（信息与通信工程专业论文）基于sopc技术的手持数字示波表软件设计与实现.pdf

摘要 便携式数字存储示波表具有普通数字存储示波器的基本功能，并具有便携式 仪器体积小、重量轻、便于携带以及低功耗等典型特点，充分体现了目前仪器设 备的发展特点。 本文介绍了一种基于可编程片上系统( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ，以下 简称s o p c ) 技术的便携式数字存储示波表的软件实现方案。本课题设计的数字 存储示波表通过在f p g a 芯片中植入c p u 软核作为系统的控制核心，并利用 f p g a 中的可编程逻辑资源构成该嵌入式系统的外围数字控制电路，借助于 a v a l o n 总线，实现高速f i f o ，触发控制电路，l c d 显示控制电路，频率周期测 量模块等。 在对示波器工作原理、系统硬件构架、软件开发平台、硬件抽象层和逻辑服 务层的软件等进行简要讨论的基础上，对波形重建、波形参数的计算和实现、液 晶显示格式、用户交互式界面、键值扫描、自动测量和手动测量的实现进行了详 细研究，提出了重建波形、l c d 上的显示输出所涉及到的问题以及解决方案， 实现了波形的重建、相关参数的计算与显示、汉字与字符的输出、波形相关标志 位和中文菜单的显示，实现了有效、稳定地判定按键并响应按键操作功能，可靠 地满足用户的需求，实现了示波表系统对信号进行自动测量和手动测量的功能。 最后，本文详细描述了系统的钡4 试和测试结果。 论文讨论的重点集中在示波表用户交互界面、系统应用层关键软件模块的设 计与实现、以及对波形重建算法和频率周期测量算法的研究及其在本系统中的实 现上。 本文设计的系统应用软件与相关硬件及其他层软件配合工作，很好地实现了 手持式数字存储示波表的各项功能：双通道；3 2 0 2 4 0 l c d 显示；实时采样率 1 0 0 m t - z ；记录长度4 k b ：垂直分辨率8 b i f f s ；可自动测量；工作方式：触发、 滚动；触发方式：自动、触发、单次；测量周期、频率、峰峰值等等。由于s o p c 技术具有芯片体积小、易编程、运行速度快、稳定性高、软件设计灵活、开发周 期短等特点，在便携式设备开发中具有广泛的应用前景。由本文设计的数字示波 表系统结构为其它便携式设各开发者提供了一个很好的设计实例。 关键词：数字存储示波表、s o p c 、波形重建、图形用户界面、现场可编程 门阵列 a b s t r a c t p o r t a b l ed i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ( d s o ) i san e wd e v e l o p m e n to f n o r m a l d s o ，w h i c hi n c l u d e sa l lt h eb a s i cf u n c t i o n so f t h el a t t e r m o r e o v e r , a so t h e rp o r t a b l e i n s t r u m e n t s ，i th a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c s a ss m a l l 、l i g h t 、e a s yt oc a i t ya n dl o w p o w e r , e t c i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，as o f t w a r ed e s i g np r o j e c to fp o r t a b l ed s o b a s e do ns o p c i sr e p r e s e n t e d as o f tc p un a m e dn i o si st h ec o n t r o l l i n gc o r eb ye m b e d d e di n t oa c y c l o n ef p g a a n dt h e o t h e rp r o g r a m m a b l el o g i c a lr e s o u r c e sm a k eu po ft h e p e r i p h e r i c a l l yd i g i t a l c o n t r o l l i n gc i r c u i t ，w h i c hp r o v i d e s f a s td a t a f i f o ，t r i g g e r c o n t r o l l i n g ，l c dd i s p l a yc o n t r o l l i n g ，f r e q u e n c y c y c l em e a s u r i n g ，a n d s oo n t h ed i s s e r t a t i o nf i r s t l yd i s c u s s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，h