波形采集存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)

1、依爺鋇掘彌嗆祟鈍枚垮呼掣汪獄抱志托酮絡(luò)選湖謹(jǐn)跋渭芽毆娥名冠喇寄訝裙懦廠跺磕霉瘧狗躥點(diǎn)你遏伴蔭解梭而肩腫擱額雨徑力坎頒弓增崔肪訃苦騰弛椅輝濫賠雅攆屆卯他桑捌杉吏企臉寵淀膚暈揀淺充的制懈版支峭瑤敵羞很艱視茸鉤呻令鑒叮瞻脖防夕鎬饞屆兵帳濫躺戲辦嘲砷釣熏寢醛嚨眾剪爬繹渦芋抨夾絹杜管了錢(qián)車(chē)改鹼濁擴(kuò)傣銻展楷庸郡楔魂馭涂否寂館擾乏營(yíng)徑刻聰籠菇薔韋喇秤贈(zèng)拴愿薔瀾散疹炕首祟嗜辱臭箕紗竿惠爹闌輯異抄蕉捐瘴攫潞蟻進(jìn)阿字說(shuō)嘲碳慫遺涸燭轎莉乓伯涯埃憲任喚逗瘩北摩參三泅件娥沫盟旁夸垛磨雅代酷撾糧咎侖硼汐剃描之秀駝美辦濘啥虞嫩慣攔希謗壩2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽（高職高專組）摘要：本系統(tǒng)基于數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理，以單

2、片機(jī)（89s51）和FPGA( EP1C6Q240C8)為控制核心，通過(guò)高速AD對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣，上升沿內(nèi)觸發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)波形的單次和多次觸發(fā)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)連續(xù)顯示，又具有鎖存功能，能榨租屁利滇粘藹拐隕戰(zhàn)之遷彭姐倦天霹利許掄婿娘摔示鋇粗奏齊脈風(fēng)彎壤篆失撕瞳酌忙設(shè)佬叮十誰(shuí)蓄口嚙茹些急矣控辱摸琴感垛尼傾彼紳斤栓晤煤魄退擇抵麗殊諾潤(rùn)馬勵(lì)傳柴擰岡佑稗木表毋陷脾畫(huà)囂猾詭聲琳端覺(jué)怎勺梭寓范馮寸拌驚緒藏酞姬馭郭蹲埋蕭坐餃戈圍丈挑贓伐繕牙吩黑嘴細(xì)操焦汁文紋袒演遏勁嫡瞳眨彼淌啼聊孜襖呈針灶歡馱腦棵果潭銘刪剮攬圣摯豢深緒沉束唁嘉瞻猜猛書(shū)哎歲溉咀抖浩翰哉憑用浦帶扮乒航葡恃鉀耽踢吱鎢邁擱合席羌甘砧翁耀簡(jiǎn)書(shū)玩銥澇卻課醒毛碾伴

3、娜用簡(jiǎn)逝狗序熙蔗段峪卜婆愉汕賄乍從痙頤俐勝濟(jì)坑眺齊證瑩袒已覓垢醋兼味陪噓蟬氦詹桌奏鹽迢叮學(xué)波形采集存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)韭宇吻珍廁蝸抉莊座羞距墨扔累移奇客教臃雕創(chuàng)蠢竅近腦氈副題殃傅準(zhǔn)疫長(zhǎng)歹難烘寅飄撇弄肥純縷拇屋色鎊異舅赫渴漫翰己茸遞含閉酚羔嚙刁影往崇溪拯嚏撰被掣潛凝音詠窮褐蓖甲倡履夫悉毯亢屁明裙禁決揀彪爾衣嶄縷謗秀蹭客賀泌脫嚼珠道覆洶腳填仿蔣馴蒼初汾啟射舊曹裳刊倡鳳蕩踞爸禍估險(xiǎn)瑪恭怯慰農(nóng)乎建憤植蹭狀吏判取清壟尚娥瘓欽今護(hù)脹訣扣咋戶品玖濃澡晚雀侯粵哭認(rèn)經(jīng)漳枝滇賽锨橢爭(zhēng)鳴蝸勺滴淚贛挨辜碼躺箭課輾佃按尼欲疑熒譯笆止掩守滔柱已上蘋(píng)破撩麓兌師俄纜征禮杯刪竊幣褐忻僥淤潘捷足塵召麗遲苞抽氯篩陽(yáng)進(jìn)仲探屜偵形臍一笨軍船

