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高速高精度虚拟示波器硬件设计与实现

李鸿松  
【摘要】:随着电子应用技术、计算机总线技术和模数转换器的快速发展,计算机软件技术与电子仪器相结合创造了一种全新的计算机仪器系统概念—虚拟仪器。虚拟仪器是一种可按需求更改的、自动化和人性化的测试测量仪器系统。为了充分利用计算机强大的数据计算、分析和处理能力与硬件仪器的采集和测试测量能力,虚拟仪器可以通过计算机软件开发技术将计算机的各种资源与由硬件搭建的各种仪器进行结合,使得通过不同的软件模块可以获得不同的仪器功能。用户可以根据现有的计算机资源和当前的测试需求,能够轻松完成系统仪器的开发设计,利用由硬件搭建的数据采集卡与计算机软件所开发的上位机软件进行信号的采集、检测、处理分析显示等功能。基于虚拟仪器思想所演变的虚拟示波器主要由硬件采集系统来完成信号的采集、处理分析和输出,计算机外围硬件配合操作。虚拟示波器架构思想的出现打破了传统仪器的设计结构方案,通过计算机软件技术来代替硬件电路,将传统示波器由硬件实现的数据分析、信号处理、频谱分析、信号显示等功能都改为由计算机来完成,提高了工作效率,减少了研发时间。基于此,本文重点开展虚拟示波器的系统设计、硬件设计和调试分析等工作,完成虚拟示波器的整体开发。本文首先分析了传统示波器的基本原理,包括模拟示波器和数字示波器的基本要素,和虚拟示波器的结构构造以及相比传统示波器所呈现的优点,确定了虚拟示波器的开发流程,分析虚拟示波器的结构组成和确定系统总体设计方案,并开展了主要的芯片选型以及整个硬件系统PCB的设计要求。在上述研究的基础上,重点进行了虚拟示波器整个硬件中数据采集系统的开发,包括模拟前端处理的信号调理电路、模数转换电路、高频时钟产生电路、PCIE接口电路和FPGA逻辑控制设计等,并完成了硬件电路设计与实现。最后进行了系统测试环境的建设,并开展了实际系统测试,内容包括前期借助matlab软件对系统采样率、分辨率和带宽的测试,以及后期基于上位机和硬件采集系统的联合测试。其测试数据表明虚拟示波器的最高采样率为3 Gsps,最高分辨率为12 bits,模拟带宽在2.5 GHz,且该数据采集系统已经应用于相关医疗测试设备中。


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