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          數(shù)字示波器在高頻信號采集中的應(yīng)用

          2009年05月16日 16:03:54人氣:944來源:煙臺勾股通信技術(shù)有限公司

           

              1 高頻信號的采集

              當(dāng)要對一個高頻信號(比如高達(dá)100MHz的雷達(dá)波形)進(jìn)行采集和處理的時候。通常會設(shè)計一個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,電路速度高,而且要考慮各種輻射干擾等,同時,目前市場上成品價格很難承受。并且根據(jù)采樣定理,一個zui高頻率為/的連續(xù)信號,*可以用時間上相隔了=1/2f的一系列離散采樣值來表示。所以采樣頻率F應(yīng)等于或大于被采樣信號的zui高頻率f的2倍,即F≥2f。考慮到實際恢復(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,通常取9=(2.5-5)f或更高。當(dāng)采樣的信號高達(dá)100MHz時,就應(yīng)該達(dá)到500MHz的采樣率。

              2 示波器與計算機(jī)的通信

              Tektronix公司的TDS系列數(shù)字實時示波器早已經(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算機(jī)連接后,利用相應(yīng)軟件(如Matlab等)可以對示波器的數(shù)據(jù)、波形直接進(jìn)行讀取、處理。

              3 優(yōu)缺點

              數(shù)字示波器與PC機(jī)的通訊不僅具有一般臺式數(shù)字存儲示波器的功能,而且充分發(fā)揮了計算機(jī)強(qiáng)大的功能和軟件設(shè)計的靈活性,他具有4個顯著特征:

              (1)采用編程語言Matlab和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù),軟件開發(fā)效率高,可操作性和可維護(hù)性好;

              (2)為數(shù)字存儲示波器增加了頻域分析功能;

              (3)充分利用了計算機(jī)的存儲與外設(shè)連接的能力,測量結(jié)果和波形可直接打印輸出或通過網(wǎng)絡(luò)共享;


              (4)在相同硬件條件下,可以通過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,計算機(jī)以及RS232的連接,沒有單個硬件電路簡單明了,是其不足之處。

              4 應(yīng)用情況

              4.1 通信原理Matlab是美國Math Works公司推出的一種以矩陣為基本編程單位的數(shù)值計算語言,是一個集科學(xué)計算、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)值計算功能,其中的Instrument Control Toolbox提供對GPIB,RS-232,VXI,Centronics等端口進(jìn)行控制的功能。當(dāng)用Matlab軟件通過RS232與TDS2CM模塊串口連接可以實現(xiàn)示波器與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊,同時利用Matlab數(shù)值處理、矩陣運算功能對示波器記錄的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和處理。
          Matlab通過調(diào)用M文件函數(shù)來創(chuàng)建設(shè)備對象,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RS232進(jìn)行硬件通信控制時,示波器通過DCD(載波檢測),CTS(清除發(fā)送),RI(振鈴提示)3個控制信號表示當(dāng)前狀態(tài),用RTS(請求發(fā)送)發(fā)送數(shù)據(jù)。

              4.2 數(shù)據(jù)傳榆當(dāng)Matlab以二進(jìn)制格式對示波器的波形進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫時,讀寫數(shù)據(jù)與示波器實際數(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)個數(shù):
          Xn,Yn為示波器中實際采樣時間與信號幅值,
          Xzero是所采集波形*個點的時間,
          Xiner是水平軸上的采樣率,
          yzero是0dB時的幅值,
          Ymul是垂直軸上的比例因子;
          Yoff是垂直偏移量。
          由式(1)可見,所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)*按照示波器的采樣率,波形真實可靠。
          程序流程圖如圖2所示。

              對示波器的命令由fprintf函數(shù)以字符串的形式輸出。
              設(shè)置和詢問命令由具體的示波器廠商定義。
              從示波器讀取數(shù)據(jù)的部分程序如下:
           

           

          g=serial(′coml′);
          g.InputBufferSize=10000;
          g.timeout=10;
          g.BaudRate=9600;
          g.Parity='none';
          g.StopBits=1;
          g.Terminator='LF'
          g.FlowControl='hardware';
          fopen(g);
          fprintf(g,'select:chl on′);
          fprintf(g,'data:source chl′);
          fprintf(g,'data:encdg srib′);
          fprintf(g,'data:start l′);
          fprintf(g,'data:stop 2500′);
          fprintf(g,'data:width 2′);
          fprintf(g,'wfmpre:xzero? ′);
          xzero=fscanf(g,'%f′);
          fprintf(g,'curve? ′);
          out=fread(g,2500,'intl6′);
          fclose(g);
          delete(g);
          freeserial('coml′);用上述程序?qū)?00MHz雷達(dá)波形的讀取如圖3所示。

              4.3 數(shù)據(jù)分析處理與實例從示波器讀取的數(shù)據(jù)按式(1)轉(zhuǎn)換后就是實現(xiàn)測量所得的波形數(shù)據(jù)值,并且可以在計算機(jī)中做相應(yīng)的頻譜分析。

              5 結(jié) 語在現(xiàn)有的實驗條件下,利用數(shù)字示波器與計算機(jī)之間的通信對高頻信號進(jìn)行采集與處理,能*一般意義上的信號采集工作,可以成為實驗室物美價廉的實驗工具。

          因此可以采用數(shù)字示波器與PC機(jī)間的通訊,在數(shù)字信號處理方面,此時數(shù)字示波器相當(dāng)于一個高速信號采集器,他把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中,配合Matlab,能實現(xiàn)對高頻信號的采集與處理,而且與一般意義上的硬件處理器相比沒有了A/D和D/A轉(zhuǎn)換過程,是處理的精度和速度都有了明顯的提高,而且價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。
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