【正文】 在 RAM中波形數(shù)據(jù)的最大值、最小值以及過零值等特征數(shù)據(jù)，按照定義計(jì)算出信號的頻率、周期、峰峰值、有效值等波形參數(shù)。 這里特別要說明 Autoscale功能，由于儀器已具備測頻和測幅的功能，所以儀器就能根據(jù)已經(jīng)測得的信號頻率和幅度，計(jì)算并設(shè)置好最合理的垂直靈敏度及掃描速度量程，使信號波形能自動地以適當(dāng)?shù)姆群椭芷跀?shù)穩(wěn)定地顯示在示波器的屏幕上。該功能 Lab 等效時(shí)間取樣方式數(shù)字示波器的設(shè)計(jì) 本節(jié)擬通過對探地雷達(dá)回波信號數(shù)據(jù)采集、存儲及回波顯示系統(tǒng)的分析，討論基于等效時(shí)間取樣方式的數(shù)字存儲示波器 探地雷達(dá)的回波信號有兩個(gè)特點(diǎn)：一是回波信號的最高頻率分量高達(dá) GHz量級，這就對 A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速率提出了很高的要求；二是信號幅度變化的動態(tài)范圍很大，要求采用 14～ 16位A/D轉(zhuǎn)換器。很顯然，如果采用實(shí)時(shí)取樣方式，這種高轉(zhuǎn)換速率、高分辨率的 A/D轉(zhuǎn)換器，無論從技術(shù)條件還是從價(jià)格上都是困難的。所幸的是，探地雷達(dá)回波信號在一定的時(shí)間內(nèi) (ms級 )，可以認(rèn)為是重復(fù)出現(xiàn)的周期信號。因此，該系統(tǒng)采用等效時(shí)間取樣方案是非常合適的。 Lab 擬定的探地雷達(dá)回波信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖示。 系統(tǒng)采用了“ CPLD＋單片機(jī)＋ PC機(jī)”三層控制方案。 底層控制由以 CPLD為核心的高速控制邏輯電路構(gòu)成，直接控制高速數(shù)據(jù)采集、存儲和傳輸?shù)倪^程； 中層控制由單片機(jī)組成，一方面接收并執(zhí)行由 PC機(jī)發(fā)送的控制命令，實(shí)施對底層控制器的控制，同時(shí)將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出并迅速上傳至 PC機(jī)； 上層控制由便攜式 PC機(jī)完成，一方面為用戶提供一個(gè)操作窗口，完成對儀器功能和參數(shù)的設(shè)置，向單片機(jī)發(fā)送相關(guān)的控制命令；另一方面，實(shí)時(shí)接收單片機(jī)上傳的回波信號數(shù)據(jù)，并進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理及顯示波形。 Lab 系統(tǒng)的時(shí)基電路按照 PC機(jī)的設(shè)置，產(chǎn)生具有特定頻率的觸發(fā)脈沖信號，該信號一路送至發(fā)射天線裝置，以產(chǎn)生用于向地下發(fā)射的 ns級寬度的窄脈沖電磁波信號； 電磁波在地下不同介質(zhì)的界面上會產(chǎn)生反射而形成一系列回波信號，這些回波信號由接收天線接收后經(jīng)過低噪放大，送往取樣門電路； 時(shí)基電路送出的觸發(fā)脈沖信號也同時(shí)送給步進(jìn)脈沖系統(tǒng)，以產(chǎn)生步進(jìn)脈沖信號，步進(jìn)脈沖信號經(jīng)取樣脈沖發(fā)生器整形成取樣脈沖，送往取樣門電路對回波信號進(jìn)行取樣； 取樣后的回波信號經(jīng)保持放大電路處理，就變成了拉寬的低頻信號，然后再將該信號進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，并經(jīng) FIFO存儲器的緩沖，傳輸?shù)?PC機(jī)進(jìn)行后處理及顯示； 為保證存儲數(shù)據(jù)向 PC機(jī)傳輸?shù)乃俣?