（计算机软件与理论专业论文）多通道数字示波器的研究与设计.pdf

贵州大学硕士学位论文 4 摘要 随着微电子集成技术和计算机技术的飞速发展，现代数字示波器作为一种精 密电测仪器得到了更快的发展，不仅其功能越来越强、精度越来越高，而且外形 越来越美观。但现有的数字示波器价格普遍偏高，使其应用受到一定限制。充分 利用虚拟现实技术研究功能强大、性价比高的虚拟数字示波器，使之更好地满足 实际应用的需求，具有很好的现实意义。 多通道数字示波器，是在认真分析现有数字存储示波器工作原理的基础上， 以p c 机作为硬件基础，运用v i s u a lb a s i c6 0 作为开发平台，p c i 一1 7 1 0 作为数 据采集卡。该项研究采用模块化设计方法，利用数据采集技术设计了实时采样模 块，根据时频分析的工作原理以及实现算法设计了时频分析数据处理；重点分析 了数字滤波的设计与实现方法，并且通过对数字示波器有关技术的总结分析，利 用数据采集卡p c i 1 7 1 0 采集信号发生器的数据，对其各项功能分别进行了测试 和分析，测试结果表明该多功能数字示波器基本上实现了数字示波器的功能。 该多功能数字示波器实现了实时数据的采集与显示，实现了f i r 滤波的功 能。 关键词：数字存储示波器；p c i 1 7 1 0 ；数据采集；数字滤波；v i s u a lb a s i c6 0 贵州大学硕上学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e g r a t e dm i c r o e l e c t r o n i c sa n dm i c r o c o m p u t e r t e c h n i q u e ，t h em o d e md i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ，w h i c hi sr e g a r d e da sa k i n do f e x a c te 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 t ，i sr a p i d l ye x p a n d i n g i tn o to n l yh a ss t r o n g e r f u n c t i o n sa n dg r e a t e rp r e c i s i o n ，b u ta l s os h o w st h eb e a u t i f u ls h a p e b u tt h ep r i c eo f t h ed s oi sr a t h e rh i g hu n i v e r s a l l y , w h i c hl i m i t st h ea p p l i c a t i o no ft h ed s ow i d e l y t h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n tm a k e si tp o s s i b l et or e s e a r c ha n de x p l o r et h e c h e a p e rh i g h - p o w e r e dd s o t h en e wd s oc a ns u f f i c ef o rt h ea c t u a lr e q u i r e m e n t s g r e a t l y s oi t i sv e r yp r a c t i c a la n dm e a n i n gt or e s e a r c ht h ev i r t u a lm u l t i f u n c t i o n s d s o t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ee x i s t i n gd s oi sa n a l y z e de a r n e s t l y o nt h i s c o n d i t i o n ，t h ev i r t u a lm u l t i f u n c t i o n sd s oi sr e a l i z e db ym a k i n gg r e a tu s eo ft h e e x p l o r ef l a tv b6 0a n dt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d t h em o d u l a r i z a t i o nm e t h o d sf r o m t o pt ob o t t o ma lea d o p t e di nt h i sr e s e a r c h t h er e a l t i m es a m p l i n gm o d u l ei sd e s i g n e d b yt h ea n a l y s i so ft h ed a qt e c h n i q u e b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f