基于微型計(jì)算機(jī)的虛擬儀器是現(xiàn)代電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展的重要方向， 其中虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器是一種應(yīng)用十分廣泛的虛擬儀器。虛擬示波器能充分發(fā)揮和利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源， 使之成為儀器功能的組成部分， 比如： 利用計(jì)算機(jī)的圖形界面完成對(duì)虛擬控制和顯示面板的定義; 利用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)及文件功能完成對(duì)信號(hào)的記憶、存儲(chǔ)和回顯; 利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理及控制能力完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、傳送、分析處理和顯示等。PXI 總線是最新一代的測(cè)試總線技術(shù)， 是PCI 總線在測(cè)試領(lǐng)域的擴(kuò)展，于1997 年被美國(guó)NI 公司首次提出， 并于次年被采用為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。PXI 總線可簡(jiǎn)單地認(rèn)為是Micorosoft Windows、Compact PCI（CPCI） 和VXI 技術(shù)的綜合： 機(jī)械規(guī)范方面采用CPCI 的核心技術(shù)， 即歐式插卡機(jī)械機(jī)構(gòu)和氣密式針孔接頭， 特別適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境; 電氣規(guī)范方面在保持了PCI/CPCI 總線所有優(yōu)點(diǎn)的前提下增加了專門的系統(tǒng)參考時(shí)鐘、觸發(fā)總線、星形觸發(fā)總線和模塊間的局部總線， 以此來(lái)滿足高精度的定時(shí)、同步與數(shù)據(jù)通信要求?；诖?， 本文采用PXI總線， 利用現(xiàn)有的PXI 工控機(jī)及高速數(shù)據(jù)采集板，設(shè)計(jì)了基于PXI 總線的虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器軟件。

1 硬件結(jié)構(gòu)

虛擬示波器的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示， 它由預(yù)處理電路、AD 轉(zhuǎn)換電路、SDRAM、高頻時(shí)鐘及時(shí)序產(chǎn)生電路、觸發(fā)電路和FPGA［3］芯片、及邏輯控制器組成。待測(cè)信號(hào)經(jīng)測(cè)試探頭輸入預(yù)處理電路， 實(shí)際被測(cè)信號(hào)的幅值變化范圍可能從數(shù)毫伏到上百伏， 預(yù)處理電路的作用就是對(duì)其進(jìn)行放大或衰減調(diào)理， 使之適應(yīng)A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入需求。A/D 轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量， 在數(shù)據(jù)采集模式下， 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量在SDRAM 控制器的控制下， 被依次寫入128MB SDRAM。在示波模式下， 數(shù)字量通過(guò)FPGA內(nèi)部的FIFO 通過(guò)PXI 總線被CPU 讀入、處理、顯示。本示波器的兩路輸入信號(hào)共用同一A/D 轉(zhuǎn)換電路， 因此在A/D 轉(zhuǎn)換前加了高速雙路選擇器， 通過(guò)快速切換完成兩路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。這里的PXI 總線可以實(shí)現(xiàn)示波器與PC 機(jī)主板間的數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)板卡是在高度穩(wěn)定的時(shí)鐘控制下， 進(jìn)行有序地工作， 這一時(shí)鐘是高頻時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生的。

