寬帶無縫采集示波器的設計與應用

方 瑋

（黃岡職業技術學院，黃岡 408002）

0 引言

近年來，在較廣泛的技術領域，現代電子信號呈現出復雜化、多樣性的特征，尤其是信號的頻率范圍不斷拓寬，信號的瞬時性、復雜度不斷增加，信號非平穩特性的增長極為迅速，面向高速時域取樣及相關的分析理論，已逐漸成為測試學科發展的主要方向之一，隨著高速取樣信號分析方面技術的深入研究，數字化時域測試儀器得到了迅猛發展[1,2]。在通信領域，針對通信系統高速大容量數據、調制信號、高速脈沖組成的長幀數字通信信號的完整捕獲測試分析，以及低概率的系統隨機突發異常事件記錄分析及故障快速診斷等測試需求。國際上數字示波器最高采樣率已接近60GSPS，最高波形捕獲率達 400, 000wfms/s以上；而國內數字示波器最高采樣率只到 5GSPS，波形捕獲率 120,000wfms/s。根本原因是元器件水平，即國外主要從元器件級解決問題，通過不斷提高 A/D 轉換器、專用 ASCI 電路等器件速度，從而更好地保證其整機性能，而國內在相當長時間內顯然無法做到這點。

在通用測試儀器方面，最常見的測試儀器是頻譜儀和示波器。隨著軍事和通信領域技術的深入發展，20 世紀無線電技術一直在不斷創新，技術的演進也推動著 RF 測試技術向前發展。監測間歇性干擾或頻譜使用情況等也需要一種有效的手段來實現“寬帶實時監測”。實時頻譜儀（RTSA）的推出，滿足了這些方面的測試需求，在其實時測量模式下，它無縫捕獲每個塊并存儲在內存中，然后使用 DSP 技術進行后期處理，以便分析信號的頻率、時間和調制特點。該儀器的無縫采集是基于大存儲器在一段時間內連續采集信號的模式，一旦存儲器采集滿，那么系統便會停止采集，將工作模式切換為數據處理的過程，因此實時頻譜分析儀采用的無縫采集技術僅在內存塊內實現了無縫采集的效果。數字示波器的發展也一直致力于提高波形捕獲能力上的研究，在無縫采集方面，安捷倫和泰克兩家公司都相繼推出了“內存分段存儲”功能，即將一個較大的內存分為多段，每段采集和存儲滿足觸發條件的事件，以增強對目標信號的捕獲能力，并減小兩次觸發事件死區時間，然而該功能與實時頻譜儀所提出的內存塊存儲模式類似，實現無縫采集的條件是有局限的，只在內存塊內采集才是無縫[3,4]。

綜上所述，國內外對無縫采集技術進行了大量的研究，但是目前存在的問題主要是：第一，有限制條件，利用大容量存儲器先將采集數據存儲下來，然后再慢慢處理，只能保證在存儲深度內的那一段數據是無縫的，不能實現持續的無縫采集與處理；第二，指標低，在一些應用場合主要是對慢速信號進行無縫采集，實現的難度不高；第三，采集與顯示脫節，目前無縫采集的研究中普遍存在采集時不能顯示，顯示時不能采集、實時性差的問題。另外，在國內外相關文獻中還未見有關于在數字示波器中持續實現無縫采集的相關報道或產品。

1 寬帶無縫采集體系結構

在時域測試領域中，波形捕獲率是衡量其數據采集性能的一個重要指標[5]。波形捕獲率定義為“單位時間內時域數據采集系統所能捕獲并顯示的波形幅數（wfms/s）”（注：所謂“一幅波形”是指，采集系統經過一次觸發并完成采集同時顯示在屏幕上的所有采樣點統稱，通常用 wfms 表示）。它表達了單位時間內采集系統所獲取并顯示的信息量的大小。如圖1無縫采集示意圖所示，給出了時域采集系統在最基本的邊沿觸發模式下的采集過程，被測正弦信號與觸發電平進行比較，產生一系列觸發脈沖，觸發脈沖被送入到采集系統中控制采集，圖中假設預觸發深度調節到采集系統屏幕最左端，觸發沿選擇上升沿觸發，這樣設置后，按照此類系統的采集特點，一旦啟動采集，觸發信號到來時便立即開始采集數據，直到波形緩沖區存滿，也即完成第 1 次采集過程。從圖中可以看出，在第 1 次采集過程中觸發脈沖 T1起到了觸發并啟動采集的作用，是一次有效觸發，而觸發脈沖 T2 被包含在第一次采集過程中，不起任何作用，是一次無效觸發；第 1 次采集完成之后便立即開始第 2 次采集，但由于第二次采集開始時觸發信號可能未到來，在這段時間內采集系統處于等待觸發階段，直到觸發信號 T3 到來，才開始第 2 次采集進程，以此類推，第 k次采集也應符合這一過程。

