萬(wàn)云霞, 千承輝, 魏慶麗, 高 樂(lè), 凌振寶

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130026)

0 引 言

示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器[1], 它能將抽象的電信號(hào)變化過(guò)程轉(zhuǎn)換成熒光屏上可直接觀察的波形, 從而幫助人們對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析并測(cè)量其參數(shù)[2]。一直以來(lái), 示波器作為主要的電子測(cè)量?jī)x器在電子類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮重要的作用[3]。吉林大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)培養(yǎng)方案中, 專業(yè)課程《電子測(cè)量原理》、 《智能儀器》的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中, 均將示波器的使用與設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)講授內(nèi)容。目前本科生實(shí)踐教學(xué)中使用的通用示波器存在以下幾個(gè)主要問(wèn)題： 1) 示波器功能指標(biāo)無(wú)法根據(jù)需要靈活設(shè)定, 型號(hào)一旦確定, 技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)即確定； 2) 測(cè)量結(jié)果只能現(xiàn)場(chǎng)觀察, 無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè), 在空間上不靈活； 3) 測(cè)量通道少, 擴(kuò)展升級(jí)存在困難。雖然國(guó)內(nèi)外知名的儀器研發(fā)企業(yè)開(kāi)發(fā)出了多款功能強(qiáng)大的示波器(虛擬示波器、 無(wú)線示波器等)[4], 但受經(jīng)費(fèi)條件限制, 目前很少應(yīng)用于各高校的本科生實(shí)踐教學(xué)中。在充分調(diào)研了示波器的發(fā)展現(xiàn)狀及各高校本科實(shí)踐教學(xué)對(duì)示波器性能需求的前提下, 筆者研制了一種基于WIFI技術(shù)的無(wú)線示波器設(shè)備。該示波器設(shè)計(jì)理念是為實(shí)踐教學(xué)服務(wù), 其技術(shù)指標(biāo)在硬件設(shè)備允許的前提下, 可根據(jù)測(cè)試要求靈活改變, 不必頻繁更換測(cè)試設(shè)備； 并利用Labview開(kāi)發(fā)了配套的客戶端軟件, 實(shí)現(xiàn)一套硬件系統(tǒng)同時(shí)對(duì)應(yīng)多個(gè)遠(yuǎn)程客戶端, 以及同一測(cè)量結(jié)果的多界面觀察； 同時(shí), 采用WIFI技術(shù)實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)與客戶端的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸, 使被測(cè)點(diǎn)與觀測(cè)系統(tǒng)在空間上的相對(duì)位置更為自由。該實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)發(fā)在一定程度上滿足了儀器類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐課程的特殊要求, 也為高校自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器提供了參考思路。

1 總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)(硬件電路及相應(yīng)的程序編寫(xiě))、 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)(Labview圖形化界面)及無(wú)線通信協(xié)議的編寫(xiě)。采集系統(tǒng)主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集調(diào)理及處理, 上位機(jī)界面主要是對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行波形顯示及參數(shù)的計(jì)算顯示等, 無(wú)線通信模塊主要完成采集系統(tǒng)與上位機(jī)界面的控制參數(shù)及數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 The system design scheme

為滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特殊需求, 系統(tǒng)可工作在兩種模式下, 分別如圖2和圖3所示。模式1為測(cè)量模式, 主要用于實(shí)踐項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)課程的信號(hào)測(cè)量。節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2分別放置在不同的空間位置(為保證傳輸速度和傳輸準(zhǔn)確性, 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離不超過(guò)10 m), 在PC上位機(jī)軟件的主機(jī)界面設(shè)置不同的IP地址訪問(wèn)不同的采集節(jié)點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)的自由切換, 方便觀測(cè)處于不同位置的測(cè)量結(jié)果。模式2為教學(xué)演示模式, 主要用于實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中的遠(yuǎn)程演示。應(yīng)用時(shí), 在不同的PC機(jī)上安裝上位機(jī)軟件客戶端, 并選擇采集節(jié)點(diǎn)的IP, 以便于訪問(wèn)該采集系統(tǒng), 在不同的客戶端觀測(cè)需要演示的測(cè)量結(jié)果。

圖2 系統(tǒng)工作模式1 圖3 系統(tǒng)工作模式2 Fig.2 The system operating mode 1 Fig.3 The system operating mode 2