t h et i m ea n d f r e q u e n c ya n a l y s i sa n da r i t h m e t i c ，t h et i m e m o d u l ea n df r e q u e n c ym o d u l ea r e d e s i g n e d i nt h ec o u r s e ，d i g i t a lf i l t e ri st h ee m p h a s e st ob er e s e a r c h e da n dr e a l i z e d a f t e rt h ec o r r e l a t i v et e c h n i q u eo fd s oi ss u m m a r i z e da n da n a l y z e d ，t h ed e t a i l e d d e s i g n so ft h eo t h e rm o d u l e ss u c ha sw a v e f o r md i s p l a y , w a v e f o r ms a v ea r eo p e n e d o u t f i n a l l y , t h ea l lf u n c t i o n so ft h em u l t i f u n c t i o n sd s o a r et e s t e da n da n a l y z e dw i t h t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dp c i 1710 t h et e s t i n gr e s u l t sp r o v et h a tt h em u l t i f u n c t i o n s d s oa t t a i n st h ed e s i g nt a r g e t t h em u l t i f u n c t i o n sd s oh a ss o m eo ff u n c t i o n sa c h i e v e di nt h ed s 0 ，s u c ha st h e a n a l y s i s i n ga n dd i s p l a y i n go fr e a lt i m ed a t a a n dt h ef i rf i l t e r i n gi s a l s od e s i g n e di n t h i ss y s t e m k e y w o r d sd i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ；p c i 一17 10 ；d a t aa c q u i s i t i o n ；d i g i t a lf i l t e r ； v js t l a 】b a s j c6 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 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 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在丈中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： e l 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州i 大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州i 大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进 f - i - 检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：猫师签名：邀日论文作者签名：翌降师签名：避日 i 贵州入学硕- i ：学位论文6 1 1 数字示波器简介 第1 章绪论 随着大规模集成电路技术、信号分析与处理技术、计算机技术和网络技术的 迅速发展以及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、方法、领域以 及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破传统仪器的概念，电子测量仪器 的功能和作用发生了质的变化【1 】。而新的测试技术的发展则为电子测量提供了 越来越强有力的技术手段和越来越宽广的应用前景。现代电子测量仪器发展的最 重要的特点是微处理器或微型计算机的广泛应用。它们以微型计算机的软件和硬 件为核心，对传统仪器进行重新设计，仪器测量部分和微型计算机部分相互融合， 实现智能化控制，向多功能发展。示波器就是该领域中最常见、应用最广泛的几 种测量仪器之一。示波器是以短暂扫迹的形式显示一个量的瞬时值的仪器，也是 一种测量、观察、记录的仪器。可以直观表示二维、三维及多维变量之间的瞬态 或稳态函数关系、逻辑关系，以及实现对某些物理量的变换或存储。