圖1 無縫采集示意圖

數字示波器的時基設置，通常是影響波形捕獲率的首要設置條件。這是因為時基設置，決定了采集顯示的時間窗口。測量示波器的波形捕獲率并不難。一部分示波器提供了觸發信號輸出通道，通常用于使其它儀器與示波器的觸發同步。因此根據示波器提供的觸發輸出信號的特點，可以使用外部計數器測量這個輸出觸發信號的平均頻率，用它來度量示波器的波形捕獲率。設定信號發生器輸出單次雙脈沖測試信號。測試信號由一段較窄脈沖W1和一段較寬脈沖W2組成，兩個脈沖的上升沿對應著波形的觸發位置t1和t2，t1和t2之間的時間間隔 T0可調節。測試前先關閉信號發生器的輸出。

2 寬帶無縫采集示波器設計

設計的總體方案如圖2所示，每通道采用2片采樣率為3GSPS的ADC構成并行交替采集系統來實現6GSPS的采樣率；采用高性能FPGA作為核心邏輯控制單元，利用其設計靈活、可重構的特點，在FPGA中實現高速采樣數據流的非均勻實時校正、無縫采集的體系結構、觸發同步、高速大容量數據的特征值檢測等功能模塊；采用DSP作為系統的微處理器，完成系統控制和人機交互方面的功能；時間展寬電路輔助觸發同步模塊完成微小時間間隔的放大，放大后的信號送回FPGA中進行測量。

本設計的數據采集系統中，模數轉換器選用4片美國NS公司的超高速ADC—ADC083000，該器件最高采樣率3GSPS，分辨率 8bit，輸入最高采樣時鐘頻率1.5GHz（器件內部采用雙沿采樣），最大信號輸入帶寬3GHz，輸入范圍600mVpp或 800mVpp，輸入748MHz信號時，有效位數7.0Bits，SNR為44dB，該器件具有采樣時鐘移相功能，通過改變ADC內部控制字來實現，移相的精度可達 0.2ps，該功能可用于并行采樣的時鐘控制，并且可以進行時鐘非均勻的校正；高速時鐘模塊采用兩級電路完成，選用NS公司的高速時鐘合成器LMX2531高速時鐘源，其輸出低頻段時鐘頻率為749.5MHz～755MHz，高頻段時鐘頻率為 1499MHz～1510MHz，微處理器選用美國ADI公司的Blackfin系列DSP，它處理速度快，且外部接口豐富。

本設計的實驗樣機采用6GSPS的8bit高速ADC，每個ADC的輸出為兩路8bit的750MHz數據流，通過LVDS接口與FPGA相連，選用了Xilinx公司的Vertix5系列高性能FPGA來完成數據的高速存儲、三維波形映射和硬件插值等功能，為了增強現實效果，特意選擇了分辨率為800*600的8吋液晶顯示屏，使波形顯示更加細膩。 如圖3所示為采用該實驗樣機捕獲調幅信號的對比情況，示波器時基檔位設置在5ns，由于系統的最高實時采樣率為6GSPS，該時基檔下等效采樣率為12GSPS，故需采取插值手段來恢復波形，插值倍率設置為10倍，抽點顯示。圖3（a）為采用軟件插值方式捕獲到的結果，圖3（b）為采用硬件插值時捕獲到的結果，顯然，采用硬件插值方式的三維示波器具有非常高的波形捕獲率。

綜上所述，將無縫采集的體系結構與寬帶數字示波器結合起來，介紹了一種寬帶無縫采集示波器的設計目標、總體方案、工作流程和FPGA 的資源消耗和配置情況，展示了實驗的硬件平臺和采集效果，測試分析了實驗中各種工作模式下的波形捕獲率，實驗結果表明，在最高采樣率6GSPS 下，系統能夠達到 2,000,000wfms/s 的設計目標，驗證了無縫采集體系結構的實時性和實用性。

圖2 示波器總體設計方案

3 結論

圍繞寬帶時域測試儀器采集系統研究領域中面臨的難題，以無縫采集技術為主線，討論了數據采集系統無縫采集技術的體系結構，研究了基于無縫采集的寬帶數字示波器以及在該系統中影響無縫采集效率的若干實時性技術，即并行采樣非均勻誤差實時校正技術、基于數字后處理的帶寬增強技術、波形細節捕獲與處理技術、并行采集的觸發同步技術等，最后介紹了一種寬帶無縫采集示波器的設計方法，驗證了本文的研究成果。

圖3 5ns檔位捕獲40MHz調幅信號實驗對比

[1] 陳光禹,王厚軍,田書林,等. 現代測試技術[M]. 電子科技大學出版社, 2002.

[2] Huiqing Pan, Shulin Tian. Time Delay Estimation for Parallel Sampling Systems. ICCCAS'08，2008

[3] 泰克公司. 現代實時頻譜儀技術. 中國無線電, 2006, (9):60-6.

[4] Agilent Application Note 243. The Fundamentals of Signal Analysis, [EB/OL]. www.agilent.com, 2007.

[5] Jin Wei, Chen Chang ling, Comparison of frequency measurement between time-domain and frequencydomain in DSO. 2005 International Conference on Communications, Circuits and Systems, Volume II. Signal Processing, Computational Intelligence, Circuits and Systems (IEEE Cat. No. 05EX1034), 2005, P: 808-11.