波形采集存儲與回放系統(tǒng)

1、2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽（高職高專組）摘要：本系統(tǒng)基于數(shù)字存儲示波器的原理，以單片機(jī)（89s51）和FPGA(EP1C6Q240C8)為控制核心，通過高速AD對信號的實(shí)時采樣，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)存儲和實(shí)時連續(xù)顯示，又具有鎖存功能，能通過操作“移動”鍵顯示被存儲波形的任一部分。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，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。整個系統(tǒng)操作簡便，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)分析 題目的要求是將待測信號進(jìn)行數(shù)字存儲，并通過普

2、通示波器將被測信號顯示出來。由于等測信號為模擬信號，存儲過程為數(shù)字方式，故應(yīng)該將模擬信號進(jìn)行量化處理，然后存儲到存儲器中，當(dāng)需要顯示的時候，從存儲器讀出數(shù)據(jù)并恢復(fù)為模擬信號，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，采有X-Y方式觀察信號的波形。因此，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是模擬信號的處理與采樣、數(shù)字信號的存儲、普通示波器的顯示控制、系統(tǒng)的控制4個方面。2、 方案的比較與分析1）采樣方式方案一：實(shí)時采樣。實(shí)時采樣是在信號存在期間對其采樣。根據(jù)采樣定理，采用速率必須高于信號最高頻率分量的兩倍。對于周期的正弦信號，一個周期內(nèi)應(yīng)該大于兩個采樣點(diǎn)。為了不失真的恢復(fù)原被測信號，通常一個周期內(nèi)就需要采樣

3、八個點(diǎn)以上。方案二：等效時間采樣法。采用中高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對于頻率較高的周期性信號采用等效時間采樣的方法，即對每個周期僅采樣一個點(diǎn)，經(jīng)過若干個周期后就可對信號各個部分采樣一遍。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時間。只要精確控制從觸發(fā)獲得采樣的時間延遲，就能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)出原始信號。等效時間采樣雖然可以對很高頻率的信號進(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，而且對單次觸發(fā)采樣無能為力。實(shí)時采樣可以實(shí)現(xiàn)整個頻段的全速采樣，因此本設(shè)計(jì)采用方案一。2）雙蹤顯示方式方案一：每個通道都有一套獨(dú)立的

4、ADC和存儲器，雙蹤顯示時，只需輪流選擇不同通道的波形數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)兩路波形的同時顯示。方案二：只使用一片ADC，一片存儲器和一片DAC，在采樣的時候，用存儲器地址的最低位控制模擬開關(guān)。通過切換兩路模擬信號，將采集到的數(shù)據(jù)分別存儲到存儲器的奇地址和偶地址上，雙蹤顯示時通過掃描存儲器中的數(shù)據(jù)即可將兩路波形同時顯示出來。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，則需將被測信號本身或者與被測信號有一定時間關(guān)系的觸發(fā)信號加到觸發(fā)電路。觸發(fā)源選擇確定觸發(fā)信號由何處供給。通常有三種觸發(fā)源：內(nèi)觸發(fā)(INT)、電源觸發(fā)(LINE)、外觸發(fā)EXT)。題目要求選擇內(nèi)觸

5、發(fā)，即使用被測信號作為觸發(fā)信號。方案一：采用數(shù)字觸發(fā)方式。對波形信號進(jìn)行采集，將采集到的波形數(shù)據(jù)和觸發(fā)電平（可由鍵盤設(shè)置）進(jìn)行比較，找到波形在上升過程中大于或等于該觸發(fā)電平的點(diǎn)，即得到觸發(fā)，此時開始對波形進(jìn)行存儲。因?yàn)楸緛砭托枰獙Σㄐ涡盘栠M(jìn)行采集，使用這種方法無需要增加額外的硬件電路，實(shí)現(xiàn)方便。但是，對波形每個周期只采集有限個點(diǎn)，不可能每次都能采集到等于觸發(fā)電平的點(diǎn)（這時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)時輸出波形會有抖動現(xiàn)象。方案二：采用模擬觸發(fā)方式。通過比較器LM311將被測波形信號和觸發(fā)電平進(jìn)行比較，大于觸發(fā)電平時輸出為高電平，小于觸發(fā)電平時則輸出低電平，