伴随数字技 术的发展，数字示波器展现了更强大的功能：智能捕获、参数分析、时频等变换 处理、超大规模数据波形存储以及数据上网共享等功能。示波器作为一种直观、 通用、精密的测量工具，广泛地应用于工农业生产、科研、军事、教育各个领域 中，进行对电量和许多非电量的测试、分析、监视。 1 2 数字示波器的发展与研究现状 随着微电子集成技术、微计算机技术、数字技术的飞速发展，现代数字化存 储示波器的研究与开发也有了更快的发展，是近年发展最快的仪器。现代数字示 贵州大学硕1 ：学位论文 7 波器展现了更强大的智能捕获、参数分析、时频变换、超大规模数据波形存储和 数据上网共享等功能【7 1 。各大公司( 如h p ，t e k 等) 相继投入巨资来研究开发该 类仪器以图率先占领此技术领域。 数字存储示波器的发展依赖于新的数据采样技术的发展。实时采样技术由一 般数字电路构成的a d 变换器发展到使用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 技术变 换速率大大提高。与此同时，非实时采样技术也逐步得到发展。近来，有两种重 复取样技术：顺序取样( s e q u e n i t a ls a m p l i n g ) 和随机取样( r a n d o ms a m p l i n g ) 获得广 泛应用。非实时采样技术对观测和存储重复性的周期信号是极为有利的，可大大 提高其频带宽度。美国t e k 公司的2 4 3 0 型数字存储示渡器，采用“实时取样” 和“顺序取样”相结合的方法，达到1 5 0 m h z 的带宽和1 0 0 m s a s 的采样速度。 p h i l i p s 公司研制出新型的p 4 c c d ( 电荷祸合器件) ，提高了变换速率，可存储 3 0 m h z 的单次瞬变信号( p m 3 3 11 型) 。h p 公司的5 4 1 0 0 型采用了“随机取样” 技术，使有效带宽达到1 g h z 。 上世纪9 0 年代以来，基于实时取样量化技术的高速瞬态存储示波器的研制 与生产得到飞速的发展，各大公司不断推出采样率高、宽带的产品。例如：t e k 公司的t d s 6 8 0 b 6 8 4 百数字示波器，数字化率达5 g s a s ，带宽1gh z ，量化分辨 率8 b i t ，h p 公司的h p s 4 7 2 2 a 数字示波器数字化速率高达8 g s a s ，带宽2 g h z ， 量化分辨率8 b i t 。t e k 公司推出的t d s 7 8 4 数字示波器能同时在4 个通道上实现 数字化速率1 0 g s a s ，带宽1 g h z a 同时，便携式测试仪器也取得了飞速发展。其 中，万用示波表获得了示波器技术的一个突破。通过大规模集成电路技术和使用 液晶显示器，f l u k e 公司的万用示波表把一个全功能的2 通道5 0 m h z 数字存储 示波器和一个数字万用表组合在一个重量只有1 8 k g 的手持式体内。 近十年来，国内数字存储示波器技术研究及发展也取得了相当的成果。数字 贵州人学硕士学位论文 8 存储示波器采用微处理器进行测量和数据处理及波形分析，其精度和处理速度大 大提高【8 】o 电子科技大学进行的“八五预研项目实时数字化速率可达1 g s a j s ， 采集存储速率已达o 5 g s a j s 。“九五的研究与开发使数字存储示波器数字化速 率高达2 g s a j s ，打破国外在高速数字化存储示波器技术上的垄断，为我国电子 仪器与测试的发展开创了新的技术领域，为国防军用领域高新技术的研究与开发 提供现代化的检测、分析、处理的强有力工具。 但是，对于实际千差万别的测量系统来说，这类示波器仪表功能固定，可扩 展性差，加之价格比较昂贵，因此应用的深度和广度也受到一定的限制。虚拟仪 器技术【9 。1 】的出现使得软件实现数字示波器成为现实。虚拟示波器具有人机交互 的虚拟仪器面板和计算机测试系统，由微型计算机( p c ) 机、模块化功能硬件( 主 要是数据采集卡) 和控制软件等组成。操作者可以通过计算机屏幕显示的虚拟示 波器面板，来控制检测系统工作，实现被测信号的采集、分析处理和图形显示、 打印输出等功能，并可以根据需要做成网络化仪器，实现远程测量和数据传输等。 国内在虚拟示波器方面也进行了大量的研究，其主要集中在对现有传统模拟示波 器或者数字示波器用虚拟仪器来得以实现。但普遍的虚拟示波器本身的功能并没 有得到太多的改进。 1 3数字示波器系统组成及工作原理 数字示波器主要有硬件系统和软件系统组成。硬件系统由计算机硬件系统和 外部硬件系统组成。这里主要研究外部硬件系统，其主要目标是实现数据采集、 a d 转换、数据缓冲及压缩、数据存储、向计算机系统传输。软件系统的主要任 务是通过计算机硬件系统读取由外部硬件设备传输来的数据，进行解压、变换、 排除干扰信号、将波形显示在显示器上，并进行波形的存储、打印与分析。 贝7 1 1 八学删i 子位谢x l 。3 。差数字示波器及其特点 传统的模拟示波器把需观测的两个电信号加至示波管的x ，y 通道以控制电 子束的偏移，从而获得荧光屏上关于这两个电信号关系的显示波形。显然，这种 模拟示波器体积大、重量重、成本高、价格贵，并且不太适合用于对非周期的、 单次信号的测量。 ， 数字存储示波器( d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e 简称d s o 6 1 ) 是将输入被测连续 模拟信号用a d 转换器变换成离散数字信号并存储予存储器中。转换完成一批 数据后通过光栅扫描将数字信息经过变换显示在l c d 上。数字存储示波器既适 用于重复信号的检测，也适用于单次瞬态信号的测量。与记忆示波器相比，数字 存储示波器具有存储时闻长，能捕捉触发点前的信号，露通过接口将数据共享等 特点。正是豳予数字存储示波器引入数字处理技术，并与计算机一起构成更大的 测控系统，使其对于复杂的单次瞬变信号的记录存储及分析研究非常有效，在各 行各业( 趣括鬼子、机械、纺织、水力以及军事应用领域等) 都有着广阔的发展天 地。 所谓数字存储，就是在示波器中以数字编码的形式来贮存信号。在信号到达 l c d 的偏转电路之前，示波器将按一定的时阀闻隔对信号电压进行采样，然爱 用一个模数变换器( a d c ) 对这些瞬时值或采样值进行变换从而生成代表每一个 采样电压的二进制字，这个过程称为数字化。接着将获得的二进制数值贮存在存 储器中。对输入信号进行采样的速度称为采样速率，采样速率幽采样时钟控裁。 对于一般使用情况来说，采样速率的范围可从2 0 m s a j s 到2 0 0 m s a s t 6 1 。 数字存储示波器( d s o ) 基于取样原理，利用a d 转换技术和数字存储技术， 畿逐速捕捉瞬变信号并长甥保存。它首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数 字数据并存储，存储器中贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形；然后 贵州大学硕士学位论文 l o 利用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所 需的各种信号参数( 包括可能需要使用万用表测试的一些元器件电气参数) 。最 后，它根据得到的信号参数绘制信号波形，并可对被测信号进行实时的、瞬态的 分析，以方便用户了解信号质量，快速准确地进行故障的诊断。 数字存储示波器克服了传统模拟示波器无法完成对单次信号和低重复频率 信号进行测试的缺点，同时它还具有如下的特剧6 1 。 ( 1 ) 可以显示大量的预触发信息。 ( 2 ) 可以长期贮存波形。 ( 3 ) 波形信息可用数学进行处理：如平均、迭加、信号的相关处理、频谱 分析、f f t 分析等。 ( 4 ) 可以进行全自动的参数测量：使用模拟示波器时，用户只能进行手动 测量，例如对屏幕上显示的波形曲线进行解释分析、在屏幕上计算格数以求出波 形幅度和时间间隔。而使用d s o 时，只要示波器己经采集了信号波形，就获得 了所有的波形信息数据，根据这些数据就能自动计算出要测量的参数，得到更加 准确可靠的结果，整个过程极为迅速简便。 ( 5 ) 可以采用多种触发方式：d s o 的存贮功能使它成为捕捉十分罕见、甚 至于只发生一次的信号，例如单次事件的极为有用的工具。为捕捉这些信号就要 求示波器具有各种各样的触发方式去探测这些特殊的条件，以便启动波形采集。 为实现这一目的，只有边缘触发方式往往是不够的，为此又开发了若干附加的触 发能力，如状态触发、毛刺触发、时间限定触发等。 1 3 2 数字示波器的取样方式及分类 数字示波器的核心内容是将模拟连续被测信号转换为数字信号，即取样。从 贵州大学硕士学位论文 连续模拟被测信号中离散( 时间上) 地取样转换成数字数据作为“样品”，用来表 达原信号的部分特性凌全部特性。保证转换的数字数据与被测信号的关系是线性 的，取样时可以一个被测信号周期内取许多点或者多个被测信号周期内采集一个 点，取样间隔可以相等，也可以不等。取样方式大致有两种：实时取样、非实时 取样。 ( 1 ) 实时取样：取样脉冲频率高于信号频率，在信号的一个周期内采集多 次被测信号的瞬时值，用其包括反映原波形。为了比较真实地苒现被测信号原貌， 实时取样时，一个被测信号周期蠹要求取样点数n 大于或等于5 ，当n = 1 0 时， 波形完全荐现信号；当n = 5 时，波形微显失真；当n = 3 时，波形呈明显失真。 ( 2 ) 非实时取样又分为顺序取样和随机取样。非实时顺序取样：一个或多 个被测信号周期内取样一次，取样信号每次延迟a t + n t ( t 为被测信号的周期，n 等于1 ，2 ，3 ，) ，取样后的离散数字信号构成的包括反映原信号的波形情况， 但这个包括的周期与原信号的周期相眈低得多，相当于将被测信号在时闻轴拉伸 了。非实时随机取样：一个或多个被测信号周期内取样一次，但每次取样相对予 原信号不是固定a t + n t 时间，而是具有一定的随机性( 相对于被测信号某一固定 相位一参考点) ，以取样时刻相对子参考点的t 时间段为“尺度在时间轴排序 取样点，由此形成的包络再现了被测信号的信息。 根据取样的方法不同，数字示波器可以分为实时取样数字存储示波器、随机 取样数字存储示波器、顺序取样数字存储示波器。以上三种示波器各有优缺点， 实时取样示波器可以观测菲周期信号，非实时取样示波器可以比较容易地做到观 测高频信号的能力。 