2 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 預(yù)處理電路

數(shù)據(jù)采集電路的核心是A/D 轉(zhuǎn)換器， 而高速A/D芯片允許的輸入信號(hào)范圍一般是固定的（ 如- 0.5～0.5V） 。預(yù)處理電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示， 其作用是對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大， 對(duì)大信號(hào)進(jìn)行衰減， 以保證足夠的動(dòng)態(tài)范圍。同時(shí)， 為了不給被測(cè)信號(hào)帶來(lái)影響， 它還具有較高的輸入阻抗。預(yù)處理電路由衰減網(wǎng)絡(luò)、阻抗變換、主放大、偏置調(diào)節(jié)、驅(qū)動(dòng)放大等組成。這里衰減網(wǎng)絡(luò)由繼電器控制， 完成10 倍、100 倍衰減。主放大器選用寬頻帶運(yùn)算放大器AD8056， 該芯片的主要特性是： 300MHz 帶寬（ - 3dBBandwidth， G=+1） 。采用負(fù)反饋放大方式， 與繼電器相配合完成1、2、5 倍放大。實(shí)際阻抗變換電路中也包含一片AD8056， 主要用作跟隨器， 起隔離作用。驅(qū)動(dòng)放大電路采用AD 公司的AD8138， 該放大器具有較寬的模擬帶寬（ 320MHz， - 3dB， G=+1） ， 而且可以實(shí)現(xiàn)將單端輸入信號(hào)變成差分輸出的功能。這一變換在高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中非常有用， 因?yàn)閹缀跛械母咚貯D 芯片的模擬輸入端都為差分信號(hào)， 雖然部分芯片的手冊(cè)中提到也可使用單端信號(hào)， 但這樣會(huì)使AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果的二次諧波增大， 降低系統(tǒng)的信噪比（ SNR） 。AD8138 很好地解決了這個(gè)問(wèn)題， 可以非常容易地將用戶端的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分輸出而不必使用變壓器耦合， 大大精簡(jiǎn)了電路結(jié)構(gòu)。偏置調(diào)節(jié)電平由DAC 輸出， 并由計(jì)算機(jī)程控調(diào)節(jié)。

2.2 AD 轉(zhuǎn)換電路

該模塊采用了AD 公司的高速、低功耗、同步采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7677， 它采用+5V 工作電壓，AD7677 采用具有94dB 共模抑制能力的差分輸入通道， 將其Ref 引腳與IN- 引腳接到一起， 為差分電路提供2.5V 的參考電壓。這里模擬量采用單端輸入， 將IN- 端接共模電壓2.5V， IN+端接前端信號(hào)調(diào)理模塊的輸出。AD7677 的時(shí)鐘信號(hào)由外部提供， 最高采樣頻率可達(dá)1M/S。將COVST 引腳置低電平， 時(shí)鐘信號(hào)下降沿觸發(fā)， A/D 開始轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC。將AD7677 的COVST 引腳接高電平， 使轉(zhuǎn)換結(jié)果以16 位的方式輸出。輸出至FPGA， 存入同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器。AD7677 轉(zhuǎn)換電路如圖3 所示。

2.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

DS1302 是一種高性能， 低功耗， 帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片， 它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)， 且具有閏年補(bǔ)償功能， 工作電壓寬達(dá)2.5～5.5V， 采用三線接口與CPU 進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信

號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。在一個(gè)采樣周期內(nèi)， 當(dāng)輸入數(shù)據(jù)全部采樣完畢后， FPGA 讀取DS1302 中的時(shí)間值， 并進(jìn)行存儲(chǔ)DS1302 的SCLK、RST、I/O 口分別與MEGA64 的I/O 相連進(jìn)行串行通訊， 實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣時(shí)間的記錄。

2.4 SDRAM

SDRAM的特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大、速度快， 被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)內(nèi)存條上。本示波器選用四片32MB同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器HY57V56820T 作為在線存儲(chǔ)器。SDRAM控制器的作用是以100MHz 的速率將A/D芯片輸出的數(shù)據(jù)正確寫入四片HY57V56820T 中，同時(shí)負(fù)責(zé)將其中已存好的數(shù)據(jù)正確讀出， 通過(guò)PXI總線再送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存。另外還負(fù)責(zé)SDRAM刷新。在數(shù)據(jù)采集模式下， 示波器能以100Mb/s 的速度將AD 轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入SDRAM， 數(shù)據(jù)采集過(guò)程是先由模塊上的SDRAM實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)， 再由PXI 總線傳遞到計(jì)算機(jī)內(nèi)存。實(shí)際電路中SDRAM控制器是在FPGA 芯片上用VHDL 編程實(shí)現(xiàn)的。圖4 為其讀寫狀態(tài)機(jī)。

