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數(shù)字示波器在高頻信號(hào)采集中的應(yīng)用
| 數(shù)字示波器在高頻信號(hào)采集中的應(yīng)用 |
| 李繼宇,，董浩斌，湯 峰 （1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 湖北 武漢 430074；2．華南理工大學(xué) 廣東 廣州 510641） |
| 1 高頻信號(hào)的采集 當(dāng)要對(duì)一個(gè)高頻信號(hào)（比如高達(dá)100MHz的雷達(dá)波形）進(jìn)行采集和處理的時(shí)候,。通常會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)高速或者超高速硬件采集電路,，包括放大部分,、濾波部分,；A／D和D／A轉(zhuǎn)換部分等，這種電路的要求非常高,，要求邊采集邊存儲(chǔ),，電路速度高，而且要考慮各種輻射干擾等,，同時(shí),，目前市場(chǎng)上成品價(jià)格很難承受。并且根據(jù)采樣定理,，一個(gè)zui高頻率為／的連續(xù)信號(hào),，*可以用時(shí)間上相隔了＝1／2f的一系列離散采樣值來(lái)表示。所以采樣頻率F應(yīng)等于或大于被采樣信號(hào)的zui高頻率f的2倍,，即F≥2f,。考慮到實(shí)際恢復(fù)波形的低通濾波器不可能具有*理想的特性,，為了正確恢復(fù)信號(hào)，通常取9＝（2．5-5）f或更高,。當(dāng)采樣的信號(hào)高達(dá)100MHz時(shí),，就應(yīng)該達(dá)到500MHz的采樣率。 2 示波器與計(jì)算機(jī)的通信 Tektronix公司的TDS系列數(shù)字實(shí)時(shí)示波器早已經(jīng)在各處得到廣泛應(yīng)用,，并且其配套的擴(kuò)展模塊TDS2CM和TDS2MM模塊具有與外部設(shè)備雙向通訊的功能,，可直接與打印機(jī),、微機(jī)連接，使波形的存儲(chǔ)打印等工作變得十分方便,。其中TDS220數(shù)字示波器擁有100MHZ的帶寬,，以10 倍的掃描方式，達(dá)到1GS/s的采樣率,。當(dāng)配套的TDS2CM模塊采用RS232電纜用串口通信與計(jì)算機(jī)連接后,，利用相應(yīng)軟件（如Matlab等）可以對(duì)示波器的數(shù)據(jù)、波形直接進(jìn)行讀取,、處理,。 因此可以采用數(shù)字示波器與PC機(jī)間的通訊，在數(shù)字信號(hào)處理方面,，此時(shí)數(shù)字示波器相當(dāng)于一個(gè)高速信號(hào)采集器,，他把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，配合Matlab,，能實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的采集與處理,，而且與一般意義上的硬件處理器相比沒(méi)有了A/D和D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程，是處理的精度和速度都有了明顯的提高,，而且價(jià)格上示波器配套模塊TDSCM2模塊也比相應(yīng)功能的硬件處理器便宜不少,。 3 優(yōu)缺點(diǎn) 數(shù)字示波器與PC機(jī)的通訊不僅具有一般臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能，而且充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的功能和軟件設(shè)計(jì)的靈活性,，他具有4個(gè)顯著特征： （1）采用編程語(yǔ)言Matlab和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù),，軟件開(kāi)發(fā)效率高，可操作性和可維護(hù)性好,； （2）為數(shù)字存儲(chǔ)示波器增加了頻域分析功能,； （3）充分利用了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)與外設(shè)連接的能力，測(cè)量結(jié)果和波形可直接打印輸出或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享,； （4）在相同硬件條件下,，可以通過(guò)修改或增加軟件模塊，形成新的儀器功能,。 由于要用到示波器,，計(jì)算機(jī)以及RS232的連接，沒(méi)有單個(gè)硬件電路簡(jiǎn)單明了,，是其不足之處,。 4 應(yīng)用情況 4．1 通信原理 Matlab是美國(guó)Math Works公司推出的一種以矩陣為基本編程單位的數(shù)值計(jì)算語(yǔ)言，是一個(gè)集科學(xué)計(jì)算,、圖像處理,、聲音處理于一體的高度集成系統(tǒng)。他具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，其中的Instrument Control Toolbox提供對(duì)GPIB,，RS-232,，VXI，Centronics等端口進(jìn)行控制的功能,。當(dāng)用Matlab軟件通過(guò)RS232與TDS2CM模塊串口連接可以實(shí)現(xiàn)示波器與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊,，同時(shí)利用Matlab數(shù)值處理、矩陣運(yùn)算功能對(duì)示波器記錄的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和處理,。 Matlab通過(guò)調(diào)用M文件函數(shù)來(lái)創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象,，得到設(shè)備的文件句柄，這樣可以像操作文件一樣操作設(shè)備,，對(duì)外設(shè)進(jìn)行相關(guān)的讀寫,。原理圖如圖1所示。 |
| 當(dāng)直接通過(guò)RS232進(jìn)行硬件通信控制時(shí),，示波器通過(guò)DCD（載波檢測(cè)）,，CTS（清除發(fā)送），RI（振鈴提示）3個(gè)控制信號(hào)表示當(dāng)前狀態(tài),，用RTS（請(qǐng)求發(fā)送）發(fā)送數(shù)據(jù),。 4．2 數(shù)據(jù)傳榆 當(dāng)Matlab以二進(jìn)制格式對(duì)示波器的波形進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，讀寫數(shù)據(jù)與示波器實(shí)際數(shù)據(jù)換算由式（1）給出： Xn=Xzero+Xiner·n Yn=yzero+Ymult（Yn－Yoff） （1） 其中：Yn為輸入,、輸出緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù),， n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)： Xn，Yn為示波器中實(shí)際采樣時(shí)間與信號(hào)幅值,， Xzero是所采集波形*個(gè)點(diǎn)的時(shí)間,， Xiner是水平軸上的采樣率， yzero是0dB時(shí)的幅值,， Ymul是垂直軸上的比例因子,； Yoff是垂直偏移量。 由式（1）可見(jiàn),，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)*按照示波器的采樣率,，波形真實(shí)可靠。 程序流程圖如圖2所示,。 |
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