2 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理模塊、 A/D轉(zhuǎn)換模塊、 信號(hào)處理模塊(主控制器)、 無(wú)線傳輸模塊和電源模塊組成。其中信號(hào)調(diào)理模塊主要包括阻抗匹配和電壓變換電路, 當(dāng)中頻信號(hào)輸出端的高頻信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集卡時(shí), 需要考慮線路的傳輸線效應(yīng), 在中頻信號(hào)接入采樣ADC(Analog-to-Digital Convertor)前需要進(jìn)行阻抗匹配和信號(hào)緩沖[5]。A/D轉(zhuǎn)換模塊主要是將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào), 便于信號(hào)調(diào)理。信號(hào)處理模塊(主控制器)采用FPGA(Field Programmable Gata Array)以滿足系統(tǒng)高速并行數(shù)據(jù)采集的要求。電源模塊主要用于提供各模塊工作時(shí)所需的電源。

2.1 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊主要包括阻抗匹配電路和電壓變換電路, 用于對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器后單端電壓輸出, 其輸出阻抗為50 Ω, 輸出電壓范圍0～5 V。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用AD9226, 其輸入電壓范圍配置為1～2 V, 需要將放大器輸出端的0～5 V電壓衰減到1～3 V才能進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[6]。在衰減電路中, 采用運(yùn)算放大器AD8065。為滿足采集電壓范圍的要求, 衰減電路輸入Vin和輸出Vout的關(guān)系為

Vout=Vin/2.5+1

(1)

圖4 ADC驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.4 Driving circuit schematic diagram of ADC

AD8065輸入電壓為5～24 V, 支持單電源供電, 帶寬可達(dá)到145 MHz, 差分增益誤差為0.02%, 相位誤差為0.02°[7]。如圖4所示為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的驅(qū)動(dòng)電路原理圖。信號(hào)通過(guò)SMA接口接入驅(qū)動(dòng)電路, 經(jīng)過(guò)變換后的信號(hào)為單端信號(hào)AD1IN+, 接入ADC電路的測(cè)量端。雙運(yùn)算放大器芯片TL072實(shí)現(xiàn)對(duì)2 V基準(zhǔn)電壓的衰減和反向, 其中2 V基準(zhǔn)電壓由AD9226內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源提供, 接到VREF管腳。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用ADI公司的AD9226芯片。該芯片是一款單通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器, 采用多級(jí)差分流水線構(gòu)架, 數(shù)據(jù)采樣率最高可達(dá)65 MHz, 滿足系統(tǒng)要求。采用單電源供電方式, 內(nèi)置一個(gè)高性能采樣保持放大器和一個(gè)基準(zhǔn)電壓源。設(shè)計(jì)時(shí)采用兩片AD9226實(shí)現(xiàn)雙通道高速數(shù)據(jù)采集。圖5為AD9226時(shí)序圖。由時(shí)序圖可知, 無(wú)需對(duì)AD9226芯片進(jìn)行軟件配置, 只需提供時(shí)鐘CLOCK, 即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖5 AD9226時(shí)序圖Fig.5 The sequence chart of AD9226

經(jīng)測(cè)試, 當(dāng)AD9226配置為有符號(hào)數(shù)輸出時(shí), 數(shù)據(jù)輸出如表1所示。

表1 AD9226有符號(hào)數(shù)模式下輸出格式

為保證電壓過(guò)零點(diǎn)附近數(shù)據(jù)穩(wěn)定, AD9226配置為無(wú)符號(hào)數(shù)輸出格式。

AD9226支持全差分輸入和單端輸入, 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇單端輸入模式?；鶞?zhǔn)電壓源選擇使用芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓, VREF管腳為基準(zhǔn)電壓輸出端口, 提供1 V和2 V可選基準(zhǔn)電壓, 該基準(zhǔn)電壓可以通過(guò)SENSE管腳進(jìn)行選擇, 在設(shè)計(jì)電路時(shí)當(dāng)SENSE引腳接GND時(shí), 芯片向外提供2 V基準(zhǔn)電壓； 當(dāng)SENSE引腳接VREF時(shí), 芯片向外提供1 V基準(zhǔn)電壓。本設(shè)計(jì)中選擇2 V基準(zhǔn)電壓。AD9226電路工作原理圖如圖6所示。

圖6 AD9226工作原理圖Fig.6 The electric schematic diagram of AD9226

2.3 信號(hào)處理模塊

根據(jù)系統(tǒng)高速并行數(shù)據(jù)采集的要求, 選用FPGA作為控制器, 用于信號(hào)采集與處理。設(shè)計(jì)中選用Altera公司Cyclone IV系列芯片EP4CE6F17C8N[8]作為主控制器, 該系列芯片基于低功耗FPGA構(gòu)架, 用戶可用I/O最多可達(dá)179個(gè), 集成嵌入式存儲(chǔ)器和乘法器, 支持Nios II嵌入式處理器。外圍電路主要包括電源電路, 配置電路, 晶振電路和接口電路4部分。

