示波器是一種用途十分廣泛的精密電子測(cè)量?jī)x器,，在科學(xué)研究領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用廣泛,，但目前這類(lèi)儀器設(shè)計(jì)復(fù)雜,，價(jià)格較昂貴,。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，1986年美國(guó)國(guó)家儀器公司首先提出了虛擬儀器的概念。虛擬儀器是在以PC機(jī)為核心的硬件平臺(tái)支持下,，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的功能,。與傳統(tǒng)的實(shí)體儀器相比。虛擬儀器最大的特點(diǎn)在于其功能的可重構(gòu)性和應(yīng)用的靈活性,，使用者可以通過(guò)修改軟件來(lái)方便地修改,、增減儀器的功能，提高了儀器的使用效率,，降低了成本,。利用虛擬儀器技術(shù)只需配備必要的數(shù)據(jù)采集硬件,，不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)示波器的各項(xiàng)功能，而且還具有存儲(chǔ),、回放等特點(diǎn),。
鑒于虛擬示波器的各種優(yōu)點(diǎn)和廣泛用途，研制出性能優(yōu)越的虛擬示波器具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個(gè)虛擬示波器的重要組成部分,，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)，所以需要專(zhuān)門(mén)為其設(shè)計(jì)高速,、高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)CD4051選通后進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路,，先經(jīng)過(guò)兩片放大倍數(shù)可自動(dòng)設(shè)定的AD526適當(dāng)放大,，然后進(jìn)入采樣保持模塊。采樣保持電路由LF398芯片完成,，它的邏輯輸入引腳與AD574的狀態(tài)轉(zhuǎn)換引腳通過(guò)一個(gè)非門(mén)進(jìn)行連接,，這樣就實(shí)現(xiàn)了采樣狀態(tài)與保持狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，無(wú)需單片機(jī)進(jìn)行控制,。信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣保持電路后進(jìn)入AD574進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換,，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放到高速緩存芯片IDT7202中，單片機(jī)通過(guò)查詢(xún)緩存器的標(biāo)志位,，執(zhí)行向其寫(xiě)入數(shù)據(jù)或者從中讀出數(shù)據(jù)命令,。當(dāng)數(shù)據(jù)存滿時(shí)，從IDT7202中讀出數(shù)據(jù)并將它寫(xiě)入CH372,，再通過(guò)USB將數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)進(jìn)行相關(guān)調(diào)理與顯示,。
1．1 信號(hào)調(diào)理電路
為了保證高精度的模／數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，要求輸入信號(hào)接近A／D模塊的滿量程值,。信號(hào)調(diào)理的作用是使輸入信號(hào)滿足A／D轉(zhuǎn)換器的幅度要求,，同時(shí)也擴(kuò)大了輸入信號(hào)的幅度范圍。比如大信號(hào)必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)乃p,，以免因?yàn)榉冗^(guò)大而損壞電路中的元器件或引起信號(hào)失真,。而小信號(hào)又需要適當(dāng)?shù)姆糯螅駝t采集恢復(fù)后的信號(hào)幅度太小,，難以正確的觀測(cè)信號(hào),，并且也沒(méi)能夠充分利用A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率，會(huì)增大A／D轉(zhuǎn)換的誤差,。
在本系統(tǒng)中，利用兩片AD526和單片機(jī)AT—mega32設(shè)計(jì)了能夠進(jìn)行自動(dòng)增益控制的放大器,。AD526是美國(guó)AD公司生產(chǎn)的一款性能優(yōu)良的軟件可編程放大器,，單片AD526的放大倍數(shù)是1，2，4,，8和16,，兩片AD526級(jí)聯(lián)后可獲得32，64,，128和256倍增益,。由于輸入模擬信號(hào)幅度大小的差異，有可能要求使用不同的放大倍數(shù)進(jìn)行放大,，以滿足線性放大要求,，則放大器的放大倍數(shù)需要實(shí)時(shí)控制，AD526能夠滿足這樣的要求,，它的放大倍數(shù)隨時(shí)可以由一組數(shù)碼控制,。將從CD4501輸入的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)根據(jù)要求自動(dòng)調(diào)整到適合A／D轉(zhuǎn)換的最佳輸入范圍，再啟動(dòng)AD574進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，能夠有效地保證在低輸入時(shí)的轉(zhuǎn)換精度,，擴(kuò)大采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍?？删幊炭刂圃鲆骐娐啡鐖D2所示,。
1．2 A／D轉(zhuǎn)換電路
采用Ateml公司的AVR系列單片機(jī)ATmega32與AD574構(gòu)成數(shù)據(jù)采集部分。ATmega32是一款高性能,、低功耗的8位AVR微調(diào)理器,，先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，具有32 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH,。AD574是美國(guó)AD公司研制的12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，具有外接元件少、功耗低和精度高等特點(diǎn),，它的轉(zhuǎn)換速度為25μs,，轉(zhuǎn)換精度為O．05％，輸入的模擬電壓可以是單極性也可以是雙極性,，內(nèi)部集成轉(zhuǎn)換時(shí)鐘,，可廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。由于AD574芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖電路,，因而可直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連,，而無(wú)須附加邏輯接口電路。
在本采集系統(tǒng)中,，采用了AD574芯片0～+10V單極性輸入方式,，將它的第2引腳直接接地，則可實(shí)現(xiàn)12位高精度轉(zhuǎn)換,，轉(zhuǎn)換結(jié)果分兩次輸出,。AD574狀態(tài)引腳STS接至單片機(jī)PC口的第3引腳,，采用查詢(xún)方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)R／C=0時(shí),，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換,；經(jīng)25μs后STS=1，表明A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束,，此時(shí)將R／C置1,，即從數(shù)據(jù)端讀取數(shù)據(jù)，具體控制邏輯如表1所示,。AD574與AVR單片機(jī)的接口電路如圖3所示,。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，程序分成若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊,，包括主程序,、增益控制、數(shù)據(jù)采集,、USB通信等子模塊,，對(duì)各個(gè)子程序分別進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)與調(diào)試，最后將調(diào)試好的各子程序塊鏈接起來(lái)進(jìn)行總體調(diào)試,。數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖4所示,。
3 結(jié) 語(yǔ)
通過(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了雙通道的數(shù)據(jù)采集,。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),，能夠?qū)～10V的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行精度高采集，性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,，實(shí)驗(yàn)測(cè)試效果良好,。本設(shè)計(jì)為較高精度的數(shù)據(jù)采集提供了一種新穎、方便和可靠的解決方案,。