余慧敏，江　松

(湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院，湖南長沙　410081)

0　引言

取樣方法通常可以分成兩大類：實時取樣和等效取樣。等效取樣又可分為時序變換取樣和隨機變換取樣。實時采樣方法中，由Nyquist采樣定理可知，為了能正確無誤地從取樣信號恢復(fù)原始信號，取樣信號的頻率至少須為輸入模擬信號最高頻率分量的2倍，在實際工程應(yīng)用中所用采樣信號的頻率一般達(dá)到原始模擬信號最高頻率成分的5～10倍[1]。在時域脈沖超寬帶雷達(dá)中，脈沖寬度一般為ns級或亞ns級，相應(yīng)的帶寬從幾百MHz到幾Hz，要實現(xiàn)實時采樣，采樣率需達(dá)幾GHz甚至十幾GHz[2]。目前，ADC由于自身工藝的原因，速度與精度(轉(zhuǎn)換比特位數(shù))之間是一對矛盾體，如果滿足了高的速度，精度要求就難以達(dá)到；反之則無法保證轉(zhuǎn)換的速度。

由于上述的這些原因，現(xiàn)在許多專用精密測試儀器，如采樣示波器、數(shù)字存儲示波器等都采用了等效采樣工作模式，以得到更高的采樣頻率、更低系統(tǒng)復(fù)雜度等目的[3]。等效時間采樣根據(jù)取樣觸發(fā)信號與原周期信號的關(guān)系又分順序等效采樣和隨機等效采樣。順序時間采樣可分為步進(jìn)取樣、步退取樣和差頻取樣3種方式[4]。隨機等效采樣方式的采樣信號時鐘和被采集信號時鐘不相關(guān)，但是每次采集時都要記錄下采樣信號和采樣觸發(fā)信號之間的時間差，把數(shù)據(jù)全部采集完之后，再根據(jù)記錄下的時間差來進(jìn)行信號的重建。

1　隨機采樣原理

當(dāng)被測信號頻率遠(yuǎn)高于ADC最大采樣頻率時，從AD采樣序列數(shù)據(jù)中重構(gòu)原始信號波形是不可能的。但是，如果被測的是周期性信號，通過測量每次AD采樣序列起點與一基準(zhǔn)點(信號觸發(fā)時刻)的相位差，就能確定該次采樣序列在原始信號波形中的位置。當(dāng)此相位差是隨機分布的時候，需要在很短的時間段內(nèi)遍歷該相位差在1個AD時鐘周期內(nèi)所有可能的取值，通過分布在這個時間段上的隨機采樣序列的疊加，在疊加次數(shù)N足夠大時，可以遍歷所有可能的波形采樣過程，從而重構(gòu)目標(biāo)信號的完整采樣波形，或者說等價于1個完整的波形采樣。因此，等效采樣是一組隨機采樣序列的組合，在周期信號輸入前提下獲取信號完整的采樣[5]。圖1是隨機采樣起點與信號觸發(fā)時刻的關(guān)系，圖2是隨機采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵技術(shù)是時間軸展寬電路的設(shè)計，要求積分變換在1個AD時鐘內(nèi)測量出觸發(fā)信號的相位差至少有1%的精度，它限定了系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)[2]。隨機采樣存在一定的偶然性和與規(guī)律性沖突的現(xiàn)象，可以采用多次隨機采樣或者是分層隨機采樣來確保采樣的精度。

圖1　隨機采樣起點與信號觸發(fā)時刻的關(guān)系

2　時間展寬電路與系統(tǒng)設(shè)計

在隨機采樣系統(tǒng)設(shè)計中，精確確定觸發(fā)時刻到觸發(fā)后第一個時鐘的時間間隔是關(guān)鍵技術(shù)之一[6]。主要有以下2種確定方法：一種用一個低速的ADC將觸發(fā)點與其后的第一個采樣時鐘之間的時間差數(shù)字化。另一種方法是用雙斜率充放電電路將觸發(fā)點與其后的第一個采樣點之間的時間差放大，然后用計數(shù)器進(jìn)行測量。文中系統(tǒng)設(shè)計采用第二種方法。

圖2　隨機采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙斜率充放電電路是基于電容的充放電原理，分為快充慢放和快放慢充2種形式，二者主要區(qū)別在于：快充慢放形式的電流通道所用的開關(guān)三極管是PNP管，快放慢充形式的電流通道所用的三極管是NPN管。2種不同極性的三極管對系統(tǒng)性能的影響主要是在速度上，NPN結(jié)構(gòu)中多數(shù)載流子為電子，PNP結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子是空穴，電子從發(fā)射極跨過基極到集電極的速度比空穴快，一般，NPN管工作頻率高。

文中采用的快放慢充形式的雙斜率充放電電路如圖3所示。

圖3　雙斜率充放電電路

圖4所示為系統(tǒng)信號采樣框圖，采用的AD器件為AD9235，采樣精度12 bit，采樣速率65 Msps，系統(tǒng)等效采樣速率為1.3 Gsps．FPGA XCV50E作時序控制和數(shù)據(jù)暫存用，并將獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)串口上傳PC機供其恢復(fù)原始模擬信號。

圖4　信號采樣系統(tǒng)框圖

3　測試結(jié)果

圖5和圖6是采樣模塊對300 MHz和600 MHz的正弦采樣，數(shù)據(jù)上傳PC機后恢復(fù)的時域波形圖，采樣結(jié)果較好地重現(xiàn)了原始正弦信號。重構(gòu)結(jié)果驗證了時間展寬電路的可行性和模數(shù)變換模塊功能的正確性。

圖5　300 M正弦重建波形

圖6　600 M正弦重建波形

4　結(jié)束語

數(shù)據(jù)采集裝置通過FPGA擴(kuò)展端口控制前端數(shù)字衰減器和可調(diào)增益放大。文中介紹了基于隨機采樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理和實現(xiàn)方案以及關(guān)鍵部分的具體實現(xiàn)。隨機等效采樣技術(shù)可以應(yīng)用于數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、雷達(dá)回波計算等方面，也是數(shù)字存儲示波器、寬頻帶頻譜分析儀中拓展AD采樣頻率的有效手段。隨機采樣可以有效地降低系統(tǒng)實現(xiàn)的難度和設(shè)計制造成本，提高系統(tǒng)的可靠性，因此對高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計有很大的實際意義。隨機采樣的關(guān)鍵是準(zhǔn)確測量觸發(fā)點到第一個采樣點的時間間隔，它在雷達(dá)信號直接采樣中的應(yīng)用取決于等效采樣的速度因素。理論分析與實際系統(tǒng)設(shè)計表明：等價采樣過程所需的時間約是疊加次數(shù)與觸發(fā)信號周期的乘積，在實際系統(tǒng)設(shè)計時，需要在時間軸展寬倍率和采樣速率之間合理地折中。

參考文獻(xiàn)：

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[4]張國禮，孫萬容．基于隨機等效采樣的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計．現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，24：3-5．

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[6]葉芃，陳世杰，張沁川．高速數(shù)字存儲示波器產(chǎn)品化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)．電子科技大學(xué)學(xué)報，2005，34(2)：248-250.