不同的初值，就可以在计数器的进位端得到对应于不同的扫描时 问的实时采样时钟，将这个时钟送数据选择器，由c p u 控制就可以得到各种需要 的采样频率了。 3 1 - 3 2 0 m s p s 实时采样系统 系统设计的核心是2 0 m s p s 高速实时采样a d 时序，它控制t l c 5 5 1 0 采样 时序以及a dr a m 写入时序，在5 0 n s 刷新速率内完成采样序列数据点的写入。 同时，该系统在触发信号的配合下，对模拟数字转换器采样的数掘进行适当的取 舍，可以实现同步、延迟、负延迟触发功能，这增加了数据显示的灵活性【4 】【6 1 。 基于随机采样的高速数据采集系统设计 3 。1 。4 时间展宽电路 在进行随机等效采样时，关键是准确确定信号触发点到来时刻与其后到来的 第个模拟数字转换器转换时钟之间的时间差。但该时间差极短( 0 n s 5 0 n s ) ，在 测量时钟不能无限提高的情况下，无法直接测量，这时需要借助时问展宽电路来 实现。在实际的随机等效采样系统中，是通过将该时间延长一个a d 采样时钟， 然后在这个时间内对一个漏电很小的电容用大电流放电( 也可以充电) ，这个短时 间结束后再用小电流对其充电( 放电) ，可以将5 0 n s 1 0 0 n s 的时闯放大，这个时 间的放大倍数与放电电流、充电电流之比有关。这个放大后的时间经整形后，作 为闸门信号，用计数器对它计数后送c p u 处理，确定在进行等效采样时，每次采 集到的数据在波形重构时在d ar a m 中的位置。 3 2 前置衰减和放大电路设计 前置通道衰减放大电路的主要目的是：为了扩大可观测信号的幅度范围，设 置衰减器和放大器，对小信号进行放大，对大信号进行衰减，以保证整个系统有 足够的动态范围：同时，为了不给被测信号带来影响，输入端应有较高的输入阻 抗，因此，需要高阻到低阻的阻抗变换电路。 前置通道衰减放大电路主要出编码开关、通用阵列逻辑( g a l ) 、继电器、 衰减器、放大器、运放偏置电路等部分组成。其框图如图3 一l 所示： 输入信号厂 广 厂 厂_ 一 刊衰减囊蛆l h 裹碱毒姐2 h 放大嚣1 h 放大器2 3 2 1 编码开关 f 兰翌翌苎h 耋霆篁刭 图3 - 1前置通道衰减放大电路框图 编码开关与传统的波段开关相比具有更高的可靠性，因此本电路设计中采用 了二进制码输出的编码开关。该编码开关前面有1 2 个档位，后面有5 个接点，其 中个为输入控制线，另外4 根是二进制码输出信号线，对1 2 个档位采用了不同 的编码，具体编码关系如表3 1 所示。 表3 - 1编码开关位置与编码赡关系 l 位置l 档位值( d i v ) l衰减倍数1 l 衰减倍数2 i 编码输( b c d e ) ill j 一j 一一a _ g n d i 第三章系统硬件结构与前置衰减放大电路设计旦 15 m v1l0 1 0 1 21 0 m v2l0 0 0 1 32 0 m v4l1 0 0 l 45 0 m v1 011 0 1 1 50 1 v1 020 0 1 1 60 2 v1 040 l | l 70 5 v1 01 0l i i l 81 v1 0 021 0 0 0 92 v1 0 040 0 0 0 1 0s v1 0 01 00 1 0 0 1 1 1 0 v1 0 0 021 1 0 0 1 22 0 v1 0 0 04l 1 0 1 当编码开关拨到不同的位置时，输入控制线a 分别与4 根二进制码输出线中 的某根或某几根接通。在不同的档位，让输出端子跟其中的某一个端子相连，这 样如果将这个特定的端予接地，其余的端子分别通过上拉电阻接至电源，这样在 某个档位上，与接地端子相连的端子输出为0 ，不与接地端子相连的端子输出就 为1 。由于该开关对各个档位有不同的编码，所以称为编码开关。 3 2 2 通用阵列逻辑( g a l ) 设计 通用阵列逻辑( g a l - g e n e r i ca r r a yl o g i c ) 是早期开发的低密度可编程逻辑 器件，它具有结构简单、成本低、速度高、设计简便等优点。