3 軟件結(jié)構(gòu)

虛擬儀器作為21 世紀(jì)的儀器， 具有編程靈活、可自定義、數(shù)據(jù)處理和分析功能強(qiáng)大、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)， 推動(dòng)著測(cè)控技術(shù)的革命， 在遠(yuǎn)程控制方面有廣闊的應(yīng)用前景。LabWindows/CVI是美國(guó)NI 公司利用虛擬儀器技術(shù) 開發(fā)的32位面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)， 代表著當(dāng)今虛擬測(cè)控的發(fā)展趨勢(shì)， 它最大的特色是提供了功能強(qiáng)大的庫(kù)函數(shù)［5］， 其中包括：用戶界面庫(kù)函數(shù)， 高級(jí)數(shù)據(jù)分析庫(kù)函數(shù)， 數(shù)據(jù)采集，DDE， ActiveX 及TCP/IP 庫(kù)函數(shù)等， 可以實(shí)現(xiàn)滿意的控制效果和仿真結(jié)果。本設(shè)計(jì)采用LabWindows/CVI， 充分運(yùn)用高級(jí)數(shù)據(jù)分析庫(kù)函數(shù)等高級(jí)編程技術(shù)對(duì)軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)［6］。虛擬示波器軟件結(jié)構(gòu)如圖5 所示。系統(tǒng)自檢與初始化模塊主要完成系統(tǒng)硬件故障診斷、端口初始化等操作。時(shí)基控制主要控制采集卡掃描率、通道掃描次數(shù)（ 取樣數(shù)） ; 觸發(fā)控制包括觸發(fā)電平控制、觸發(fā)模式、觸發(fā)斜坡等; 通道控制主要控制單通道或雙通道測(cè)量; 數(shù)據(jù)采集模塊主要完成數(shù)據(jù)采集的控制， 包括觸發(fā)控制、通道控制、時(shí)基控制等。其中， 參數(shù)測(cè)量模塊包括電壓參數(shù)和頻率、周期等時(shí)間參數(shù)的測(cè)量， 并顯示測(cè)量結(jié)果。頻譜分析模塊采用FFT 算法， 完成頻域信號(hào)分析。

4 軟件設(shè)計(jì)

示波器主面板如圖6 所示。當(dāng)面板上“電源開關(guān)”鍵打開后， 調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序開始數(shù)據(jù)采集過(guò)程， 首先要根據(jù)觸發(fā)通道的不同和觸發(fā)方式的不同， 選取不同的數(shù)據(jù)采集方式， 同時(shí)根據(jù)用戶設(shè)置的觸發(fā)電平和觸發(fā)位置的不同也應(yīng)該選擇采集不同時(shí)間段的被測(cè)數(shù)據(jù)。得到的數(shù)據(jù)在送顯示之前， 采集回來(lái)的波形數(shù)據(jù)根據(jù)需要可能還要經(jīng)過(guò)一定的處理， 如平滑、插值、防抖等。由于示波器的數(shù)字存儲(chǔ)功能、實(shí)時(shí)采樣特點(diǎn)， 以及其單次觸發(fā)、滾動(dòng)顯示、自動(dòng)時(shí)基量程、波形停留、自動(dòng)光標(biāo)測(cè)量等特點(diǎn)， 決定了此部分程序模塊時(shí)序復(fù)雜、分支頗多， 是設(shè)計(jì)和調(diào)試的重點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所述虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器技術(shù)已運(yùn)用在某自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中， 其實(shí)現(xiàn)的示波器可雙通道同時(shí)工作于100MHz 采樣頻率， 檢測(cè)輸入范圍在10mV～100V 的信號(hào)（ 靈敏度為10mV） 。該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)基于測(cè)試領(lǐng)域最先進(jìn)的PXI 總線技術(shù)， 體積小巧、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)， 能滿足軍用研究所、基地維修中心等需要。