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Technical articles
更新時間：2009-03-27
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| 數字示波器在高頻信號采集中的應用 |
| 李繼宇，董浩斌，湯 峰 （1．中國地質大學 湖北 武漢 430074；2．華南理工大學 廣東 廣州 510641） |
| 1 高頻信號的采集 當要對一個高頻信號（比如高達100MHz的雷達波形）進行采集和處理的時候。通常會設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。并且根據采樣定理，一個zui高頻率為／的連續信號，*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。考慮到實際恢復波形的低通濾波器不可能具有*理想的特性，為了正確恢復信號，通常取9＝（2．5-5）f或更高。當采樣的信號高達100MHz時，就應該達到500MHz的采樣率。 2 示波器與計算機的通信 Tektronix公司的TDS系列數字實時示波器早已經在各處得到廣泛應用，并且其配套的擴展模塊TDS2CM和TDS2MM模塊具有與外部設備雙向通訊的功能，可直接與打印機、微機連接，使波形的存儲打印等工作變得十分方便。其中TDS220數字示波器擁有100MHZ的帶寬，以10 倍的掃描方式，達到1GS/s的采樣率。當配套的TDS2CM模塊采用RS232電纜用串口通信與計算機連接后，利用相應軟件（如Matlab等）可以對示波器的數據、波形直接進行讀取、處理。 因此可以采用數字示波器與PC機間的通訊，在數字信號處理方面，此時數字示波器相當于一個高速信號采集器，他把數據傳輸到計算機中，配合Matlab，能實現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模塊也比相應功能的硬件處理器便宜不少。 3 優缺點 數字示波器與PC機的通訊不僅具有一般臺式數字存儲示波器的功能，而且充分發揮了計算機強大的功能和軟件設計的靈活性，他具有4個顯著特征： （1）采用編程語言Matlab和面向對象編程技術，軟件開發效率高，可操作性和可維護性好； （2）為數字存儲示波器增加了頻域分析功能； （3）充分利用了計算機的存儲與外設連接的能力，測量結果和波形可直接打印輸出或通過網絡共享； （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值計算語言，是一個集科學計算、圖像處理、聲音處理于一體的高度集成系統。他具有強大的數值計算功能，其中的Instrument Control Toolbox提供對GPIB，RS-232，VXI，Centronics等端口進行控制的功能。當用Matlab軟件通過RS232與TDS2CM模塊串口連接可以實現示波器與計算機之間的數據通訊，同時利用Matlab數值處理、矩陣運算功能對示波器記錄的波形數據進行各種分析和處理。 Matlab通過調用M文件函數來創建設備對象，得到設備的文件句柄，這樣可以像操作文件一樣操作設備，對外設進行相關的讀寫。原理圖如圖1所示。 |
| 當直接通過RS232進行硬件通信控制時，示波器通過DCD（載波檢測），CTS（清除發送），RI（振鈴提示）3個控制信號表示當前狀態，用RTS（請求發送）發送數據。 4．2 數據傳榆 當Matlab以二進制格式對示波器的波形進行數據讀寫時，讀寫數據與示波器實際數據換算由式（1）給出： Xn=Xzero+Xiner·n Yn=yzero+Ymult（Yn－Yoff） （1） 其中：Yn為輸入、輸出緩沖區中的數據， n為數據個數： 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，所傳輸的數據*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。 |
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