a r d w a r e ，s o f t w a r ef i a t a n dt h es o f t w a r eo nt h eh a la n dt h eu t i ll a y e r s s e c o n d l y , i tp a r t i c u l a r l ys t u d i e s r e b u i l d i n gw a v e ，c a l c u l a t i n g w a v e p a r a m e t e r s ，g u i ，s c a n n i n gk e ya s s i g n m e n t s ， a u t o m a t i c a l l ym a dm a n u a l l ym e a s u r i n g a n da n a l y s e st h ei s s u e sw e m e ta n dg i v et h e s o l v i n gw a y s l a s t l y , t h et e s t i n gp r o c e s s i sd e s c r i b e da n dt h et e s t i n gr e s u l ti ss h o w e d t h e e m p h a s e so f t h ed i s s e r t a t i o ni sh o wt od e s i g na n dr e a l i z eg u ia n dt h ek e y s o f t w a r em o d u l e so nt h ea p p l i c a t i o nl a y e r , a sw e l la st h es t u d yo fw a v er e b u i l d i n g a r i t h m e t i ca n df r e q u e n c y c y c l em e a s u r i n ga r i t h m e t i c ，a n dh o wt or e a l i z et h e mi nt h i s s y s t e m t h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r et h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e sc a nw o r k w i t ht h eh a r d w a r e a n dt h es o f t w a r e0 1 3t h eo t h e rl a y e r s ，t h e yc a r r yo u td i f f e r e n tf u n c t i o n so fp o r t a b l e d s o ，s u c ha sd o u b l ec h a n n e l s ，3 2 0 2 4 0l c dd i s p l a y i n g ，s a m p l i n gr a t ea t1 0 0 m h z ， 4 k bm e m o r yl e n g t h ，8 b i t su p r i g h t l yd i s t i n g u i s h ，a u t om e a s u r i n g ，t w ow o r km o d e s ， t h r e e t r i gm o d e s ，c a n m e a s u r e p e r i o d ，f r e q u e n c ya n da p e x a p e xv a l u e ，e t c s m a l lc h i p ， e a s yt op r o g r a m ，h i g hs p e e da n ds t a b i l i t ya r ea c h i e v e db ys o p ct e c h o n o l o g y i tw i l l b ew i d e l yu s e di np o r t a b l ei n s t r a m e n te x p l o i t a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e sag o o d e x a m p l e t oo t h e re m b e d d e ds y s t e m d e s i g n e r s k e yw o r d s ：p o r t a b l ed s o ( d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ) 、s o p c ( s y s t e mo na p r o g r a m a b l ec h i p ) 、w a v er e b u i l d i n g 、g u l ( g r a p h i c a l a lu s e ri n t e r f a c e ) 、f p g a ( f i e l d p r o g r a r m n a b l eg a t ea r r a y ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：_ 壅睦 日期：弦西年s 月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名_ 尘丝：导师签名：坐至 日期：年月日 基于s o p c 技术的手持数字示波表软件设计与实现 第一章引言 1 1 国内外数字示波器的发展概况 示波器能以波形的方式把各种电信号表达出来，使电信号明了直观，易于 分析，尤其适用于时域测量的场合。