雷源春

摘 要：設(shè)計制作了一臺便捷式數(shù)字示波器，能對小于20 MHz的任意周期的赫茲信號進行頻率、幅值測量，同時也能對信號波形實時顯示。該示波器以數(shù)字信號處理器TMS320VC33和可編程邏輯器件EPF10K50V為核心，以O(shè)P37進行信號預(yù)處理，再由A/D芯片AD7667完成信號采集,通過總線將信號傳輸給主處理器，采用LJD-ZN-3200K智能終端設(shè)備實現(xiàn)人機交互,具有對周期信號進行測量、連續(xù)和單次觸發(fā)及存儲等功能，并可對被測信號無失真顯示。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，系統(tǒng)頻率測量誤差小于0.05%，信號幅值測量誤差小于1%。

關(guān)鍵詞：數(shù)字示波器; 數(shù)字信號處理器; 可編程邏輯器件; 信號測量

中圖分類號：TN911-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0114-04

Design of Portable All-digital Oscilloscope with High Accuracy

LEI Yuan-chun

(Guangzhou Vocational College of Science and Technology, Guangzhou 510550, China)

Abstract： A portable digital oscilloscope which can measure the frequency and amplitude of any <20 MHz signals was designed. In addition, it can conduct real-time display of signal waveform. The oscilloscope is characterized by the digital signal processor TMS320VC33 and the programmable logic device (PLD) EPF10K50V as its core, and adopts OP37 to preprocess the signal which is then collected by A/D chip AD7667 and transmitted to the general processor via the bus line. LJD-ZN-3200K intelligent terminal is adopted to fulfill the interaction between man and the device. It boasts the functions of measuring the periodic signals, continuous or single activation and storage. Also, it displays of the detected signals with no anamorphosis. The test result indicates that the error of the frequency measurement is less than 0.05% and the error of the signal amplitude is less than 1%.

Keywords： digital oscilloscope; digital signal processor; PLD; signal measurement

0 引 言

示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。電子技術(shù)的日新月異，使各類電信號越來越復(fù)雜，在工程應(yīng)用中對信號實時采樣率和波形捕獲率也有較高的要求，數(shù)字示波器成了各個崗位的硬件開發(fā)和測試人員必不可少的工具［1-2］。針對當(dāng)前柔性工業(yè)測量系統(tǒng)的需要，本文給出DSP+CPLD的方案，實現(xiàn)了一種高精度、高集成的便捷式數(shù)字化存儲示波器的設(shè)計，系統(tǒng)盡可能地采用數(shù)字集成電路，結(jié)構(gòu)簡單，測量結(jié)果可靠性高，具有友好的人機界面，同時具有高采樣率、高分辨率及低誤差等特點［3］。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

該數(shù)字示波器主要由測量控制和顯示輸出兩部分組成。輸入信號在測量電路前端，經(jīng)由信號變換電路處理成各次級單元能處理的等效信號，主要是由比較電路處理輸出正方波和峰-峰值為2.5 V的等效運算放大輸出信號。方波信號作為記數(shù)脈沖，觸發(fā)可編程邏輯器件CPLD來實現(xiàn)頻率值的測量。同時，經(jīng)運算放大器輸出的信號輸入至采樣保持器，由主控制器DSP［4］向其相關(guān)引腳發(fā)出鎖存信號來實現(xiàn)對待測信號的采樣和鎖存輸出的功能切換。

當(dāng)控制端置“1”時為鎖存輸出，這時，輸出的信號可供A/D轉(zhuǎn)換器件進行數(shù)據(jù)采集；置“0”時實現(xiàn)對信號的采集。A/D采集回來的數(shù)據(jù)送給DSP，再由DSP先把外部數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器中，然后進行分析，最后，把經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過RS 422標(biāo)準(zhǔn)接口以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給液晶顯示器顯示輸出。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分由信號輸入變換電路、采樣保持電路、主控制電路、智能終端設(shè)備等部分組成。

2.1 信號輸入變換及采樣保持電路

信號輸入變換電路主要用于實現(xiàn)信號的等效變換［5］。設(shè)計中采用高速的OP37進行信號變換、采樣保持，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要部件，對信號起隔離緩沖作用。如果要對變化速度高的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換精度要求比較高，為了防止A/D轉(zhuǎn)換過程中信號發(fā)生變化，就必須采用S/H電路。S/H電路和A/D配合，可以消除A/D的輸出脈動，并通過MUX實現(xiàn)多路采樣控制。

在這里采用高性能單片采樣/保持器LF398，具有很高的直流精度、很快的采樣時間和很低的下降速度，器件的動態(tài)性能和保持性能可通過合適的外接保持電容達(dá)到最佳。信號調(diào)理電路如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 信號調(diào)理電路

