100MHz 數字存儲示波表樣機的研究與試制----數據采集系統設計(三)

3.4.3隨機采樣

隨機采樣也是一種等效時(shí)間采樣。它的采樣點(diǎn)是在隨機時(shí)刻采集的，與觸發(fā)事件無(wú)關(guān)。這些采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為一已知的時(shí)間，由采樣時(shí)鐘確定。當示波器在等待觸發(fā)事件時(shí)，A/D就在連續的進(jìn)行采樣，并存入FIFO.當一個(gè)觸發(fā)事件到來(lái)時(shí)，時(shí)間測量電路就對觸發(fā)脈沖到觸發(fā)脈沖后第一個(gè)采樣脈沖之間的時(shí)間間隔進(jìn)行測量。由于采樣間隔是固定的，所以，示波器能得到相對位置固定的一組采樣點(diǎn)。當第一次采集的所有采樣點(diǎn)存儲完畢之后，就開(kāi)始采集一組新的采樣點(diǎn)，并等待新的觸發(fā)事件。新觸發(fā)事件到來(lái)以后，時(shí)間測量電路又進(jìn)行新的時(shí)間測量，以此來(lái)排列第一組采樣點(diǎn)和第二組采樣點(diǎn)的相對位置，并按順序存入存儲器。隨機采樣的原理圖如圖3-13.

順序采樣與隨機采樣都屬于等效時(shí)間采樣，在這兩種取樣方式下，示波器的帶寬稱(chēng)為等效帶寬。它們的共同之處是都只能觀(guān)測周期信號。但同時(shí)它們也有很大的不同：1.順序采樣的采樣點(diǎn)與觸發(fā)脈沖有△t的延遲時(shí)間關(guān)系，而隨機采樣的采樣點(diǎn)與觸發(fā)脈沖無(wú)任何關(guān)系，完全是隨機的。2.順序采樣觸發(fā)后每個(gè)信號周期只有一個(gè)采樣點(diǎn)，而隨機采樣每個(gè)信號周期可以獲得一組采樣點(diǎn)。在實(shí)際應用中，由于隨機采樣要計算擺點(diǎn)的位置，所以它填滿(mǎn)一個(gè)完整的波形所花的時(shí)間要比順序采樣多一些，但隨機采樣相比于順序采樣最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供預觸發(fā)信息。

1.隨機采樣的實(shí)現

隨機采樣與實(shí)時(shí)采樣的實(shí)現電路有所不同。實(shí)時(shí)采樣的“＋”延遲觸發(fā)計數器和“—”延遲觸發(fā)計數器是通過(guò)DSP來(lái)設置計數值，而隨機采樣我們是固定兩個(gè)計數器的值為100，也就是說(shuō)觸發(fā)前和觸發(fā)后各采100個(gè)點(diǎn)。隨機采樣的主要電路結構如圖3-14.

首先，在每個(gè)寫(xiě)時(shí)鐘（WCLK）檢測DSP是否發(fā)出FIFO寫(xiě)使能信號（FIFO_WE）。當DSP發(fā)出寫(xiě)FIFO命令時(shí)，D觸發(fā)器輸出為“1”。同時(shí)，由于計數器POS_COUNT100初始時(shí)輸出為“0”，所以經(jīng)反相后輸出為“1”，與D觸發(fā)器的輸出同作為與非門(mén)的輸入，將FIFO寫(xiě)使能（FIFO_WEN）置為“0”。FIFO_WEN經(jīng)反相后作為PRE_COUNT100的計數使能信號，計數器根據寫(xiě)時(shí)鐘計數。當計滿(mǎn)100個(gè)數后，Armed變?yōu)楦唠娖?，允許觸發(fā)信號TR.等待觸發(fā)過(guò)程中，FIFO寫(xiě)時(shí)鐘等于FIFO讀時(shí)鐘。當觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，FIFO讀時(shí)鐘無(wú)效，POS_COUNT100開(kāi)始根據寫(xiě)時(shí)鐘計數。計滿(mǎn)100個(gè)數后POS_COUNT100輸出變?yōu)?ldquo;1”，使FIFO寫(xiě)使能無(wú)效，從而結束一次觸發(fā)一組數據的采集。

2.時(shí)間測量電路

要實(shí)現隨機采樣技術(shù)，其關(guān)鍵就是要精確測量觸發(fā)脈沖與觸發(fā)脈沖后第一個(gè)采樣脈沖之間的△t，只有準確的測量出這個(gè)△t才能擺正各次觸發(fā)所采集的采樣點(diǎn)在時(shí)間軸上的時(shí)間關(guān)系，從而保證正確的重現信號波形。

項目中，由于實(shí)時(shí)采樣率為100MSPS，且觸發(fā)脈沖和采樣脈沖的出現在時(shí)間軸上具有隨機性，因此，兩者間的時(shí)間間隔△t很?。?≤△t＜10nS),且為0至10nS區間的任意值，難于對其進(jìn)行直接的測量和處理。間接測量的方法有多種，采用模擬時(shí)間擴展器測量第一采樣脈沖與觸發(fā)脈沖之間的隨機時(shí)間間隔△t是一種可行的方案。我們采用的模擬擴展電路是恒流源雙積分時(shí)間擴展電路，它將時(shí)間間隔△t線(xiàn)性放大數倍（通常放大倍率為250至500倍），形成計數時(shí)間閘門(mén)，在閘門(mén)時(shí)間內對標準時(shí)鐘源T 0計數。然后根據計數結果確定△t的值。該功能單元的原理框圖由圖3-15所示。