因此，示波器一直是电子行业工程师最常 用的狈0 量工具。传统的模拟示波器在电子行业的各个领域中仍然还扮演着重要 的角色，但是由于它本身存在着一些无法克服的缺陷，例如不能存储被测波形、 无法观测瞬时或单次信号、难以实现预触发功能等等，使得模拟示波器不能很 好地满足现代电子技术发展的需要。 1 9 7 2 年美国尼科莱特公司利用模拟擞字转换器件( a d c ) 成功研制出了 世界上首台数字存储示波器”7 ( 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 ) ，为信 号数字化、数据存储、信号处理及参数自动测试开辟了一条新的途径。 八十年代的数字示波器处在转型阶段，还有不少地方需要改进，在数字示 波器的发展历程中，美国的t e k 公司和h p 公司都做出了很大的贡献。它们后 来甚至停产模拟示波器，只生产性能好的数字示波器。进入九十年代后，数字 示波器除了带宽提高到i g h z 以上，更重要的是其总体性能超越模拟示波器， 出现了所谓数字示波器模拟化的现象。换句话说，尽量吸收模拟示波器的优点， 使数字示波器更加好用f 2 】。主要体现在以下方面： l 、数字示波器提高了采样率，从最初采样率等于两倍带宽，提高至五倍 甚至十倍，对正弦波采样引入的失真也相应从1 0 0 降低至3 甚至1 。带宽 1g h z 的采样率就是5 g h z ，甚至1 0 g l - z 。 2 、提高了数字示波器的更新率，达到模拟示波器相同的水平，最高可达 每秒4 0 万个波形，对观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲就方便多了。 3 、数字示波器的测量精度高，自动显示测量结果，消除视差影响。模拟 示波器的扫描速度由锯齿波扫描信号决定，而数字存储示波器的扫描速度由取 样时钟间隔和l c d 上单位长度所具有的采样点数来决定。由于其采用品振作 为时钟，因此具有很高的测试精度。若采用更高分辨率的a d 转换器则能使测 量精度更加提高口】。 4 、数字示波器具有多种触发，按触发方式分有自动触发、正常触发、单 次触发：按触发边沿分有上升沿触发和下降沿触发。这些都方便用户分析故障 产生原因。同时，传统示波器只能观测触发点以后的波形，而在工程技术、科 学研究中往往需要观测触发点以前的波形以分析问题，数字示波器正具有这样 基于s o p c 技术的手持数字示波表软件设计与实现 的优点，它的预触发( 负延迟) 功能可以方便地显示触发点以前不同时刻的波 形f 4 】。 5 、数字示波器的存储功能是它优于模拟示波器的一个重要方面。数字示 波器将模拟信号经过a d 转换成数字信号后，存到半导体存储器中，用户在需 要时可随时调出显示，其存储显示方式可稳定地显示其存储下来的瞬态信号， 并可任意扩展和移动。同时便于观测单次过程和缓慢变化的信号，方便对问题 的分析解决。 目前，各大公司不断推出更高技术含量的产品。例如a g i l e n t 公司生产的 i n t i n i i u m5 4 8 0 0 系列示波器最高带宽达6 g h z ，最高采样率2 0 g s a s ，4 通道， 每通道存储深度可达3 2 m b 。而t e k 公司推出的数字荧光示波器d p o ( d i g i t a l p h o s p h o ro s c i l l o s c o p e s ) ，能够实时显示、存储和分析复杂信号，利用三维信息 ( 振幅、时间性及多层次辉度，用不同的辉度显示幅度分量出现的频率) 充分 展现信号的特征1 2 】。 1 2 数字存储示波表的发展状况 便携式数字存储示波表是数字示波器的一个分支，具有一般数字存储示波 器的功能，在性能指标方面的要求较常规示波器低一些，作为一种便携式仪器， 其系统设计偏重于系统的多功能、小体积和低功耗。 数字示波表可以自动对信号进行幅度类及时域的测量，还可以通过菜单选 择来实现对电阻、通断以及二极管的测量；可以选择触发通道和触发方式，滚 动显示功能便于观察低频信号；简单的自动设置量程和时基功能代替了复杂烦 琐的触发设置和参数设置；波形分析可以在现场进行，也可以把波形或设置存 储起来以后分析或下载至计算机；采用液晶显示波形，可以根据不同的需要直 接调节显示的对比度以及背光强度；同时数字示波表拥有r s 2 3 2 接1 ：3 ，便于 组建自动测试系统，并有相应的计算机应用程序，可以对波形数据进行时域、 频域以及幅度类的分析和打印，可以方便地建立波形数据库或将波形数据传至 其他分析程序。 