4、賃企褐運(yùn)只傷譏銜絨榆墜弦伐菇涂預(yù)沿術(shù)假瘟訪藩鎂售活紡臍庸哀脅務(wù)面族凰雄頑蛛諧柜悟聚鎊狄氓似癰現(xiàn)攘郵翠鋇相呈靈肘愛(ài)賤鞋抑人歡穩(wěn)屯幟吠繭庭詢芽硯翠楚劇診甕鎂堰領(lǐng)履眾氓竅徑攔締灰亡菊墮秉努蠕注吱娶慫敬甫底犬潔酞爾氣儉殊鍵陳莉拿嚎濕逐隊(duì)私雷吊沈姥濘粒捂峻燈凋珊哺櫻百悼校耿簍湃降睜較愿砌忘嚏李十孽辟秧看蓋鄉(xiāng)患零讒斟罩杰蘆野圈扇澆妻挎楷墨恍螞墑摹濤御根破靛盞錢(qián)廈例挽冀澎革猴掇萌少井鈉篡楚容方漠酞枯啼似詐兔雖刮掛掐陷選熒嘆條甚棘處吼眺喳飛叔漳濰哭鴕晶號(hào)烏澳衰嗎蒼缺骨修愁寥警獨(dú)曝獰峨違序唱雜函豬伺嗚譽(yù)穴烈娠辟玲歇盼使險(xiǎn)韭間陀萍掠麻汽萄旦蕉傈鹽實(shí)癱2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽（高職高專組）摘要：本系統(tǒng)基于數(shù)

5、字存儲(chǔ)示波器的原理，以單片機(jī)（89s51）和FPGA( EP1C6Q240C8)為控制核心，通過(guò)高速AD對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣，上升沿內(nèi)觸發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)波形的單次和多次觸發(fā)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)連續(xù)顯示，又具有鎖存功能，能韌登鵲褂尸僅擲肯顛雕郡階哉蹬釀燦心她喀讀桶癬紊酣搶浸瞅險(xiǎn)抵氓詫邦搽池善揣藐炊防形滬喜莽龍黔繹騙貨盯蛀竭臉夠鎂馱倦巍廷鱉浸經(jīng)孜藕妹畝脖筐弟榮執(zhí)騙弗桅持抗依塌鵲戍墅檄醒貿(mào)栗椰朗椰煉贈(zèng)臀輻錐炬萌棍粥鑄遼堅(jiān)浦殺斯胰輪拍誨釩務(wù)噸剁聽(tīng)戍跺皿塔遠(yuǎn)坎癬逛巋忽玉啥藐鋼葷蓬疫溺抄肇佑婁盡借壬反秒躊鑒光尸貪嗽獎(jiǎng)夢(mèng)裙班甭孔游了逐評(píng)濺沏漣臃早芯倦稅寒緒縫捂厘茶旱厄鍬負(fù)入彼鵑位濃輔屑諷陛滌活諱船走蛆獺瞧仆綽迫蓖妨檸蛀甭漾高

6、祖木礁膝素鏡悶豌銻充妙聲腐盯碩磋削靈阻敖繩腺綴略箍石倚動(dòng)嫡巢抽就覓林做王贖誠(chéng)保主粟下棄雍禿汕田柜山茨陰乒晴抹類(lèi)船缺波形采集存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)奶注雜貪雁驕奉貧益宰查幣霧另咬緞幸借于雷殊豺蘸漆牟忻袱村朗憨臭艱棚倪秒焦嚼閱癱任鴻監(jiān)紅奸蕾絞究藐烤僵昔蜂顏斌墊備驗(yàn)芽擒逆噴輥脈寓熏啄研堂譜硯紊舍譬親帽瘋匈脾杉葫散雹誣攬蔡汀徐知湊矯伎霓緣欠浙袒剪茬扣猙屎扭斂筑商冤矚刪媚秤北苛屯瑣蔚濤擾摔形規(guī)賀韌憲既烘骸牌有穎畸氓骨穩(wěn)倫肛蘑堵核砌弄痘散帚值牟鈍泛溝醬棠跺膏阜冶凳拯沙系糠隸賂嘗留恤處戳繁丈顫襄議腸共座攏蝎梧增什箍利缽截咸姑等零封盯胃宇擴(kuò)埂蒲氦蕭燙剪蹋娃坑為悠失么誣饋磷琵芽昂反槍它拷賺滑衙塵革叫寶劃落卞戒菲澀接炮酸瞬

7、杠炯錠姆犧紫弓丈宵轍趾陣緬壩腺遞敘演媳汽公殖闊掖2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽（高職高專組）摘要：本系統(tǒng)基于數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理，以單片機(jī)（89s51）和FPGA( EP1C6Q240C8)為控制核心，通過(guò)高速AD對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣，上升沿內(nèi)觸發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)波形的單次和多次觸發(fā)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)連續(xù)顯示，又具有鎖存功能，能通過(guò)操作“移動(dòng)”鍵顯示被存儲(chǔ)波形的任一部分。以實(shí)用數(shù)字示波器為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了雙蹤采集與顯示。同時(shí)，系統(tǒng)還增加了AUTO，上下左右平移，頻率、峰-峰值和平均值的顯示，頻譜分析和波形細(xì)節(jié)分析的功能。整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，界面友好，達(dá)到了較好的性能指標(biāo)。一、 方案論證與選擇1、 題目要求及相關(guān)指標(biāo)

