高精度便捷式全数字示波器设计

2015-04-29 09:44:02   来源:elecfans   

关键字: 高精度  全数字示波器

  示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。电子技术的日新月异,使各类电信号越来越复杂,在工程应用中对信号实时采样率和波形捕获率也有较高的要求,数字示波器成了各个岗位的硬件开发和测试人员必不可少的工具。针对当前柔性工业测量系统的需要,本文给出DSP+CPLD的方案,实现了一种高精度、高集成的便捷式数字化存储示波器的设计,系统尽可能地采用数字集成电路,结构简单,测量结果可靠性高,具有友好的人机界面,同时具有高采样率、高分辨率及低误差等特点。

  1 系统设计方案

  该数字示波器主要由测量控制和显示输出两部分组成。输入信号在测量电路前端,经由信号变换电路处理成各次级单元能处理的等效信号,主要是由比较电路处理输出正方波和峰-峰值为2.5 V的等效运算放大输出信号。方波信号作为记数脉冲,触发可编程逻辑器件CPLD来实现频率值的测量。同时,经运算放大器输出的信号输入至采样保持器,由主控制器DSP向其相关引脚发出锁存信号来实现对待测信号的采样和锁存输出的功能切换。

  当控制端置“1”时为锁存输出,这时,输出的信号可供A/D转换器件进行数据采集;置“0”时实现对信号的采集。A/D采集回来的数据送给DSP,再由DSP先把外部数据存储在外部存储器中,然后进行分析,最后,把经过处理的数据通过RS 422标准接口以数据包的形式发送给液晶显示器显示输出。系统原理框图如图1所示。

  

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2 硬件设计

 

  系统硬件部分由信号输入变换电路、采样保持电路、主控制电路、智能终端设备等部分组成。

  2.1 信号输入变换及采样保持电路

  信号输入变换电路主要用于实现信号的等效变换。设计中采用高速的OP37进行信号变换、采样保持,是数据采集系统的重要部件,对信号起隔离缓冲作用。如果要对变化速度高的模拟信号进行A/D转化,转换精度要求比较高,为了防止A/D转换过程中信号发生变化,就必须采用S/H电路。S/H电路和A/D配合,可以消除A/D的输出脉动,并通过MUX实现多路采样控制。

  在这里采用高性能单片采样/保持器LF398,具有很高的直流精度、很快的采样时间和很低的下降速度,器件的动态性能和保持性能可通过合适的外接保持电容达到最佳。信号调理电路如图2所示。

  2.2 测频电路

  示波器对信号的测频是根据等精度频率计的原理设计的。由可编程逻辑器件EPF10K50V完成,100 MHz的标准频率信号直接进入EPF10K50 V。器件采用信号输入变换电路输出的方波脉冲作为计数器的时钟输入信号,用标准的100 MHz进行记数,最后算出输入信号的频率。

  通过图形法和VHDL语言对EPF10K50V编程,本设计中,CPLD完成对信号频率的测量。频率测量原理如下:在单位测量时间Tp中被测信号计数值为Nx,对标准信号的计数值为Ns,在已知标准频率fs的基础上,被测信号频率值fx满足:

  

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  2.3 幅度信号采集

  为了满足对高频率信号的采集,选用ADI公司推出的AD7667来实现对被测信号的幅值测量。AD7667是16位A/D转换芯片,内部2.5 V参考电压,工作范围为0~2.5 V,LSB小于±2 b,转换速率为800 Kb/s,转换时间小于1μs,采用单+5 V电源供电。由信号变换电路把被测信号转化成工作范围内的有效值,进行精确测量。

  2.4 人机交互部分设计

  示波器的显示及指令输入由智能终端设备LJD-ZN-3200K来实现。LJD-ZN-3200K是集输入、输出为一体的智能图形化界面输出设备分辨率为640×480,能满足系统设计的要求。该设备终端通过串行接口与主控制器通信,完成数据传输。

  将设计好的图形界面加载到智能终端存储单元,然后按设定对坐标值进行识别,即可实现触摸式控制输入。示波器共有9个功能键,分别为:3个垂直区分度选择按钮,用于垂直灵敏度选择;3个水平区分度选择按钮,用于水平扫描速度选择;采样方式切换按钮,用于选择实时采样和等效采样;波形存储按钮和波形调出按钮,用于当前的波形采集存储及调出;单次触发按钮,能对满足触发条件的信号进行单次采集与存储。

  3 信号采集及处理分析

  3.1 信号采集原理

  对不同的频率信号进行测量时选取合理的采样手段将直接影响系统的测量精度,在数字信号分析技术中,常用的信号采样方法有两种:实时采样和等效采样。

  实时采样(Real Sampling)通常是等时间间隔的,其最高采样频率是奈奎斯特极限频率,特点是,取样一个波形所得脉冲序列的持续时间等于输入信号实际经历的时间,所以取样信号的频谱比原信号还要宽。在本设计中采用A/D转换器件频率为400 kHz,根据采样特性可计算出该数字示波器能对不大于50 MHz的输入信号进行采样输出。

  等效采样(Equivalent Sampling)是指针对周期信号的时域重复的特点,在不同的时间段进行多次较低采样率的采样,然后将这些低采样率的样本复合成高采样率的数据样本,从而真实重构出原始信号波形的数据采集方法。它利用信号的周期性,以增加采集时间为代价,降低对高速采样电路的压力,通过重组恢复原始信号。

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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0429/article_11578.html
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