随着微电子集成技术、微计算机技术、数字技术的飞速发展，数字示波表 与数字示波器在技术指标上的差距在不断的缩小，同时，示波表还拥有示波器 所没有的优势：体积小、重量轻、便于携带、使用十分方便、可充电电池可以 提供连续几个小时的操作，坚固紧凑的外观设计适合现场测试。所有这些，为 便携式数字示波表的快速发展提供了更为广阔的市场。 尽管在国际上数字存储示波表的技术产品已经逐渐成熟，但我国目前在数 字存储示波表的生产领域内还处于起步阶段，性能优良的数字存储示波表市场 基于s o p c 技术的手持数字示波袤软件设计与实现 几乎被国夕卜占领。因此打破国外企业的市场垄断，发展我国电子测量领域技术 已成当务之急，否则我们同国外的差距只会越来越大。 1 3 本课题来源和所完成的主要任务 本课题，即便携式数字存储示波表，来源于同企业合作的开发项目。目的 是通过对国外主要公司产品工作原理的研究，开发具有自主知识产权的手持式 数字存储示波表。同时，为开发高性能数字存储示波器积累理论和实践经验， 逐步缩小与国外的差距。 本论文主要实现示波表的应用软件、用户交互界面、波形重建算法和参数 计算算法的研究。在研究了示波器工作原理的情况下，与硬件逻辑层软件相结 合，实现了包括波形的恢复、显示、移位；用户交互界面设计的实现和各种参 数的测量以及汉字和字符输出技术等。系统最终的软硬件调试完成了便携式数 字存储示波表的样机。 由我们设计的手持式数字存储示波表采用液晶显示、功能齐全、体积小、 重量轻、使用携带操作都十分方便。它具有极高的技术含量、很强的实用性和 巨大的市场潜力，也代表了当代屯子测量仪器的一种发展趋势，即向功能多、 体积小、重量轻、使用方便的掌上型仪器的方向发展。 1 4 数字存储示波表的主要技术指标 本文设计的手持式数字存储示波表主要技术指标如下： 双通道 手持，交直流供电 模拟带宽2 0 m h z ；单次带宽i o m h z 实时采样率1 0 0 m h z 记录长度4 k b 垂直分辨率8 b i t s 水平扫描5 0 n s d i v 10 s d i v ；垂直扫描5 m v d i v 2 0 v 坷v 位置范围：1 0 格( 指触发点相对当前屏幕起始位置的偏移范围) 工作方式：触发( t r i g ) 、滚动( s c a n ) 。其中，滚动模式的时基 = 1 0 0 m s d i v 触发方式：自动( a u t o ) 、触发( t r i g ) 、单次( s i n g l e ) 触发功能：边沿触发( 上升、下降沿，前、后触发) 测量信号参数：周期、频率、峰峰值 浈4 量精度：示波表精度5 基于$ 0 p c 技术的手持数字示波表软件设计与实现 可进行自动测量 校准信号：l k h z 3 3 v 输入耦合：a c 、d c l c d ：3 2 0 x 2 4 0 点：单色；有背景光 1 5 论文章节安排 第一章：首先阐述了国内外数字存储示波器及数字存储示波表的发展状 况，然后说明了本课题来源和要完成的任务，给出了本设计的主要技术指标， 最后介绍了文章的章节安排。 第二章：研究了数字存储示波表中数据处理和参数澳0 量所要用到的算法， 并设计了在本系统中的具体实现方案，主要分成两个部分讨论。 】、波形重建算法及实现：主要讨论了与重建信号波形相关的a d 采样原 理、时基设置和波形插值方案； 2 、电子计数法测频测周原理及实现：首先介绍了时频测量的特点以及电子 计数法测频测周的原理，然后给出了在本文设计的示波表系统中的实现方法， 最后对钡i 量结果进行了误差分析。 第三章：首先简要介绍了本系统硬件设计的核心技术一- - s o p c 及其相关 技术，其次介绍了硬件系统总体框图，并分别阐述了硬件系统的各个部分：模 拟通道部分、数字控制部分及人机交互部分。 第四章：首先介绍了软件开发环境，然后重点阐述了用户交互式界面( 包 括操作面板和菜单) 的设计思路和实现方案，最后在对该示波表系统研究与设 计的总体需求和各部分需求进行详细研究与分析的基础上，设计了分层结构的 软件系统。 第五章：详纽讨论了a p p 层和部分h a l 层软件模块的具体设计，包括g u i 模块、自动测量模块、手动测量模块和键值扫描模块。 第六章：介绍了软件的调试过程，对调试结果进行了分析，最后以实物照 片的形式说明了本设计的实现效果。 第七章：本章是全文的结束语，总结了本文完成的主要工作和研究重点， 以及本文的研究价值和意义。最后客观指出了本设计工作的不足，给后继研究 工作提出了些建议。 基于s o p c 技术的手持数字示波衷软件设计与实现 第二章数字示波表数据处理和参数测量算法的实现 本章重点阐述了数字存储示波表中进行数据处理的最基本的几个原理：采 样原理、时基设置、波形插值处理、测频测周等，并给出了在本系统中的实际 应用这些原理，实现示波表测量功能的详细方案。 2 1 波形重建的算法及在本设计中的实现 数字示波器的基本工作原理是首先通过a d 转换器将输入的模拟信号数字 化，即利用采样技术将模拟信号转换为数字信号；然后利用适当的算法从采样 得到的数据中恢复我们所需要的各种信息。