6、即可得到信號被整形后的脈沖序列，再在該脈沖序列的上升沿開始存儲波形即實(shí)現(xiàn)了觸發(fā)存儲的功能。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。在后級加一個加法器，調(diào)節(jié)滑動變阻器R的阻值，可以實(shí)現(xiàn)對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：通過對雙口RAM讀出數(shù)據(jù)的起始地址的偏移控制來控制波形的左右移動。方案一實(shí)現(xiàn)左右平移，電路簡單，效果明顯。但是一頁屏幕的波形通過這樣的平移，就必然會將一部分的波形移動到示波器屏幕以外，同時將示波器的另一邊變成空白。這樣不符合實(shí)際

7、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單實(shí)現(xiàn)。于是本設(shè)計(jì)采用方案二。b)垂直移動的調(diào)節(jié)方案一與上述水平移動調(diào)節(jié)的方案一相同。方案二是直接對雙口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)都加上一個偏移值，然后送到DAC0800，直接將輸出的模擬信號加在y軸上。但這種方法的問題是當(dāng)RAM中數(shù)據(jù)較大時，加上某一個偏移值后數(shù)據(jù)均達(dá)到255，則波形的上半部分就會被削平。而通過加法電路的調(diào)節(jié)則不會出現(xiàn)這個問題。故我們選用方案一。5）頻率的測量方案一：用單片機(jī)掃描存儲在RAM中波形數(shù)據(jù)，找到波形的上升過

8、零點(diǎn)位置或者波形數(shù)據(jù)的峰值，并記錄此時的地址ADR1，在掃描下一個波形的上升過零點(diǎn)位置或者波形數(shù)據(jù)的峰值，并記錄此時的地址ADR2，通過如下公式計(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：等精度測量法先將待測信號進(jìn)行二分頻，用此信號作為閘門。取FPGA內(nèi)部40M信號作為基準(zhǔn)信號，二分頻后信號的上升沿開起計(jì)數(shù)器時鐘計(jì)數(shù)，下降沿關(guān)閉計(jì)數(shù)。由計(jì)得的數(shù)值來計(jì)算信號的頻率。方案一計(jì)算的頻率數(shù)據(jù)的精度不會很高，加上采樣的不穩(wěn)定，必將導(dǎo)致頻率測量的不正確。而方案二測量的穩(wěn)定性較高且數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確。故我們選用方案二測量信號的頻率。二、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與框

9、圖系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖所示。模擬信號通過信號調(diào)理模塊（阻抗變換、程控放大、觸發(fā)電路），將模擬信號的幅值大小調(diào)理到高速AD（AD9225）的輸入范圍04V。然后通過AD9225對信號進(jìn)性采樣。我們采用外部有源晶振作為高速AD的采樣時鐘來控制恒定的采樣率4MHz（晶振的固有振蕩頻率），在FPGA內(nèi)部增加波形存儲控制模塊，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時FPGA以下抽樣的方式對AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，抽樣頻率由可水平分辯率來控制（若為AUTO功能，則與信號的頻率有關(guān)）。將抽樣的數(shù)據(jù)分別存儲到雙口RAM中,在送入行列掃描電路（2片DAC0800）前經(jīng)過了波形顯示控制模塊，它的作用是對RAM的數(shù)據(jù)及讀入起始地址的進(jìn)

10、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，共有328=256級。 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，針對不同的掃描速度，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改變采樣頻率實(shí)現(xiàn)的。由附表可見所需最高采樣頻率為1MHz。對于50KHz的正弦波，采樣頻

