一種高精度便捷式全數字示波器的設計
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2．2 測頻電路
示波器對信號的測頻是根據等精度頻率計的原理設計的。由可編程邏輯器件EPF10K50V完成，100 MHz的標準頻率信號直接進(jìn)入EPF10K50 V。器件采用信號輸入變換電路輸出的方波脈沖作為計數器的時(shí)鐘輸入信號，用標準的100 MHz進(jìn)行記數，最后算出輸入信號的頻率。
通過(guò)圖形法和VHDL語(yǔ)言對EPF10K50V編程，本設計中，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(shí)間Tp中被測信號計數值為Nx，對標準信號的計數值為Ns，在已知標準頻率fs的基礎上，被測信號頻率值fx滿(mǎn)足：
2．3 幅度信號采集
為了滿(mǎn)足對高頻率信號的采集，選用ADI公司推出的AD7667來(lái)實(shí)現對被測信號的幅值測量。AD7667是16位A／D轉換芯片，內部2．5 V參考電壓，工作范圍為0～2．5 V，LSB小于±2 b，轉換速率為800 Kb／s，轉換時(shí)間小于1μs，采用單+5 V電源供電。由信號變換電路把被測信號轉化成工作范圍內的有效值，進(jìn)行精確測量。
2．4 人機交互部分設計
示波器的顯示及指令輸入由智能終端設備LJD-ZN-3200K來(lái)實(shí)現。LJD-ZN-3200K是集輸入、輸出為一體的智能圖形化界面輸出設備分辨率為640×480，能滿(mǎn)足系統設計的要求。該設備終端通過(guò)串行接口與主控制器通信，完成數據傳輸。
將設計好的圖形界面加載到智能終端存儲單元，然后按設定對坐標值進(jìn)行識別，即可實(shí)現觸摸式控制輸入。示波器共有9個(gè)功能鍵，分別為：3個(gè)垂直區分度選擇按鈕，用于垂直靈敏度選擇；3個(gè)水平區分度選擇按鈕，用于水平掃描速度選擇；采樣方式切換按鈕，用于選擇實(shí)時(shí)采樣和等效采樣；波形存儲按鈕和波形調出按鈕，用于當前的波形采集存儲及調出；單次觸發(fā)按鈕，能對滿(mǎn)足觸發(fā)條件的信號進(jìn)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(jìn)行測量時(shí)選取合理的采樣手段將直接影響系統的測量精度，在數字信號分析技術(shù)中，常用的信號采樣方法有兩種：實(shí)時(shí)采樣和等效采樣。
實(shí)時(shí)采樣(Real Sampling)通常是等時(shí)間間隔的，其最高采樣頻率是奈奎斯特極限頻率，特點(diǎn)是，取樣一個(gè)波形所得脈沖序列的持續時(shí)間等于輸入信號實(shí)際經(jīng)歷的時(shí)間，所以取樣信號的頻譜比原信號還要寬。在本設計中采用A／D轉換器件頻率為400 kHz，根據采樣特性可計算出該數字示波器能對不大于50 MHz的輸入信號進(jìn)行采樣輸出。
等效采樣(Equivalent Sampling)是指針對周期信號的時(shí)域重復的特點(diǎn)，在不同的時(shí)間段進(jìn)行多次較低采樣率的采樣，然后將這些低采樣率的樣本復合成高采樣率的數據樣本，從而真實(shí)重構出原始信號波形的數據采集方法。它利用信號的周期性，以增加采集時(shí)間為代價(jià)，降低對高速采樣電路的壓力，通過(guò)重組恢復原始信號。
本文采用提取等效采樣時(shí)間采樣，它是用信號的重復頻率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，適當選取輸入信號的重復頻率fi，采樣D個(gè)周期的信號波形，然后把記錄的數據通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的算法重新排列組合，以獲得一個(gè)完整的輸入信號波形，這樣等效采樣率是實(shí)際采樣率的D倍。
實(shí)際實(shí)現時(shí)，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(gè)周期實(shí)際采樣點(diǎn)的個(gè)數，L=int(M／D)，M是記錄的采樣數據的總和。輸出信號的重復頻率為：
提取等效時(shí)間采樣的方法可以提高采樣率，但要求輸入信號的重復頻率fi要受到精確度的控制，而等效采樣率為Dfs，與輸入信號無(wú)關(guān)，當輸入信號的重復頻率偏離式(2)中所給的值，等效采樣度變最大時(shí)間偏差為：
等效于展寬了頻帶，此時(shí)頻帶的寬度與A／D轉換的速度和微處理器的速度幾乎無(wú)關(guān)，用這種方法結合設計的數字示波器，較容易地測量高頻信號的頻率和幅值。
最后，把采樣得到的數據進(jìn)行存儲，然后進(jìn)行統一的分析，復現出信號的函數曲線(xiàn)，可計算得到幅值。
由于在設計過(guò)程當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(shí)間為自變量的離散序列，這些采樣數據反映了被測參數的變化過(guò)程，但帶有一定程度的誤差，勢必會(huì )引起采集數據失真的現象。為了避免非誤差允許范圍內的值對測量結果造成干擾，采用軟件對測量結果進(jìn)行曲線(xiàn)擬合的方式對數據進(jìn)行修正，以保證測量結果的相對精度。
3．2 顯示分辨率計算
設計的波形顯示窗口一共有354x446像元素，能滿(mǎn)足設計要求，統一分析采集的數據，采用正弦內插算法進(jìn)行處理，形成相應的輸出，復現被測信號波形。
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