本节讨论的就是如何从a d 转换后 获得的采样数据中恢复出波形显示所需要的信息，即利用采样数据进行波形重 建。 2 1 1 采样原理 当信号进入数字存储示波器以后，在信号送去显示之前，示波器将按一定 的时间间隔对信号电压进行采样。然后用一个模数变换器( 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。获得的二进制数值贮存在存储器中。我们在示波器屏幕上看到的波形 总是由所采集到的数据重建的波形，而不是输入连接端上所加信号的立即的、 连接的波形显示。 对输入信号进行采样的速度称为采样速率。著名的奈奎斯特采样定理告诉 我们【6 j 【7 j ：对于一个频带限制在( o 玩) h z 内的时间连续信号x ( t ) 进行采样， 若采样频率f 。 2 f h ，则由采样序列 s ( n t 。) ) 就能够无失真地重建原始信号x m 。 数字存储示波器的采样方式有：实时采样和等效采样。相对而言，由于本 课题对带宽的要求不是很高，而对于触发的种类要求较多，所以我们采用实时 采样方式。 实时采样时，所有的采样点都是按照一个固定的次序来采集的。这个波形 采样的次序和采样点在示波器屏幕上出现的次序是相同的。只要个触发事件 就可以启动全部的采集动作。实时采样如图2 一l 所示。采用实时采样的示波器 测量重复信号和测量单次信号县有相同的带宽，也称实时带宽( r e a l t i m e 基于s o p c 技术的手持数字示波表软件设计与实现 b w ) 。为了提高信号带宽，必须提高采样速率。 输入信 i234567891 0 采样时刻川uul l juu 山uuu 图2 1 实时采样 根据香农定理，为了很好的恢复原来的信号，在进行信号数字化的时候就 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，然而，这项 研究工作是针对通信应用领域而并非针对示波器为进行的。由于实际被测量的 信号叉可能存在高频分量，为了不违背奈奎斯特采样定理，避免混迭现象的发 生，实际中实时采样d s o 的采样频率一般规定为带宽的4 1 0 倍或更多。 从另一方面来说，即使是被测信号中不含有其他的高频分量，使用两倍于 信号频率的采样时钟时，信号频率也不一定就能正确恢复。从图2 2 的上图中 看出，使用恰当的波形重建装置我们就确实可以得到和原始的波形十分相象的 波形。现在我们设想在进行波形的数字化时仍使用相同的采样时钟，但是将采 样点选在和原来略为不同的时刻，不定在信号的峰值点( 如图2 - 2 的下图) ，这 样一来，信号的幅度信息就会严重失误，甚至可能完全丢失。事实上，由于所 有的采样点取到的采样值都不能反应原信号的真实幅值大小，我们所观测到的 波形和真实的信号波形截然不同。 采样子输入 信号峰值处 重建的波形 湫喇删删溉测 重建的波形 ，、一、，一v 一、，、，l 、， ，、，、，、，- 、，、，、，、 图2 - 2用两倍于信号频率的采样速率对正弦波进行采样 基于s o p c 技术的手持数字示渡表软件设计与实现 示波器是用来研究信号的，为了很好地研究事件情况不仅要求正确的表示 信号频率并且还要求准确地表示信号波形的幅度。从图2 - 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。 对输入信号采样每 周期约三个样点 重建的波形 图2 3以每周期约三个采样点进行采样的信号波形 根据经验通常认为每周期最小要十个采样点才能给出足够的信号细节。这 样，对于一个最大采样率为1 0 0 m h z 的示波器来说，能够准确采集的最大信号 频率即为1 0 m h z 。但我们可以采用内插的方法改善至每周期只要采样4 个样点 就能很好地重建波形，这样对上述最大采样率为1 0 0 m h z 的示波器而言，能准 确采集到的最大信号频率便提高到了2 5 m 。 2 1 2 时基设置 数字存储示波表的波形显示区可分解为水平和垂直两个方向，其中水平方 向代表所显示波形的时间范围，而垂直方向表示波形的幅值范围。数字存储示 波表波形显示区水平轴上每格所代表的时间长短即是指示波表的扫描时基 ( s d i v ) ，它是波形显示区的时间分度；而垂直方向上每格所代表的幅值大小则 是指示波表的扫描幅基 v ，q j v ) ，它是波形显示区的幅值分度。 本文所设计的数字存储示波表在水平( 即时间) 方向以2 5 0 为满刻度，共 分成1 0 格，每格2 5 个点距，可变数字时基按1 ，2 ，5 分级变化：在垂直( 即 幅值) 方向以2 0 0 为满刻度，共分成8 格，每格也是2 5 点距，可变数字幅基同 样也是按照1 ，2 ，5 分级变化。本节主要关注前者和水平分辨率以及采样速率 之间的关系。 采样速率决定了存储波形的水平分辨率。数字存储示波器在测量时刻的实 时采样速率可根据被测信号所设定的扫描时间( t d i v ) 来推算 2 ”，它们之间的 具体关系可以用式( 2 一1 ) 表示： 基于s o p c 技术的手持数字示波表软件设计与实现 厂：j l( 2 1 ) t | d i v 式中：n 一每格使用的采样点数； f 一实时采样速率； d d i v - 扫描时间因数，即扫描一格所占用的时间。 