電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文明浩申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置指導(dǎo)教師：王厚軍20090501摘要摘 要數(shù)據(jù)采集作為數(shù)字信號(hào)處理必不可少的前期工作，在整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)中起到關(guān)鍵性、乃至決定性的作用，其應(yīng)用已經(jīng)深入到數(shù)字信號(hào)處理的各個(gè)領(lǐng)域中。本項(xiàng)目研制最高采樣率1據(jù)采集卡，其充分利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大性能，提高了儀器的數(shù)據(jù)處理和顯示性能，同時(shí)降低了儀器成本。本文探討了數(shù)據(jù)采集卡的基本工作原理和硬件結(jié)構(gòu)，以及它在測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，研究了數(shù)據(jù)采集卡的硬件電路和時(shí)也給出了系統(tǒng)的測(cè)試方法和結(jié)果。本設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(件，實(shí)現(xiàn)高速采樣數(shù)據(jù)的接收以及深度的存儲(chǔ)控制和觸發(fā)功能。在高速采樣數(shù)據(jù)接收的設(shè)計(jì)中，使用采樣時(shí)鐘上，可以用板上時(shí)鐘和外時(shí)鐘采樣。在觸發(fā)方面實(shí)現(xiàn)了通道觸發(fā)、外觸發(fā)以及速數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、使用外時(shí)鐘采樣及窗口、究測(cè)試表明，該數(shù)據(jù)采集模塊具有高速數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能，滿足高速信號(hào)傳輸?shù)囊?。它和零槽控制器配合工作，滿足了用戶高速信號(hào)采集和處理的要求。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集卡，高速數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，觸發(fā)，is ue to in it 1 s，of of of in nd it he to XI of in of n of be to n of XI he of of XI n of XI XI nd XI XI o an of 我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他入已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。簽名： 日期： 年 月 日關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。(保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定)簽名： 導(dǎo)師簽名：日期： 年 月 日第一章緒論11儀表技術(shù)的發(fā)展概況第一章 緒論任何測(cè)量與控制系統(tǒng)都包含一定的檢測(cè)技術(shù)及相應(yīng)的儀表單元，儀表單元是測(cè)量與控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在儀表技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了一場(chǎng)革命，出現(xiàn)了“計(jì)算機(jī)就是儀器”的提法。通用的個(gè)人計(jì)算機(jī)代替了各臺(tái)智能儀器中的嵌入式計(jì)算機(jī)及其鍵盤(pán)、顯示器等人機(jī)接口，由插入個(gè)人計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽或儀器擴(kuò)展箱中的插卡或模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器功能，這些儀器插卡或模塊通過(guò)樣的儀器叫做種個(gè)人儀器充分利用了對(duì)于傳統(tǒng)儀器，大幅度降低了系統(tǒng)成本，縮短了研制周期。但這種個(gè)人儀器的缺點(diǎn)是箱內(nèi)干擾比較嚴(yán)重，此外電源功率和散熱指標(biāo)也難以滿足大電力負(fù)荷儀器的要求。1 987年7月，I(線的技術(shù)規(guī)范。1992年155。1995年準(zhǔn)的推出，使得謂虛擬儀器(稱)，就是用戶在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)自己特定的需求，定義測(cè)試功能和設(shè)計(jì)具有這種測(cè)試功能的儀器，使得用戶在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的儀器時(shí)，就像是在操作一臺(tái)具體測(cè)試儀器一樣。虛擬儀器概念的出現(xiàn)，打破了人們對(duì)傳統(tǒng)儀器的看法。