寬帶無縫采集示波器的設(shè)計與應(yīng)用

方 瑋

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黃岡 408002）

0 引言

近年來，在較廣泛的技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)代電子信號呈現(xiàn)出復(fù)雜化、多樣性的特征，尤其是信號的頻率范圍不斷拓寬，信號的瞬時性、復(fù)雜度不斷增加，信號非平穩(wěn)特性的增長極為迅速，面向高速時域取樣及相關(guān)的分析理論，已逐漸成為測試學(xué)科發(fā)展的主要方向之一，隨著高速取樣信號分析方面技術(shù)的深入研究，數(shù)字化時域測試儀器得到了迅猛發(fā)展[1,2]。在通信領(lǐng)域，針對通信系統(tǒng)高速大容量數(shù)據(jù)、調(diào)制信號、高速脈沖組成的長幀數(shù)字通信信號的完整捕獲測試分析，以及低概率的系統(tǒng)隨機突發(fā)異常事件記錄分析及故障快速診斷等測試需求。國際上數(shù)字示波器最高采樣率已接近60GSPS，最高波形捕獲率達 400, 000wfms/s以上；而國內(nèi)數(shù)字示波器最高采樣率只到 5GSPS，波形捕獲率 120,000wfms/s。根本原因是元器件水平，即國外主要從元器件級解決問題，通過不斷提高 A/D 轉(zhuǎn)換器、專用 ASCI 電路等器件速度，從而更好地保證其整機性能，而國內(nèi)在相當(dāng)長時間內(nèi)顯然無法做到這點。

在通用測試儀器方面，最常見的測試儀器是頻譜儀和示波器。隨著軍事和通信領(lǐng)域技術(shù)的深入發(fā)展，20 世紀無線電技術(shù)一直在不斷創(chuàng)新，技術(shù)的演進也推動著 RF 測試技術(shù)向前發(fā)展。監(jiān)測間歇性干擾或頻譜使用情況等也需要一種有效的手段來實現(xiàn)“寬帶實時監(jiān)測”。實時頻譜儀（RTSA）的推出，滿足了這些方面的測試需求，在其實時測量模式下，它無縫捕獲每個塊并存儲在內(nèi)存中，然后使用 DSP 技術(shù)進行后期處理，以便分析信號的頻率、時間和調(diào)制特點。該儀器的無縫采集是基于大存儲器在一段時間內(nèi)連續(xù)采集信號的模式，一旦存儲器采集滿，那么系統(tǒng)便會停止采集，將工作模式切換為數(shù)據(jù)處理的過程，因此實時頻譜分析儀采用的無縫采集技術(shù)僅在內(nèi)存塊內(nèi)實現(xiàn)了無縫采集的效果。數(shù)字示波器的發(fā)展也一直致力于提高波形捕獲能力上的研究，在無縫采集方面，安捷倫和泰克兩家公司都相繼推出了“內(nèi)存分段存儲”功能，即將一個較大的內(nèi)存分為多段，每段采集和存儲滿足觸發(fā)條件的事件，以增強對目標(biāo)信號的捕獲能力，并減小兩次觸發(fā)事件死區(qū)時間，然而該功能與實時頻譜儀所提出的內(nèi)存塊存儲模式類似，實現(xiàn)無縫采集的條件是有局限的，只在內(nèi)存塊內(nèi)采集才是無縫[3,4]。

綜上所述，國內(nèi)外對無縫采集技術(shù)進行了大量的研究，但是目前存在的問題主要是：第一，有限制條件，利用大容量存儲器先將采集數(shù)據(jù)存儲下來，然后再慢慢處理，只能保證在存儲深度內(nèi)的那一段數(shù)據(jù)是無縫的，不能實現(xiàn)持續(xù)的無縫采集與處理；第二，指標(biāo)低，在一些應(yīng)用場合主要是對慢速信號進行無縫采集，實現(xiàn)的難度不高；第三，采集與顯示脫節(jié)，目前無縫采集的研究中普遍存在采集時不能顯示，顯示時不能采集、實時性差的問題。另外，在國內(nèi)外相關(guān)文獻中還未見有關(guān)于在數(shù)字示波器中持續(xù)實現(xiàn)無縫采集的相關(guān)報道或產(chǎn)品。