数字存储示波器用实时取样方式观察重复信号时，由予触发信号与取样时钟 是不同步的，它们之间无固定的时闻关系，故触发信号与其后第一个取样时钟闻 贵州大学硕上学位论文1 2 的时间间隔是随机的，其值在0 到t 个取样周期内变化。所以在观察重复信号时， 波形晃动与一个被测信号周期中的取样点数成反比，随着被测信号频率增高，晃 动变大。 在随机取样方式工作时，每个捕获周期取得一组取样数据。第一个捕获周期 获得一组取样数据，第二个捕获周期又获得一组取样数据，依次类推，第n 个 获取周期又获得一组数据。每组数据内相邻两个取样点的时间间隔是固定的( 采 样周期) ，而各组数据头一个取样点相对于触发信号是随机的。利用该随机时间 间隔t 依次在时间轴上排序各组捕获数据，从而重现被测信号波形。 1 3 - 3 数字示波器工作原理 数字存储示波器有实时取样和非实时取样两种。这里介绍属于实时取样的数 字存储示波器【6 】，图1 1 为其组成原理图。 y i 匝道 图1 1数字存储示波器原理图 数字存储示波器包括取样通道、x 通道、y 通道、c r t ，微型计算机、g p i b 等部分。在微型计算机的控制下完成取样、存储、读出、显示和程控等任务。控 制部分由c p u ，r o m ，r a m 等组成。c p u 控制所有的i o 口、r a m 的读写操 作，以及地址总线和数据总线的使用。在r o m 内固化( 写入) 有仪器的监控程序。 g p i b 是通用接口总线，通过它可以程控数字存储示波器的工作状态，实现内部 贵州大学硕士学位论文 存储器与外部设备交换数据的功能。图中触发电路、控制电路等部分决定了模拟 信号的取样、存储和读出。输入信号u i 经取样和a d 转换后写入r a m 中，在 显示时，从存储器( 洲) 中读出数据，经d a 转换器恢复成模拟信号( 阶梯波) ， 并送到c r t 的垂直偏转板；同时对存储器进行地址扫描，经d a 变换成上升的 扫描电压，以便供显示波形时使用，这个波形是由连续光点合成的。其中，x 通 道在写入阶段用于控制取样脉冲的形成。它也可以只用于在显示阶段提供x 通 道扫描电压，由微计算机直接提供取样的控制信号。为了同步并显示稳定的信号， 每次时基扫描都是由一个触发事件启动的。数字存储示波器的工作原理主要包括 取样原理、时基设置、触发机制、波形插值处理、工作模式等。 1 4 数字示波器主要技术指标 信号的采集、数据的处理以及波形的显示和存取是虚拟多功能示波器实现的 技术关键。而在数据采集模块中，采样和数字化又是其最关键的部分数字示波器 的波形信号的获取是通过信号采集模块来实现的。而输入信号的采样和数字化是 通过采样及保持电路来完成的，图1 2 所示为采样保持电路的方框图。 由图可以看出，它主要由放大器、数模变换器和存储器以及控制器组成。数 字示波器输入的待测信号是模拟量，该模拟信号经过通道放大衰减调整为适于 存储器 图l - 2 采样保持电路方框图 贵州大学硕士学位论文1 4 a d 变换后送到采集模块进行数字化。模拟量数字化的三个过程是：“取样”、“量 化”、和“编码 。从而a d 模数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，该离散数字信号送到后续模块进行相关数据处理。在采样和数字化 的过程中，垂直分辨率、时基和水平的分辨率、实用上升时间、最大捕捉频率、 等效时间采样速率、预触发和后触发、状态触发以及触发位置是重要的设置参数。 通过把采样电压和许多参考电压进行比较可以得到采样电压的幅度。而垂直 分辨率就用来表征电压的幅值，即垂直分辨率就是构成输出的字的总比特数( 即 数字输出字的长度大小) ，其用比特来表示。时基和水平的分辨率：在数字存储 示波器中，水平系统的作用是确保对输入信号采集足够数量的采样值，并且每个 采样值取自正确的时刻，和模拟示波器一样，水平偏转的速度取决于时基的设置 ( s 格) 。两个采样之间的时间间隔可按下式计算： 采样间隔= 时基设置( s 格) 采样点数。 采样速率是采样间隔的倒数：采样速率= 1 采样间隔。 通常示波器可以显示的采样点数是固定的，时基设置的改变是通过改变采样速率 来实现的。 实用上升时间：在很多示波器应用场合，都要测量上升时间和下降时间。最 大捕捉频率是按照香农( s h a n n o n ) 采样准则来设置的，在进行信号数字化的时候 对输入信号波形每周期三个点进行采样 重建的波形 图1 3 采样波形的比较 贵州大学硕士学位论文 要求采样时钟的频率至少应为信号本身所包含的最高频率的两倍，这个要求通常 称为香农采样定理。示波器是用来研究信号的，从图1 3 可以看出，如果每个周 期用三个采样点对信号进行采样。则再现的波形也会发生很大的失真。 等效时间采样速率：等效时间采样的方法采用从重复性信号的不同的周期取 得采样点来重建这个重复性信号的波形，这样就提高了示波器的时间分辨率。 预触发和后触发：每次时基扫描都是由一个触发事件启动的。在很多应用场 合，我们感兴趣的波形部分并不紧跟在引起稳定触发的信号部位的后面，而是在 触发以后一段时间，或者甚至可能在触发这前。而示波器显示触动发时刻之前的 信号的能力，这就使得示波器能用多通道的波形详细地显示出一个系统的输入和 输出信号，从而看出系统响应的因果关系。 状态触发：使用状态触发时，输入信号怕自理方法和图形触发时一样，只不 过一定要把其中的一个输入信号当作时钟信号。 