在电路中，编码开 关的输出信号经过g a l 译码后在输出端输出控n - 极管- 丌关的信号，利用三极 管的开关作用来控制各继电器线圈通电与断电，进而控制继电器组的动作。具体 衰减控制见表3 1 。在g a l 编程时，使用的是a b e l 4 0 ，用真值表写的源程序， 对编码开关输出的二进制码进行译码。 3 2 3 衰减器 输入信号幅度变化范围宽广，小到几十毫伏，大到几十伏。为了保证a d c 正常工作，对大信号需要进行衰减。衰减器由两部分组成：高阻衰减器位于输入 端，用于将输入信号衰减1 ，1 0 ，1 0 0 ，1 0 0 0 倍：低阻衰减器位于阻抗变换器之后， 将输入信号衰减1 ，2 。4 ，1 0 倍。 高阻衰减器电路如图3 2 所示。由r c 电路组成，不同衰减倍数的电路形式 基于随机采样的高速数据采集系统设计 基本一致【7 】，它由继电器来切换。衰减器的衰减量为输出电压v o 与输入电压v i 之比，也等于v c l 、r 1 并联阻抗与r 2 、c 2 和( r 3 + i o w e ) ) 的并联阻抗的分压 比。当上述元件选择得当时，v o ，v i 近似等于r 2 ( r 2 + r i ) ，此时分压比与频率无 关，所选的r 、c 值可以得到最佳补偿。理论和实践表明，对于1 0 0 ：1 的衰减器， 这里的r l 、i 毪、r 3 、c 1 、c 2 、v c l 、v c 2 分别为9 9 0 k 、1 0 1 k 、1 0 、2 2 0 p 、8 2 p 、 3 p 、l o p 。 图3 - 2 高阻衰减器电路 低阻衰减器将信号衰减】、2 、4 、1 0 倍。由电阻网络和继电器组成，浚继电 器和前面的高阻衰减器选择一样，由编码开关产生的信号经过g a l 泽码后进行 控制。其电路如图3 3 ，其中r 2 、r 3 、r 4 、r 5 组成电阻衰减网络，取值分别为 3 0 0 、1 5 0 、9 0 、6 0 欧姆，相应的衰减系数分别为l 、1 2 、1 ，4 、1 1 0 ，电阻r 1 、 r 4 、r 6 是后面放大电路的基极偏置电阻，取值分别为1 5 0 、3 9 、1 0 0 欧姆。 i n p u t 3 2 4 放大器设计 图3 - 3 低阻衰减网络电路 o u t 口u l ： 口d 前面衰减后的信号在5 m v 以内，经过一个放大器将该信号放大到最大值为 1 0 0 m v ，这一部分电路要求的精度很高，同时，频带宽度要比系统的频率响应 指标还要宽广。在设计中我们借用了深圳麦创电子技术有限公司生产的示波器中 第三章系统硬件结构与前置衰减放大电路设计堕 电路，取得了很好的效果。 主放大器主要完成对信号的放大和进行合理的偏置，将最大幅度为1 0 0m v 的信号放大1 0 倍并调理成0 屯v 电压，提供给a d 。在电路设计中，我们采用 b b 公司生产的宽带、低功耗电压反馈运算放大器o p a 2 6 5 0 。其典型特征如下f 8 】： 低功耗：5 0 m w c h a n 单位增益带宽：3 6 0 m h z 快速的建立时间：2 0 n st o0 0 l 微分增益相位误差：0 0 1 0 0 2 5 。 高输出电流：8 5 m a v s sv r 3 0 1v c c 图3 - 4 主放大器电路 主放大器电路如图3 4 所示。该运算放大器的增益带宽积为3 6 0 m ，而系统要 求能对1 0 0 m 周期信号进行随机等效采样，因此，单个运放设计的放大倍数不能 大于3 6 倍，在设计中只能用两级放大来实现对输入信号放大】0 倍的任务。 设输入端子j 3 0 1 的1 、2 两个端子的电压分别为u l ，u 2 ，应用叠加原理， 对于同相输入端有： 踟+=丽r303+ui*(1+型乓3ul*4=3ul(3-2-1r302 ) r 3 0 3 + r 3 0 1 、7 4 对反相输入端有： u o u 2 + 塑= 一3 u 2 ( 3 - 2 - 2 r 3 0 2 ) 放大电路的第一级输出为： u o l = u o + + u j 一= 3 ( u 1 一u 2 ) ( 3 - 2 3 ) 1 6 基于随机采样的高速数据采集系统设计 由式( 3 2 3 ) 可见，放大器u 1 a 抑制掉输入信号中的共模信号，而将差模 信号放大3 倍。 