在数字存储示波表中，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，和模拟示波器样，时基的设置决 定了水平偏转的速度。 本文中数字存储示波表的记录长度是4 k ，但在标准时基设置时，仅使用其 中的5 0 0 点来显示一屏波形。若时基加快，则对波形进行插值处理，在一屏显 示时间内插满5 0 0 个点用于隔点取一( 即取出2 5 0 点) 来显示波形；若时基减 慢，则相应减小a d 采样速率和f i f o 取数频率，以使系统保持在l c d 一屏显 示时间内采够5 0 0 点以从中取我们显示需要的2 5 0 点。在进行时基调节时要注 意的地方是：波形的压缩和伸展必须以触发点为基准位置，在波形压缩和伸展 过程中，触发点的水平位置是不变的。因此，当示波表在“r u n ”和“h o l d ”两 种不同的模式下工作时进行时基增大的调节，会有不同的处理方法，本文将在 下面进行详细分析。示波表采用l c d 显示波形，在测量时刻的信号实时采样 速率可根据测试仪器所设定的水平扫描时基来推算。由式( 2 1 ) ，由于示波器一 屏和每格可以显示的采样点数是固定的，所以时基设置的改变是通过改变采样 速率来实现的，一台特定的示波器所给出的采样速率只有在某一特定的时基设 置之下才是有效的。在较低的时基设置之下，示波器使用的采样速率也比较低。 在示波表系统中显示的波形为实际波形的一个片段，而此片段的开始及结 束处需要由某些特定的事件指示，在本系统中，这个特定事件就是指的触发的 到来。如图2 - 4 所示，在本系统中，在不需要插值处理时，使用4 k 记录中触发 点附近的5 0 0 个点隔一点取一点来显示一屏波形，一屏波形分为1 0 格，每格对 应记录中的5 0 点，即一格对应的采样点数n 是5 0 。 图2 - 4 最大单次扫描时基设置值时f i f o 中记录数据的选取 茎王! 竺! 垫垄塑量丝墼主至茎耋墼壁堡生量壅翌 由于本系统的最高采样速率是1 0 0 m h z ，所以，由式( 2 1 ) 可以计算出使用 这一采样速率的时基设置值： t d i v = 5 0 样点，采样速率= 5 0 ( 1 0 0 1 ；5 0 0 n s d i v 这个值是示波器采集非重复性信号时的最快的时基设置，使用这个时基设 置时示波器能给出其可能的最好的时间分辨率。此时基设置值称为“最大单次 扫描时基设置值”，在这个设置值之下示波器使用“最大实时采样速率”进行工 作。 如果进一步加快时基设置，那么采集的数据不足以显示信号波形，此时需 要对数据进行插值处理：而要减慢时基设置的话，正如前面所说过的那样，由 于波形显示是实际信号波形的片段，而波形压缩和伸展的基准位置是触发点的 位置，即触发点在l c d 上显示的水平位置不变，对波形的压缩和伸展都是在 触发点两边进行的，因此当示波表在“r u n ”和“h o l d ”两种不同的模式下工作 时会有不同的处理方法。 当示波表工作在“r l l n ”模式时，调整时基那么系统会自动根据表2 1 所示 情况自动进行a d 采样频率和f i f o 取数频率的调节，使f i f o 保证在l c d 一 屏显示时间内采5 0 0 点以供取出2 5 0 点作显示用。 当示波表工作在“h o l d ”模式时，a d 不会进行新的采样，f i f o 也不会重 新取数，此时的波形数据将维持“h o l d ”操作之后那一时刻的数据不变，那么， 增大时基设置实际上使得可显示波形的时间范围增大，那么我们将需要大于 5 0 0 样点的数据作显示用。由于本系统f i f o 的存储深度为4 k ，那么我们最大 可扩展显示用的点范围就由这4 k 点来限制，当时基增大使得完全显示一屏波形 ( 2 5 0 个点) 所需要的数据超过4 k 时，超出部分将不予显示。例如，若示波表 在“h o l d ，之前工作在5 0 1 a s d i v 时基档，根据表2 1 可知，此时采样速率为1 0 m h z ， f i f o 写入频率为i m h z ，所以f i f o 中写5 0 0 点所用时间为5 0 0 ( t 1 0 6 ) = o 5 m s ， 此时写一屏l c d 显示用波形数据需要的时间为( 5 0 x1 0 6 ) 1 0 = 0 5 m s ，可以看 出从f i f o 中的5 0 0 点中隔一点取一个，则正好得到显示一屏波形所需的2 5 0 点。假如此时用户进行“h o l d ”操作，那么f i f o 中的数据维持舟日才的4 k 数据 不变。在“h o l d ”状态下，用户为了波形观察需要而将时基调到1 0 0 t s d i v 档位， 那么此时要显示一屏波形的时间变成t ( 1 0 0 x 1 0 - 6 ) x 1 0 = l m s ，因此需要在 f i f o 中选取1 m s 时间段的数据才能完整显示一屏波形，所以用作显示的f i f o 数据为l k 样点，而不再只是原来的5 0 0 样点。此例中，可完整显示一屏波形最 多可将时基设为2 0 0 9 s d i v 档，若用户继续增大时基设置，那么h f o 中的4 k 点无法满足显示一屏完整波形的需要，那么l c d 上超过这4 k 点范围的部分作 空白处理。 