1 寬帶無縫采集體系結(jié)構(gòu)

在時域測試領(lǐng)域中，波形捕獲率是衡量其數(shù)據(jù)采集性能的一個重要指標(biāo)[5]。波形捕獲率定義為“單位時間內(nèi)時域數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所能捕獲并顯示的波形幅數(shù)（wfms/s）”（注：所謂“一幅波形”是指，采集系統(tǒng)經(jīng)過一次觸發(fā)并完成采集同時顯示在屏幕上的所有采樣點統(tǒng)稱，通常用 wfms 表示）。它表達了單位時間內(nèi)采集系統(tǒng)所獲取并顯示的信息量的大小。如圖1無縫采集示意圖所示，給出了時域采集系統(tǒng)在最基本的邊沿觸發(fā)模式下的采集過程，被測正弦信號與觸發(fā)電平進行比較，產(chǎn)生一系列觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖被送入到采集系統(tǒng)中控制采集，圖中假設(shè)預(yù)觸發(fā)深度調(diào)節(jié)到采集系統(tǒng)屏幕最左端，觸發(fā)沿選擇上升沿觸發(fā)，這樣設(shè)置后，按照此類系統(tǒng)的采集特點，一旦啟動采集，觸發(fā)信號到來時便立即開始采集數(shù)據(jù)，直到波形緩沖區(qū)存滿，也即完成第 1 次采集過程。從圖中可以看出，在第 1 次采集過程中觸發(fā)脈沖 T1起到了觸發(fā)并啟動采集的作用，是一次有效觸發(fā)，而觸發(fā)脈沖 T2 被包含在第一次采集過程中，不起任何作用，是一次無效觸發(fā)；第 1 次采集完成之后便立即開始第 2 次采集，但由于第二次采集開始時觸發(fā)信號可能未到來，在這段時間內(nèi)采集系統(tǒng)處于等待觸發(fā)階段，直到觸發(fā)信號 T3 到來，才開始第 2 次采集進程，以此類推，第 k次采集也應(yīng)符合這一過程。

圖1 無縫采集示意圖

數(shù)字示波器的時基設(shè)置，通常是影響波形捕獲率的首要設(shè)置條件。這是因為時基設(shè)置，決定了采集顯示的時間窗口。測量示波器的波形捕獲率并不難。一部分示波器提供了觸發(fā)信號輸出通道，通常用于使其它儀器與示波器的觸發(fā)同步。因此根據(jù)示波器提供的觸發(fā)輸出信號的特點，可以使用外部計數(shù)器測量這個輸出觸發(fā)信號的平均頻率，用它來度量示波器的波形捕獲率。設(shè)定信號發(fā)生器輸出單次雙脈沖測試信號。測試信號由一段較窄脈沖W1和一段較寬脈沖W2組成，兩個脈沖的上升沿對應(yīng)著波形的觸發(fā)位置t1和t2，t1和t2之間的時間間隔 T0可調(diào)節(jié)。測試前先關(guān)閉信號發(fā)生器的輸出。

2 寬帶無縫采集示波器設(shè)計

設(shè)計的總體方案如圖2所示，每通道采用2片采樣率為3GSPS的ADC構(gòu)成并行交替采集系統(tǒng)來實現(xiàn)6GSPS的采樣率；采用高性能FPGA作為核心邏輯控制單元，利用其設(shè)計靈活、可重構(gòu)的特點，在FPGA中實現(xiàn)高速采樣數(shù)據(jù)流的非均勻?qū)崟r校正、無縫采集的體系結(jié)構(gòu)、觸發(fā)同步、高速大容量數(shù)據(jù)的特征值檢測等功能模塊；采用DSP作為系統(tǒng)的微處理器，完成系統(tǒng)控制和人機交互方面的功能；時間展寬電路輔助觸發(fā)同步模塊完成微小時間間隔的放大，放大后的信號送回FPGA中進行測量。

