本期中介紹的USB接口的數(shù)字存儲(chǔ)示波器／頻譜分析儀F-24U是一種新型、微型化、便攜式的虛擬儀器，集數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）、頻譜分析儀（SA）于一身，包含視頻、音頻信號(hào)范圍，配備了強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理軟件，可以用來測(cè)量各種類型電信號(hào)、PAL視頻信號(hào)、NTSC視頻信號(hào)、計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)、單片機(jī)時(shí)序、聲音、脈博、地震波、心電、腦電、電話等，也可以應(yīng)用于電腦、電視機(jī)、VCD／CD機(jī)、音響等維修及各種工業(yè)測(cè)量場(chǎng)合。

F-24U除常用的信號(hào)測(cè)量和頻譜分析功能以外，還可以借用現(xiàn)成的工具處理數(shù)據(jù)的高級(jí)應(yīng)用，如捕捉測(cè)量中感興趣的數(shù)據(jù)、啟動(dòng)EXCEL電子表格軟件、導(dǎo)入包含通道數(shù)據(jù)的文本文件、生成圖表等功能。 下面我們來探究一下F-24U的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理。

硬件設(shè)計(jì)

FlashDSO XP USB硬件原理框圖如圖1所示，主要包括信號(hào)調(diào)理器、信號(hào)采集器、數(shù)據(jù)傳輸模塊、時(shí)鐘發(fā)生器、中央處理器模塊、USB通訊控制器等模塊，本文重點(diǎn)介紹信號(hào)調(diào)理器、信號(hào)采集器和數(shù)據(jù)傳輸模塊。

信號(hào)調(diào)理器信號(hào)調(diào)理器模塊將外部信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)采集器的輸入信號(hào)，原理圖如圖2所示，包含耦合方式、程控衰減、阻抗變換、信號(hào)單極性變換等功能，程控衰減部分采用微型繼電器控制，具有耐高壓、無電阻及噪音干擾等優(yōu)點(diǎn)。

圖2中OP1高頻放大器作為射極跟隨器，提高輸入阻抗，對(duì)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供信號(hào)緩沖作用，OP2、OP3組成加法器和反向器，輸入Vout1變換為Vout2輸出，Vout2=Vout1+Vref，當(dāng)Vref=2.5V，-2.5V

信號(hào)采集器 信號(hào)采集器將信號(hào)調(diào)理器輸出的模擬信號(hào)通過ADC高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，同時(shí)將信號(hào)存入高速靜態(tài)存儲(chǔ)器中，原理圖如圖3所示，U1模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過U2可編程邏輯器件（CPLD）將數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)3靜態(tài)存儲(chǔ)器中，OP1過零比較器輸出信號(hào)作為U2的TRIGER觸發(fā)信號(hào)，U2的S0、S1、S2、S3四引腳作為系統(tǒng)時(shí)鐘分頻選擇開關(guān)，提供11種分頻系數(shù)，如表1所示，同時(shí)U2的T0、T1引腳作為信號(hào)觸發(fā)模式選擇開關(guān)，提供三種觸發(fā)模式，如表2所示。

數(shù)據(jù)傳輸模塊 數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是通過USB接口接收PC機(jī)測(cè)控軟件命令控制相關(guān)模塊，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)回到PC機(jī)測(cè)控軟件，原理圖如圖4所示，具體命令集如表3所示。

軟件設(shè)計(jì)

FlashDSO測(cè)控軟件采用多線程軟件技術(shù)，軟件流程圖如圖5所示，同時(shí)結(jié)合表3的命令集完成軟件控制命令，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)分析線程、設(shè)備控制線程三個(gè)線程，線程間采用共享內(nèi)存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集線程主要向FlashDSO硬件設(shè)備發(fā)送命令，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)共享內(nèi)存中，同時(shí)通知數(shù)據(jù)分析線程進(jìn)行相應(yīng)的處理；數(shù)據(jù)分析線程讀取共享內(nèi)在中的數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)數(shù)字存儲(chǔ)示波器軟件界面的菜單選項(xiàng)，通過幅頻響應(yīng)特性、相頻響應(yīng)特性、自相關(guān)分析特性、功率譜分析特性進(jìn)行相應(yīng)的處理；設(shè)備控制線程根據(jù)軟件界面的選擇菜單，設(shè)置采樣頻率、信號(hào)衰減、耦合方式、觸發(fā)模式等。

F-24U（XP）頻譜分析儀采用FFT算法實(shí)現(xiàn)，頻率分辨率df=fs／N，其中，采樣頻率fs按采樣定理確定，不能小于信號(hào)中最高頻率成份的兩倍；N為FFT變換長度，從計(jì)算效率、內(nèi)存空間和屏幕顯示點(diǎn)數(shù)綜合考慮，通常取1024；頻率分辨率df越小，頻譜分析精度越高，增加采樣長度N或減小采樣頻率都可以達(dá)到此目的。

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