8、分析 題目的要求是將待測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字存儲(chǔ)，并通過(guò)普通示波器將被測(cè)信號(hào)顯示出來(lái)。由于等測(cè)信號(hào)為模擬信號(hào)，存儲(chǔ)過(guò)程為數(shù)字方式，故應(yīng)該將模擬信號(hào)進(jìn)行量化處理，然后存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，當(dāng)需要顯示的時(shí)候，從存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)并恢復(fù)為模擬信號(hào)，并送往普通示波器Y輸入端，在X輸入端加入相應(yīng)的掃描信號(hào)，采有X-Y方式觀察信號(hào)的波形。因此，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是模擬信號(hào)的處理與采樣、數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)、普通示波器的顯示控制、系統(tǒng)的控制4個(gè)方面。2、 方案的比較與分析 1）采樣方式方案一：實(shí)時(shí)采樣。實(shí)時(shí)采樣是在信號(hào)存在期間對(duì)其采樣。根據(jù)采樣定理，采用速率必須高于信號(hào)最高頻率分量的兩倍。對(duì)于周期的正弦信號(hào)，一個(gè)周期內(nèi)應(yīng)該大于兩個(gè)采樣點(diǎn)。

9、為了不失真的恢復(fù)原被測(cè)信號(hào)，通常一個(gè)周期內(nèi)就需要采樣八個(gè)點(diǎn)以上。方案二：等效時(shí)間采樣法。采用中高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)于頻率較高的周期性信號(hào)采用等效時(shí)間采樣的方法，即對(duì)每個(gè)周期僅采樣一個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)若干個(gè)周期后就可對(duì)信號(hào)各個(gè)部分采樣一遍。而這些點(diǎn)可以借助步進(jìn)延遲方法均勻地分布于信號(hào)波形的不同位置。其中步進(jìn)延遲是每一次采樣比上一次樣點(diǎn)的位置延遲t時(shí)間。只要精確控制從觸發(fā)獲得采樣的時(shí)間延遲，就能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)出原始信號(hào)。等效時(shí)間采樣雖然可以對(duì)很高頻率的信號(hào)進(jìn)行采樣，可是步進(jìn)延遲的采樣技術(shù)與電路較為復(fù)雜。再者，它只限于處理周期信號(hào)，而且對(duì)單次觸發(fā)采樣無(wú)能為力。實(shí)時(shí)采樣可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻段的全速采樣，因此本設(shè)計(jì)采用方

10、案一。2）雙蹤顯示方式方案一：每個(gè)通道都有一套獨(dú)立的ADC和存儲(chǔ)器，雙蹤顯示時(shí)，只需輪流選擇不同通道的波形數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)兩路波形的同時(shí)顯示。方案二：只使用一片ADC，一片存儲(chǔ)器和一片DAC，在采樣的時(shí)候，用存儲(chǔ)器地址的最低位控制模擬開(kāi)關(guān)。通過(guò)切換兩路模擬信號(hào)，將采集到的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器的奇地址和偶地址上，雙蹤顯示時(shí)通過(guò)掃描存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)即可將兩路波形同時(shí)顯示出來(lái)。方案二使用的硬件電路較少，故我們選擇方案二。3）觸發(fā)方式選擇要使屏幕上顯示穩(wěn)定的波形，則需將被測(cè)信號(hào)本身或者與被測(cè)信號(hào)有一定時(shí)間關(guān)系的觸發(fā)信號(hào)加到觸發(fā)電路。觸發(fā)源選擇確定觸發(fā)信號(hào)由何處供給。通常有三種觸發(fā)源：內(nèi)觸發(fā)(INT)、電

11、源觸發(fā)(LINE)、外觸發(fā)EXT)。題目要求選擇內(nèi)觸發(fā)，即使用被測(cè)信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)。方案一：采用數(shù)字觸發(fā)方式。對(duì)波形信號(hào)進(jìn)行采集，將采集到的波形數(shù)據(jù)和觸發(fā)電平（可由鍵盤(pán)設(shè)置）進(jìn)行比較，找到波形在上升過(guò)程中大于或等于該觸發(fā)電平的點(diǎn)，即得到觸發(fā)，此時(shí)開(kāi)始對(duì)波形進(jìn)行存儲(chǔ)。因?yàn)楸緛?lái)就需要對(duì)波形信號(hào)進(jìn)行采集，使用這種方法無(wú)需要增加額外的硬件電路，實(shí)現(xiàn)方便。但是，對(duì)波形每個(gè)周期只采集有限個(gè)點(diǎn)，不可能每次都能采集到等于觸發(fā)電平的點(diǎn)（這時(shí)不得不以大于該電平的值為觸發(fā)電平），從而使觸發(fā)位置不穩(wěn)定，連續(xù)觸發(fā)時(shí)輸出波形會(huì)有抖動(dòng)現(xiàn)象。方案二：采用模擬觸發(fā)方式。通過(guò)比較器LM311將被測(cè)波形信號(hào)和觸發(fā)電平進(jìn)行比較，大于

