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技術文章(zhāng)數(shù)字(zì)示(shì)波(bō)器在高頻(pín)信號采集中(zhōng)的(dí)應(yīng)用
更新時(shí)間：2009-03-27
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| 數字示波(bō)器(qì)在(zài)高頻信號采集中(zhōng)的(dí)應用 |
| 李繼宇，董(dǒng)浩(hào)斌，湯 峰 （1．中國地質大學(xué) 湖北 武(wǔ)漢 430074；2．華(huá)南(nán)理工(gōng)大學 廣東(dōng) 廣(guǎng)州 510641） |
| 1 高頻信(xìn)號(hào)的采集 當(dāng)要對一個高頻(pín)信號(hào)（比(bǐ)如(rú)高(gāo)達100MHz的雷達波(bō)形）進行采(cǎi)集和處理(lǐ)的時(shí)候。通(tōng)常會設計(jì)一(yī)個高速或者超(chāo)高(gāo)速硬件(jiàn)采集電路，包括放(fàng)大部(bù)分(fēn)，濾波部分(fēn)；A／D和D／A轉(zhuǎn)換部分等，這(zhè)種(zhǒng)電(diàn)路的(dí)要求(qiú)非常(cháng)高，要求邊采(cǎi)集邊(biān)存儲，電(diàn)路(lù)速度(dù)高，而且要考(kǎo)慮各種(zhǒng)輻射幹擾等，同時(shí)，目(mù)前市場(cháng)上(shàng)成(chéng)品價格很難(nán)承受。並(bìng)且根據(jù)采(cǎi)樣定理，一(yī)個(gè)zui高頻(pín)率為／的連續信號，*可以用時(shí)間(jiān)上相隔了＝1／2f的(dí)一係列離(lí)散(sàn)采樣值(zhí)來(lái)表示。所以采樣(yàng)頻(pín)率F應等於或(huò)大於被采(cǎi)樣信號的zui高頻率f的2倍(bèi)，即F≥2f。考(kǎo)慮(lǜ)到(dào)實際恢(huī)復(fù)波形的低通濾波器不可能(néng)具(jù)有(yǒu)*理想(xiǎng)的(dí)特(tè)性，為了(liǎo)正確(què)恢(huī)復信(xìn)號，通常取9＝（2．5-5）f或更(gēng)高(gāo)。當采樣的(dí)信(xìn)號(hào)高達(dá)100MHz時，就(jiù)應該達到500MHz的(dí)采樣(yàng)率(shuài)。 2 示波(bō)器與計算機的通信 Tektronix公司的(dí)TDS係(xì)列數字實(shí)時(shí)示波(bō)器早已(yǐ)經在(zài)各(gè)處得到(dào)廣泛(fàn)應用(yòng)，並(bìng)且其(qí)配(pèi)套(tào)的(dí)擴(kuò)展模塊TDS2CM和(hé)TDS2MM模(mó)塊具(jù)有(yǒu)與(yǔ)外部(bù)設備(bèi)雙向通(tōng)訊(xùn)的(dí)功能(néng)，可(kě)直(zhí)接(jiē)與(yǔ)打印(yìn)機(jī)，微(wēi)機連(lián)接，使波(bō)形(xíng)的存(cún)儲打印等工作變(biàn)得(dé)十分方便。其中TDS220數(shù)字(zì)示波(bō)器擁有100MHZ的帶寬，以(yǐ)10 倍的(dí)掃(sǎo)描(miáo)方式，達到1GS/s的采樣率。當配套(tào)的(dí)TDS2CM模(mó)塊采用(yòng)RS232電纜(lǎn)用(yòng)串口(kǒu)通信(xìn)與(yǔ)計算(suàn)機(jī)連接(jiē)後，利用(yòng)相應(yīng)軟件（如(rú)Matlab等）可(kě)以對示(shì)波器(qì)的數據，波(bō)形直接(jiē)進行讀(dú)取，處(chǔ)理(lǐ)。 因此(cǐ)可(kě)以采用(yòng)數(shù)字(zì)示波器與PC機(jī)間的通訊(xùn)，在(zài)數字(zì)信號(hào)處(chǔ)理(lǐ)方(fāng)麵，此時數字示(shì)波器相當於(yú)一個高速(sù)信(xìn)號采集器，他把(bǎ)數據(jù)傳輸(shū)到計(jì)算機中，配合Matlab，能實現對高(gāo)頻(pín)信號(hào)的(dí)采(cǎi)集與處理，而(ér)且(qiě)與一般意(yì)義(yì)上的(dí)硬件(jiàn)處理器相比(bǐ)沒有(yǒu)了A/D和D/A轉(zhuǎn)換(huàn)過程(chéng)，是(shì)處理(lǐ)的(dí)精(jīng)度和速(sù)度(dù)都(dū)有了明(míng)顯(xiǎn)的提高，而且價(jià)格(gé)上示(shì)波器(qì)配套模塊TDSCM2模塊也(yě)比相應(yīng)功(gōng)能的硬件(jiàn)處(chǔ)理(lǐ)器便宜(yí)不少。 