2.2 測頻電路

示波器對信號的測頻是根據(jù)等精度頻率計的原理［6］設(shè)計的。由可編程邏輯器件EPF10K50V完成，100 MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號直接進入EPF10K50V。器件采用信號輸入變換電路輸出的方波脈沖作為計數(shù)器的時鐘輸入信號，用標(biāo)準(zhǔn)的100 MHz進行記數(shù)，最后算出輸入信號的頻率。

通過圖形法和VHDL語言對EPF10K50V編程，本設(shè)計中，CPLD完成對信號頻率的測量。頻率測量原理如下：在單位測量時間Tp中被測信號計數(shù)值為Nx，對標(biāo)準(zhǔn)信號的計數(shù)值為Ns，在已知標(biāo)準(zhǔn)頻率fs的基礎(chǔ)上，被測信號頻率值fx滿足：

fx=(fs/Ns)?Nx

(1)

2.3 幅度信號采集

為了滿足對高頻率信號的采集,選用ADI公司推出的AD7667來實現(xiàn)對被測信號的幅值測量。AD7667是16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部2.5 V參考電壓，工作范圍為0～2.5 V，LSB小于±2 b，轉(zhuǎn)換速率為800 Kb/s，轉(zhuǎn)換時間小于1 μs，采用單+5 V電源供電。由信號變換電路把被測信號轉(zhuǎn)化成工作范圍內(nèi)的有效值，進行精確測量。

2.4 人機交互部分設(shè)計

示波器的顯示及指令輸入由智能終端設(shè)備LJD-ZN-3200K來實現(xiàn)。LJD-ZN-3200K是集輸入、輸出為一體的智能圖形化界面輸出設(shè)備分辨率為640×480，能滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。該設(shè)備終端通過串行接口與主控制器通信，完成數(shù)據(jù)傳輸。

將設(shè)計好的圖形界面加載到智能終端存儲單元，然后按設(shè)定對坐標(biāo)值進行識別，即可實現(xiàn)觸摸式控制輸入。示波器共有9個功能鍵，分別為：3個垂直區(qū)分度選擇按鈕，用于垂直靈敏度選擇；3個水平區(qū)分度選擇按鈕，用于水平掃描速度選擇；采樣方式切換按鈕，用于選擇實時采樣和等效采樣；波形存儲按鈕和波形調(diào)出按鈕，用于當(dāng)前的波形采集存儲及調(diào)出；單次觸發(fā)按鈕，能對滿足觸發(fā)條件的信號進行單次采集與存儲。

3 信號采集及處理分析

3.1 信號采集原理

對不同的頻率信號進行測量時選取合理的采樣手段將直接影響系統(tǒng)的測量精度，在數(shù)字信號分析技術(shù)中，常用的信號采樣方法有兩種：實時采樣和等效采樣［7］。

實時采樣(Real Sampling)通常是等時間間隔的，其最高采樣頻率是奈奎斯特極限頻率，特點是，取樣一個波形所得脈沖序列的持續(xù)時間等于輸入信號實際經(jīng)歷的時間，所以取樣信號的頻譜比原信號還要寬。在本設(shè)計中采用A/D轉(zhuǎn)換器件頻率為400 kHz，根據(jù)采樣特性可計算出該數(shù)字示波器能對不大于50 MHz的輸入信號進行采樣輸出。

等效采樣(Equivalent Sampling)是指針對周期信號的時域重復(fù)的特點,在不同的時間段進行多次較低采樣率的采樣,然后將這些低采樣率的樣本復(fù)合成高采樣率的數(shù)據(jù)樣本,從而真實重構(gòu)出原始信號波形的數(shù)據(jù)采集方法。它利用信號的周期性,以增加采集時間為代價，降低對高速采樣電路的壓力，通過重組恢復(fù)原始信號。

本文采用提取等效采樣時間采樣，它是用信號的重復(fù)頻率fi與采樣率fs的特殊關(guān)系，使等效的采樣率增加D倍。

首先，適當(dāng)選取輸入信號的重復(fù)頻率fi，采樣D個周期的信號波形，然后把記錄的數(shù)據(jù)通過一個簡單的算法重新排列組合，以獲得一個完整的輸入信號波形，這樣等效采樣率是實際采樣率的D倍。

實際實現(xiàn)時，D的選取取決于所需要的等效采樣率fe，使得fe=Dfs即可。而L是單個周期實際采樣點的個數(shù)，L=int(M/D),M是記錄的采樣數(shù)據(jù)的總和。輸出信號的重復(fù)頻率為：

fi=fsDLD－1

(2)

提取等效時間采樣的方法可以提高采樣率，但要求輸入信號的重復(fù)頻率fi要受到精確度的控制，而等效采樣率為Dfs，與輸入信號無關(guān)，當(dāng)輸入信號的重復(fù)頻率偏離式(2)中所給的值，等效采樣度變最大時間偏差為：

Δt≈M(D－1)Dfs

(3)