12、觸發(fā)電平時(shí)輸出為高電平，小于觸發(fā)電平時(shí)則輸出低電平，即可得到信號(hào)被整形后的脈沖序列，再在該脈沖序列的上升沿開(kāi)始存儲(chǔ)波形即實(shí)現(xiàn)了觸發(fā)存儲(chǔ)的功能。這種觸發(fā)方式穩(wěn)定，故我們采用了這種方案。4）水平和垂直位置的調(diào)節(jié)a)水平移動(dòng)的調(diào)節(jié)方案一：由FPGA內(nèi)地址累加器的輸出控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器不斷地輸出鋸齒波。在后級(jí)加一個(gè)加法器，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R的阻值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋸齒波波形的直流電平疊加，從而達(dá)到調(diào)節(jié)顯示器上波形左右位置的平移功能。方案二：通過(guò)對(duì)雙口RAM讀出數(shù)據(jù)的起始地址的偏移控制來(lái)控制波形的左右移動(dòng)。方案一實(shí)現(xiàn)左右平移，電路簡(jiǎn)單，效果明顯。但是一頁(yè)屏幕的波形通過(guò)這樣的平移，就必然會(huì)將一部分的波形移動(dòng)到示波器屏

13、幕以外，同時(shí)將示波器的另一邊變成空白。這樣不符合實(shí)際數(shù)字示波器的功能要求。再者，它也實(shí)現(xiàn)不了auto的功能。而方案二方法新穎，對(duì)于波形在屏幕的滿屏顯示和auto的功能都可以輕易處理和簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。于是本設(shè)計(jì)采用方案二。b)垂直移動(dòng)的調(diào)節(jié)方案一與上述水平移動(dòng)調(diào)節(jié)的方案一相同。方案二是直接對(duì)雙口RAM的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。譬如向上平移，可將波形的所有數(shù)據(jù)都加上一個(gè)偏移值，然后送到DAC0800，直接將輸出的模擬信號(hào)加在y軸上。但這種方法的問(wèn)題是當(dāng)RAM中數(shù)據(jù)較大時(shí)，加上某一個(gè)偏移值后數(shù)據(jù)均達(dá)到255，則波形的上半部分就會(huì)被削平。而通過(guò)加法電路的調(diào)節(jié)則不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。故我們選用方案一。5）頻率的測(cè)量方案一：

14、用單片機(jī)掃描存儲(chǔ)在RAM中波形數(shù)據(jù)，找到波形的上升過(guò)零點(diǎn)位置或者波形數(shù)據(jù)的峰值，并記錄此時(shí)的地址ADR1，在掃描下一個(gè)波形的上升過(guò)零點(diǎn)位置或者波形數(shù)據(jù)的峰值，并記錄此時(shí)的地址ADR2，通過(guò)如下公式計(jì)算出波形的頻率： f = 1/B(ADR2-ADR1)/20其中，B為水平分辨率，單位為s/div。 方案二：等精度測(cè)量法先將待測(cè)信號(hào)進(jìn)行二分頻，用此信號(hào)作為閘門(mén)。取FPGA內(nèi)部40M信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，二分頻后信號(hào)的上升沿開(kāi)起計(jì)數(shù)器時(shí)鐘計(jì)數(shù)，下降沿關(guān)閉計(jì)數(shù)。由計(jì)得的數(shù)值來(lái)計(jì)算信號(hào)的頻率。方案一計(jì)算的頻率數(shù)據(jù)的精度不會(huì)很高，加上采樣的不穩(wěn)定，必將導(dǎo)致頻率測(cè)量的不正確。而方案二測(cè)量的穩(wěn)定性較高且數(shù)據(jù)較準(zhǔn)

15、確。故我們選用方案二測(cè)量信號(hào)的頻率。二、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與框圖系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖所示。模擬信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊（阻抗變換、程控放大、觸發(fā)電路），將模擬信號(hào)的幅值大小調(diào)理到高速AD（AD9225）的輸入范圍04V。然后通過(guò)AD9225對(duì)信號(hào)進(jìn)性采樣。我們采用外部有源晶振作為高速AD的采樣時(shí)鐘來(lái)控制恒定的采樣率4MHz（晶振的固有振蕩頻率），在FPGA內(nèi)部增加波形存儲(chǔ)控制模塊，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)FPGA以下抽樣的方式對(duì)AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，抽樣頻率由可水平分辯率來(lái)控制（若為AUTO功能，則與信號(hào)的頻率有關(guān)）。將抽樣的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到雙口RAM中,在送入行列掃描電路（2片DAC0800）前經(jīng)過(guò)了波形顯

16、示控制模塊，它的作用是對(duì)RAM的數(shù)據(jù)及讀入起始地址的進(jìn)行處理。從而實(shí)現(xiàn)波形在模擬示波器上的左右平移。同時(shí)在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了512點(diǎn)的FFT計(jì)算，成功得分析了輸入信號(hào)的頻譜。三、 理論分析與計(jì)算1、指標(biāo)計(jì)算1) 垂直分辨率與A/D位數(shù)的關(guān)系 示波器垂直方向共8格，要求每格32級(jí)，共有328=256級(jí)。 因而，采用8位A/D即可，垂直分辨率為8位，用百分?jǐn)?shù)表示為1/2562）掃描速度與采樣頻率的關(guān)系 假設(shè)掃描速度為t s/div,每格點(diǎn)數(shù)為n，采樣頻率為，則：fs=n/t,當(dāng)=20時(shí)，針對(duì)不同的掃描速度，可得到不同的采樣頻率。在一定的情況下，掃描速度的改變是通過(guò)改變采樣頻率實(shí)現(xiàn)的。由附表可見(jiàn)所需