本系統采用的恒流源雙積分時(shí)間擴展電路是利用兩個(gè)恒流源對一個(gè)電容的快放慢充電，來(lái)實(shí)現對時(shí)間的展寬：在觸發(fā)脈沖下降沿到來(lái)時(shí)進(jìn)行放電，當第一個(gè)采樣脈沖上升沿到來(lái)時(shí)進(jìn)行充電，且放電電流遠大于充電電流，就可以實(shí)現時(shí)間的展寬。圖3-16為雙斜率電容充電電路時(shí)間展寬工作原理示意圖。

由圖知，

即雙斜率積分時(shí)間展寬電路的放大倍數是放電電流與充電電流之比。而實(shí)際電路的充放電流具有非線(xiàn)性，尤其對很小的時(shí)間間隔，非線(xiàn)性的影響就非常明顯。另外充放電路輸出的鋸齒波，還要送到比較器以產(chǎn)生所需的計數時(shí)間閘門(mén)，所以實(shí)際的放大倍數小于理論計算出的放大倍數。

若DSO的最小時(shí)間分辨率t_es =200ps，計數脈沖為T(mén)o =10ns，則時(shí)間放大倍數是K:K= To/t_es =50，因此雙斜率積分時(shí)間展寬電路的實(shí)際放大倍數必須大于50倍。在保證充放電線(xiàn)性的基礎上提高放大倍率顯然有利于提高時(shí)間測量精度，放大倍率的調節可以通過(guò)調節充電電流和放電電流的大小實(shí)現，還可通過(guò)調節比較電壓和電容值來(lái)實(shí)現微調。

事實(shí)上，要讓恒流源雙積分時(shí)間擴展電路要工作在線(xiàn)性區△t不能太小，而由上文分析知道0≤△t＜10nS，且在[0，10nS）區間任意取值，這就必然導致有時(shí)模擬擴展器不能正常工作。為了解決這一矛盾，我們在△t上插入一個(gè)恒定的時(shí)間間隔T₀（T₀ =10nS），這樣△t +T₀∈[10 nS，20nS）。經(jīng)過(guò)處理后的時(shí)間間隔就可以確保時(shí)間擴展器電路工作在線(xiàn)性區。實(shí)現電路如圖3-17所示。

如圖所示，TRI_EXP 模塊主要完成△t＋10ns 的功能，其仿真圖如圖 3-18。

COUNT_TRI 模塊主要完成對模擬展寬后脈沖的計數工作。其中，M_TRI_EXP為模擬電路送來(lái)的展寬后脈沖所形成的閘門(mén)信號，用它來(lái)作為計數使能控制。同時(shí)，用 100MHz 時(shí)鐘來(lái)對它進(jìn)行計數。TRI_COUNT[15..0]為展寬脈沖的計數值，計數結束后將它送入 DSP，做為擺點(diǎn)的依據。

3.時(shí)間擴展器的校準

由于模擬脈沖展寬電路是由一些分離元件設計的，工作狀態(tài)易受溫度等外界環(huán)境因素影響，展寬倍數也因此隨時(shí)在改變，所以很難精確的計算其展寬倍數。為了消除K值的變化、比較電平的漂移帶來(lái)的誤差，所以引入校正技術(shù)：通過(guò)三次測量，即先測To和2To的值，再測tx+To值進(jìn)行計算處理。

（1）當t = T₀時(shí)，擴展后得：N_sT₀=KT₀-T_H

計數值N_s=(KT₀-T_H）/T_H （A）（其中，T_H為無(wú)效擴展時(shí)間）

（2）當t = 2T₀時(shí)，擴展后得：N_sT₀=2KT₀-T_H

計數值N_r=(KT₀-T_H）/T_H （B）

（3）當t=t_x+T₀時(shí)，擴展后得：N_sT₀=K(t_x+T₀)-T_H

計數值N_x=[(K(t_x+T₀)-T_H）]/T_H（C）

將式（B）減去式（A），得N_r-N_s=K

將式（C）減去式（A），得N_x-N_s=Kt_x/T₀，并將上面的K值帶入，得：

由上式可見(jiàn)，通過(guò)對擴展器的校正，完全消除了恒流源和比較電平的變化對測量結果的影響。以上電路可以方便地在FPGA中實(shí)現。

4.隨機采樣的顯示

上面我們已經(jīng)介紹過(guò)本項目中在100ns/div-5ns/div的檔位下采用隨機采樣技術(shù)，而且隨機采樣的時(shí)候，我們的采樣率固定為100MHz.我們知道示波器時(shí)間軸上共有10格，每格25個(gè)點(diǎn)。所以，當在5ns/div檔位下的時(shí)候示波器的等效采樣率最高，等于5GSPS（5ns/25 =0.2ns）。在具體實(shí)現隨機顯示的過(guò)程中，我們采用抽點(diǎn)顯示的方法，即在等效采樣率最高的時(shí)候，采樣足夠多的點(diǎn)，然后每個(gè)檔位依此抽點(diǎn)顯示。隨機采樣時(shí)，各檔位的等效采樣率以及抽點(diǎn)個(gè)數如表3-2.