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虚拟示波器/频谱分析仪F-24U结构及原理分析

虚拟示波器/频谱分析仪F-24U结构及原理分析

点击数:7789 次   录入时间:03-04 11:39:27   整理:http://www.55dianzi.com   仪器仪表读写器

  本期中介绍的USB接口的数字存储示波器/频谱分析仪F-24U是一种新型、微型化、便携式的虚拟仪器,集数字存储示波器(DSO)、频谱分析仪(SA)于一身,包含视频、音频信号范围,配备了强大的数字信号处理软件,可以用来测量各种类型电信号、PAL视频信号、NTSC视频信号、计算机数字信号、单片机时序、声音、脉博、地震波、心电、脑电、电话等,也可以应用于电脑、电视机、VCD/CD机、音响等维修及各种工业测量场合。

  F-24U除常用的信号测量和频谱分析功能以外,还可以借用现成的工具处理数据的高级应用,如捕捉测量中感兴趣的数据、启动EXCEL电子表格软件、导入包含通道数据的文本文件、生成图表等功能。

  下面我们来探究一下F-24U的内部结构和原理。

  硬件设计

FlashDSOXPUSB硬件原理框图

  FlashDSOXPUSB硬件原理框图如上图所示,主要包括信号调理器、信号采集器、数据传输模块、时钟发生器、中央处理器模块、USB通讯控制器等模块,本文重点介绍信号调理器、信号采集器和数据传输模块。

  信号调理器

  信号调理器模块将外部信号转换成信号采集器的输入信号,原理图如图2所示,包含耦合方式、程控衰减、阻抗变换、信号单极性变换等功能,程控衰减部分采用微型继电器控制,具有耐高压、无电阻及噪音干扰等优点。

OP1高频放大器作为射极跟随器

  上图中OP1高频放大器作为射极跟随器,提高输入阻抗,对ADC模数转换器提供信号缓冲作用,OP2、OP3组成加法器和反向器,输入Vout1变换为Vout2输出,Vout2=Vout1+Vref,当Vref=2.5V,-2.5V<Vout1<2.5V时,0V<Vout2<5V,完成信号单极性变换,作为采集模块的输入信号。

  信号采集器

分频系统 选择开关(SO,S1,S2,S3) 1 (0,0,0,0) 2 (0,0,0,1) 5 (0,0,1,0) 10 (0,0,1,1) 20 (0,1,0,0) 50 (0,1,0,1) 100 (0,1,1,0) 200 (0.1,1,1) 500 (1,0,0,0) 1000 (1,0,0,1) 2000 (1,0,1,0)

  信号采集器将信号调理器输出的模拟信号通过ADC高速模数转换器,转换成数宇信号,同时将信号存入高速静态存储器中,原理图如下图所示,U1模数转换器将输入的信号转换成数字信号,通过U2可编程逻辑器件(CPLD)将数字信号数据写入U3静态存储器中,OP1过零比较器输出信号作为U2的TRIGER触发信号,U2的SO、S1、S2、S3四引脚作为系统时钟分频选择开关,提供11种分频系数)如上表所示,同时U2的TO、T1引脚作为信号触发模式选择开关,提供二种触发模式,如下表所示。

二种触发模式

原理图

  数据传输模块

  数据传输模块主要是通过USB接口接收PC机测控软件命令控制相关模块,同时将采集的数据发回到PC机测控软件,原理图如下图所示,具体命令集如下表所示。

原理图

具体命令集

  软件设计

  FlashDSO测控软件采用多线程软件技术,软件流程图如下图所示,同时结合上表的命令集完成软件控制命令,系统启动时产生数据采集线程、数据分析线程、设备控制线程三个线程,线程间采用共享内存传输数据。

原理图

  数据采集线程主要向FlashDSO硬件设备发送命令,将数据传输到PC机共享内存中,同时通知数据分析线程进行相应的处理;数据分析线程读取共享内在中的数据:同时根据数字存储示波器软件界面的菜单选项,通过幅频响应特性、相频响应特性、自相关分析特性、功率谱分析特性进行相应的处理;设备控制线程根据软件界面的选择菜单,设置采样频率、信号衰减、耦合方式、触发模式等。

  F-24U(XP)频谱分析仪采用FFT算法实现,频率分辨率df=fS/N,其中,采样频率fs按采样定理确定,不能小于信号中最高频率成份的两倍;N为FFT变换长度,从计算效率、内存空间和屏幕显示点数综合考虑,通常取1024;频率分辨率df越小:频谱分析精度越高,增加采样长度N或减小采样频率都可以达到此目的。




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