1) 電源電路。所選FPGA內(nèi)核與鎖相環(huán)模擬供電端共享1.2 V供電電壓, 鎖相環(huán)數(shù)字供電端需要2.5 V供電電壓, I/O端口電壓均選擇3.3 V。FPGA供電電壓均由低壓差穩(wěn)壓芯片AMS1117產(chǎn)生, 滿足低功耗要求。

2) 配置電路。FPGA是掉電易失性器件, 因此每次上電后FPGA需要重新進(jìn)行配置。該設(shè)計(jì)選用16 Mbit的串行Flash芯片EPCS16作為其配置芯片, 同時(shí)作為系統(tǒng)的外部程序存儲(chǔ)器, 可節(jié)省大量的外擴(kuò)IO口[9]。該芯片可以在AS模式下下載.pof文件, 也可以在JTAG模式下下載.jic文件, 具有很好的硬件兼容性[10]。

3) 時(shí)鐘電路。圖7為給系統(tǒng)提供時(shí)鐘源的50 MHz有源晶振電路, 利用該頻率時(shí)鐘可以直接驅(qū)動(dòng)FPGA內(nèi)部用戶邏輯電路。同時(shí), 系統(tǒng)還需要使用其他頻率的時(shí)鐘, 例如千兆以太網(wǎng)的工作時(shí)鐘為125 MHz, 在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用鎖相環(huán)倍頻, 經(jīng)過(guò)倍頻配置后得到250 MHz、 125 MHz、 62.5 MHz時(shí)鐘, 共同作用于采集傳輸系統(tǒng)。

4) 接口電路。JTAG接口電路如圖8所示, 作用是將編譯好的程序下載到FPGA中或把配置文件下載到配置芯片中。sof文件下載到FPGA后, 掉電后會(huì)丟失, 需要上電重新下載。固化到配置芯片中的JIC文件, 掉電后不會(huì)丟失, 重新上電后FPGA會(huì)讀取配置芯片中的配置文件并運(yùn)行。

圖7 晶振電路原理圖 圖8 JTAG接口電路原理圖 Fig.7 The circuit diagram of crystal oscillator Fig.8 The circuit diagram of JTAG interface

2.4 電源模塊

系統(tǒng)正常工作需要多路電源, 并且對(duì)各部分電路供電順序有嚴(yán)格要求, 所以需要設(shè)計(jì)合理的電源控制電路。系統(tǒng)內(nèi)供電電源要求如表2所示。

表2 系統(tǒng)內(nèi)主要器件電源要求

對(duì)于功率放大器1, 選用外部12 V/4 A適配器提供所需電流和電壓, 通過(guò)繼電器控制功率放大器1電源的通斷。對(duì)于其他電源, 供電電流均小于0.5 A, 選用DC/DC電源芯片MP2359。MP2359能向外部負(fù)載提供最大1.2 A的導(dǎo)通電流, 方便控制開(kāi)斷, 通過(guò)4號(hào)引腳EN的電平高低選擇芯片是否輸出。當(dāng)4號(hào)引腳EN為高電平(>1.2 V)時(shí), 芯片正常工作; 當(dāng)4號(hào)引腳EN為低電平(<0.4 V)時(shí), 芯片處于關(guān)閉狀態(tài), 不輸出電流。并且當(dāng)EN=2 V時(shí), 輸入電流只有2.1 μA, 可以用FPGA引腳直接驅(qū)動(dòng)。如圖9所示, 輸出電壓由電阻R43和R44決定。

(2)

所以, 當(dāng)圖9中R43=49.9 kΩ,R44=4.53 kΩ時(shí), 輸出電壓為5 V。

圖9 電源控制原理圖Fig.9 The power control schematic

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW設(shè)計(jì)了上位機(jī)顯示操作界面(見(jiàn)圖10)。上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡之間通過(guò)WIFI進(jìn)行通信, 完成參數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸[11]。在系統(tǒng)工作前需要對(duì)IP地址進(jìn)行設(shè)置, 即數(shù)據(jù)采集卡的IP地址[12], 設(shè)置完成后輸入通信端口(8899)。操作界面可完成采集通道、 采樣速率等參數(shù)設(shè)置, 實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)波形, 并可實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的最大值、 最小值、 峰峰值、 平均值的計(jì)算和顯示, 具有頻譜分析功能。

