100MHz 數(shù)字存儲示波表樣機(jī)的研究與試制----數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(三)
3.4.3隨機(jī)采樣
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201706/348243.htm隨機(jī)采樣也是一種等效時間采樣。它的采樣點(diǎn)是在隨機(jī)時刻采集的,與觸發(fā)事件無關(guān)。這些采樣點(diǎn)之間的時間間隔為一已知的時間,由采樣時鐘確定。當(dāng)示波器在等待觸發(fā)事件時,A/D就在連續(xù)的進(jìn)行采樣,并存入FIFO.當(dāng)一個觸發(fā)事件到來時,時間測量電路就對觸發(fā)脈沖到觸發(fā)脈沖后第一個采樣脈沖之間的時間間隔進(jìn)行測量。由于采樣間隔是固定的,所以,示波器能得到相對位置固定的一組采樣點(diǎn)。當(dāng)?shù)谝淮尾杉乃胁蓸狱c(diǎn)存儲完畢之后,就開始采集一組新的采樣點(diǎn),并等待新的觸發(fā)事件。新觸發(fā)事件到來以后,時間測量電路又進(jìn)行新的時間測量,以此來排列第一組采樣點(diǎn)和第二組采樣點(diǎn)的相對位置,并按順序存入存儲器。隨機(jī)采樣的原理圖如圖3-13.
順序采樣與隨機(jī)采樣都屬于等效時間采樣,在這兩種取樣方式下,示波器的帶寬稱為等效帶寬。它們的共同之處是都只能觀測周期信號。但同時它們也有很大的不同:1.順序采樣的采樣點(diǎn)與觸發(fā)脈沖有△t的延遲時間關(guān)系,而隨機(jī)采樣的采樣點(diǎn)與觸發(fā)脈沖無任何關(guān)系,完全是隨機(jī)的。2.順序采樣觸發(fā)后每個信號周期只有一個采樣點(diǎn),而隨機(jī)采樣每個信號周期可以獲得一組采樣點(diǎn)。在實際應(yīng)用中,由于隨機(jī)采樣要計算擺點(diǎn)的位置,所以它填滿一個完整的波形所花的時間要比順序采樣多一些,但隨機(jī)采樣相比于順序采樣最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供預(yù)觸發(fā)信息。
1.隨機(jī)采樣的實現(xiàn)
隨機(jī)采樣與實時采樣的實現(xiàn)電路有所不同。實時采樣的“+”延遲觸發(fā)計數(shù)器和“—”延遲觸發(fā)計數(shù)器是通過DSP來設(shè)置計數(shù)值,而隨機(jī)采樣我們是固定兩個計數(shù)器的值為100,也就是說觸發(fā)前和觸發(fā)后各采100個點(diǎn)。隨機(jī)采樣的主要電路結(jié)構(gòu)如圖3-14.
首先,在每個寫時鐘(WCLK)檢測DSP是否發(fā)出FIFO寫使能信號(FIFO_WE)。當(dāng)DSP發(fā)出寫FIFO命令時,D觸發(fā)器輸出為“1”。同時,由于計數(shù)器POS_COUNT100初始時輸出為“0”,所以經(jīng)反相后輸出為“1”,與D觸發(fā)器的輸出同作為與非門的輸入,將FIFO寫使能(FIFO_WEN)置為“0”。FIFO_WEN經(jīng)反相后作為PRE_COUNT100的計數(shù)使能信號,計數(shù)器根據(jù)寫時鐘計數(shù)。當(dāng)計滿100個數(shù)后,Armed變?yōu)楦唠娖剑试S觸發(fā)信號TR.等待觸發(fā)過程中,F(xiàn)IFO寫時鐘等于FIFO讀時鐘。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來時,F(xiàn)IFO讀時鐘無效,POS_COUNT100開始根據(jù)寫時鐘計數(shù)。計滿100個數(shù)后POS_COUNT100輸出變?yōu)?ldquo;1”,使FIFO寫使能無效,從而結(jié)束一次觸發(fā)一組數(shù)據(jù)的采集。
2.時間測量電路
要實現(xiàn)隨機(jī)采樣技術(shù),其關(guān)鍵就是要精確測量觸發(fā)脈沖與觸發(fā)脈沖后第一個采樣脈沖之間的△t,只有準(zhǔn)確的測量出這個△t才能擺正各次觸發(fā)所采集的采樣點(diǎn)在時間軸上的時間關(guān)系,從而保證正確的重現(xiàn)信號波形。
項目中,由于實時采樣率為100MSPS,且觸發(fā)脈沖和采樣脈沖的出現(xiàn)在時間軸上具有隨機(jī)性,因此,兩者間的時間間隔△t很?。?≤△t<10nS),且為0至10nS區(qū)間的任意值,難于對其進(jìn)行直接的測量和處理。間接測量的方法有多種,采用模擬時間擴(kuò)展器測量第一采樣脈沖與觸發(fā)脈沖之間的隨機(jī)時間間隔△t是一種可行的方案。我們采用的模擬擴(kuò)展電路是恒流源雙積分時間擴(kuò)展電路,它將時間間隔△t線性放大數(shù)倍(通常放大倍率為250至500倍),形成計數(shù)時間閘門,在閘門時間內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)時鐘源T 0計數(shù)。然后根據(jù)計數(shù)結(jié)果確定△t的值。該功能單元的原理框圖由圖3-15所示。