触发位置：具有预触发或后触发延迟能力的示波器必须具有某种方法来控制 延迟时间的大小，这可以用触发位置控制机构来完成。在有些示波器中，允许用 户将触发时刻设置在整个采集记录中的任何位置，并且触发位置还是连续可变 的。 1 5 数字示波器的采样方式 为了测试高频模拟信号，必须采用高速的模数转换技术。采样定理指出，要不 失真地复现输入信号，采样频率必须大于等于输入信号频率上限的二倍，但在实 际工作中，要得到较理想的输入信号的波形，在输入信号的每个周期必须采十个 以上的数据点。这样绘制出的波形图才能比较准确地反映输入信号的特征。因此 在对信号进行采集时，一般有以下几种方案： 贵州大学硕士学位论文 1 6 ( 1 ) 直接a t ) 采样 该方案采用市售高速a d 转换芯片，直接对输入信号进行采样、转换，然后 存储在单片机或r a m 中。该方案的主要优点是软硬件设计简单，且有很多现成 的资料可以参考。缺点在于速度与价格难以兼顾，市售高速a d 转换芯片的价格 与速度基本成指数关系，而且有很多高速a d 转换芯片难于购买。因此，以较低 的价格只能得到较低的性能。另一方面，从科技创新本身来说，本方案的技术已 经相当成熟，真正创新的内容不多。 ( 2 ) 取样示波器方案 所谓取样示波器，就是在一个周期信号的不同周期采样，从而获得周期信号 的信息。如图1 - 4 所示：对于输入信号，设其周期为l 如果能够准确地得到其确 的时间，那么就可以每隔( 聊+ 去) 丁时间采样一次，采刀个数据点，实际上与在 一个周期内采刀个数据点是等价的。 此外，如果将逐次比较a d 转换的各次比较过程分在各个不同的周期，但都 对应相同的相位，从理论上来说于在一个周期内采样是等价的，而每次比较的时 间总比完整的转换时间短的多，因此分周期逐次比较可以对频率更高的输入信号 进行采样。 霸7 ”j ”? 一一一j 一。一一一 i i 二二二：二二二二o 。，、，。，i 。，：。 图卜4 ( 1 )直接采样方案示意图 图1 - 4 ( 2 ) 隔周期采样方案示意图 贵州大学硕士学位论文1 7 该方案的主要优点是可以采集很高频率的周期性输入信号，同时该方案的难 点也是很明显的：如何准确获取t n 的时间。但该方案可以考虑使用稍高档的集 成锁相环，可能可以解决失锁的问题，另外，如果采用数字锁相环，或者用单片 机结合p l d ，可以实现数字锁相，从而得到更精确更稳定的取样控制脉冲信号。 ( 3 ) 电压比较方案 以上两个方案都是通过在特定的时刻对输入信号采样而得到输入信号的信 息。但由于输入信号是模拟量，就必须进行a d 转换，而a d 转换的速度限制了整 个采样及转换过程的速度的提高。与之相比，使用高频时钟( 7 4 l s 系列的计数 器理论最高时钟频率都可达到数十m h z ) 和多位计数器计时，可以非常容易地把 图1 - 5 电平比较方案示意图 时间变为数字量。该方案避开a d 转换，而通过d a 转换输出一个参考电压，将输 入信号与参考电压进行比较，记录比较器输出翻转的时刻，这一时刻可以认为是 输入信号与参考电压相同的时刻，而且可直接从计数器中读出该时刻对应的数字 量；对于周期信号，与方案( 2 ) 中类似，在不同的周期中采样，可以采集非常 频率高的周期信号。该方案的主要难点是比较器上的干扰如何抑制。在实验中， 发现比较器的输入端干扰非常大，这与我们的实验条件有定关系。最终还是没 能克服这个问题而放弃了该方案。 贵州人学硕士学位论文 ( 4 ) 频域分析方案 该方案原理类似于频谱仪。对于周期输入信号，分析其各次谐波分量的幅值 与幅角，就可以求出其波形。由于常用的周期信号高频分量衰减得都很快，因此 只用分析几次谐波就可以得到较精确的结果。此方案的难点在于本级振荡中的频 率合成，以及各次谐波的幅角的测量。 1 6 本文研究内容与结构 第2 章介绍了数据采集技术，包括数据采集系统的构成，以及数据的采集方 式和性能参数，详细介绍了与p c i 1 7 1 0 采集卡相关的技术；第3 章介绍了在示 波器设计中所涉及的时域和频域分析的原理；第4 章给出了多通道数字示波器的 设计与实现；第5 章是对全文的总结。 贵州大学硕j ：学位论文 1 9 第2 章数据采集技术 2 1 数据采集系统的构成 典型的数据采集系统由模一数转换器、传感器、模拟多路开关、程控放大器、 采样保持器组成，其框图如图2 - 1 所示眄1 。 摸 _ l定时与逻辑控制 i _ 传感器 拟000叫显示器一 传感嚣l 多 投 采数 计 貉 控 样摸 。厍疋肃 ： 7 也! ：! ! i ： 开放 | 算 ： 。健感器l - 关 大 保转 甏 持换 机 。l 士口确t 腮 7 lj n 袖口叮 虬内心芒， 倍威鼹 裂子1 置亏 。 _ q l ww 一 - _ “，1 _ 一绘图仪 倍感羧 开关信号。 图2 1典型的数据采集系统框图 ( 1 ) 模一数转换器：模一数转换器把离散的模拟信号转换成时间和幅度上 均为离散的数字量。转换后的精度取决于模一数转换器的位数n ，当位数足够多 时，转换可以达到足够的精度。 ( 2 ) 传感器：传感器是数据采集系统中的重要组件，它将压力、流量、温 度等非电量转换成a d 转换器可以接收的电压或电流。 ( 3 ) 模拟多路开关：模拟多路开关是一种重要的器件，用来将多路被测信 号传送到a d 转换器进行转换，以便计算机能够对多路被测信号进行处理。 ( 4 ) 程控放大器：程控放大器用来放大传感器输出的微弱的信号，供a d 转换器进行转换。 贵州大学硕士学位论文2 0 ( 5 ) 采样保持器：采样保持器用来对模拟信号进行采样，并保持一段时间。 采样得到的是离散的模拟信号，该信号在时间上是离散的，幅值上是连续的。采 样周期满足采样定理的要求。 随着电子技术的发展，工业控制产品的生产厂家将模拟多路开关、程控放大 器、采样保持器、模一数转换器以及其他组件集成到一块电路板上，形成功能各 异的数据采集卡，系统开发时，根据要求的精度和速度选用合适的采集卡。 2 2 数据的采集方式 数据采集方式有顺序控制数据采集和程序控制数据采集两种 9 - 1 5 】。顺序控制 数据采集对于各路被采集参数，按照时间顺序依次进行轮流采样，系统的性能完 全由硬件设备来确定。在每次采集过程中，所采集参数的数目、采样点数、采样 速率、采样精度等都固定不变。若要改变这些指标，就须改变接线或更换某些硬 件设备。采集数据时，控制多路传输门的启闭信号来自脉冲分配器，在时钟脉冲 的推动下，这些控制信号周而复始地打开或关闭。图2 2 为顺序控制数据采集原 理图。 s l s 2 图2 - 2顺序控制数据采集原理图 图中s 1 ，s 2 ，s n 为传感器的输入信号，p w m 为多路传输门的输出 信号。控制8 路传输门开启的信道地址码由三路计数器状态确定。表2 1 为8 路 贵州大学硕士学位论文2 1 传输门开启次序与三级计数器状态的对应关系。 表2 18 路传输门开启次序与三级计数器状态的对应关系 顺序控制数据采集的缺点是缺乏灵活性和通用性。 程序控制采集方式由硬件和软件两部分构成。在存储器中，存放若干种信号 帧格式采集程序，根据不同的采集任务，可选择相应的采集程序进行工作，或者 通过重新编程，以满足不同采集任务的要求。程序控制可以改变的参数有：采集 点；采样率；数据字长；增益；帧格式。程序控制数据采集的采样信道地址可以 图2 3 程序控制数据采集原理图 随意选择，控制多路传输门开启的信道地址码由存储器中读出指令确定。改变存 储单元的指令内容就可改变信道地址，使用者通过可编程序能任意选择所需采集 的信道参数，以实现变点采集。图2 3 为程序控制数据采集原理图。 贵州大学硕士学位论文 2 3 数据采集性能参数 表征数据采集的基本技术参数有通道数、分辨率与精度、采集速度0 6 - 2 0 】。 ( 1 ) 分辨率与精度 数据采集常常要求高分辨率与高精度。在组成采集的各功能元件中，a d 转 换器通常是最贵的，当a d 转换器的分辨率与精度确定之后，通常要求其他功 能元件的误差比a d 转换器小得多，以保证总误差与a d 转换器相差无几。对 于一个8 位a d 转换器，其量化误差( 最小有效位) 为0 0 0 4 - - - 0 4 ；而对于一个 1 2 位的a d 转换器的量化误差为0 0 2 4 4 ，可见，采用位数多的a d 转换器， 将对相应的采样保持器、前置放大器以及多路模拟开关等提出更高的要求。 ( 2 ) 采样速率 采样速率是数据采集中重要的技术指标之一。一般来说，数据采集装置的速 度主要由功能元件的时延决定，而a d 转换器的转换时间起着最主要的作用。 2 4p c i 一1 71 0 数据采集卡 2 4 1p c i 1 7 1 0 简介 p c i 一1 7 1 0 2 1 1 是一款p c i 总线的多功能数据采集卡。其先进的电路设计使得它 具有更高的质量和更多的功能。这其中包括五种最常用的测量和控制功能：1 2 位a d 转换，d a 转换，数字量输入，数字量输出及计数器定时其功能。p c i 1 7 1 0 具有以下特点。 ( 1 ) 即插即用p c i 一1 7 1 0 完全符合p c i 规格r e v 2 1 标准，支持即插即用。 在安装插卡时，用户不需要设置任何跳线和d i p 拨码开关。实际上，所有与总线 相关的配置，比如基地址、中断，均由即插即用功能完成。 贵州大学硕士学位论文 ( 2 ) 单端或差分混合的模拟量输入p c i 一1 7 1 0 有一个自动通道增益扫描电 路。该电路能代替软件控制采样期间多路开关的切换。卡上的s r a m 存储了每 个通道不同的增益值及配置。这种设计能让您对不同通道使用不同增益，并自由 组合单端和差分输入来完成多通道的高速采样。 ( 3 ) 卡上f i f o ( 先入先出) 存储器p c i 1 7 1 0 卡上有一个f i f o 缓冲器，它能 存储4 k 的a d 采样值。当f i f o 半满时，p c i 1 7 1 0 会产生一个中断。该特性提 供了连续高速的数据输入及w i n d o w s 下更可靠的性能。 ( 4 ) 卡上可编程计数器p c i 1 7 1 0 提供了可编程的计数器，用于为a d 变 换提供可触发脉冲。计数器芯片为8 2 c 5 4 或与其兼容的芯片，它包含了三个1 6 位的i o m h z 时钟的计数器。其中有一个计数器作为事件计数器，用于对输入通 道的事件进行计数。另外两个级联在一起，用作脉冲触发的3 2 位定时器。 ( 5 )用于降低噪声的特殊屏蔽电缆p c l - 1 0 1 6 8 屏蔽电缆是专门为 p c g l 7 1 0 所设计的，它用来降低模拟信号的输入噪声。