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zui高頻率為／的連續信號，*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zui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*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MathWorks公司推出的一種以矩陣為基本編程單位的數值計算語言，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InstrumentControlToolbox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*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*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：chlon′）；
　　
　　fprintf（g,'data：sourcechl′）；
　　
　　fprintf（g,'data：encdgsrib′）；
　　
　　fprintf（g,'data：startl′）；
　　
　　fprintf（g,'data：stop2500′）；
　　
　　fprintf（g,'data：width2′）；
　　
　　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*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。