对第二级放大器同理有： 洳2 = u 2 + ( 1 + 面v r 3 0 2 一踟l 【( 面v r 3 唧j 0 2 调节v r 3 0 2 使输出的信号总增益为l o ，即1 0 0 m v 信号放大到1 v ，再调 节v r 3 0 1 ，使输出信号变换为0 - 2 v ，供给a d 。 第四章随机采样电路设计、仿真及调试旦 第四章随机采样电路设计、仿真及调试 在随机采样系统设计中，精确确定触发时刻到触发后 m 的第一个采样时 钟的时间间隔是关键技术之一。在文献中主要有以下两种确定方法：一种方法是 用一个低速的a d c 将触发点与其后的第一个采样时钟之间的时间差t 转换为 数字值【9 l ；另一种方法是用双斜率充放电电路将触发点与其后的第一个采样时钟 之间的时间差t 放大，然后用计数器进行测量【2 】f 5 i h 舭l ：本系统设计中采用 了第二种方法。 4 1 双斜率充放电电路设计 双刳率充放电电路对电容的充放电有快充慢放和快放慢充两种形式，两种形 式的主要区别在于：快充慢放形式的电流通路所用的开关三极管是p n p 管，快放 慢充形式的电流通路所用的三极管是n p n 管。不同极性的三极管对系统性能的影 响主要体现在速度上，n p n l 管的工作频率比p n p 管的要高。因此，在电路设计 中选择了快放慢充形式的电路。 双斜率充放电电路如图4 - l 所示，该电路由高速电流开关、电流源、比较器、 电平转换电路和脉宽计数器组成。其工作原理如下所述：c h a r g e 和d e c h a r g e 两个输入端的信号来自于同一个d 触发的_ ，q 和q 端，他们是互补的信号。晶体 管0 1 0 1 、q 1 0 2 组成高速电流开关，在窄脉冲持续时间_ i 内0 】0 ：导通而q 1 0 1 截止，由q 1 0 4 、r i1 0 、z d l 0 3 、r 】l i 组成的电流源对电容c 】0 3 以恒流l i 充电， 同时，在窄脉冲持续时间内，q 1 i ) = 2 导通、q 1 1 1 1 截止，由 j 1 0 3 、r i h 、z d lc j l 、 r 1 0 7 、v r l 0 5 、r 1 0 6 、c i 岫组成的电流源通过三极管u l ( 】2 对电容0 】【j 3 进行放 电，放电电流为1 2 ，充电电流1 1 小于放电电流1 2 ，综合的结果相当于在窄脉冲持 续时间1 内，电容c 1 0 3 以恒流1 2 - 放电。在窄脉冲结束后，n i ! ( h a r g e 端 出现低电平而c h a r g e 端出现高电平，这时三极管q l o l 导通0 1 0 2 截止，电流 源1 2 通过三极管q 1 0 1 从差分对管左边流过，电流源i 】仍然给电容c 1 0 3 充电， 这时总的效果相当于对电容c 1 i ) 3 以电流i i 恒流充电，随着充电的进行，旦电 容c 1 i ) 3 的电压升到由r 1 0 9 、z d l 0 2 、k 1 1 0 2 、c l c 5 嵌位的电压l o 7 伏时，这时 继续进行的充电电流通过嵌位电路释放掉，整个电路达到了一个平衡。等待下一 个随机采样序列的到来，并重复充放电过程。电容c i o i 、c 】0 2 是为了加快晶体 管的开关速度而加的加速电容；0 1 0 3 、r 1 0 4 、z d l o l 、r 1 0 7 、v r l 0 5 、r 1 0 6 、 c 1 0 4 组成的电流源的其设计值为1 0 m a ：q 1o 】4 、r 1 l o 、r 1 】l 、z d l 0 3 组成的电 基于随机采样的赢速数据采集系统设计 流源的设计值为1 0 u a 。电容c 1 0 3 上的电压经电容c 1 0 6 耦合，送比较器u 1 0 1 b 形成