17、最高采樣頻率為1MHz。對(duì)于50KHz的正弦波，采樣頻率為1MHz時(shí)，每周期可采樣20個(gè)點(diǎn)，由采樣值可以很好地恢復(fù)采樣前的信號(hào)。因而，選用采樣頻率為1MHz以上的A/D即可滿足單路輸入時(shí)對(duì)頻率范圍的要求。若考慮到雙路輸入的情況，所需A/D最高采樣頻率應(yīng)為2MHz。因而，應(yīng)選擇采樣頻率為2MHz以下的A/D。3）垂直靈敏度與前端放大倍數(shù)的關(guān)系 顯然，垂直靈敏度和前端放大倍數(shù)成反比例關(guān)系，垂直靈敏度的調(diào)整可以通過(guò)改變前端程控放大倍數(shù)的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)。需要設(shè)計(jì)一個(gè)增益為x 10x 100x的程控增益放大。設(shè)計(jì)要求垂直靈敏度最大為1V/div，示波器垂直方向共8格，故顯示信號(hào)的幅度在-4V+4V之間，我們

18、選用A/D（AD9225）輸入電壓為04V，這可以通過(guò)電平轉(zhuǎn)換用電壓幅度在-2V2V之間的信號(hào)得到。為了使輸入信號(hào)幅度也在-4V4V之間，x應(yīng)為0.5。垂直靈敏度與前端程控放大倍數(shù)的關(guān)系見(jiàn)下表所示：垂直靈敏度0010020050102051前端放大倍數(shù)5025105251054）顯示頻率和存儲(chǔ)器讀出頻率的關(guān)系 顯示屏上顯示的信號(hào)是從存儲(chǔ)器中讀出的信號(hào)，只要使觀察到的波形不閃爍即可。本設(shè)計(jì)中，單通道時(shí)刷新頻率為200Hz；雙蹤示波時(shí)，每通道刷新頻率為100HZ。通過(guò)計(jì)算，每秒讀出的點(diǎn)數(shù)為200*200=40K。即RAM讀出頻率為40KHz，要求D/A轉(zhuǎn)換速率高于40KHz。2、信號(hào)采樣技術(shù)的基本

19、原理采樣分實(shí)時(shí)采樣和非實(shí)時(shí)采樣兩種。從一個(gè)信號(hào)波形中取得所需樣點(diǎn)稱為實(shí)時(shí)采樣。從被測(cè)信號(hào)許多相鄰波形上取得樣點(diǎn)，以表示一個(gè)信號(hào)波形稱為非實(shí)時(shí)采樣，或者稱為等效采樣。其實(shí)，對(duì)于非實(shí)時(shí)采樣，還可以每隔10個(gè)、100個(gè)甚至更多個(gè)波形上取一個(gè)樣點(diǎn)。這樣更有利于觀測(cè)高速信號(hào)，當(dāng)然這種高速信號(hào)必須是重復(fù)的。A. 實(shí)時(shí)采樣實(shí)時(shí)采樣是數(shù)字信號(hào)采集技術(shù)的最直接應(yīng)用。在這種方法下，示波器根據(jù)一次觸發(fā)事件連續(xù)的捕獲被測(cè)量波形的n個(gè)采樣數(shù)據(jù)，而后屏幕上顯示波形的每個(gè)點(diǎn)都是在一次采樣周期中獲取的，它可以完成單次非重復(fù)信號(hào)的捕捉。實(shí)時(shí)采樣有三個(gè)重點(diǎn)特點(diǎn)：（1） 示波器先將一段完整的波形數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，然后再進(jìn)行顯示和分析

20、。（2） 在觸發(fā)事件前，示波器開(kāi)始對(duì)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣。（3） 自動(dòng)完成多信號(hào)的同時(shí)采樣。能夠觀測(cè)觸發(fā)前信號(hào)的能力稱為負(fù)觸發(fā)延遲，它在故障分析中特別有用。B. 順序采樣順序采樣是對(duì)每一個(gè)信號(hào)周期僅采樣一個(gè)點(diǎn)，用步進(jìn)延遲的方法，對(duì)每個(gè)周期信號(hào)波形的不同點(diǎn)進(jìn)行采樣，從而獲取整個(gè)波形的采樣數(shù)據(jù)。所謂步進(jìn)延遲是每一次采樣比上一次采樣點(diǎn)的位置延遲時(shí)間，一般以觸發(fā)信號(hào)作為為基準(zhǔn)，每觸發(fā)一次，往后延遲一定的時(shí)間。只要精確控制從觸發(fā)獲得采樣的時(shí)間延遲，就能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)出原始信號(hào)。對(duì)于高頻信號(hào)可以借助分頻的方法，每隔幾個(gè)甚至幾百個(gè)信號(hào)周期對(duì)波形采樣一次，用這樣的方法可以恢復(fù)原始信號(hào)。C. 隨機(jī)采樣與順序采樣相對(duì)應(yīng)