傳統(tǒng)儀器具有單一功能，由廠家定義，用戶無(wú)法改變它的工作模式，而對(duì)于虛擬儀器來(lái)說(shuō)，用戶可以靈活使用，可以根據(jù)自己獨(dú)特的需求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)。“軟件就是儀器”是虛擬儀器概念最簡(jiǎn)單，也最本質(zhì)的表述。在虛擬儀器發(fā)展初期，虛擬儀器結(jié)構(gòu)形式主要有三種：基于C這三種系統(tǒng)都有各自的不足之處。據(jù)傳輸速度較低；有定義儀器系統(tǒng)所需的總線：格昂貴，適用于大型或復(fù)雜，應(yīng)用范圍集中在航空、航天、國(guó)防等領(lǐng)域【適應(yīng)虛擬儀器用戶日益多樣化的需求，美國(guó)國(guó)家儀器公司(1997年9月1日推出了一種全新的開(kāi)放性、模塊化儀器總線規(guī)范線標(biāo)準(zhǔn)。將量和數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合應(yīng)用的機(jī)械、電器和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)結(jié)合起來(lái)，并且使高速?gòu)?997年由在論是準(zhǔn)備構(gòu)建一個(gè)儀器平臺(tái)、自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)或是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，加系統(tǒng)性能和帶寬，使系統(tǒng)集成工程變得輕松簡(jiǎn)單。2006年007年基于得。據(jù)006年第三季度)世界006年至2012年均復(fù)合增長(zhǎng)率)為23，前市場(chǎng)上可提供超過(guò)1500種不同的2數(shù)據(jù)采集設(shè)備的發(fā)展數(shù)據(jù)采集技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理、儀器儀表等領(lǐng)域的電子技術(shù)【31。目前，低速、低分辨率的數(shù)據(jù)采集技術(shù)已相當(dāng)成熟，因而系統(tǒng)的組建也相對(duì)容易，而近年來(lái)，隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)呈現(xiàn)更高(采樣率)、更快(數(shù)據(jù)傳輸速度)、更多(同時(shí)處理不同通道的數(shù)據(jù))、更大(并發(fā)處理的數(shù)據(jù)量)的發(fā)展趨勢(shì)，這種高速、大存儲(chǔ)深度、高分辨率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)際上存在很多技術(shù)問(wèn)題，比如說(shuō)大帶寬的信號(hào)調(diào)理通道技術(shù)、高速A信號(hào)間的干擾技術(shù)、大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)、傳輸技術(shù)和接口技術(shù)等隨著數(shù)據(jù)采集模塊的研制提供了非常理想的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)采集設(shè)備的性能不斷提升。就目前的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)劃分，數(shù)據(jù)采集設(shè)備已經(jīng)經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：2第一章緒論1)初級(jí)階段數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要由四部分構(gòu)成。包括電磁機(jī)械結(jié)構(gòu)的多路開(kāi)關(guān)繼電器，低性能的A存器組成的譯碼電路和打印機(jī)構(gòu)成的輸出設(shè)備。控制器是由簡(jiǎn)單的順序控制器構(gòu)成，只能單步順序執(zhí)行編輯的指令。2)早期階段數(shù)據(jù)采集設(shè)備逐漸形成專用的裝置，各部分部件的性能都有了很大的提高，比如輸入切換信號(hào)的開(kāi)關(guān)繼電器由半導(dǎo)體器件控制，控制器的功能也復(fù)雜，A這種數(shù)據(jù)采集設(shè)備的性能、可應(yīng)用性不斷提高，開(kāi)始獲得廣泛的關(guān)注。3)中期階段前面兩個(gè)階段的設(shè)備都是專用于某一特定的測(cè)量對(duì)象而缺少普遍適用性，因此為了改進(jìn)，研制了更先進(jìn)的應(yīng)答式控制方式，創(chuàng)造了普遍適用性更強(qiáng)，能應(yīng)用于更廣泛測(cè)試對(duì)象的設(shè)備。但這一階段的設(shè)備，還是具有體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)，因此阻礙了更廣泛的應(yīng)用。4)近期階段隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，研制的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。數(shù)據(jù)采集設(shè)備也在體積上有了巨大的變化，從早期需要在架上安裝到今天模塊化但具有強(qiáng)大性能的裝置，這種模塊化的設(shè)備不但性能好、實(shí)用性強(qiáng)、功能多、并且體積小。