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1 高頻信號(hào)的采集
當(dāng)要對(duì)一個(gè)高頻信號(hào)(比如高達(dá)100MHz的雷達(dá)波形)進(jìn)行采集和處理的時(shí)候。通常會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)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(zhuǎn)換部分等,這種電路的要求非常高,要求邊采集邊存儲(chǔ),電路速度高,而且要考慮各種輻射干擾等,同時(shí),目前市場(chǎng)上成品價(jià)格很難承受。并且根據(jù)采樣定理,一個(gè)zui高頻率為/的連續(xù)信號(hào),*可以用時(shí)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(yīng)等于或大于被采樣信號(hào)的zui高頻率f的2倍,即F≥2f??紤]到實(shí)際恢復(fù)波形的低通濾波器不可能具有*理想的特性,為了正確恢復(fù)信號(hào),通常取9=(2.5-5)f或更高。當(dāng)采樣的信號(hào)高達(dá)100MHz時(shí),就應(yīng)該達(dá)到500MHz的采樣率。
2 示波器與計(jì)算機(jī)的通信
Tektronix公司的TDS系列數(shù)字實(shí)時(shí)示波器早已經(jīng)在各處得到廣泛應(yīng)用,并且其配套的擴(kuò)展模塊TDS2CM和TDS2MM模塊具有與外部設(shè)備雙向通訊的功能,可直接與打印機(jī)、微機(jī)連接,使波形的存儲(chǔ)打印等工作變得十分方便。其中TDS220數(shù)字示波器擁有100MHZ的帶寬,以10 倍的掃描方式,達(dá)到1GS/s的采樣率。當(dāng)配套的TDS2CM模塊采用RS232電纜用串口通信與計(jì)算機(jī)連接后,利用相應(yīng)軟件(如Matlab等)可以對(duì)示波器的數(shù)據(jù)、波形直接進(jìn)行讀取、處理。
3 優(yōu)缺點(diǎn)
數(shù)字示波器與PC機(jī)的通訊不僅具有一般臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能,而且充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的功能和軟件設(shè)計(jì)的靈活性,他具有4個(gè)顯著特征:
(1)采用編程語言Matlab和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù),軟件開發(fā)效率高,可操作性和可維護(hù)性好;
(2)為數(shù)字存儲(chǔ)示波器增加了頻域分析功能;
(3)充分利用了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)與外設(shè)連接的能力,測(cè)量結(jié)果和波形可直接打印輸出或通過網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)以及RS232的連接,沒有單個(gè)硬件電路簡(jiǎn)單明了,是其不足之處。
4 應(yīng)用情況
4.1 通信原理Matlab是美國(guó)Math Works公司推出的一種以矩陣為基本編程單位的數(shù)值計(jì)算語言,是一個(gè)集科學(xué)計(jì)算、圖像處理、聲音處理于一體的高度集成系統(tǒng)。他具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能,其中的Instrument Control Toolbox提供對(duì)GPIB,RS-232,VXI,Centronics等端口進(jìn)行控制的功能。當(dāng)用Matlab軟件通過RS232與TDS2CM模塊串口連接可以實(shí)現(xiàn)示波器與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊,同時(shí)利用Matlab數(shù)值處理、矩陣運(yùn)算功能對(duì)示波器記錄的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和處理。
Matlab通過調(diào)用M文件函數(shù)來創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象,得到設(shè)備的文件句柄,這樣可以像操作文件一樣操作設(shè)備,對(duì)外設(shè)進(jìn)行相關(guān)的讀寫。原理圖如圖1所示。
當(dāng)直接通過RS232進(jìn)行硬件通信控制時(shí),示波器通過DCD(載波檢測(cè)),CTS(清除發(fā)送),RI(振鈴提示)3個(gè)控制信號(hào)表示當(dāng)前狀態(tài),用RTS(請(qǐng)求發(fā)送)發(fā)送數(shù)據(jù)。
4.2 數(shù)據(jù)傳榆當(dāng)Matlab以二進(jìn)制格式對(duì)示波器的波形進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫時(shí),讀寫數(shù)據(jù)與示波器實(shí)際數(shù)據(jù)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(qū)中的數(shù)據(jù),
n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù):
Xn,Yn為示波器中實(shí)際采樣時(shí)間與信號(hào)幅值,
Xzero是所采集波形*個(gè)點(diǎn)的時(shí)間,
Xiner是水平軸上的采樣率,
yzero是0dB時(shí)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?shù)臄?shù)據(jù)*按照示波器的采樣率,波形真實(shí)可靠。
程序流程圖如圖2所示。
對(duì)示波器的命令由fprintf函數(shù)以字符串的形式輸出。
設(shè)置和詢問命令由具體的示波器廠商定義。
從示波器讀取數(shù)據(jù)的部分程序如下:
g=serial(′coml′);
g.InputBufferSize=10000;
g.timeout=10;
g.BaudRate=9600;
g.Parity='none';
g.StopBits=1;
g.Terminator='LF'
g.FlowControl='hardware';
fopen(g);
fprintf(g,'select:chl on′);
fprintf(g,'data:source chl′);
fprintf(g,'data:encdg srib′);
fprintf(g,'data:start l′);
fprintf(g,'data:stop 2500′);
fprintf(g,'data:width 2′);
fprintf(g,'wfmpre:xzero? ′);
xzero=fscanf(g,'%f′);
fprintf(g,'curve? ′);
out=fread(g,2500,'intl6′);
fclose(g);
delete(g);
freeserial('coml′);用上述程序?qū)?00MHz雷達(dá)波形的讀取如圖3所示。
4.3 數(shù)據(jù)分析處理與實(shí)例從示波器讀取的數(shù)據(jù)按式(1)轉(zhuǎn)換后就是實(shí)現(xiàn)測(cè)量所得的波形數(shù)據(jù)值,并且可以在計(jì)算機(jī)中做相應(yīng)的頻譜分析。
5 結(jié) 語在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下,利用數(shù)字示波器與計(jì)算機(jī)之間的通信對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行采集與處理,能*一般意義上的信號(hào)采集工作,可以成為實(shí)驗(yàn)室物美價(jià)廉的實(shí)驗(yàn)工具。
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