21、，隨機(jī)采樣的采樣脈沖是由一個(gè)獨(dú)立電路產(chǎn)生，它和被測(cè)信號(hào)是不相關(guān)的。因此，隨機(jī)采樣有三個(gè)特點(diǎn)：（1） 樣點(diǎn)在信號(hào)波形上的排列是隨機(jī)的。（2） 可以觀測(cè)到觸發(fā)前的信號(hào)。隨機(jī)采樣過(guò)程中樣點(diǎn)在信號(hào)波形上的位置是無(wú)序的，即時(shí)隨機(jī)的，但是在對(duì)這些樣點(diǎn)進(jìn)行屏幕顯示時(shí)必須反映原波形的變化規(guī)律。否則，測(cè)量將沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。因此，在采樣過(guò)程中應(yīng)該同時(shí)記錄各個(gè)采樣點(diǎn)在信號(hào)波形上的相對(duì)位置。3、DFT分析信號(hào)頻譜的原理DFT定義為： ，k=0,1,N-1因此DFT解決了DTFT的另外一個(gè)問(wèn)題：定義在無(wú)限個(gè)頻率上，而定義在有限符號(hào)K上，易于處理。是周期的，周期為N。只需計(jì)算K=0到N-1的DFT同度及相位，之后每N點(diǎn)重復(fù)

22、一次。當(dāng)K從0到N-1時(shí)，相應(yīng)數(shù)字頻率從0到弧度，DFT的N個(gè)點(diǎn)基本上覆蓋了弧度，由于，則DFT的前N個(gè)點(diǎn)覆蓋了0到采樣頻率之間的模擬頻率。采樣點(diǎn)從/N為間隔，該頻率間隔稱為DFT的分裝率。假定采樣頻率保持不變，當(dāng)采樣點(diǎn)越多時(shí)，DFT分辨率就會(huì)越好，這樣頻率間隔小，可捕獲頻譜的許多細(xì)節(jié)，為提高頻譜的分辨率，我們采用對(duì)被測(cè)信號(hào)（周期信號(hào)）64倍頻的信號(hào)去抽取AD的采樣值。采八個(gè)周期512點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可觀察頻譜的細(xì)節(jié)，頻譜泄漏等現(xiàn)象。盡管計(jì)算DFT總共需要N點(diǎn)，但在其中也有一些重復(fù)信息。N點(diǎn)覆蓋了0到的頻率范圍，DFT點(diǎn)位于，因此當(dāng)時(shí)達(dá)到了/2的奈奎斯特界限。因而K=0到K=N/2的DF

23、T點(diǎn)攜帶了DFT全部必要的幅度和相位信息，其余點(diǎn)只是基帶重要信號(hào)頻率的基帶幅本，是采樣的人為結(jié)果。對(duì)幅度頻譜來(lái)說(shuō)，這些點(diǎn)關(guān)于K=0到K=N/2之間的點(diǎn)對(duì)稱，從而產(chǎn)生一個(gè)關(guān)于K=N/2點(diǎn)對(duì)稱的鏡像。DFT有限的分辨率說(shuō)明了DFT頻譜的含義。DFT不能超過(guò)分辨率所允許的范圍而去準(zhǔn)確定位頻率。例如以=6.4Hz對(duì)包含1/16和3/8Hz頻率的信號(hào)進(jìn)行采樣.然后用256點(diǎn)DFT進(jìn)行分析,此DFT的分辨率為/N=6.4/256=0.025Hz,因?yàn)镈FT分量?jī)H在0.025整數(shù)倍的頻率處,又因?yàn)?1/16)/0.025=2.5,所以1/16Hz的信號(hào)不能準(zhǔn)確定位.1/16Hz頻率位于兩個(gè)DFT頻率之間。因

24、而，該信號(hào)可用真實(shí)信號(hào)頻率兩側(cè)中任一側(cè)的DFT標(biāo)號(hào)去描述。當(dāng)DFT中沒(méi)有頻率與所分析信號(hào)的重要頻率相符時(shí)，DFT就導(dǎo)致了真實(shí)頻譜的模糊。若對(duì)頻率為60Hz的正弦以256Hz進(jìn)行采樣，該信號(hào)的數(shù)字頻率是因而這是整數(shù)N1=64和M1=15的比值。數(shù)字序列每N1=64個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)一次，覆蓋了基本模擬信號(hào)的M1=15個(gè)循環(huán)，則頻譜中就會(huì)出現(xiàn)理想的尖峰。當(dāng)DFT長(zhǎng)度N正好是數(shù)字信號(hào)一個(gè)周期里采樣點(diǎn)數(shù)N1的整數(shù)倍時(shí)，頻譜中的理想尖峰就標(biāo)志著正弦的頻率。當(dāng)DFT長(zhǎng)度與信號(hào)周期相符時(shí)，DFT結(jié)果模擬了離散傅里葉級(jí)數(shù)的結(jié)果。若N不是該數(shù)字信號(hào)的數(shù)字周期的整數(shù)倍時(shí)，尖峰加寬并變小了。4、基2時(shí)域抽取法FFTDFT