比如所基于上特定的軟件便組成了功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集設(shè)備【51。13 PX 外最大的數(shù)據(jù)采集設(shè)備生產(chǎn)商是美國(guó)國(guó)家儀器公司(154數(shù)字化儀示波器，它具有雙通道最大同步實(shí)時(shí)采樣率2s，1005年11月發(fā)布的1 14雙通道數(shù)據(jù)采集卡，它提供最大250及用于多功能時(shí)域數(shù)字化的125有最大256道的板載內(nèi)存用來(lái)存儲(chǔ)采集到的波形數(shù)據(jù)。124200s、12I 5122 100s、14922可變分辨率數(shù)字化儀都是外，還有惠普(泰克、安捷倫、福祿克等儀器生產(chǎn)廠商也都有數(shù)據(jù)采集設(shè)備，他們都有各自不同的特點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文表11 國(guó)外的寬 最大采樣率 存儲(chǔ)深度 生產(chǎn)商154 1s 8MB153 500s 8MB114 12550MB前市場(chǎng)上主要有臺(tái)灣研華、凌華等公司的產(chǎn)品，研華和凌華的產(chǎn)品主要是基于沒(méi)有華的產(chǎn)品采樣速度最快的是820，具有雙通道65對(duì)國(guó)外來(lái)說(shuō)還有很大的差距。目前，國(guó)內(nèi)院校中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)做出了川大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，研制了“航空電臺(tái)二線綜合測(cè)試儀， 8臺(tái)儀器集成為一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)。電子科技大學(xué)基于00有100些單位也已生產(chǎn)出符合09所16室開(kāi)發(fā)集成的測(cè)試系統(tǒng)就是一套基于內(nèi)公司的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品大都是低端產(chǎn)品，能夠滿足對(duì)采樣速率和精度要求不高的一般民用測(cè)量要求，國(guó)內(nèi)高端產(chǎn)品市場(chǎng)基本都被國(guó)外公司壟斷。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，本數(shù)據(jù)采集模塊具有雙通道，最大實(shí)時(shí)采樣率為1s，帶寬高達(dá)2004數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)本課題的目標(biāo)是研制的工作主要是硬件設(shè)計(jì)，包括速數(shù)據(jù)采集，觸發(fā)選擇、存儲(chǔ)控制、外時(shí)鐘測(cè)頻電路的設(shè)計(jì)以及整機(jī)調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)工作。該數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)要求如下：(1) 最高實(shí)時(shí)采樣率：1s；(2) 垂直分辨率：83) 通道數(shù)：2路；(4) 最大存儲(chǔ)深度：8道；預(yù)觸發(fā)深度：05) 觸發(fā)方式：邊沿觸發(fā)、窗口觸發(fā)、軟件觸發(fā)和外觸發(fā)；(6) 觸發(fā)源：觸發(fā)，件；(7) 通道輸入阻抗：50劍1第一章緒論(8)(9)(50Q)：(10)(11)(12)耦合方式：C，入電壓電平范圍：10m 40Vpp(110m 置=0V)5500置范圍：士50滿量程；偏置精度：士2偏置；采樣時(shí)鐘源：外時(shí)鐘、內(nèi)時(shí)鐘5電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)方案本數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集與存儲(chǔ)，再將采集到的信號(hào)發(fā)送給零槽控制器(制P機(jī)箱中各個(gè)模塊的工作，相當(dāng)于一臺(tái)個(gè)人電腦)，由零槽控制器內(nèi)的軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、參數(shù)計(jì)算、波形的顯示等功能。軟硬件的結(jié)合完成了傳統(tǒng)數(shù)字式示波器的功能。硬件部分主要包括通道控制電路、數(shù)據(jù)采集與控制電路、時(shí)鐘電路、觸發(fā)電路、存儲(chǔ)控制電路和統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如下圖21所示：圖21數(shù)據(jù)采集模塊框圖本數(shù)據(jù)采集卡要放入計(jì)的板卡尺寸應(yīng)當(dāng)符合30060從減小占據(jù)板上空間的角度出發(fā)，在選擇具體元器件的時(shí)候，盡量選擇貼片的小封裝器件。整個(gè)數(shù)據(jù)采集卡的工作過(guò)程如下：6第二章號(hào)經(jīng)通道進(jìn)行信號(hào)調(diào)理；2調(diào)理后的信號(hào)分為兩路：一路信號(hào)送入一路進(jìn)入觸發(fā)通路的信號(hào)選擇器，由零槽控制器選擇某一路通道的信號(hào)進(jìn)入下一階段處理。