数字示波器在高频信号采集中的应用

数字示波器在高频信号采集中的应用

1 高频信号的采集 

当要对一个高频信号(比如高达100MHz的雷达波形)进行采集和处理的时候。通常会设计一个高速或者超高速硬件采集电路，包括放大部分、滤波部分；A／D和D／A转换部分等，这种电路的要求非常高，要求边采集边存储，电路速度高，而且要考虑各种辐射干扰等，同时，目前市场上成品价格很难承受。并且根据采样定理，一个最高频率为／的连续信号，完全可以用时间上相隔了＝1／2f的一系列离散采样值来表示。所以采样频率F应等于或大于被采样信号的最高频率f的2倍，即F≥2f。考虑到实际恢复波形的低通滤波器不可能具有完全理想的特性，为了正确恢复信号，通常取9＝(2．5-5)f或更高。当采样的信号高达100MHz时，就应该达到500MHz的采样率。

2 示波器与计算机的通信

Tektronix公司的TDS系列数字实时示波器早已经在各处得到广泛应用，并且其配套的扩展模块TDS2CM和TDS2MM模块具有与外部设备双向通讯的功能，可直接与打印机、微机连接，使波形的存储打印等工作变得十分方便。其中TDS220数字示波器拥有100MHZ的带宽，以10 倍的扫描方式，达到1GS/s的采样率。当配套的TDS2CM模块采用RS232电缆用串口通信与计算机连接后，利用相应软件(如Matlab等）可以对示波器的数据、波形直接进行读取、处理。
因此可以采用数字示波器与PC机间的通讯，在数字信号处理方面，此时数字示波器相当于一个高速信号采集器，他把数据传输到计算机中，配合Matlab，能实现对高频信号的采集与处理，而且与一般意义上的硬件处理器相比没有了A/D和D/A转换过程，是处理的精度和速度都有了明显的提高，而且价格上示波器配套模块TDSCM2模块也比相应功能的硬件处理器便宜不少。

3 优缺点

数字示波器与PC机的通讯不仅具有一般台式数字存储示波器的功能，而且充分发挥了计算机强大的功能和软件设计的灵活性，他具有4个显著特征：
(1)采用编程语言Matlab和面向对象编程技术，软件开发效率高，可操作性和可维护性好；
(2)为数字存储示波器增加了频域分析功能；
(3)充分利用了计算机的存储与外设连接的能力，测量结果和波形可直接打印输出或通过网络共享；
(4)在相同硬件条件下，可以通过修改或增加软件模块，形成新的仪器功能。
由于要用到示波器，计算机以及RS232的连接，没有单个硬件电路简单明了，是其不足之处。

4 应用情况

4．1 通信原理

Matlab是美国Math Works公司推出的一种以矩阵为基本编程单位的高效数值计算语言，是一个集科学计算、图像处理、声音处理于一体的高度集成系统。他具有强大的数值计算功能，其中的Instrument Control Toolbox提供对GPIB，RS-232，VXI，Centronics等端口进行控制的功能。当用Matlab软件通过RS232与TDS2CM模块串口连接可以实现示波器与计算机之间的数据通讯，同时利用Matlab数值处理、矩阵运算功能对示波器记录的波形数据进行各种分析和处理。
Matlab通过调用M文件函数来创建设备对象，得到设备的文件句柄，这样可以像操作文件一样操作设备，对外设进行相关的读写。原理图如图1所示。

当直接通过RS232进行硬件通信控制时，示波器通过DCD(载波检测)，CTS(清除发送)，RI(振铃提示)3个控制信号表示当前状态，用RTS(请求发送)发送数据。

4．2 数据传榆

当Matlab以二进制格式对示波器的波形进行数据读写时，读写数据与示波器实际数据换算由式(1)给出：
Xn=Xzero+Xiner·n
Yn=yzero+Ymult(Yn－Yoff) (1)
其中：Yn为输入、输出缓冲区中的数据，
n为数据个数：
Xn，Yn为示波器中实际采样时间与信号幅值，
Xzero是所采集波形第一个点的时间，
Xiner是水平轴上的采样率，
yzero是0dB时的幅值，
Ymul是垂直轴上的比例因子；
Yoff是垂直偏移量。
由式(1)可见，所传输的数据完全按照示波器的采样率，波形真实可靠。程序流程图如图2所示。

对示波器的命令由fprintf函数以字符串的形式输出。
设置和询问命令由具体的示波器厂商定义。
从示波器读取数据的部分程序如下：
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′)；

用上述程序对100MHz雷达波形的读取如图3所示。 

4．3 数据分析处理与实例

从示波器读取的数据按式(1)转换后就是实现测量所得的波形数据值，并且可以在计算机中做相应的频谱分析。

5 结 语

在现有的实验条件下，利用数字示波器与计算机之间的通信对高频信号进行采集与处理，能完全满足一般意义上的信号采集工作，可以成为实验室物美价廉的实验工具。