宋問遠(yuǎn)

（中國電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院儀器科學(xué)與技術(shù)系，四川成都， 611731）

0 引言

通常來講，模擬波形的數(shù)字測量涉及最重要的環(huán)節(jié)之一就是對(duì)波形的采樣，其效果的好壞直接影響后續(xù)的波形重構(gòu)過程和最終波形顯示。而對(duì)于波形采樣，核心環(huán)節(jié)就是模擬信號(hào)到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，因此，如何良好設(shè)計(jì)模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路、實(shí)現(xiàn)高速準(zhǔn)確采樣在波形的數(shù)字測量技術(shù)中至關(guān)重要。

實(shí)時(shí)采樣是在觸發(fā)信號(hào)到來后的一個(gè)周期內(nèi)，連續(xù)進(jìn)行采樣，一次捕獲完這個(gè)周期內(nèi)信號(hào)全部波形數(shù)據(jù)的一種采樣方式。傳統(tǒng)的寬帶數(shù)字示波器常利用并行比較式ADC或并串比較式ADC組成高速的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器來完成非實(shí)時(shí)的采樣，其電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，速度慢，量化誤差大，且不能實(shí)時(shí)跟蹤波形。本文探討如何采用高速ADC芯片，分別通過延遲信號(hào)采樣和并行時(shí)間交替采樣兩種方法完成波形的實(shí)時(shí)采樣及顯示，并借助Multisim電路仿真軟件搭建電路并仿真采樣結(jié)果。

1 多ADC并行采樣原理與實(shí)現(xiàn)手段

1.1 多ADC并行采樣原理

將N片ADC并列在一起，用同一時(shí)鐘頻率0f驅(qū)動(dòng)其工作，但每片ADC開始采樣的時(shí)間與前一片保持固定的時(shí)間差0/T N，或者信號(hào)被每片ADC采樣的位置保持固定的相位差，從而使信號(hào)輸進(jìn)ADC組后在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)被完全分相成N部分，進(jìn)而使得采樣率從單片ADC的0f提升至N片ADC的等效采樣率0Nf。

基于這一設(shè)想，有兩種方法可以達(dá)到ADC間隔性工作的目的，分別是延遲輸入信號(hào)到達(dá)每片ADC的時(shí)間和產(chǎn)生時(shí)鐘間隔延遲每片ADC開始工作的時(shí)間，即信號(hào)分相和時(shí)鐘分相。

1.2 基于延遲線的延時(shí)采樣

在由N片ADC組成的采樣系統(tǒng)中，先將待采信號(hào)直接送入采樣通道，讓其依次通過（N-1）個(gè)精準(zhǔn)延時(shí)單元，每個(gè)單元延時(shí)量為0/T N，即信號(hào)被均等分相成N部分。再將頻率為0f的時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)送給N片ADC驅(qū)動(dòng)其同步開始工作，對(duì)被分相后的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。這樣，信號(hào)到達(dá)每個(gè)ADC的時(shí)刻都不相同，整個(gè)采樣系統(tǒng)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以等間隔地采到N個(gè)點(diǎn)，等效采樣率為N0f。

圖1 基于延遲線的多ADC并行采樣系統(tǒng)

1.3 并行時(shí)間交替采樣

與延時(shí)采樣原理不同的是，交替采樣將待采信號(hào)同時(shí)送入ADC組，而讓時(shí)鐘信號(hào)通過固定間隔0/T N后依次使能各ADC，從而使每片ADC在信號(hào)的不同時(shí)刻對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。顯然，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，交替采樣和延時(shí)采樣效果相同，都可以將單片ADC的采樣率0f通過并行提升至N0f。

圖2 多ADC并行時(shí)間交替采樣系統(tǒng)

2 Multisim電路仿真設(shè)計(jì)及采樣結(jié)果

2.1 電路設(shè)計(jì)

2.1.1 延時(shí)采樣電路設(shè)計(jì)