在高速比較器中與門(mén)限電平進(jìn)行比較，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)由并轉(zhuǎn)換降速后變?yōu)榈退俚牟⑿行盘?hào)輸出給后級(jí)電路處理；4采樣時(shí)鐘由板上的外部鎖相環(huán)產(chǎn)生，制鎖相環(huán)產(chǎn)生需要的采樣時(shí)鐘；外部鎖相環(huán)需要的參考時(shí)鐘由板上晶振提供的20采樣數(shù)據(jù)發(fā)送來(lái)的隨路時(shí)鐘，做數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)：采樣后的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到存滿后，零槽控制器發(fā)送讀請(qǐng)求，讀取接口控制電路將存入11模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊核心單元就是完成模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)觸發(fā)信號(hào)，控制采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，提供給零槽控制器進(jìn)行處理。碼位數(shù)越多，對(duì)模擬信號(hào)的分辨率也就越高，采樣出來(lái)的信號(hào)電壓值也就更準(zhǔn)確，但位數(shù)越高，其速率就越低【6】。常見(jiàn)的所示：表21 道數(shù) 最高采樣率 輸出模式 數(shù)據(jù)格式l 1s 1：2 1s 1：2 1s 1：2 們選擇的是分辨率為8位，最高采樣率1s，輸入信號(hào)帶寬高達(dá)15還具有1：2的輸出時(shí)鐘數(shù)據(jù)分配器，降低數(shù)據(jù)輸出的速度。信號(hào)輸出電平為有良好的共模抑制能力，適合高速數(shù)據(jù)傳輸。大程度的減少了7電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1。212高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略隨著采樣頻率的提高，存儲(chǔ)高速采樣后的數(shù)據(jù)也對(duì)存儲(chǔ)器的反應(yīng)速度提出了相應(yīng)的要求。在本系統(tǒng)中，采樣率要求達(dá)到1s，如果直接存儲(chǔ)，則要求存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)速度能應(yīng)達(dá)到際中來(lái)說(shuō)，還要求有一定的余量，所以存儲(chǔ)速度應(yīng)該更快，而現(xiàn)有的果存儲(chǔ)速度達(dá)不到么采樣到的數(shù)據(jù)就會(huì)丟失，最終造成不能正確顯示，以致于整個(gè)項(xiàng)目的失敗。因此必須采用有效的方法，使低速的存儲(chǔ)速度滿足存儲(chǔ)高速數(shù)據(jù)的要求。針對(duì)上述提出的問(wèn)題，在這個(gè)項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)中，采用串并轉(zhuǎn)換，以空間換時(shí)間的辦法實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)的低速存儲(chǔ)，通過(guò)復(fù)制邏輯，提高整個(gè)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)吞吐量，其本質(zhì)是通過(guò)面積的消耗提高系統(tǒng)工作速度采用串并轉(zhuǎn)換技術(shù)，把串行輸入的高速數(shù)據(jù)以并行相對(duì)較低速的方式輸出，這樣就可以用低速的時(shí)鐘來(lái)處理并行輸出的數(shù)據(jù)了。同時(shí)也達(dá)到降低功耗的目的，使得后續(xù)數(shù)據(jù)處理電路工作在較低的頻率下。本數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)中，沒(méi)有采用傳統(tǒng)的為需要處理的數(shù)據(jù)速度非常高，達(dá)到1么高的并行數(shù)據(jù)，對(duì)時(shí)序要求更為嚴(yán)格，需要走很精確的等長(zhǎng)線，這增大了以，本設(shè)計(jì)中直接采用款內(nèi)嵌的專門(mén)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的接收器，可以很好的實(shí)現(xiàn)高速串行輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成低速并行數(shù)據(jù)的功能，由于使用專門(mén)的樣，不僅減少了走線的難度，同時(shí)提高了設(shè)計(jì)的的穩(wěn)定性。具體來(lái)說(shuō)，在1據(jù)輸出位數(shù)從8位變成16位，則最大數(shù)據(jù)輸出速率為500據(jù)必須用和則會(huì)因?yàn)橄辔唬斐傻膩喎€(wěn)念問(wèn)題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖　？山邮艿耐獠枯斎胪綍r(shí)鐘頻率可達(dá)1足了據(jù)位寬變?yōu)?4位，從以比較容易地用一般的大容量面第三、四章將介紹系統(tǒng)中各模塊的具體實(shí)現(xiàn)方式。