11、率為1MHz時，每周期可采樣20個點(diǎn)，由采樣值可以很好地恢復(fù)采樣前的信號。因而，選用采樣頻率為1MHz以上的A/D即可滿足單路輸入時對頻率范圍的要求。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)整可以通過改變前端程控放大倍數(shù)的增益來實(shí)現(xiàn)。需要設(shè)計(jì)一個增益為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，故顯示信號的幅度在-4V+4V之間，我們選用A/D（AD9225）輸入電壓為04V，這可以通過

12、電平轉(zhuǎn)換用電壓幅度在-2V2V之間的信號得到。為了使輸入信號幅度也在-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）顯示頻率和存儲器讀出頻率的關(guān)系 顯示屏上顯示的信號是從存儲器中讀出的信號，只要使觀察到的波形不閃爍即可。本設(shè)計(jì)中，單通道時刷新頻率為200Hz；雙蹤示波時，每通道刷新頻率為100HZ。通過計(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、信號采樣技術(shù)的基本原理采樣分實(shí)時采樣和非實(shí)時采樣兩種。從一個信號波形中取

13、得所需樣點(diǎn)稱為實(shí)時采樣。從被測信號許多相鄰波形上取得樣點(diǎn)，以表示一個信號波形稱為非實(shí)時采樣，或者稱為等效采樣。其實(shí)，對于非實(shí)時采樣，還可以每隔10個、100個甚至更多個波形上取一個樣點(diǎn)。這樣更有利于觀測高速信號，當(dāng)然這種高速信號必須是重復(fù)的。A. 實(shí)時采樣實(shí)時采樣是數(shù)字信號采集技術(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)的捕獲被測量波形的n個采樣數(shù)據(jù)，而后屏幕上顯示波形的每個點(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)信號的捕捉。實(shí)時采樣有三個重點(diǎn)特點(diǎn)：（1） 示波器先將一段完整的波形數(shù)據(jù)存入存儲器，然后再進(jìn)行顯示和分析。（2） 在觸發(fā)事件前，示波器開始對信號進(jìn)行連續(xù)采樣。

14、（3） 自動完成多信號的同時采樣。能夠觀測觸發(fā)前信號的能力稱為負(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每一個信號周期僅采樣一個點(diǎn)，用步進(jìn)延遲的方法，對每個周期信號波形的不同點(diǎn)進(jìn)行采樣，從而獲取整個波形的采樣數(shù)據(jù)。所謂步進(jìn)延遲是每一次采樣比上一次采樣點(diǎn)的位置延遲時間，一般以觸發(fā)信號作為為基準(zhǔn)，每觸發(fā)一次，往后延遲一定的時間。只要精確控制從觸發(fā)獲得采樣的時間延遲，就能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)出原始信號。對于高頻信號可以借助分頻的方法，每隔幾個甚至幾百個信號周期對波形采樣一次，用這樣的方法可以恢復(fù)原始信號。C. 隨機(jī)采樣與順序采樣相對應(yīng)，隨機(jī)采樣的采樣脈沖是由一個獨(dú)立電路產(chǎn)生，它和被測信號

15、是不相關(guān)的。因此，隨機(jī)采樣有三個特點(diǎn)：（1） 樣點(diǎn)在信號波形上的排列是隨機(jī)的。（2） 可以觀測到觸發(fā)前的信號。隨機(jī)采樣過程中樣點(diǎn)在信號波形上的位置是無序的，即時隨機(jī)的，但是在對這些樣點(diǎn)進(jìn)行屏幕顯示時必須反映原波形的變化規(guī)律。否則，測量將沒有實(shí)用價值。因此，在采樣過程中應(yīng)該同時記錄各個采樣點(diǎn)在信號波形上的相對位置。3、DFT分析信號頻譜的原理DFT定義為： ，k=0,1,N-1因此DFT解決了DTFT的另外一個問題：定義在無限個頻率上，而定義在有限符號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)一次。當(dāng)K從0到N-1時，相應(yīng)數(shù)字頻率從0到弧度，DF