圖3 基于Multisim的信號(hào)延時(shí)采樣電路圖

圖4 基于Multisim的并行時(shí)間交替采樣

鑒于電腦軟件在空間與資源上的局限性，本仿真選擇采用4片通用8位ADC組成采樣系統(tǒng)，且延時(shí)單元為理想延時(shí)單元。在實(shí)際的工程運(yùn)用中，ADC的選型極為重要，應(yīng)從分辨率、轉(zhuǎn)換速度、精度等多方面進(jìn)行考慮。總的來說，ADC可分為直接比較型和間接比較型兩大類。直接比較型，就是將輸入的采樣模擬量直接與作為標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓相比較，得到可按數(shù)字編碼的離散量或直接得到數(shù)字量；而對(duì)于間接比較型，輸入的采樣模擬量不是直接與基準(zhǔn)電壓比較，而是將兩者都變成中間物理量再進(jìn)行比較，然后將比較得到的時(shí)間（t）或頻率（f）進(jìn)行數(shù)字編碼。[1]

在本設(shè)計(jì)中，ADC的直流供電電壓為5V，被測信號(hào)為頻率12Hz、峰峰值10V的正弦波，時(shí)鐘信號(hào)頻率為640kHz。由于一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)要有4片ADC依次采樣，一個(gè)延時(shí)單元延時(shí)量應(yīng)為時(shí)鐘周期的1/4，約0.39μs。

2.1.2 交替采樣電路設(shè)計(jì)

電路元件參數(shù)與延時(shí)采樣一致，不同的是交替采樣中被延遲的是時(shí)鐘信號(hào)。在實(shí)際工程運(yùn)用中，這個(gè)時(shí)間間隔不一定用延遲時(shí)鐘的方法來實(shí)現(xiàn)，一般可以通過程序來控制時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)入各ADC的時(shí)間。

2.2 采樣信息的處理與波形顯示

在數(shù)字存儲(chǔ)示波器（Digital Storage Oscilloscope,DSO）中，經(jīng)采樣系統(tǒng)模-數(shù)轉(zhuǎn)換后的波形數(shù)字量在觸發(fā)信號(hào)的配合下被存入存儲(chǔ)器。當(dāng)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)滿了后，系統(tǒng)則停止采集，然后從存儲(chǔ)器中讀出存儲(chǔ)的采樣數(shù)據(jù)，處理器對(duì)讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列運(yùn)算和處理后，最后將處理好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為與顯示屏對(duì)應(yīng)的波形圖像，送到顯示器進(jìn)行顯示。[2]

基于并行時(shí)間間隔交替采樣的方法，在Multisim中處理并顯示波形的原理為：在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，4片ADC共采集到4個(gè)不同步的波形數(shù)據(jù)，將其按采樣先后順序從高位到低位依次送入多路復(fù)用器，再經(jīng)數(shù)-模轉(zhuǎn)換送入示波器進(jìn)行顯示，顯示的順序應(yīng)該既是實(shí)時(shí)采樣的順序，也是信號(hào)的時(shí)序。圖5、圖6分別為原始信號(hào)和采樣處理后的信號(hào)波形，可以看出，在Multisim本身無法進(jìn)一步對(duì)波形進(jìn)行抽樣、插值等實(shí)際DSO中必不可少的波形重構(gòu)環(huán)節(jié)的情況下，單純的采樣信號(hào)就已具備了良好的顯示效果。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)多ADC并行采樣原理的研究，探討了兩種在波形的數(shù)字測量中實(shí)現(xiàn)高速率實(shí)時(shí)采樣的方法——基于延遲線的延時(shí)采樣和并行時(shí)間交替采樣，并借助電路仿真軟件Multisim分別搭建了相應(yīng)電路，完成了從信號(hào)采樣到波形顯示的過程，驗(yàn)證了利用多ADC并行采樣的模式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣的可行性。該模式可以克服傳統(tǒng)高速采集系統(tǒng)成本高、速度慢、對(duì)ADC芯片要求過高等缺陷，而基于該模式的實(shí)時(shí)采樣也更加容易跟蹤一些復(fù)雜任意的波形，豐富了波形數(shù)字測量技術(shù)可測的信號(hào)類型，提高了測量的整體質(zhì)量。

圖5 原始信號(hào)波形

圖6 高速多ADC并行采樣信號(hào)波形