其中，第三章主要包第二章?lián)杉c控制電路、時(shí)鐘電路、觸發(fā)電路、存儲(chǔ)控制電路；第四章介紹了口電路設(shè)計(jì)和五章介紹了系統(tǒng)的調(diào)試方法以及各基本功能的測(cè)試方法，并對(duì)測(cè)試中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析討論。22本章小節(jié)本章主要就設(shè)計(jì)要求給出了對(duì)重要技術(shù)難點(diǎn)做了簡(jiǎn)要的分析和介紹。9電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章數(shù)據(jù)采集模塊硬件電路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。它先對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，再由要控制邏輯均在項(xiàng)目中，我們選用的是款以支持復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，支持多種I有33，880個(gè)邏輯單元，可自定義管腳數(shù)高達(dá)500個(gè)，還有58對(duì)差分發(fā)送通道和62對(duì)差分接收通道、6個(gè)鎖相環(huán)(16個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)、32個(gè)本地時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)、1369728位】，它的豐富的邏輯資源能夠很好地滿足我們的設(shè)計(jì)要求。31通道控制模塊充分利用高速于將輸入信號(hào)調(diào)理到于采樣。因?yàn)槊糠N果輸入信號(hào)過(guò)小，會(huì)浪費(fèi)入信號(hào)過(guò)大，則有可能損壞輸入的電壓與么得到的采樣數(shù)據(jù)精度最高。通道控制模塊主要是設(shè)置信號(hào)耦合方式、輸入阻抗選擇、衰減倍數(shù)以及偏置幅度。通過(guò)控制通道里使用的繼電器、有源衰減器和設(shè)置信號(hào)調(diào)理通道里被控器件一共有五個(gè)，其中三個(gè)使用一位的控制信號(hào)，即耦合切換(C)、固定衰減(電阻選擇(50 Q1M Q)。另外兩個(gè)器件一個(gè)是是一個(gè)字可調(diào)衰減器)，它需要提供鎖存信號(hào)(6位的串行數(shù)據(jù)(及時(shí)鐘(三組信號(hào)；另一個(gè)是是一個(gè)模轉(zhuǎn)換器)，需要提供使能裝載(12位的串行數(shù)據(jù)(及時(shí)鐘(三組信號(hào)。零槽控制器控制繼電器的通、斷，完成信號(hào)耦合、輸入阻抗變換。本設(shè)計(jì)中，信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)主要通過(guò)控制繼電器合和設(shè)置有源衰減(2的衰減倍數(shù)，將輸入電壓幅度調(diào)整到適合圖31是模擬通道示意圖。10第三章數(shù)據(jù)采集模塊硬件電路設(shè)計(jì)模擬輸入圖3入電壓垂直檔位按125步進(jìn)，檔位設(shè)置為500001V、2V、5V，十個(gè)檔位?，F(xiàn)在我們以2下如何計(jì)算并設(shè)置2的。當(dāng)選擇2于整個(gè)波形窗口一共是10格，那么這一檔位能接受的最大輸入電壓是20V。讓第一級(jí)于它的衰減倍數(shù)固定為002倍，所以通過(guò)這一級(jí)后，輸出最大電壓為400二級(jí)是個(gè)電壓跟隨器，經(jīng)過(guò)它后，輸出電壓幅度不變。我們先不設(shè)置第三級(jí)，從前一級(jí)是單端轉(zhuǎn)差分放大器，我們不做放大處理，定為1：1輸出，所以經(jīng)過(guò)它之前最大也只能到500往前兩級(jí)是固定4倍增益的同相放大，一共放大16倍。則經(jīng)過(guò)可調(diào)倍數(shù)有源衰減壓為312540025減0078 1 25倍。所以當(dāng)零槽控制器選擇2道控制模塊將合此處的繼電器；78125倍。過(guò)設(shè)置管腳現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)固定衰減861表31所示：表3減O O 由 8 16 3示對(duì)輸入信號(hào)作精細(xì)調(diào)整，用戶必須指定6個(gè)衰減控制位(值為衰減增益為G，根據(jù)芯片資料，有：G=弋 +q 2 x2+c4 x4+c8 16 3怔，飄丌麗罐電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文圍從05315O5們需要的0078125倍衰減換算成分貝是22144們?nèi)?2應(yīng)的控制字為0行輸入和串行輸入。串并方式的選擇由P行輸入需要的控制線多，方式相對(duì)簡(jiǎn)單；而串行控制只需要三根控制線。在我們板上空問(wèn)有限，行控制是很好的選擇。PE，成。6位命令字由六位數(shù)據(jù)先寫(xiě)入的是高位數(shù)據(jù)。所示。圖3據(jù)寫(xiě)完后，鎖存的數(shù)據(jù)打入時(shí)有源衰減設(shè)置成功。在信號(hào)顯示中，可能需要設(shè)置垂直偏移量，這時(shí)，需要控制它擁有12位的分辨率，所以可實(shí)現(xiàn)輸出電壓約采用串行方式接收由轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出。