3 優缺點(diǎn) 數字示波(bō)器(qì)與PC機的(dí)通訊(xùn)不僅(jǐn)具有一(yī)般台(tái)式(shì)數字存(cún)儲示(shì)波器的(dí)功能，而且充分(fēn)發揮了計(jì)算機*的(dí)功能(néng)和軟(ruǎn)件設計的靈活性，他(tā)具(jù)有(yǒu)4個顯著(zhù)特(tè)征： （1）采用(yòng)編程(chéng)語(yǔ)言Matlab和麵(miàn)向(xiàng)對象編(biān)程技術，軟(ruǎn)件開(kāi)發效(xiào)率高，可(kě)操(cāo)作性和(hé)可維(wéi)護性好； （2）為數字(zì)存(cún)儲示波(bō)器增加了(liǎo)頻域分(fēn)析功能； （3）充(chōng)分利用(yòng)了(liǎo)計(jì)算機的(dí)存(cún)儲與(yǔ)外設連接的能力(lì)，測量結果(guǒ)和(hé)波(bō)形可(kě)直(zhí)接打印(yìn)輸(shū)出(chū)或通過網絡共享(xiǎng)； （4）在(zài)相(xiāng)同(tóng)硬件(jiàn)條(tiáo)件(jiàn)下，可以通過修(xiū)改(gǎi)或(huò)增(zēng)加軟件(jiàn)模塊，形成(chéng)新的儀器(qì)功(gōng)能。 由(yóu)於要(yào)用(yòng)到(dào)示(shì)波器(qì)，計算機(jī)以及(jí)RS232的(dí)連(lián)接，沒(méi)有(yǒu)單(dān)個(gè)硬件電路簡單明了，是(shì)其(qí)不(bù)足之處(chǔ)。 4 應用(yòng)情況 4．1 通信原理(lǐ) Matlab是(shì)美國Math Works公(gōng)司推(tuī)出的(dí)一種(zhǒng)以矩(jǔ)陣為(wéi)基(jī)本編程(chéng)單位的數值(zhí)計算(suàn)語(yǔ)言(yán)，是(shì)一個(gè)集科學(xué)計(jì)算，圖像(xiàng)處(chǔ)理，聲音處理於(yú)一(yī)體(tǐ)的(dí)高(gāo)度(dù)集成係統(tǒng)。他具有*的數值(zhí)計算(suàn)功能(néng)，其中(zhōng)的Instrument Control Toolbox提供對(duì)GPIB，RS-232，VXI，Centronics等端口進行(háng)控製的功(gōng)能。當(dāng)用Matlab軟(ruǎn)件通過(guò)RS232與TDS2CM模(mó)塊串(chuàn)口(kǒu)連接可以實(shí)現示波器(qì)與計(jì)算(suàn)機(jī)之間的(dí)數據(jù)通(tōng)訊，同時利用Matlab數值處理，矩陣運(yùn)算(suàn)功(gōng)能對(duì)示波器(qì)記錄的(dí)波(bō)形數據(jù)進(jìn)行各(gè)種分(fēn)析(xī)和(hé)處理。 Matlab通(tōng)過調用M文(wén)件函數(shù)來創建設備對象(xiàng)，得到(dào)設備(bèi)的(dí)文件句柄(bǐng)，這樣(yàng)可(kě)以像(xiàng)操作文件(jiàn)一樣操(cāo)作(zuò)設(shè)備(bèi)，對外設(shè)進行相(xiāng)關(guān)的讀(dú)寫(xiě)。原理圖如圖(tú)1所示。 |
| 當(dāng)直接通過RS232進行硬(yìng)件(jiàn)通信控製(zhì)時，示(shì)波(bō)器通過DCD（載波(bō)檢(jiǎn)測），CTS（清(qīng)除(chú)發送），RI（振(zhèn)鈴(líng)提(tí)示）3個控製(zhì)信(xìn)號(hào)表(biǎo)示當(dāng)前狀態，用RTS（請(qǐng)求發送）發(fā)送數據(jù)。 4．2 數(shù)據(jù)傳榆 當Matlab以二進製格式(shì)對示波(bō)器的波(bō)形進(jìn)行數(shù)據讀寫(xiě)時(shí)，讀(dú)寫數(shù)據與示波(bō)器實(shí)際數(shù)據換(huàn)算由式（1）給(gěi)出： Xn=Xzero+Xiner·n Yn=yzero+Ymult（Yn－Yoff） （1） 其(qí)中：Yn為輸入，輸(shū)出(chū)緩衝區中的(dí)數(shù)據(jù)， n為(wéi)數據個(gè)數(shù)： Xn，Yn為(wéi)示(shì)波(bō)器中實際采樣(yàng)時間與信(xìn)號(hào)幅值， Xzero是所(suǒ)采(cǎi)集(jí)波(bō)形*個(gè)點(diǎn)的時(shí)間， Xiner是水(shuǐ)平(píng)軸上(shàng)的(dí)采樣率(shuài)， yzero是(shì)0dB時的(dí)幅值， Ymul是(shì)垂直(zhí)軸(zhóu)上的比例因(yīn)子(zǐ)； Yoff是垂(chuí)直偏移量。 由(yóu)式(shì)（1）可見(jiàn)，所傳輸(shū)的數(shù)據*按照示波器的采樣率，波(bō)形(xíng)真實可(kě)靠。 程(chéng)序(xù)流程圖如圖(tú)2所示。 |