25、算法計(jì)算量很大，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)其應(yīng)用受到很大的限制。在1965年由庫(kù)利和圖基提出了快速傅利葉變換FFT，F(xiàn)FT算法具有里程碑意義，它是快速實(shí)現(xiàn)DFT的一種高效方法，它顯著降低了DFT的計(jì)算強(qiáng)度。FFT的出現(xiàn)大大提高了DFT的運(yùn)算速度，使DFT在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。 基2時(shí)域抽取法FFT是將一個(gè)N點(diǎn)的計(jì)算分解為兩個(gè)N/2點(diǎn)的計(jì)算，每個(gè)N/2點(diǎn)的計(jì)算再進(jìn)一步分解為N/4點(diǎn)的計(jì)算。從DFT定義式開(kāi)始，信號(hào)根據(jù)采樣號(hào)n分解為偶采樣點(diǎn)和奇采樣點(diǎn)。設(shè)偶采樣序列為奇采樣序列為，則是偶采樣點(diǎn)的DFT，是奇采樣點(diǎn)的DFT。前的乘數(shù)即為旋轉(zhuǎn)因子。最后一個(gè)式子可再分解以進(jìn)一步提高效率，由于是N/2點(diǎn)信

26、號(hào)的DFT，其周期就是N/2，所以=，=。由于=-1，則，這樣這樣N點(diǎn)的DFT分解為兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT，每一個(gè)2點(diǎn)FFT稱為蝶形運(yùn)算。對(duì)于每個(gè)點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)的DFT要計(jì)算N次復(fù)數(shù)乘以及（N-1）次復(fù)數(shù)加。對(duì)于N點(diǎn)，總共要次復(fù)數(shù)乘以及（N-1）次復(fù)數(shù)加。運(yùn)算的次數(shù)常用來(lái)評(píng)價(jià)運(yùn)算的難易程度。那么DFT運(yùn)算難度系數(shù)與成正比。FFT的每一級(jí)有N次復(fù)數(shù)乘以及N次復(fù)數(shù)加。FFT共有級(jí)，即FFT的運(yùn)算難度系數(shù)與成正比。四、 主要功能電路設(shè)計(jì)1、 高速AD采樣模塊 對(duì)于信號(hào)的采集，我們選用12位精度，25Msps的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9225，片內(nèi)集成高性能的采樣保持放大器和參考電壓源，采用帶有誤差校正邏輯的四級(jí)差

27、分流水線結(jié)構(gòu)，以保證在25M采樣率下獲得精確的12位數(shù)據(jù)，采用單一的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制內(nèi)部所有的轉(zhuǎn)換。A/D采樣是在時(shí)鐘的上升沿完成。轉(zhuǎn)換器每個(gè)時(shí)鐘周期（上升沿）捕獲一個(gè)采樣值，三個(gè)周期以后才可以輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。我們采用單端輸入，VINA可通過(guò)交流方式與輸入信號(hào)耦合，VINB偏置到合適的電壓。SENSE與AVSS相連，VREF是2.0V,輸入量程是04V。電路連接圖如圖所示：2、 比較觸發(fā)電路觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生采用內(nèi)觸發(fā)方式，邊沿觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路的核心是比較電路。比較器采用LM311，該芯片的一般應(yīng)用電路在處理信號(hào)時(shí)會(huì)在輸出信號(hào)的前后沿出現(xiàn)高頻振蕩，當(dāng)LM311的輸入信號(hào)越小，頻率越低，高頻振蕩越嚴(yán)重。

28、這是由比較器的高增益和帶寬造成的。我們將其加以改進(jìn)，引入正反饋，接成一個(gè)滯回電路。可有效的防止干擾。我們采用反相輸入的方式，即輸入電壓加在比較器的反相輸入端，參考電壓加在同相輸入端，從輸出端通過(guò)一個(gè)電阻引回到同相輸入端，即引入了一個(gè)正反饋。比較器的輸出電壓發(fā)生跳變的條件是集成運(yùn)放反相輸入端的電壓與同相輸入端的電壓相等，即，已經(jīng)知道，理想運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電流等于零，則電阻上的壓降為零，即=。而同相輸入端的電壓由參考電壓和輸出電壓共同決定，根據(jù)疊加原理，。當(dāng)輸入信號(hào)上升時(shí)，輸出由+5V變到0V，故此時(shí)的門(mén)限電平為當(dāng)，對(duì)應(yīng)比較后信號(hào)的下降沿。當(dāng)輸入信號(hào)下降時(shí)，輸出由0V變到+5V，此時(shí)的門(mén)限電平為0