本設(shè)計(jì)中，制方式與里不再累述。圖33給出個(gè)模塊包含兩部分，一是命令寄存器，二是串行命令發(fā)送器。模塊開(kāi)始工作時(shí)，零槽控制器給出要使控制字(50)打入模塊中的寄存器組中。這時(shí)，串行命令發(fā)送模塊不工作。當(dāng)行命令發(fā)送模塊開(kāi)始工作，根據(jù)收到的控制字，按生相應(yīng)的串行數(shù)據(jù)，發(fā)送給2第三章數(shù)據(jù)采集模塊硬件電路設(shè)計(jì) 5091，、 D1 50】 daH 是命令寄存器，二是串行命令發(fā)送器。模塊開(kāi)始工作時(shí)，零槽控制器給出要使控制字(50】)打入模塊中的寄存器組中。這時(shí)，串行命令發(fā)送模塊不工作。當(dāng)行命令發(fā)送模塊開(kāi)始工作，根據(jù)收到的控制字，按生相應(yīng)的串行數(shù)據(jù)，發(fā)送給發(fā)通道的生需要的觸發(fā)門(mén)限電平。觸發(fā)通道的邏輯控制也是使用三線串行控制，和上面的設(shè)計(jì)幾乎相同，這里不再重復(fù)。32數(shù)據(jù)采集與控制數(shù)據(jù)采集與控制模塊是本項(xiàng)目的核心，是本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。它涉及到高速時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生，高速速數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)以及控制。實(shí)現(xiàn)電路的原理框圖如下所示。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文。；。，；圖34數(shù)據(jù)采集與控制模塊原理框圖給外部鎖相環(huán)16根據(jù)零槽控制器的命令字給出相應(yīng)的控制信號(hào)，使鎖相環(huán)產(chǎn)生需要的采樣時(shí)鐘，送入得通道送來(lái)的經(jīng)過(guò)調(diào)理的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字信號(hào)送入由存儲(chǔ)控制模塊將數(shù)據(jù)存入成數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的工作。321 用過(guò)對(duì)】。下面介紹其中幾種。(1)：2的鐘鐘作時(shí)序如圖3過(guò)三線串行口，在地址000被寫(xiě)入控制字l 4第三章數(shù)據(jù)采集模塊硬件電路設(shè)計(jì)二羚呻N !1廣1廠 門(mén) 幾廣1一 塑!壁：!璺堂曼!竺 捌絮舞=二二)二二三二二二斟刀二二至二二二至二二=亡二王互二。，k：L：j：9kj：一 - 。雖一控Q一b奎器_廠一1 至廣弋扛 t t t 圖35 )1：鐘鐘所示。通過(guò)三線串行口，在地址000寫(xiě)入控制字11l ：71o：乃圖35所描述的時(shí)序。322三線串口控制三線串行接口(3一個(gè)同步只寫(xiě)的接口。其中線串行接口向內(nèi)部的8個(gè)16比特的寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)。行接口的寫(xiě)入字長(zhǎng)為19比特，其中前3比特為所要操作的寄存器地址(范圍為000111)，后16比特為寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)和地址的輸入都是最高位個(gè)寫(xiě)過(guò)程和時(shí)鐘電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文上升沿被采樣。時(shí)序如圖3哦曩柏羽 2 3 4 5 3 14 15 16 17 伯 1尊 20f幾幾幾幾f1 7_一l 。， 門(mén)弱”一J e。一麟 笏賊贓嚀o啪 ：? X渤整八種功能(通道模擬增益調(diào)整、增益補(bǔ)償、對(duì)地偏置誤差的補(bǔ)償、通道部設(shè)置調(diào)整等)。當(dāng)不執(zhí)行寫(xiě)過(guò)程時(shí)，要至少一個(gè)時(shí)鐘上升沿可啟動(dòng)這個(gè)寫(xiě)過(guò)程；當(dāng)時(shí)的第一個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始寫(xiě)，在整個(gè)寫(xiě)的過(guò)程中，時(shí)的前3個(gè)時(shí)鐘周期，關(guān)于寄存器地址的3比特?cái)?shù)據(jù)從a2)到aO)被輸入；在時(shí)的接下來(lái)的16個(gè)時(shí)鐘周期，16比特的數(shù)據(jù)從d15)至0 d0)被輸入；在時(shí)需要一個(gè)附加的時(shí)鐘周期來(lái)將16位數(shù)據(jù)d150】并行的傳輸?shù)降刂窞閍2O】的寄存器，對(duì)于一個(gè)正常的寫(xiě)過(guò)程，當(dāng)要20個(gè)時(shí)鐘周期；當(dāng)少需要一個(gè)時(shí)鐘周期用來(lái)關(guān)閉寫(xiě)過(guò)程和為下輪的寫(xiě)過(guò)程作準(zhǔn)備，在寫(xiě)過(guò)程完成之前的時(shí)鐘周期中，如果l，則這個(gè)將不能繼續(xù)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭@個(gè)內(nèi)部寄存器中；在前后兩次寫(xiě)過(guò)程中，6比特的數(shù)據(jù)總是被輸入到這個(gè)內(nèi)部地址寄存器中，即使這個(gè)寄存器少于16位，通常是中各比特代表的含義和所在位置在下面將介紹。