，單片機(jī)與 PC機(jī)接口采用 USB總線。 系統(tǒng)的工作流程如下 本節(jié)側(cè)重分析步進(jìn)系統(tǒng)及步進(jìn)控制電路，取樣電路，數(shù)據(jù)采集、 Lab 一、步進(jìn)脈沖系統(tǒng)及步進(jìn)控制電路 功能：產(chǎn)生驅(qū)動取樣門電路取樣的取樣脈沖信號和啟動 A/D轉(zhuǎn)換的步進(jìn)脈沖信號。本例設(shè)計(jì)的系統(tǒng)產(chǎn)生的步進(jìn)脈沖的最小步進(jìn)時(shí)間達(dá)到 。 步進(jìn)脈沖系統(tǒng)由斜波發(fā)生器、比較器及輔助電路等部分組成，原理見 。本例設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了美國數(shù)字可編程延時(shí)發(fā)生器 AD 9500芯片，不僅集成了斜波發(fā)生器、比較器等電路，而且還內(nèi)置了 D/A轉(zhuǎn)換器及鎖存器。使用時(shí)只需要提供外部觸發(fā)信號以及控制步進(jìn)延時(shí)的數(shù)據(jù)，就能產(chǎn)生最小步進(jìn)延時(shí)達(dá) 10ps的步進(jìn)脈沖信號。 若使用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)對 AD 9500的控制，則整個(gè)步進(jìn)系統(tǒng)的電路將會大幅度簡化，使系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步增強(qiáng)。 Lab AD 9500是 8位數(shù)字可編程延時(shí)發(fā)生器，其功能方框圖內(nèi)部定時(shí)圖如圖所示。 AD 9500的核心部件線性斜波發(fā)生器由差分模擬輸入級、定時(shí)控制電路、基準(zhǔn)電流、外接電容 CEXT RSET等組成。 從觸發(fā)到比較器翻轉(zhuǎn)之間的這段時(shí)間間隔就是 AD 9500的總延時(shí) t，其值由斜波的斜率和加在內(nèi)置 DAC輸入端 D7～ D0的數(shù)據(jù) 兩個(gè)因素決定。 Lab 以 AD 9500為核心的步進(jìn)系統(tǒng)及控制電路原理圖 Lab 二、取樣電路的設(shè)計(jì) 取樣電路由低噪放大器、取樣門電路、取樣脈沖發(fā)生器、保持放大器組成。本節(jié)側(cè)重討論取樣門電路和取樣脈沖發(fā)生器電路。 取樣門的種類很多，有單管門、平衡門、雙管門、行波門等。 單管門是最簡單的取樣門電路，圖中二極管 VD為取樣開關(guān)， Cs為取樣電容， E和 R1組成取樣門的偏置電路，取樣脈沖經(jīng) R0加至取樣門。 1. 取樣門電路 單管取樣門電路原理圖 平時(shí)取樣二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)取樣脈沖到來時(shí)，取樣二極管導(dǎo)通，輸入信號在極短時(shí)間內(nèi)向取樣電容 Cs充電，從而獲得樣品輸出。 單管取樣門電路簡單，元器件少。但是，由于電路中信號源與取樣脈沖直接耦合，會產(chǎn)生干擾；另外，由于取樣門開啟時(shí)被測信號和取樣脈沖同時(shí)向取樣電容充電，取樣脈沖幅度的不穩(wěn)定會使取樣門輸出信噪比降低。 Lab 1. 