等效于展寬了頻帶，此時頻帶的寬度與A/D轉(zhuǎn)換的速度和微處理器的速度幾乎無關(guān)，用這種方法結(jié)合設(shè)計的數(shù)字示波器，較容易地測量高頻信號的頻率和幅值。

最后，把采樣得到的數(shù)據(jù)進行存儲，然后進行統(tǒng)一的分析［8］，復(fù)現(xiàn)出信號的函數(shù)曲線，可計算得到幅值。

由于在設(shè)計過程當(dāng)中對電壓信號采樣分析采用的是等效方式，采集到的是以時間為自變量的離散序列，這些采樣數(shù)據(jù)反映了被測參數(shù)的變化過程，但帶有一定程度的誤差，勢必會引起采集數(shù)據(jù)失真的現(xiàn)象［9］。為了避免非誤差允許范圍內(nèi)的值對測量結(jié)果造成干擾，采用軟件對測量結(jié)果進行曲線擬合的方式對數(shù)據(jù)進行修正，以保證測量結(jié)果的相對精度。

3.2 顯示分辨率計算

設(shè)計的波形顯示窗口一共有354×446像元素，能滿足設(shè)計要求，統(tǒng)一分析采集的數(shù)據(jù)［10］，采用正弦內(nèi)插算法進行處理，形成相應(yīng)的輸出，復(fù)現(xiàn)被測信號波形。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

編程邏輯器件CPLD采用硬件描述語言VHDL為底層支撐，用原理圖輸入的方式來實現(xiàn)系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計。DSP軟件編程采用C語言與匯編語言混合編程，程序主體用C語言編寫，對于占用處理器時間較多的算法程序和I/O接口操作則采用匯編語言編程，匯編代碼可以用C語言可調(diào)用的函數(shù)或內(nèi)聯(lián)代碼的形式出現(xiàn)，把C語言和匯編語言的優(yōu)點有機結(jié)合起來。系統(tǒng)軟件完成數(shù)據(jù)收集分析，把采集到的曲線坐標(biāo)經(jīng)處理后由RS 422標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸給智能終端，同時也能接收到智能終端的輸入信息，執(zhí)行相應(yīng)的功能，系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程框圖

5 測試結(jié)果

(1) 系統(tǒng)能對10 Hz~20 MHz的任意周期信號進行測量，對大于20 MHz的信號，由于輸入信號調(diào)理電路器件帶寬的限制，導(dǎo)致用于測量輸入信號頻率的方波失真，致使示波器的測量信號頻率精度降低。對相同頻率的信號，等效采樣方式的波形比實時采樣方式的波形要好，其原因是同一個信號周期內(nèi)前者的采樣點比后者的采樣點多。

(2) 示波器的顯示屏刻度垂直方向有354個像元，水平方向有446個像元，顯示分辨率較高。

(3) 示波器的垂直靈敏度分辨率包含1 V/div,0.1 V/div及2 mV/div三檔，對比專用數(shù)字示波器測試結(jié)果，信號在顯示屏上顯示明顯，波形失真小。

(4) 示波器實時采樣速率為400 kHz，等效采樣速率可達(dá)200 MHz。

(5) 系統(tǒng)在掃描速度包含了20 ms/div,2 μs/div及100 ns/div三檔。

(6) 系統(tǒng)具有存儲和調(diào)出顯示信號波形的功能。

用所設(shè)計的示波器，分別對多種信號的不同頻率、幅值進行測試，同時對比高精度數(shù)字示波器測量結(jié)果，具體測試數(shù)據(jù)如表1，表2所示。

表1 正弦信號頻率測量

輸入信號頻率 /Hz實測頻率 /Hz測量誤差 /%

1010 0

100100.010.01

10 00010 0020.02

1 000 0001 000 3200.03

20 000 00020 000 8300.04

表2 正弦信號幅值測量

輸入信號幅值 /V實測信號幅值 /V測量誤差 /%

88.010.125

66.020.333

55.010.2

32.980.666

1.11.090.99

6 結(jié) 語

樣機測量結(jié)果表明，系統(tǒng)頻率測量誤差小于0.05%，信號幅值測量誤差小于1%，系統(tǒng)精度較高，能滿足一般的工業(yè)要求，并且可以在顯示模塊上對被測信號進行很好的復(fù)現(xiàn)。系統(tǒng)重量小于0.5 kg，體積為：20 cm×15 cm×10 cm。

它克服了同類產(chǎn)品使用時操作復(fù)雜，精度低的缺點，并且所設(shè)計的數(shù)字示波器集成度高，工作過程受外界環(huán)境的干擾小，測量數(shù)據(jù)可視化，界面友好，可復(fù)現(xiàn)被測信號波形，故可作為一種內(nèi)嵌式設(shè)備，嵌入到一些柔性工業(yè)測量系統(tǒng)當(dāng)中，這在工業(yè)自動化領(lǐng)域和測試領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文