對(duì)于復(fù)位這些寄存器，這個(gè)至當(dāng)這個(gè)三線串行口處于工作狀態(tài)時(shí)【7】。323 s，最大存儲(chǔ)深度8道。數(shù)據(jù)采集后的接收電路在們選用收91。由于的輸出格式，二分頻后16第三章數(shù)據(jù)采集模塊硬件電路設(shè)計(jì)從路時(shí)鐘速率最高也為500果直接對(duì)這么高速率的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。因此必須通過(guò)串并轉(zhuǎn)換，將高速數(shù)據(jù)降速，變?yōu)榈退贁?shù)據(jù)。行數(shù)據(jù)進(jìn)入一個(gè)串入并出的移位寄存器，這個(gè)寄存器的工作時(shí)鐘是高速的串行時(shí)鐘，直到移位寄存器中的數(shù)據(jù)寫(xiě)滿后，一次發(fā)出所有存儲(chǔ)在寄存器中的數(shù)據(jù)。這樣高速寫(xiě)入的數(shù)據(jù)的全部信息得到保留，并且后級(jí)電路可以用較低的運(yùn)行速度來(lái)處理。原理框圖如圖38所示。本項(xiàng)目中選用它能夠達(dá)到最高1提供了易于使用的設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)接收電路變得很簡(jiǎn)單和可靠。數(shù)據(jù)接收電路中的鎖相環(huán)且根據(jù)隨路時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的串行時(shí)鐘，使得移位寄存器(解串器)能正確的接收到輸入的串行高速數(shù)據(jù)，避免時(shí)序問(wèn)題引起的亞穩(wěn)態(tài)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。在移位寄存器中進(jìn)行了移位(解串)后，生成的并行數(shù)據(jù)在相應(yīng)的低頻時(shí)鐘作用下輸出至下一級(jí)邏輯單元。實(shí)現(xiàn)電路原理如圖38所示：是低頻輸入時(shí)鐘的倍頻系數(shù)，分接收器在下降沿連續(xù)地將輸入數(shù)據(jù)高速頻時(shí)鐘的第三個(gè)下降沿，串行移位寄存器中的數(shù)據(jù)送入下一級(jí)的并行寄存器；在低頻時(shí)鐘時(shí)由倍的時(shí)鐘作為同步的時(shí)鐘輸出。這樣就同時(shí)完成了對(duì)信號(hào)的高速采樣和對(duì)高速采樣數(shù)據(jù)低速化處理的過(guò)程。處理后的并行數(shù)據(jù)及同步的低速時(shí)鐘可以方便地進(jìn)行存儲(chǔ)或其它處理【9】。本項(xiàng)目中選擇的的高速差分端口在理論上已經(jīng)達(dá)到最高11。如此寬的時(shí)序余量足夠滿足本項(xiàng)目的需求。本項(xiàng)目中最高采樣率是1的輸出格式選擇二分頻后，最高的速率為500s。從后級(jí)電路的處理速度和面積消耗兩方面折衷考慮，我們選擇的并行參數(shù)為4倍，即1路串行輸入4路并行輸出。因而當(dāng)最高串行輸入頻率為500s，相應(yīng)并行輸出時(shí)鐘為125們選用的行數(shù)據(jù)送到后級(jí)的存儲(chǔ)芯片，在并行時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下工作，即可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的低速存儲(chǔ)。松的實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，達(dá)到將高速數(shù)據(jù)降速，便于后級(jí)電路處理的目的。只需要用些單獨(dú)由外部邏輯電路搭建的接收單元有效和方便的多。這種電路單元使用差分的結(jié)構(gòu)，而且只能在種接收信號(hào)的管腳不能與其它種類的管腳交換。f礦一i囂爵一。 ：。Lkj秘5己熙811-1I。5O是16路輸入的信號(hào)，rx3O】是串并轉(zhuǎn)換后的64路并行數(shù)據(jù)，rx級(jí)電路用它來(lái)控制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。經(jīng)過(guò)接收器后，數(shù)據(jù)的排列位有所改變，需要增加一個(gè)緩沖模塊對(duì)數(shù)據(jù)重新排列，形成我們需要的數(shù)據(jù)。18第三章數(shù)據(jù)采集模塊硬件電路設(shè)計(jì)33時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘是同步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在同步設(shè)計(jì)中，所用操作都是基于時(shí)鐘沿觸發(fā)的，所以時(shí)鐘的設(shè)計(jì)對(duì)同步時(shí)序電路而言非常重要。