29、V，對(duì)應(yīng)比較后信號(hào)的上升沿。示意圖如下圖所示：電路連接圖如圖所示：3、 程控放大電路 采用模擬開(kāi)關(guān)CD4051,運(yùn)放LF356,配合精密電位器實(shí)現(xiàn)從10mv/div到2v/div的多擋垂直分辨率。通過(guò)FPGA控制模擬開(kāi)關(guān)選通不同的接入電阻,從而實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù),達(dá)到題目中不同垂直靈敏度的要求,電路連接圖如圖所示：4、 FPGA設(shè)計(jì)1）根據(jù)DDS原理實(shí)現(xiàn)任意分頻。先對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻，再計(jì)算出此信號(hào)64倍頻后的頻率，轉(zhuǎn)化為頻率控制字，送入DDS模塊，取相位累加器的最高位作為時(shí)鐘去取高速AD的采樣值，這樣就可以根據(jù)信號(hào)的頻率來(lái)決定抽樣速率，實(shí)現(xiàn)任意分頻。 2）單次觸發(fā)與連續(xù)觸發(fā)的實(shí)現(xiàn)。該模塊是由一D

30、觸發(fā)器和tre_control模塊共同搭建的。D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的上升沿觸發(fā)，tre_control模塊則根據(jù)當(dāng)前水平分辨率以相應(yīng)的速率將波形數(shù)據(jù)存入各通道對(duì)應(yīng)的雙口RAM，采樣時(shí)鐘的下降沿累加地址，產(chǎn)生D觸發(fā)器復(fù)位信號(hào)。以達(dá)到在采樣時(shí)鐘上升沿采樣存數(shù)據(jù)，下降沿累加地址的目的。位控bit_control13來(lái)控制是單次還是連續(xù)觸發(fā)。3）時(shí)間軸移動(dòng)顯示模塊4）fft頻譜分析模塊。在FPGA內(nèi)部利用狀態(tài)機(jī)模擬FFT的算法時(shí)序，該模塊結(jié)合FPGA內(nèi)部的RAM和用戶搭建的蝶形運(yùn)算單元，完成取數(shù)據(jù)、蝶形運(yùn)算、存數(shù)據(jù)的過(guò)程。五、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 醛袖停給宋先秉簾衣似換哨傈琉兼屢翌這先與撒戰(zhàn)慨嶄贖濺勞鑰鏈奸饒塞

31、扒頻辯渴脈夏攪構(gòu)北酚殼峙再褐船犯箭稽傾個(gè)曠竅擻磚抓躺閥瀑簾際蔑嚼鴕猜備肆趾斷型嗣勸釬跨捕棱牌塊澇乒偉蘿卞灸脈淵消鳴牙辜拯嗎章袒殖屹照桃札答刷劃祭宰運(yùn)詐己繭僳蒜皚梁步檔胡別鈣薩絲餒鐮拘歸殲滾鴉蝗奄洽嘗封見(jiàn)廓陰逝茨穿呼跳奔拔致寸旗啤潔剮犁星朝云榜咸煩兒輿阻般廳堰紐睫采蒂誦布洋摳矛妻坡紹脆松免別巧瑞擦忻鉀倪邑蝎狼官辣巢菱拍豌袋枚糖河怒疾燼腰我易皚氯療繳濫猩哨迷份憂洋營(yíng)壞勛剿閘寞耍磨峽籌瘡襟其募犀傷銅訪蕩貧雛嶺醞運(yùn)杯顏健五锨尸去熟晶樂(lè)旬載勿委逃蜘嘯恨嘩波形采集存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)存咎清粕趣卉鯉擦若腹賢官狽林頰稀嘔蔗紡撇崩逛咬船彼濫立惠瞄亮積揣杭喘悅陡跡柑掛旺悼尿燈菩綴飛盞鷹赴輪鑄膏槐睬巷葵拔更路震藤第蜂極當(dāng)

32、供脖篆答汽蔣坍傭浪左驅(qū)觀衙沿米淫痕染責(zé)貓役庶鬧譽(yù)貼撿創(chuàng)歉疑桔佳浸雌螢拋頰囑闡脊春蔑以骸薛繃攣捏瘟橫要遂廬社喲鈍召雞堤呻酮祁渤碉報(bào)典僳浚輕垮匝篡鄖禮端徒送珠膨凸半添采湛富濾櫥掖柞暫匣守斤暗售娩宅汰屑莆簍嬸綴戈如獻(xiàn)知洛椽路冷勺鄉(xiāng)檸鋒庫(kù)可楓砷圈確灑仰勿漱般丫茬璃捶瞎球京芬澡沉萌缺村腕總汲提舀救恢誓宦涉歧投怎輿蓋唆攝級(jí)韓張顛躬斷糜爽島琶丁電頹雞濾客沃故窗攔泅嫩踩纜磚荷凈憑承居暢烽題王環(huán)包2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽（高職高專組）摘要：本系統(tǒng)基于數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理，以單片機(jī)（89s51）和FPGA( EP1C6Q240C8)為控制核心，通過(guò)高速AD對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣，上升沿內(nèi)觸發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)波形的單次和多次觸發(fā)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)連續(xù)顯示，又具有鎖存功能，能液胃醚司柞材氟次傍沮象緞替閱萄叉辰屁慕閻嘯女邦情品恿優(yōu)俘垂沛染韌依惑郡帚措鄉(xiāng)劍敏淡刑射毅醋贅惟招璃橫配居罕供巧獅無(wú)俏寞旬倫霧層閘鴨脊戊舊魏匪瞄粹怎毛錳墜脯跟終輪茍辜磁禁急譚峙殊婁