本設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用4片美國NS公司的超高速ADC—ADC083000，該器件最高采樣率3GSPS，分辨率 8bit，輸入最高采樣時鐘頻率1.5GHz（器件內(nèi)部采用雙沿采樣），最大信號輸入帶寬3GHz，輸入范圍600mVpp或 800mVpp，輸入748MHz信號時，有效位數(shù)7.0Bits，SNR為44dB，該器件具有采樣時鐘移相功能，通過改變ADC內(nèi)部控制字來實現(xiàn)，移相的精度可達 0.2ps，該功能可用于并行采樣的時鐘控制，并且可以進行時鐘非均勻的校正；高速時鐘模塊采用兩級電路完成，選用NS公司的高速時鐘合成器LMX2531高速時鐘源，其輸出低頻段時鐘頻率為749.5MHz～755MHz，高頻段時鐘頻率為 1499MHz～1510MHz，微處理器選用美國ADI公司的Blackfin系列DSP，它處理速度快，且外部接口豐富。

本設(shè)計的實驗樣機采用6GSPS的8bit高速ADC，每個ADC的輸出為兩路8bit的750MHz數(shù)據(jù)流，通過LVDS接口與FPGA相連，選用了Xilinx公司的Vertix5系列高性能FPGA來完成數(shù)據(jù)的高速存儲、三維波形映射和硬件插值等功能，為了增強現(xiàn)實效果，特意選擇了分辨率為800*600的8吋液晶顯示屏，使波形顯示更加細膩。 如圖3所示為采用該實驗樣機捕獲調(diào)幅信號的對比情況，示波器時基檔位設(shè)置在5ns，由于系統(tǒng)的最高實時采樣率為6GSPS，該時基檔下等效采樣率為12GSPS，故需采取插值手段來恢復(fù)波形，插值倍率設(shè)置為10倍，抽點顯示。圖3（a）為采用軟件插值方式捕獲到的結(jié)果，圖3（b）為采用硬件插值時捕獲到的結(jié)果，顯然，采用硬件插值方式的三維示波器具有非常高的波形捕獲率。

綜上所述，將無縫采集的體系結(jié)構(gòu)與寬帶數(shù)字示波器結(jié)合起來，介紹了一種寬帶無縫采集示波器的設(shè)計目標(biāo)、總體方案、工作流程和FPGA 的資源消耗和配置情況，展示了實驗的硬件平臺和采集效果，測試分析了實驗中各種工作模式下的波形捕獲率，實驗結(jié)果表明，在最高采樣率6GSPS 下，系統(tǒng)能夠達到 2,000,000wfms/s 的設(shè)計目標(biāo)，驗證了無縫采集體系結(jié)構(gòu)的實時性和實用性。

圖2 示波器總體設(shè)計方案

3 結(jié)論

圍繞寬帶時域測試儀器采集系統(tǒng)研究領(lǐng)域中面臨的難題，以無縫采集技術(shù)為主線，討論了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無縫采集技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，研究了基于無縫采集的寬帶數(shù)字示波器以及在該系統(tǒng)中影響無縫采集效率的若干實時性技術(shù)，即并行采樣非均勻誤差實時校正技術(shù)、基于數(shù)字后處理的帶寬增強技術(shù)、波形細節(jié)捕獲與處理技術(shù)、并行采集的觸發(fā)同步技術(shù)等，最后介紹了一種寬帶無縫采集示波器的設(shè)計方法，驗證了本文的研究成果。

圖3 5ns檔位捕獲40MHz調(diào)幅信號實驗對比

[1] 陳光禹,王厚軍,田書林,等. 現(xiàn)代測試技術(shù)[M]. 電子科技大學(xué)出版社, 2002.

[2] Huiqing Pan, Shulin Tian. Time Delay Estimation for Parallel Sampling Systems. ICCCAS'08，2008

[3] 泰克公司. 現(xiàn)代實時頻譜儀技術(shù). 中國無線電, 2006, (9):60-6.

[4] Agilent Application Note 243. The Fundamentals of Signal Analysis, [EB/OL]. www.agilent.com, 2007.

[5] Jin Wei, Chen Chang ling, Comparison of frequency measurement between time-domain and frequencydomain in DSO. 2005 International Conference on Communications, Circuits and Systems, Volume II. Signal Processing, Computational Intelligence, Circuits and Systems (IEEE Cat. No. 05EX1034), 2005, P: 808-11.