16、T的N個點(diǎn)基本上覆蓋了弧度，由于，則DFT的前N個點(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，DFT分辨率就會越好，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，我們采用對被測信號（周期信號）64倍頻的信號去抽取AD的采樣值。采八個周期512點(diǎn)對信號進(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)時達(dá)到了/2的奈奎斯特界限。因而K=0到K=N/2的DFT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

17、帶重要信號頻率的基帶幅本，是采樣的人為結(jié)果。對幅度頻譜來說，這些點(diǎn)關(guān)于K=0到K=N/2之間的點(diǎn)對稱，從而產(chǎn)生一個關(guān)于K=N/2點(diǎn)對稱的鏡像。DFT有限的分辨率說明了DFT頻譜的含義。DFT不能超過分辨率所允許的范圍而去準(zhǔn)確定位頻率。例如以=6.4Hz對包含1/16和3/8Hz頻率的信號進(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分量僅在0.025整數(shù)倍的頻率處,又因?yàn)?1/16)/0.025=2.5,所以1/16Hz的信號不能準(zhǔn)確定位.1/16Hz頻率位于兩個DFT頻率之間。因而，該信號可用真實(shí)信號頻率兩側(cè)中任一側(cè)的DFT標(biāo)號去描

18、述。當(dāng)DFT中沒有頻率與所分析信號的重要頻率相符時，DFT就導(dǎo)致了真實(shí)頻譜的模糊。若對頻率為60Hz的正弦以256Hz進(jìn)行采樣，該信號的數(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個采樣點(diǎn)重復(fù)一次，覆蓋了基本模擬信號的M1=15個循環(huán)，則頻譜中就會出現(xiàn)理想的尖峰。當(dāng)DFT長度N正好是數(shù)字信號一個周期里采樣點(diǎn)數(shù)N1的整數(shù)倍時，頻譜中的理想尖峰就標(biāo)志著正弦的頻率。當(dāng)DFT長度與信號周期相符時，DFT結(jié)果模擬了離散傅里葉級數(shù)的結(jié)果。若N不是該數(shù)字信號的數(shù)字周期的整數(shù)倍時，尖峰加寬并變小了。4、基2時域抽取法FFTDFT算法計(jì)算量很大，所以在很長一段時間內(nèi)其應(yīng)用受到很大的限

19、制。在1965年由庫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?；?時域抽取法FFT是將一個N點(diǎn)的計(jì)算分解為兩個N/2點(diǎn)的計(jì)算，每個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定義式開始，信號根據(jù)采樣號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。最后一個式子可再分解以進(jìn)一步提高效率，由于是N/2點(diǎn)信號的DFT，其周期就是N/2，所以=，=。由于=-1，則

20、，這樣這樣N點(diǎn)的DFT分解為兩個N/2點(diǎn)的DFT，每一個2點(diǎn)FFT稱為蝶形運(yùn)算。對于每個點(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)常用來評價運(yùn)算的難易程度。那么DFT運(yùn)算難度系數(shù)與成正比。FFT的每一級有N次復(fù)數(shù)乘以及N次復(fù)數(shù)加。FFT共有級，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采樣模塊對于信號的采集，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差分流水線結(jié)構(gòu)，以保證在25M采樣率下獲得精確的12位數(shù)據(jù)，

21、采用單一的時鐘信號來控制內(nèi)部所有的轉(zhuǎn)換。A/D采樣是在時鐘的上升沿完成。轉(zhuǎn)換器每個時鐘周期（上升沿）捕獲一個采樣值，三個周期以后才可以輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。我們采用單端輸入，VINA可通過交流方式與輸入信號耦合，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)信號的產(chǎn)生采用內(nèi)觸發(fā)方式，邊沿觸發(fā)信號產(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)用電路在處理信號時會在輸出信號的前后沿出現(xiàn)高頻振蕩，當(dāng)LM311的輸入信號越小，頻率越低，高頻振蕩越嚴(yán)重。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，接成一個滯回電路?？捎行У姆乐垢蓴_。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，從輸出端通過一個電阻引回到同相輸入端，即引入了一個正反饋。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