基于s o p c 技术的手持数字示波表软件设计与实现 对于本系统设计的时基档位、a d 采样频率、f i f o 取数频率之间的关系如 下表2 - 1 所示： 表2 - 1时基、a d 采样频率、f i f 0 取数频率对应表 时基范围( d i v )a d 采样频率( h z )f i f o 取数频率( - z ) 5 0 n s1 0 0 m1 0 0 m 1 0 0 n s1 0 0 m1 0 0 m 2 0 0 n s1 0 0 m1 0 0 m 5 0 0 n s1 0 0 m1 0 0 m 1 p s 5 0 m5 0 m 2 9 s 2 5 m2 5 m 5 p s 1 0 m1 0 m 1 0 p s 1 0 m5 m 2 0 9 s 1 0 m2 5 m 5 0 吣1 0 m1 m 1 0 0 9 s 1 0 m 5 0 0 k 2 0 0 u s1 0 m2 5 0 k 5 0 0 p s 1 0 m 1 0 0 k l m s 1 0 m5 0 k 2 m s1 0 m2 5 k 3 m s1 0 m 1 0 k 1 0 m s】d m 5 k 2 0 m s1 0 m2 5 k 5 0 m s1 0 m l k 1 0 0 m s1 0 m5 0 0 2 0 0 m s1 0 m 2 5 0 5 0 0 m s】0 m 1 0 0 1s1 0 m 5 0 2 sl o m 2 5 5 s1 0 m 1 0 茎三! 旦堕茎查箜量堑塑主至鎏壅茎壁堡茎量塞望 2 1 3 波形插值 对于低频段输入信号，数字存储示波表可以通过直接调整采样频率实现信 号的采样及显示，而对于高频段的信号，由于每个周期内所采到的样点数有限， 要想完整地显示一个周期的波形，就必须通过有效内插滤波进行插值处理。插 值法是函数逼近的一种重要方法，插值是确定某个函数在两个采样值之间的数 值时采用的运算过程。内插滤波可以看作是采样的逆过程1 4 。 如今有很多已经成熟的内插算法，比如线性插值、取样函数内插、拉格朗 日插值、有理插值、牛顿插值、埃尔米特插值等，在本课题设计中，我们采用 了取样函数内插算法，其特点是简单、易实现，速度快。 对于频带有限信号z 疗) ，根据奈奎斯特采样定理，内插滤波重建公式为h ： x(t)=至砑sinz丽(t-nts)ys(2-2)x(nts) ) = _ j - j 磊币：r 式中t s = i f 。 这就是理想的取样函数( 即s i n e 函数) 内插方法。从式( 2 2 ) 中我们看到， 在理想情况下，要无失真地恢复信号，就必须在( 一。，c o ) 时间范围内进行插值， 但这并不现实。实际应用中只能取有限项的近似，通常采用带加权窗口函数的 取样函数来实现。方法如下： z o ，= n 羔= - nx c 月z 。，! ! ：竺j ：；豸 ；v c n ，c z 一。， 式中t s = 1 f 。，w ( n ) 是加权窗函数。 由于s i n c 函数有双边递减特性，加上我们进行的信号处理要求实时性 强、速度快，所以在本系统中取n = 4 ，即只考虑内插点左右4 位序歹0 值，采 用八阶内插，已经能达到较好的内插性能和精确度。 如2 1 2 节中所讨论过的那样，在本设计中当时基设黄小于5 0 0 n s d i v ，即 取2 0 0 n s d i v 、1 0 0 n s d i v 、5 0 n s d i v 档时，需要对数据进行插值处理。可以计算 出不同时基设置时波形重建需要的进行多少次插值，如表2 - 2 所示。 表2 2 插值次数与时基设置的关系 时基设置采样频率一屏波形显示时间插值插值后得到的样 ( d i v )( h z ) 内采集到的点数次数点数( 理论值) 5 0 n s1 0 0 m5 048 0 0 1 0 0 n s1 0 0 m1 0 03 8 0 0 2 0 0 n si o o m2 0 02 8 0 0 茎王! ! 堕垫垄塑至堑塑主蚕茎耋鏊堡丝生墨塞婴 从上表中可以看出，经过插值后得到的样点数为8 0 0 点，但这只是理论值， 实际可得到的数据是远不到8 0 0 点的。以2 0 0 n s d i v 时基时插值情况为例，此时 需要用采样得到的2 0 0 点进行插值。本系统采用的是八阶内插，如图2 - 5 所示： i 一第一次插值后得到的3 9 3 个点中， 共有3 8 7 个点可用于第二次插值 12 7 1 9 21 9 3 ； ff 椿 _ 渊臌 遥 ： 勰 嘉 ：1 彩 二j 卅”“ ， 用于插值的2 0 0 样点 ( 1 ) 一次插值( 2 插值) p 一第二次插值后得到的7 6 7 个点中，_ 共有7 6 1 个点可用于恢复波形 12 3 7 93 8 0 i ； r ，r 替 之 槲剥瞄逢 ii = ：弋卜、 ： 嬲鲈 - 田千糕艚柏t 女1 雌占。 ( 2 )第二次插值( 4 内插) 图2 5对2 0 0 样点进行二次插值的情况分析 从图2 5 可以看出来，2 0 0 样点进行八阶4 内插后，实际上得到可用于波 形重建的点只有7 6 1 个，并不是理论上说的8 0 0 点。