本系統(tǒng)采用的恒流源雙積分時間擴(kuò)展電路是利用兩個恒流源對一個電容的快放慢充電,來實現(xiàn)對時間的展寬:在觸發(fā)脈沖下降沿到來時進(jìn)行放電,當(dāng)?shù)谝粋€采樣脈沖上升沿到來時進(jìn)行充電,且放電電流遠(yuǎn)大于充電電流,就可以實現(xiàn)時間的展寬。圖3-16為雙斜率電容充電電路時間展寬工作原理示意圖。
由圖知,
即雙斜率積分時間展寬電路的放大倍數(shù)是放電電流與充電電流之比。而實際電路的充放電流具有非線性,尤其對很小的時間間隔,非線性的影響就非常明顯。另外充放電路輸出的鋸齒波,還要送到比較器以產(chǎn)生所需的計數(shù)時間閘門,所以實際的放大倍數(shù)小于理論計算出的放大倍數(shù)。
若DSO的最小時間分辨率tes =200ps,計數(shù)脈沖為To =10ns,則時間放大倍數(shù)是K:K= To/tes =50,因此雙斜率積分時間展寬電路的實際放大倍數(shù)必須大于50倍。在保證充放電線性的基礎(chǔ)上提高放大倍率顯然有利于提高時間測量精度,放大倍率的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)充電電流和放電電流的大小實現(xiàn),還可通過調(diào)節(jié)比較電壓和電容值來實現(xiàn)微調(diào)。
事實上,要讓恒流源雙積分時間擴(kuò)展電路要工作在線性區(qū)△t不能太小,而由上文分析知道0≤△t<10nS,且在[0,10nS)區(qū)間任意取值,這就必然導(dǎo)致有時模擬擴(kuò)展器不能正常工作。為了解決這一矛盾,我們在△t上插入一個恒定的時間間隔T0(T0 =10nS),這樣△t +T0∈[10 nS,20nS)。經(jīng)過處理后的時間間隔就可以確保時間擴(kuò)展器電路工作在線性區(qū)。實現(xiàn)電路如圖3-17所示。
如圖所示,TRI_EXP 模塊主要完成△t+10ns 的功能,其仿真圖如圖 3-18。
COUNT_TRI 模塊主要完成對模擬展寬后脈沖的計數(shù)工作。其中,M_TRI_EXP為模擬電路送來的展寬后脈沖所形成的閘門信號,用它來作為計數(shù)使能控制。同時,用 100MHz 時鐘來對它進(jìn)行計數(shù)。TRI_COUNT[15..0]為展寬脈沖的計數(shù)值,計數(shù)結(jié)束后將它送入 DSP,做為擺點(diǎn)的依據(jù)。
3.時間擴(kuò)展器的校準(zhǔn)
由于模擬脈沖展寬電路是由一些分離元件設(shè)計的,工作狀態(tài)易受溫度等外界環(huán)境因素影響,展寬倍數(shù)也因此隨時在改變,所以很難精確的計算其展寬倍數(shù)。為了消除K值的變化、比較電平的漂移帶來的誤差,所以引入校正技術(shù):通過三次測量,即先測To和2To的值,再測tx+To值進(jìn)行計算處理。
(1)當(dāng)t = T0時,擴(kuò)展后得:NsT0=KT0-TH
計數(shù)值Ns=(KT0-TH)/TH (A)(其中,TH為無效擴(kuò)展時間)
(2)當(dāng)t = 2T0時,擴(kuò)展后得:NsT0=2KT0-TH
計數(shù)值Nr=(KT0-TH)/TH (B)
(3)當(dāng)t=tx+T0時,擴(kuò)展后得:NsT0=K(tx+T0)-TH
計數(shù)值Nx=[(K(tx+T0)-TH)]/TH(C)
將式(B)減去式(A),得Nr-Ns=K
將式(C)減去式(A),得Nx-Ns=Ktx/T0,并將上面的K值帶入,得:
由上式可見,通過對擴(kuò)展器的校正,完全消除了恒流源和比較電平的變化對測量結(jié)果的影響。以上電路可以方便地在FPGA中實現(xiàn)。
4.隨機(jī)采樣的顯示
上面我們已經(jīng)介紹過本項目中在100ns/div-5ns/div的檔位下采用隨機(jī)采樣技術(shù),而且隨機(jī)采樣的時候,我們的采樣率固定為100MHz.我們知道示波器時間軸上共有10格,每格25個點(diǎn)。所以,當(dāng)在5ns/div檔位下的時候示波器的等效采樣率最高,等于5GSPS(5ns/25 =0.2ns)。在具體實現(xiàn)隨機(jī)顯示的過程中,我們采用抽點(diǎn)顯示的方法,即在等效采樣率最高的時候,采樣足夠多的點(diǎn),然后每個檔位依此抽點(diǎn)顯示。隨機(jī)采樣時,各檔位的等效采樣率以及抽點(diǎn)個數(shù)如表3-2.
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