隨機脈沖信號采集卡的設計

在雷達、聲納及工業(yè)控制領(lǐng)域中的故障監測系統中，往往需要采集雷達、聲納的回波信號或故障監測系統中的故障信號。由于這些信號是隨機出現的，并且這些信號的幅度、脈寬及形狀相差較大。有些信號脈寬可能很窄，有的可能較寬，且占空比不均勻。若采用傳統的固定采樣速率采集方式則不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理要求。因為，對窄脈沖采樣，要求采樣速率很高，若采用連續采樣方法，則采集數據量太大，采集數據不能及時(shí)處理，不能滿(mǎn)足采集信號的實(shí)時(shí)分析或故障的實(shí)時(shí)處理的要求。為此研制一種隨機脈沖信號采集卡，其基本工作原理為：隨機脈沖信號出現時(shí)，高速采集電路工作，無(wú)脈沖信號時(shí)，高速采集電路停止工作。由于在上述方面應用中要求采集的隨機脈沖的平均占空比很小，因此采用該隨機脈沖信號采集卡采集的數據量不是很大，能夠對采集的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，并滿(mǎn)足上述領(lǐng)域的特殊需要。

1 隨機脈沖信號采集卡
隨機脈沖信號采集卡硬件組成框圖如圖1所示，它主要分為輸入輸出接口、幅度采集和控制、單片機運行和控制、主機接口控制、信號重放等5個(gè)模塊電路。

1)輸入接口電路 該模塊電路主要包括隨機信號輸入及處理、高速A／D采樣、GPS信號輸入及分頻，其他數字信號輸入等電路。
2)隨機脈沖處理電路 該模塊電路可對隨機脈沖進(jìn)行放大和限幅，放大倍數不小于200倍，確保大于25 mV的隨機脈沖信號通過(guò)放大后其峰值電平接近5 V，達到TTL電平信號的要求。該信號作為采樣控制電路、脈寬測量32位時(shí)鐘電路及80C196單片機的HIS輸入電路的觸發(fā)脈沖信號，控制脈沖的采集和停止及脈寬測量電路的計數。
3)幅度采集和控制電路 該電路主要包括高速A／D采樣電路和采樣控制電路等。此外80C196內部也含一個(gè)信號幅度采集電路。
4)高速A／D采樣電路 該電路對隨機脈沖進(jìn)行高速采樣，其采樣頻率由單片機設置。
5)GPS信號輸入及分頻電路 該電路是為系統提供標準時(shí)間，同時(shí)也給脈寬測量的32位時(shí)鐘提供一個(gè)整點(diǎn)的復位脈沖信號。
6)脈沖重放電路 該電路可將采集的脈沖信號數據再轉化為對應的脈沖信號輸出，用于顯示或聽(tīng)音。
7)其他數字信號輸入電路 該電路包括主機給單片機提供的一些控制參數(如高速A／D的采樣率)和其他輸入的一些數字信號(如雷達脈沖的方位和載頻等數字信號)。
8)輸出接口電路 該電路主要包括大深度的FIFO電路及狀態(tài)鎖存電路等，用于采集卡與主機接口。

2 工作模式
隨機脈沖信號采集卡有2種工作模式：一種是采用單片機完成的單一脈沖幅度的測量模式：一種是對特殊脈沖波形測量使用的脈沖幅度高速采樣模式。第1種工作模式下，脈沖幅度的測量由80C196單片機內部的A／D轉換電路完成，每個(gè)脈沖僅采樣測量一次。脈沖寬度及脈沖到達時(shí)間等雖然可由80C196單片機的HIS(高速輸入通道)電路等測量，但因為其測量精度達不到要求，因此，外加了一個(gè)32位時(shí)間計數器及其相應的2套鎖存器等電路用于脈沖寬度及脈沖到達時(shí)間的測量。第2種工作模式下，脈沖幅度的測量由外加的高速A／D轉換電路完成．高速A／D采樣測量電路由每個(gè)脈沖的上升沿啟動(dòng)，由脈沖的下降沿觸發(fā)一個(gè)延時(shí)電路。延時(shí)一段時(shí)間后由延時(shí)電路的下降沿停止高速A／D采樣測量電路。高速A／D采樣測量電路的采樣率可由主機根據需要設定，最高采樣速率可設定為20 MHz。脈寬及到達時(shí)間的測量與第1種工作模式相同。