數字示波器在高頻信號采集中的應用

1 高頻信號的采集 

當要對一個高頻信號(比如高達100MHz的雷達波形)進行采集和處理的時候。通常會設計一個高速或者超高速硬件采集電路，包括放大部分、濾波部分；A／D和D／A轉換部分等，這種電路的要求非常高，要求邊采集邊存儲，電路速度高，而且要考慮各種輻射干擾等，同時，目前市場上成品價格很難承受。并且根據采樣定理，一個最高頻率為／的連續信號，完全可以用時間上相隔了＝1／2f的一系列離散采樣值來表示。所以采樣頻率F應等于或大于被采樣信號的最高頻率f的2倍，即F≥2f。考慮到實際恢復波形的低通濾波器不可能具有完全理想的特性，為了正確恢復信號，通常取9＝(2．5-5)f或更高。當采樣的信號高達100MHz時，就應該達到500MHz的采樣率。

2 示波器與計算機的通信

Tektronix公司的TDS系列數字實時示波器早已經在各處得到廣泛應用，并且其配套的擴展模塊TDS2CM和TDS2MM模塊具有與外部設備雙向通訊的功能，可直接與打印機、微機連接，使波形的存儲打印等工作變得十分方便。其中TDS220數字示波器擁有100MHZ的帶寬，以10 倍的掃描方式，達到1GS/s的采樣率。當配套的TDS2CM模塊采用RS232電纜用串口通信與計算機連接后，利用相應軟件(如Matlab等）可以對示波器的數據、波形直接進行讀取、處理。
因此可以采用數字示波器與PC機間的通訊，在數字信號處理方面，此時數字示波器相當于一個高速信號采集器，他把數據傳輸到計算機中，配合Matlab，能實現對高頻信號的采集與處理，而且與一般意義上的硬件處理器相比沒有了A/D和D/A轉換過程，是處理的精度和速度都有了明顯的提高，而且價格上示波器配套模塊TDSCM2模塊也比相應功能的硬件處理器便宜不少。

3 優缺點

數字示波器與PC機的通訊不僅具有一般臺式數字存儲示波器的功能，而且充分發揮了計算機強大的功能和軟件設計的靈活性，他具有4個顯著特征：
(1)采用編程語言Matlab和面向對象編程技術，軟件開發效率高，可操作性和可維護性好；
(2)為數字存儲示波器增加了頻域分析功能；
(3)充分利用了計算機的存儲與外設連接的能力，測量結果和波形可直接打印輸出或通過網絡共享；
(4)在相同硬件條件下，可以通過修改或增加軟件模塊，形成新的儀器功能。
由于要用到示波器，計算機以及RS232的連接，沒有單個硬件電路簡單明了，是其不足之處。

4 應用情況

4．1 通信原理

Matlab是美國Math Works公司推出的一種以矩陣為基本編程單位的高效數值計算語言，是一個集科學計算、圖像處理、聲音處理于一體的高度集成系統。他具有強大的數值計算功能，其中的Instrument Control Toolbox提供對GPIB，RS-232，VXI，Centronics等端口進行控制的功能。當用Matlab軟件通過RS232與TDS2CM模塊串口連接可以實現示波器與計算機之間的數據通訊，同時利用Matlab數值處理、矩陣運算功能對示波器記錄的波形數據進行各種分析和處理。
Matlab通過調用M文件函數來創建設備對象，得到設備的文件句柄，這樣可以像操作文件一樣操作設備，對外設進行相關的讀寫。原理圖如圖1所示。

當直接通過RS232進行硬件通信控制時，示波器通過DCD(載波檢測)，CTS(清除發送)，RI(振鈴提示)3個控制信號表示當前狀態，用RTS(請求發送)發送數據。

4．2 數據傳榆

當Matlab以二進制格式對示波器的波形進行數據讀寫時，讀寫數據與示波器實際數據換算由式(1)給出：
Xn=Xzero+Xiner·n
Yn=yzero+Ymult(Yn－Yoff) (1)
其中：Yn為輸入、輸出緩沖區中的數據，
n為數據個數：
Xn，Yn為示波器中實際采樣時間與信號幅值，
Xzero是所采集波形第一個點的時間，
Xiner是水平軸上的采樣率，
yzero是0dB時的幅值，
Ymul是垂直軸上的比例因子；
Yoff是垂直偏移量。
由式(1)可見，所傳輸的數據完全按照示波器的采樣率，波形真實可靠。程序流程圖如圖2所示。

對示波器的命令由fprintf函數以字符串的形式輸出。
設置和詢問命令由具體的示波器廠商定義。
從示波器讀取數據的部分程序如下：
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′)；

用上述程序對100MHz雷達波形的讀取如圖3所示。 

4．3 數據分析處理與實例

從示波器讀取的數據按式(1)轉換后就是實現測量所得的波形數據值，并且可以在計算機中做相應的頻譜分析。

5 結 語

在現有的實驗條件下，利用數字示波器與計算機之間的通信對高頻信號進行采集與處理，能完全滿足一般意義上的信號采集工作，可以成為實驗室物美價廉的實驗工具。