取樣門電路 由于單管取樣門電路存在上述缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了四管平衡取樣門電路。 四管平衡取樣門電路又稱橋式取樣門，圖中，取樣二極管 VD1～ VD4組成橋式門的四臂，＋ Ep， Ep為二極管的反向偏壓。取樣脈沖分別由橋的對角線兩端加入，橋的另一組對角線端分別做取樣門的輸入、輸出端。 R1是輸入端匹配電阻， Cs為取樣電容， T 根據(jù)平衡橋原理，加在 VD1～ VD4橋?qū)蔷€ 2, 4兩端的取樣脈沖不會在 1, 3兩端輸出，即取樣脈沖對被測信號源沒有形成干擾，提高了系統(tǒng)的信噪比。 當(dāng)兩個(gè)方向相反、大小相同的取樣脈沖電流流過磁環(huán)繞組時(shí)，產(chǎn)生的磁通會相互抵消，可抑制兩個(gè)脈沖的不對稱。 對被測信號來說，磁環(huán)的兩個(gè)繞組是同相的，信號電流流過磁環(huán)繞組時(shí)產(chǎn)生的磁通相互疊加，磁環(huán)對信號呈現(xiàn)高阻抗，從而形成高阻取樣門。 四管平衡取樣門電路 Lab 二、取樣電路的設(shè)計(jì) 取樣脈沖發(fā)生器用于將步進(jìn)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的取樣脈沖進(jìn)一步整形，以產(chǎn)生幅度足夠大、寬度足夠窄并具良好穩(wěn)定性的取樣脈沖。 取樣脈沖發(fā)生器由驅(qū)動級和形成級兩部分組成。 驅(qū)動級的作用是對步進(jìn)系統(tǒng)生成的步進(jìn)脈沖信號整形，以產(chǎn)生高速、大幅度取樣脈沖信號。驅(qū)動級電路通常采用雪崩晶體三極管電路和間歇振蕩器電路兩種形式。高速半導(dǎo)體器件雪崩晶體三極管可以較方便地產(chǎn)生具有納秒和亞納秒上升時(shí)間以及很大峰值功率的脈沖信號。因此，采用雪崩晶體三極管電路形 形成級的作用是將取樣脈沖進(jìn)一步整形為邊沿更加陡峭、底寬很窄的脈沖信號，一般由階躍恢復(fù)二極管和微分電路組成。當(dāng)階躍恢復(fù)二極管處于正向?qū)顟B(tài)的二極管突然加上反向電壓時(shí)，瞬態(tài)反向電流立即達(dá)到最大值并維持一段時(shí)間，接著又立即恢復(fù)到零，利用階躍二極管的這種階躍特性，可以將脈沖信號整形為邊沿更快的脈沖信號。 2. 取樣脈沖發(fā)生器 Lab 圖中 Q1是雪崩晶體三極管，基極通過 R1接地，使雪崩管平時(shí)處在截止?fàn)顟B(tài)。集電極由＋ 30V電源通過 R2供電，當(dāng)取樣指令脈沖到達(dá) Q1基極時(shí)，雪崩過程發(fā)生，從而在集電極產(chǎn)生負(fù)極性脈沖而在發(fā)射極產(chǎn)生正極性脈沖。這組脈沖再通過 C3， R4和 C4， R5微分電路以及階躍二極管組成的形成電路處理后，就產(chǎn)生了幅度約 5V、前沿不小于 4ns、底寬不大于 10ns的取樣脈沖。該取樣脈沖送往取樣門電路，即可實(shí)現(xiàn)對探地雷達(dá)回波信號的取樣。 取樣脈沖發(fā)生器電路原理圖 Lab 三、數(shù)據(jù)采集、存儲及傳輸電路 由于等效取樣后回波信號的最高頻率為 50kHz，確定 A/D轉(zhuǎn)換的最高轉(zhuǎn)換速率為 500kHz；若采用程序控制將很難實(shí)現(xiàn)，因而采用 CPLD實(shí)施直接控制；同時(shí)采用 FIFO高速緩存技術(shù)，以協(xié)調(diào)高速采集與后級傳輸速度之間的關(guān)系。為了達(dá)到8Mb/s傳輸速率的要求，采用 USB總線將數(shù)據(jù)傳輸至 PC機(jī)。 Lab 謝謝觀看 /歡迎下載 BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH