專利名稱：一種等效采樣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)采集設(shè)備中對波形進行采樣的采樣裝置，具體來講， 涉及一種高速數(shù)據(jù)采集中對周期性重復(fù)信號進行采樣的等效采樣裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，對波形的高速采樣有兩種常見的實現(xiàn)方式實時采樣和等效 采樣。實時采樣中，采樣點都是按照一個固定的次序來采集的。這個波形采樣的 次序和采樣點在示波器屏幕上出現(xiàn)的次序是相同的。只要一個觸發(fā)事件就可以 啟動全部的采集動作。在很多應(yīng)用場合，實時采樣方式所提供的時間分辨率仍 然不能滿足工作的要求，在這些應(yīng)用場合中，要觀察的信號常常是重復(fù)性的， 即相同的信號圖形按有規(guī)則的時間間隔重復(fù)地出現(xiàn)。對于這些信號來說，示波器可以從若干連續(xù)的信號周期中采集到的多組采 樣點來構(gòu)成波形，第一組新的采樣點都是由一個新的觸發(fā)事件來啟動采集的， 這稱為等效時間采樣。在這種模式下， 一個觸發(fā)事件到來以后，示波器就采集 信號波形的一部分，例如采集五個采樣點并將它們存入存儲器。另一個觸發(fā)事 件則用來采集另外的五個采樣點，并將其存貯在同一存儲器的不同位置，如此 進行下去經(jīng)過若干次觸發(fā)事件以后，存儲器內(nèi)存貯的足夠的采樣點，就可以在 屏幕上重建一個完整的波形，等效時間采樣使得示波器在高時基設(shè)置值之下給 出很高的時間分離率，這樣一來，就好象示波器具有了比其實際采樣速率要高 得多的一個虛擬采樣速率或稱等效時間采樣速率。等效時間采樣速率是在高時基設(shè)置之下表示示波器水平分辨率的一種間接 的方法。它也表明假如使用實時采樣的方法要獲得相同的時間分辯率所需要的 采樣速率，等效時間采樣速率比現(xiàn)今能夠達到的實時采樣速率要高得多。同時， 采用等效采樣技術(shù)則可以以低成本實現(xiàn)采樣率指標很高的產(chǎn)品，較之實時采樣
的產(chǎn)品，除了無法觀測瞬變信號外，其它方面不遜于實時采樣的產(chǎn)品?，F(xiàn)有技術(shù)中，采用兩種不同的技術(shù)來實現(xiàn)等效時間采樣，即順序采樣和隨 機采樣。1、 順序采樣如圖1所示，采用順序采樣時，采樣點的釆集是按一個固定的次序進行的， 即在屏幕上從左向右的進行采集，每到來一個新的觸發(fā)事件就采集一個采樣點， 為了填滿一個完整的波形記錄，記錄中有多少個存儲位置就需要多少個觸發(fā)事 件。并且，當?shù)谝粋€觸發(fā)事件到來以后就立即采集第一個采樣點，并將其存入 存儲器。第二個觸發(fā)事件則用來超動一個定時系統(tǒng)，此定時系統(tǒng)將產(chǎn)生一個很 小的時間延遲At，經(jīng)過這個At的延遲時間以后，再采集第二個采樣點，在掃跡存儲器中的時間分辨率就等于這個小的延遲時間At，其值可能小于50ps。第三 個觸發(fā)事件到來后，該定時系統(tǒng)則產(chǎn)生2At的延遲時間。此延遲時間過后再采集第三個采樣，并這樣進行下去。這就是說第n個新的采樣點的采集是在相對于類似的觸發(fā)事件延遲了(n-l) At的時間以后進行的。其結(jié)果是示波器上顯示的波形是由按固定次序出現(xiàn)的采 樣點而構(gòu)成的。即第一個采樣點在屏幕的最左邊，接著各采樣點依次向右構(gòu)成 顯示波形。在順序采樣模式下，采集波形的周期數(shù)，即觸發(fā)事件數(shù)等于存儲器的記錄 長度。順序采樣可以實現(xiàn)后觸發(fā)延遲功能，但是不能提供預(yù)觸發(fā)信息，不能觀 察觸發(fā)前的信號，不利于信號的分析。2、 隨機采樣如圖2所示，在使用隨機采樣的示波器中，第一組采樣點是在隨機的時刻 采集的，而與觸發(fā)事件無關(guān)，這些采樣點之間的時間隔為一已知的時間，由采 樣時鐘來確定，當示波器在等待觸發(fā)事件到來時，其內(nèi)部就在連續(xù)的進行采樣 并將結(jié)果貯存起來。當一個觸發(fā)事件到來時示波器內(nèi)的一個定時系統(tǒng)就從這一 時刻開始直到下一個采點時刻進行時間測量。由于采樣間隔是固定的，因此示 波器就能夠從此測量的時間計算出所有采集的采樣點在存儲器中的位置。當?shù)?br> 一次采集的所有采樣點存貯完畢以后，就開始采集一組新的采樣點并等待新的 觸發(fā)事件，新觸發(fā)事件到來以后，計時系統(tǒng)又進行新的時間測量并計算出這些 新的采樣點位置。這些新的采樣點落在一次采集的采產(chǎn)點填充位置之間的未填 充位置，用這種方法，波形掃跡就由在X軸上的隨機位置上出現(xiàn)的一組組采樣 點所構(gòu)成。隨機采樣中的時間鑒別器是其關(guān)鍵技術(shù)，它用于識別觸發(fā)后第一個采樣點 時鐘同觸發(fā)點間的時間差，而對于時間差的測量往往需要輔以較復(fù)雜的外圍電 路來實現(xiàn)，測量的精度和電路的可靠性難以保證。隨機采樣技術(shù)的在優(yōu)點在于 可以提供預(yù)觸發(fā)信息以及觸發(fā)后信息。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種電路簡單，能夠 提供預(yù)觸發(fā)信息，能觀察觸發(fā)前信號的等效采樣裝置。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的等效采樣裝置，包括信號采集模塊、觸發(fā)通道、觸發(fā)模塊、控制模塊，其特征在于，還包括一時延調(diào)節(jié)模塊和同步模塊；時延調(diào)節(jié)模塊在控制模塊的控制下輸出采樣時鐘和同步時鐘，采樣時鐘在 時延調(diào)節(jié)模塊控制下，相位在一定范圍內(nèi)精確變化，變化一次，并進行一組數(shù) 據(jù)采集；同步時鐘與采樣時鐘之間有確定的相位關(guān)系；同步模塊將被測輸入信號與時延調(diào)節(jié)模塊輸出的同步時鐘進行同步，同步 后的輸入信號輸出到采集模塊，在采樣時鐘控制下，進行數(shù)據(jù)采集；一路觸發(fā)信號經(jīng)觸發(fā)通道輸出到觸發(fā)模塊，觸發(fā)模塊輸出觸發(fā)信號，使時 延調(diào)節(jié)模塊觸發(fā)一次，進行一次數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明的等效采樣裝置是這樣實現(xiàn)上述發(fā)明目的的，運用信號同步技術(shù)及 時延調(diào)整技術(shù)實現(xiàn)高速周期信號的等效采樣。通過將被測輸入信號與采樣時鐘 同步，即保證被測信號與采樣時鐘的相位在采樣前始終保持一致，然后精確步 進調(diào)節(jié)采樣時鐘與信號同步時鐘間的相位差，經(jīng)多次重復(fù)采集后，按照相位的 前后關(guān)系，將每次采集的數(shù)據(jù)拼合在一起，即可以恢復(fù)出一個完整的波形，并 大幅提高信號的等效采樣率，提高波形細節(jié)的觀察能力。同時，采樣可以與觸 發(fā)事件無關(guān)，這些采樣點之間的時間隔為一己知的時間，由采樣時鐘來確定， 當示波器在等待觸發(fā)事件到來時，其內(nèi)部就在連續(xù)的進行采樣并將結(jié)果貯存起 來，因此能夠設(shè)置預(yù)觸發(fā)深度，觀察到觸發(fā)前的信號。此外，采用時延方法改變相位，從而改變采樣時鐘的采樣間隔時間，電路 容易簡單。本發(fā)明可以實現(xiàn)GSPS級的等效采樣速率的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并可將其 應(yīng)用到更多的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，如數(shù)字存儲示波器、高速波形分析儀等， 為民用、軍工電子設(shè)備提供更高指標的現(xiàn)代測試手段。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)順序等效采樣原理圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)隨機等效采樣原理圖；圖3是本發(fā)明等效采樣裝置一種具體實施方式
原理框圖；圖4是本發(fā)明等效采樣裝置原理5是圖3所示的同步模塊一種具體實施方式
原理框圖。 圖6是本發(fā)明等效采樣波形采集的一種具體實施流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明優(yōu)選具體實施方式
進行描述。需要提醒注意的是， 在以下的描述中，當采用的已知功能和設(shè)計的詳細描述也許會淡化本發(fā)明的主 題內(nèi)容時，這些描述在這兒將被忽略。圖3是本發(fā)明等效采樣裝置一種具體實施方式
原理框圖。圖中，等效采樣 裝置包括信號調(diào)理模塊l、同步模塊2、采集模塊3、樣值存儲器4、觸發(fā)通道 5、觸發(fā)模塊6、時延調(diào)節(jié)模塊7、控制模塊8、微處理器9及液晶顯示器10。 其中，樣值存儲器4、觸發(fā)模塊6、時延調(diào)節(jié)模塊7、控制模8塊在一片現(xiàn)場可 編程邏輯門陣列(FPGA)中實現(xiàn)，圖中用虛線框部分表示。在本實施例中，信號調(diào)理通道1在控制模塊8的控制下，將大動態(tài)范圍的
被測輸入信號轉(zhuǎn)換到采集模塊3的有效動態(tài)范圍內(nèi)，以滿足采集模塊3采樣的要求；同步模塊2將信號調(diào)理模塊1過來的被測輸入信號與時延調(diào)節(jié)模塊7輸出 的同步時鐘同步。采樣時鐘與同步時鐘之間有確定的相位關(guān)系，經(jīng)同步后的被 測輸入信號也具有與采樣時鐘確定的相位關(guān)系；采集模塊3由高速率模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，負責將同步模塊2輸出的與采樣時 鐘有確定的相位關(guān)系的被測輸入信號完成模擬信號的數(shù)字化，樣值存儲器4在 控制模塊8的控制下，將數(shù)字化的輸入信號存儲起來，然后微處理器9輸出地 址信號，通過控制模塊8將樣值存儲器4的波形數(shù)據(jù)，讀入到微處理器9中；觸發(fā)通道5對輸入觸發(fā)信號進行整形和電平變換，然后將觸發(fā)信號送入到 觸發(fā)模塊中；觸發(fā)模塊6在控制模塊8的控制下完成觸發(fā)通道5輸入信號的觸發(fā)功能， 即邊沿觸發(fā)、視頻觸發(fā)、脈寬觸發(fā)、斜率觸發(fā)，觸發(fā)時延調(diào)節(jié)模塊7進行觸發(fā) 采樣；時延調(diào)節(jié)模塊7在控制模塊8的控制下，輸出具有確定的相位關(guān)系的采樣 時鐘與同步時鐘，并控制采樣時鐘的相位在一定范圍內(nèi)精確變化，每變化一次， 就在觸發(fā)模塊的控制下進行一次數(shù)據(jù)采集，而且可以設(shè)置相應(yīng)的預(yù)觸發(fā)深度， 以便觀察觸發(fā)前的信號。微處理器9通過控制模塊8控制整個等效裝置的設(shè)置和采樣工作，并將樣 值存儲器4存儲數(shù)字化的輸入信號還原，通過液晶顯示器10顯示出來。根據(jù)FPGA選型及采用的實際采樣率的不同，可以設(shè)計出不同精度的時延調(diào) 節(jié)器。例如，如果采用100MHz的采樣率，如果時延調(diào)節(jié)的步進是1/500，則相 位的時延調(diào)節(jié)精度是10nsXl/500 = 20ps，等效采樣率可達50GSPS;進行多次采集后，按照相位的前后關(guān)系，將每次采集的數(shù)據(jù)拼合在一起， 即可以恢復(fù)出一個完整的波形。在本實施例中，采用Analog公司型號為AD9481的ADC進行采樣，分辨 率是8BIT，最高采樣率是250MSPS，數(shù)據(jù)輸出速率可降為125MHz，其接口支 持LVTTL，微處理器采用一款高性能的數(shù)字信號處理器(DSP)。
而現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,簡稱FPGA)采用 Xilinx公司的SPARTAN 3A系列FPGA，這一系列的FPGA專門增強了時鐘控 制單元的功能，其中的DCM (Digital Clock Manage)時鐘控制模塊即可實現(xiàn)對 輸入時鐘的精確調(diào)相，適用于高速信號處理的應(yīng)用。圖4是本發(fā)明等效采樣裝置原理圖。圖中，第二次采樣與第一次采樣相比， 采樣時鐘延時At，第四次采樣，采樣時鐘延時At，這與順序等效采樣是一樣的， 但本發(fā)明等效采樣裝置， 一次觸發(fā)可得到一組采樣點，而這一點又同隨機等效 采樣是一樣的。同時采樣依賴于采樣時鐘，因此，可以能夠設(shè)置預(yù)觸發(fā)深度， 觀察到觸發(fā)前的信號。圖5是圖3所示的同步模塊一種具體實施方式
原理框圖。如圖所示，被測 輸入信號一路輸入到可編程延時線201中，另一路輸入比較器202中，轉(zhuǎn)換成 數(shù)字脈沖信號，并與同步脈沖一起輸入到數(shù)字鑒相器203中，數(shù)字鑒相器203 輸出相位差信號，并輸入到可編程延時線201中，將被測輸入信號進行延時， 最后被測輸入信號與同步時鐘同步。圖6是本發(fā)明等效采樣波形采集的一種具體實施流程圖。如圖所示，在本 實施例中，首先初始化采樣時鐘相位，設(shè)置預(yù)觸發(fā)和重復(fù)采集次數(shù)為N，在微 處理器和控制模塊的控制下，等效采樣裝置開始對被測輸入信號進行采集，采 集一次后，微調(diào)采樣時鐘相位，然后，判斷當前采集次數(shù)是否等于N，如果少 于N，繼續(xù)進行采集，當采樣次數(shù)等于N時，停止采集，然后，按采集次序拼 合各次采樣數(shù)據(jù)，最后顯示出來。需要說明的是，對于輸入信號的調(diào)理，采集的數(shù)據(jù)的存儲、處理、顯示以 及采集觸發(fā)等屬于現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式
進行了描述，但應(yīng)當清楚，本發(fā) 明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種 變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而 易見的， 一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
權(quán)利要求
1. 一種等效采樣裝置，包括信號采集模塊、觸發(fā)通道、觸發(fā)模塊、控制模塊，其特征在于，還包括一時延調(diào)節(jié)模塊和同步模塊；時延調(diào)節(jié)模塊在控制模塊的控制下輸出采樣時鐘和同步時鐘，采樣時鐘在 時延調(diào)節(jié)模塊控制下，相位在一定范圍內(nèi)精確變化，變化一次，并進行一組數(shù) 據(jù)采集；同步時鐘與采樣時鐘之間有確定的相位關(guān)系；同步模塊將被測輸入信號與時延調(diào)節(jié)模塊輸出的同步時鐘進行同步，同步 后的輸入信號輸出到采集模塊，在采樣時鐘控制下，進行數(shù)據(jù)采集；一路觸發(fā)信號經(jīng)觸發(fā)通道輸出到觸發(fā)模塊，觸發(fā)模塊輸出觸發(fā)信號，使時 延調(diào)節(jié)模塊觸發(fā)一次，進行一次數(shù)據(jù)采集。