在設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘采用全局時(shí)鐘輸入引腳輸入，這樣可以減小時(shí)鐘的偏斜(抖動(dòng)(時(shí)鐘電路是為工作在不同頻率下的A我們的設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘電路模塊主要包括對(duì)時(shí)基電路、外部鎖相環(huán)的控制，和內(nèi)部時(shí)鐘分頻網(wǎng)絡(luò)。制鎖相環(huán)產(chǎn)生需要的采樣時(shí)鐘；內(nèi)部時(shí)鐘分頻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生存數(shù)和工作時(shí)鐘。下面我們將分別介紹各個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生模塊。331時(shí)基電路設(shè)計(jì)在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中，水平系統(tǒng)的作用是確保對(duì)輸入信號(hào)采集足夠數(shù)量的采樣值，并且每個(gè)采樣值取自正確地時(shí)刻。每?jī)蓚€(gè)采樣點(diǎn)之間的距離就是采樣間隔時(shí)間，采樣間隔時(shí)間的倒數(shù)就是采樣頻率。通常，示波器沿著水平軸顯示250個(gè)采樣點(diǎn)，為了便于使用，這些采樣點(diǎn)以每格25個(gè)采樣點(diǎn)的水平分辨率來(lái)進(jìn)行顯示，這就是說(shuō)水平軸的長(zhǎng)為25025=10格。時(shí)基就是示波器顯示界面中，橫向一個(gè)大格所代表的時(shí)間。據(jù)此，兩個(gè)采樣之間的時(shí)間間隔可按下式32計(jì)算：采樣間隔=時(shí)基設(shè)置(s格)采樣點(diǎn)數(shù) (32)若時(shí)基設(shè)置為，且每格25個(gè)采樣點(diǎn)，則可以計(jì)算出采樣間隔為：采樣間隔=5=40算公式如式33所示：采樣頻率=1采樣間隔 (33)由于可以顯示的采樣點(diǎn)數(shù)是固定的，所以時(shí)基設(shè)置的改變主要是通過(guò)改變采樣速率和抽樣點(diǎn)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。我們?cè)O(shè)計(jì)的其最大采樣速率為1s，那么相對(duì)應(yīng)的時(shí)基使用這一采樣的速率的時(shí)基設(shè)置值為：時(shí)基設(shè)置值=25采樣點(diǎn)采樣間隔=25(1109)=25這一時(shí)基設(shè)置值非常重要，因?yàn)檫@個(gè)值是示波器采集非重復(fù)性信號(hào)時(shí)的最快時(shí)基設(shè)置，使用這個(gè)時(shí)基設(shè)置時(shí)，示波器能給出它可能的最好的時(shí)間分辨率。這個(gè)采樣速率也就是在示波器的技術(shù)指標(biāo)中給出的最高采樣速率。19電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文確定了最大采樣速率后，就可以計(jì)算出最小時(shí)基，按125步進(jìn)的辦法設(shè)置其余的時(shí)基檔位。采樣頻率與時(shí)基檔位的對(duì)照分配表如表32所示：表32對(duì)應(yīng)時(shí)基檔對(duì)應(yīng)的采樣率時(shí)基(采樣時(shí)鐘(抽點(diǎn)數(shù) 時(shí)基(采樣時(shí)鐘(抽點(diǎn)數(shù)25：1 0：105000：1 105：1051l：1 2525：1025000：1 50：1050000姍z 1：2 1005：100l U s 250：10 25025：10025 p S 125刪z 1：10 500：1005 50衄Z 1：10 1S 25l(：10010 p S 25刪Z 1： 10 25s 125：10025 U S 125刪Z 1：10 5s O5：10050 5姍Z 1： 10 10s 025：100100 p s 25姍Z 1： 10 25s 0125：100250 p S 125： 10 50s 005：100500 p s 500： 1050：102525：10當(dāng)時(shí)基比較慢時(shí)，過(guò)發(fā)送給零槽控制器后，由上位機(jī)抽值實(shí)現(xiàn)該檔位的顯示。這樣便于波形的展寬。時(shí)基電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)字控制電路的主要部分之一，它不僅為時(shí)，在據(jù)I 能接受的最低輸入時(shí)鐘頻率為1608低輸出時(shí)鐘是46875上用20生20部經(jīng)過(guò)倍頻、分頻產(chǎn)生16常要在種是分相合成技術(shù)，另外一種就是鎖相環(huán)倍頻。分相合成技術(shù)原理簡(jiǎn)單，它是將輸入時(shí)鐘分成兩路，一路經(jīng)過(guò)一定的延遲門(mén)電路后改變相位，兩路時(shí)鐘再經(jīng)過(guò)異或而成，屬于異步電路設(shè)計(jì)方法，容易產(chǎn)生毛刺和造成時(shí)鐘偏斜(抖動(dòng)(象，而且這種方法產(chǎn)生的頻率不穩(wěn)定，占空比無(wú)法控制。第三章數(shù)據(jù)采集模塊硬件電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中我們采用的是第二種方法：鎖相環(huán)倍頻。在以直接使用然后調(diào)用。編程占空比是指鎖相環(huán)可以產(chǎn)生不同占空