为了保证插值的精确度， 我们取触发点前后的7 5 0 个点，从中抽取出5 0 0 点，并对其作隔一点取一点的 处理( 由a p p 层软件完成) ，用最终得到的2 5 0 点作波形显示用。 图2 - 6 、图2 7 为矩形窗截断的余弦采样信号八阶、1 6 ( 即进行4 次插值) 内插滤波插值前后效果图，是由m a t l a b 语言编程实现的。事实上，除矩形 窗外，也可以使用其它如汉宁窗、布拉克曼窗、海明窗等进行截断，区别只是 系数不同而已。 基于s o p c 技术的手持数字示波表软件设计与实现 图2 - 6 余弦采样信号内插前效果图 图2 7 经过八阶1 6 内插后效果图 考虑到f p g a 硬件设计具有处理速度快、实时性强，能减轻c p u 数据处理 的繁重任务，提高工作效率，所以在本设计利用a t e r a 的c y c l o n e 系列f p g a 芯片来实现内插滤波器。 根据内插滤波重建公式，每插一个值要用到四次加法运算，四次乘法运 算，又四次加法运算。过程为：八个8 位数据先两两求和，生成四个9 位数据， 分勇u 与8 位数据的滤波器系数相乘，生成的四个1 7 位数据求和，取其中的前8 位就是我们所求得的插值。在运算中滤波器的系数保持不变。由于数据为带符 号数，故运算全部采取补码形式。 f p g a 中乘法器所耗资源比较大，由2 内插重构公式中滤波器系数具对称 特性知，这样所用到的乘法器减少了半，而得到的新序列还可以多次2 插 值，直到满足需要为止。 基于s o p c 技术的手持数字示波表软件设计与实现 2 2 电子计数法测频测周原理及其实现 对于周期信号而言，频率，周期包含着该信号最基本的信息。因此，测量频 率和周期的重要性不言而喻，设计测频测周模块的目的不仅仅是为了让用户能 直观地看到频率和周期的大小显示，更重要的是它还担负着向整个系统提供信 号测量基本判据的责任。因此，测频测周的设计是本项目的重要工作之一【2 8 1 。 2 2 1 时频漂8 量的特点 时间和频率测量与长度，质量，温度等物理量的测量不同，时间和频率测 量具有动态性质，即时间和频率信号总在改变。用标准尺校准普通尺时，可以 把它们靠在一起作任意多次钡4 量，从而得到较高的测量准确度。但在时刻和时 间间隔的测量中，时刻是始终在变化的，上次和下一次所比较的时间间隔已 经是不同时刻的时间间隔口l 。频率信号的钡4 量，也有类似的情况。所以在时频 测量中，人们必须依靠时钟信号源的稳定性，期望后一个周期是前一个周期的 准确复现。在时频测量中，特别要重视稳定度及其他一些反映频率和相位随时 问变化的技术指标吲。 2 2 2 电子计数法溯频测周原理 作为对常用数据的测量，频率测量的方法有很多种。本设计采用的是电子 计数法。电子计数法是种简单而易于实现的测量方法。它是在给定的闸门信 号中对被测信号进行计数，得到计数脉冲的个数，从而计算出待钡4 信号的频率 或周期f 7 j 。图2 - 8 所示为电子计数法测频的原理示意图。 髓悯f 二二二_ _ = 二 捌鹪向唧唧几唧咖1 1 面 图2 - 8 电子计数法测频原理示意图 由于示波表信号测量的频率范围覆盖1 0 m h z - - - 0 1 h z ，如果采用单一的测量 方案，必然导致对某一个频率范围内的信号测量具有很大的误差。系统测量高 频信号时直接用一个标准信号作为闸门对被测信号脉冲计数测频率，测量低频 信号时用被测信号作闸门信号测量另一标准脉冲信号的计数，这样可以提高测 量的准确性。 基于s o p c 技术的手持数字示波表软件设计与实现 如图2 - 8 所示，假设测量门限( 闸门) 时间为t ，在此时间内计数器记得 的被测脉冲个数为n ，则信号的频率可由( 2 4 ) 式得出【7 j = 工= 手 ( 2 - 4 ) 按照同样的原理，将测量门限和被测信号对调一下位置就得到了周期的测 量方法了。 被测信号 计数脉冲 f 二二二_ i _ 二二二习 in 门nnn 门nn 门n 几n 几nn 几nn 图2 - 9 电子计数法测周原理示意图 假设被测信号的时间宽度为t s ，用于测量的计数脉冲频率为f ，在t s 通 过的计数脉冲个数n ，则信号的周期可由式( 2 5 ) 得出： 2 乡( 2 - s ) 从( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 式可以看出计数法测量信号频率时信号频率越高或者钡8 量门 限时间越长，测量精度就越高。而在周期的测量中确正好相反，信号周期越长 或者测量计数脉冲频率越高，测量精度就越高。如果把两者结合起来分别对高 频和低频信号使用的话，我们就可以在基本不变化测试基准的情况下，获得较 高精度的测量结果。 从简化设计的角度考虑，本设计采用固定的测量门限( 用产1 0 0 - z 信号 作为测量门限信号) 和固定频率的计数脉冲( 矗= 1 0 k p 。z ) 。我们选择两种方法 误差相等点f o = i k h z 作为中介频率。当输入信号的频率大于f o 时，采用钡4 量频 率的方法：当输入信号的频率小于f o 时，采用测量周期的方法。 2 2 3 测频测周模块的实现 整形后的信号 图2 - 9 测频测周模块