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等效采樣裝置，其特征在于，所述的同步模塊包 括可編程延時線、比較器和數(shù)字鑒相器；被測輸入信號一路輸入到可編程延時線中，另一路輸入比較器中，轉(zhuǎn)換成 數(shù)字脈沖信號，并與同步脈沖一起輸入到數(shù)字鑒相器中，數(shù)字鑒相器輸出相位 差信號，并輸入到可編程延時線中，將被測輸入信號進行延時，使被測輸入信 號與同步時鐘同步。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等效采樣裝置，其特征在于，還包括信號調(diào)理模 塊、控制模塊、微處理器及液晶顯示器；信號調(diào)理通道在控制模塊的控制下，將大動態(tài)范圍的被測輸入信號轉(zhuǎn)換到 采集模塊的有效動態(tài)范圍內(nèi)，以滿足采集模塊采樣的要求；同步模塊將信號調(diào)理模塊過來的被測輸入信號與時延調(diào)節(jié)模塊輸出的同步 時鐘同步；采樣時鐘與同步時鐘之間有確定的相位關(guān)系，經(jīng)同步后的被測輸入 信號也具有與采樣時鐘確定的相位關(guān)系；采集模塊由高速率模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，負責將同步模塊輸出的與采樣時鐘有 確定的相位關(guān)系的被測輸入信號完成模擬信號的數(shù)字化，樣值存儲器在控制模 塊的控制下，將數(shù)字化的輸入信號存儲起來，然后微處理器輸出地址信號，通 過控制模塊將樣值存儲器的波形數(shù)據(jù)，讀入到微處理器中；觸發(fā)通道對輸入觸發(fā)信號進行整形和電平變換，然后將觸發(fā)信號送入到觸 發(fā)模塊中；觸發(fā)模塊在控制模塊的控制下完成觸發(fā)通道輸入信號的觸發(fā)功能，觸發(fā)時 延調(diào)節(jié)模塊進行觸發(fā)采樣；時延調(diào)節(jié)模塊在控制模塊的控制下，輸出具有確定的相位關(guān)系的采樣時鐘 與同步時鐘，并控制采樣時鐘的相位在一定范圍內(nèi)精確變化，每變化一次，就 在觸發(fā)模塊的控制下進行一次數(shù)據(jù)采集，而且可以設(shè)置相應(yīng)的預(yù)觸發(fā)深度，以 便觀察觸發(fā)前的信號；微處理器通過控制模塊控制整個等效裝置的設(shè)置和采樣工作，并將樣值存 儲器存儲數(shù)字化的輸入信號還原，通過液晶顯示器顯示出來。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等效采樣裝置，時延調(diào)節(jié)模塊輸出采樣時鐘和同步時鐘，采樣時鐘相位在一定范圍內(nèi)精確變化，變化一次，并進行一組數(shù)據(jù)采集；同步時鐘與采樣時鐘之間有確定的相位關(guān)系；同步模塊將被測輸入信號與同步時鐘進行同步后輸出到采集模塊，在采樣時鐘控制下，進行數(shù)據(jù)采集；一路觸發(fā)信號經(jīng)觸發(fā)通道輸出到觸發(fā)模塊，觸發(fā)模塊輸出觸發(fā)信號，使時延調(diào)節(jié)模塊觸發(fā)一次，進行一次數(shù)據(jù)采集。由于采樣可以與觸發(fā)事件無關(guān)，這些采樣點之間的時間隔為一已知的時間，在觸發(fā)事件到來時，其內(nèi)部就在連續(xù)的進行采樣，因此能夠設(shè)置預(yù)觸發(fā)深度，觀察到觸發(fā)前的信號。同時，采用時延方法改變相位，從而改變采樣時鐘的采樣間隔時間，電路容易簡單。
文檔編號G01R13/34GK101144835SQ20071005026
公開日2008年3月19日 申請日期2007年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月17日
發(fā)明者芃 葉, 張沁川, 浩 曾, 邱渡裕, 黃建國 申請人:電子科技大學