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本期中介紹的USB接口的數字存儲示波器／頻譜分析儀F-24U是一種新型、微型化、便攜式的虛擬儀器，集數字存儲示波器(DSO)、頻譜分析儀(SA)于一身，包含視頻、音頻信號范圍，配備了強大的數字信號處理軟件，可以用來測量各種類型電信號、PAL視頻信號、NTSC視頻信號、計算機數字信號、單片機時序、聲音、脈博、地震波、心電、腦電、電話等，也可以應用于電腦、電視機、VCD／CD機、音響等維修及各種工業測量場合。 F-24U除常用的信號測量和頻譜分析功能以外，還可以借用現成的工具處理數據的高級應用，如捕捉測量中感興趣的數據、啟動EXCEL電子表格軟件、導入包含通道數據的文本文件、生成圖表等功能。 下面我們來探究一下F-24U的內部結構和原理。 硬件設計 FlashDSO XP USB硬件原理框圖如圖1所示，主要包括信號調理器、信號采集器、數據傳輸模塊、時鐘發生器、中央處理器模塊、USB通訊控制器等模塊，本文重點介紹信號調理器、信號采集器和數據傳輸模塊。 信號調理器信號調理器模塊將外部信號轉換成信號采集器的輸入信號，原理圖如圖2所示，包含耦合方式、程控衰減、阻抗變換、信號單極性變換等功能，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點。 圖2中OP1高頻放大器作為射極跟隨器，提高輸入阻抗，對ADC模數轉換器提供信號緩沖作用，OP2、OP3組成加法器和反向器，輸入Vout1變換為Vout2輸出，Vout2=Vout1+Vref，當Vref=2.5V，-2.5V 信號采集器 信號采集器將信號調理器輸出的模擬信號通過ADC高速模數轉換器，轉換成數字信號，同時將信號存入高速靜態存儲器中，原理圖如圖3所示，U1模數轉換器將輸入的信號轉換成數字信號，通過U2可編程邏輯器件(CPLD)將數字信號數據寫入U3靜態存儲器中，OP1過零比較器輸出信號作為U2的TRIGER觸發信號，U2的S0、S1、S2、S3四引腳作為系統時鐘分頻選擇開關，提供11種分頻系數，如表1所示，同時U2的T0、T1引腳作為信號觸發模式選擇開關，提供三種觸發模式，如表2所示。 數據傳輸模塊 數據傳輸模塊主要是通過USB接口接收PC機測控軟件命令控制相關模塊，同時將采集的數據發回到PC機測控軟件，原理圖如圖4所示，具體命令集如表3所示。 軟件設計 FlashDSO測控軟件采用多線程軟件技術，軟件流程圖如圖5所示，同時結合表3的命令集完成軟件控制命令，系統啟動時產生數據采集線程、數據分析線程、設備控制線程三個線程，線程間采用共享內存傳輸數據。 數據采集線程主要向FlashDSO硬件設備發送命令，將數據傳輸到PC機共享內存中，同時通知數據分析線程進行相應的處理；數據分析線程讀取共享內在中的數據，同時根據數字存儲示波器軟件界面的菜單選項，通過幅頻響應特性、相頻響應特性、自相關分析特性、功率譜分析特性進行相應的處理；設備控制線程根據軟件界面的選擇菜單，設置采樣頻率、信號衰減、耦合方式、觸發模式等。 F-24U(XP)頻譜分析儀采用FFT算法實現，頻率分辨率df=fs／N，其中，采樣頻率fs按采樣定理確定，不能小于信號中最高頻率成份的兩倍；N為FFT變換長度，從計算效率、內存空間和屏幕顯示點數綜合考慮，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到此目的。 |