该电缆采用双绞线，并 且模拟信号线和数字信号线是分开屏蔽的。这样能使信号间的交叉干扰降到最 小，并使e m i e m c 问题得到了最终的解决。 ( 6 ) 1 6 路数字输入和1 6 路数字输出 提供1 6 路数字输入和1 6 路数字输出， 使客户可以最大灵活的根据自己的需要来应用。 ( 7 ) 短路保护p c g l 7 1 0 在+ 1 2 v ( d c ) + 5 v ( d c ) 输出管脚处提供了短路保 护器件，当发生短路时，保护器件会自动断开停止输出电流，直到短路被清除大 约两分钟后，管脚才可开始输出电流。 p c i 1 7 1 0 特点概括如下： ( 1 ) 1 6 路单端或8 路差分模拟量输入，或组合方式输入； ( 2 ) 1 2 位a d 转换器，采样数率可达1 0 0 k h z ； 贵州大学硕士学位论文 ( 3 ) 每个通道的增益可编程； ( 4 ) 单端或差分输入自由组合； ( 5 ) 卡上4 k 采样f i f o 缓冲器： ( 6 ) 2 路1 2 位模拟量输出； ( 7 ) 1 6 路数字量输入及1 6 路数字量输出； ( 8 ) 可编程触发器定时器； ( 9 ) 板卡i d ； ( 1 0 ) p c i 总线数据传输。 2 4 2p c i 1 7 1 0 工作原理 p c i 1 7 1 0 输入部分采用8 路并行采样保持器，提供同相位采样的能力。a d 转换1 2 位1 0 0 k h z 数模转换器，输入8 通道自动扫描，通道数量可以程控。同 时提供软件触发与硬件触发两种启动模式。板上提供4 m h z 基准时钟的1 6 位定 时器。定时器每触发一次，p c i - 1 7 1 0 将进行n 通道的连续采样，n 为用户设置 的采样通道数量。 外时钟 图2 - 4p c i 1 7 1 0 工作原理图 当p c 机需要采集数据时，首先通过p c i 总线( 或者其他数据总线) 向单片 贵州大学顾七学位论文 机发出开始采样的命令，紧接着的一个键相脉冲的上升沿触发单片机中断，单片 机中断服务程序检测到该命令后马上开启定时器以设定的频率发出s h 触发脉 冲，实现多路信号并行采样，并在脉冲的下降沿( 即s h 完成的时刻) 触发工控 机中断，由p c 中断服务程序完成转换等工作。当采样结束后同样由单片机关闭 定时器。p c 机发出开始采样命令后，在规定时间内查询不到应该有中断服务程 序设置的采样结束标志，则认为采样失败，自动退出采样过程，如多次失败应给 出信息提示。 2 4 3d l l3 2 位驱动程序概览 a d s a p i3 2 1 i b 中3 2 位驱动程序主要包括1 0 类函数及其相应的数据结构，这 1 0 类函数分别是： ( 1 ) d e v i c ef u n c t i o n s 设备函数； ( 2 ) a n a l o gi n p u tf u n c t i o ng r o u p 模拟输入函数组； ( 3 ) a n a l o go u t p u tf u n c t i o ng r o u p 模拟输出函数组； ( 4 ) d i g i t a li n p u t o u t p u tf u n c t i o ng r o u p 数字输a , 输出函数组； ( 5 )c o u n t e rf u n c t i o ng r o u p 计数器函数组； ( 6 ) t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t f u n c t i o ng r o u p 温度测量函数组； ( 7 ) a l a r m f u n c t i o ng r o u p 报警函数组； ( 8 ) p o r tf u n c t i o ng r o u p 端1 2 1 函数组； ( 9 ) c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o ng r o u p 通信函数组； ( 10 ) e v e n tf u n c t i o ng r o u p 事件函数组。 可以把这1 0 类函数分为两个部分：设备函数部分( 只包括第一类函数) 和操 作函数部分( 包括第一类函数外的所有函数) ，设备函数部分负责获取硬件特征和 贵州大学硕上学位论文 开关硬件。而操作函数部分则在硬件设备就绪以后，。进行具体的采集、通信、输 出、报警等王作。具体工作结束后，调用设备函数关翔设备。 2 4 4 动态数据采集的实现 用3 2 位d l l 驱动程序实现动态数据采集程序时，按触发方式可以有中断触 发，d m a 触发和看门狗触发三种方式可选。中断触发是最常用的触发方式。 在各种高级语言下，驱动程序提供的函数形式相同，中断触发下驱动程序函 数的调用流程图如下图2 5 。 d r v _ d e v ic e g e t l i s t d r v d e v ice o pe n d r v _ e n a ble e v e n t d r v d r v c h e c k e v e n t ，甫、 s e v t b u f c h a n 吨件吗少 d r v _ f a i s t o p ll