圖10 上位機(jī)測(cè)試控制界面Fig.10 Host computer test control interface

圖10中的通道2和通道3采集信號(hào)來(lái)自于固緯AFG-2225信號(hào)發(fā)生器, 兩通道信號(hào)的頻率分別為30 kHz和20 kHz, 峰峰值為3 V。利用筆者設(shè)計(jì)的示波器采集到的信號(hào)波形無(wú)失真現(xiàn)象, 分辨出的信號(hào)頻率分別為30.01 kHz和19.92 kHz, 其相對(duì)誤差分別為0.03%和0.4%； 分辨出的信號(hào)峰峰值分別為3.086 V和2.988 V, 其相對(duì)誤差分別為2.8%和0.4%。其號(hào)頻率和峰峰值分辨效果完全滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。另外, 通過(guò)測(cè)試得出結(jié)論： 當(dāng)信號(hào)頻率低于700 kHz時(shí), 該示波器可以無(wú)失真地將波形還原； 當(dāng)信號(hào)頻率低于2 MHz時(shí), 波形出現(xiàn)失真, 但仍可以準(zhǔn)確地測(cè)試出信號(hào)的頻率和峰峰值。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

4.1 采樣率測(cè)試

SignalTap Ⅱ?qū)崪y(cè)的電壓測(cè)試數(shù)據(jù)如圖11所示。AD9226采樣時(shí)鐘為10 MHz, 1通道輸入信號(hào)為正弦波, 頻率為1 MHz； 2通道輸入信號(hào)為方波, 頻率為1 MHz。兩個(gè)數(shù)據(jù)采樣通道可以同時(shí)達(dá)到1 MHz采樣速率, 滿足設(shè)計(jì)要求。

上位機(jī)數(shù)據(jù)接收與測(cè)試界面如圖12所示, 測(cè)試信號(hào)頻率為100 Hz。以WIFI形式通信, 可顯示信號(hào)的基本時(shí)域特性, 并且實(shí)現(xiàn)頻譜分析。

圖11 分辨率測(cè)試結(jié)果 圖12 上位機(jī)接收信號(hào)測(cè)試 Fig.11 The resolution test results Fig.12 The signal reception test of Host computer

4.2 電壓精度測(cè)試

測(cè)試時(shí)采用Textronix AFG 3102信號(hào)發(fā)生器作為標(biāo)定儀器, 通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證, 當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出直流電壓信號(hào)時(shí), 數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量精度可達(dá)到1 mV, 滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 千兆以太網(wǎng)通信測(cè)試

該系統(tǒng)工作時(shí), 采集數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA處理后通過(guò)千兆以太網(wǎng)發(fā)送到局域網(wǎng)內(nèi)[13]。當(dāng)PC端檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)上有數(shù)據(jù)傳輸時(shí), 會(huì)接收相應(yīng)數(shù)據(jù)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路部分的模塊測(cè)試采用抓包方式, 用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手抓取以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)包, 不僅能實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)絡(luò)傳輸速率, 還能對(duì)其版本、 首部長(zhǎng)度、 區(qū)分服務(wù)、 總長(zhǎng)度、 標(biāo)識(shí)、 標(biāo)志、 片偏移等固定部分進(jìn)行檢查, 針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況做適當(dāng)調(diào)試, 以保證傳輸鏈路通暢。

系統(tǒng)采用基于以太網(wǎng)UDP(User Datagram Protocol)傳輸協(xié)議[14], 在傳輸?shù)乃俾噬? 比TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)協(xié)議速率快, 但可靠性不如TCP/IP。設(shè)計(jì)中借鑒TCP高穩(wěn)定性的思想[15], TCP協(xié)議3次握手保證連接可靠性, 可以借鑒到UDP協(xié)議的設(shè)計(jì)中, 通過(guò)后續(xù)的處理將UDP包傳輸?shù)牟豢煽啃杂行Ы档? 形成較為可靠的高速率連接。

圖13 網(wǎng)絡(luò)適配器管理界面Fig.13 The management interface of network adapter

圖13為根據(jù)捕捉到的網(wǎng)卡數(shù)據(jù)包分析結(jié)果, 可以觀測(cè)到鏈路通暢, 協(xié)議正確, 采集板部分能穩(wěn)定持續(xù)發(fā)送, PC端應(yīng)答正常, 圖13中顯示W(wǎng)LAN網(wǎng)卡的瞬時(shí)傳輸速率為104.513 Mbit/s。由圖13可知, 傳輸速率平均維持在80 Mbit/s, 速度最高可達(dá)100 Mbit/s。

5 結(jié) 語(yǔ)

在充分調(diào)研了儀器類專業(yè)實(shí)踐課對(duì)示波器性能指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了基于WIFI技術(shù)的遠(yuǎn)程虛擬示波器。該設(shè)備的技術(shù)參數(shù)可通過(guò)更換硬件結(jié)構(gòu)中的A/D轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行升級(jí), 其功能擴(kuò)展可通過(guò)Labview可視化編程環(huán)境進(jìn)行設(shè)置, 改進(jìn)、 升級(jí)靈活。該示波器不僅僅是一套實(shí)踐課程的儀器設(shè)備, 對(duì)于電子儀器專業(yè)的學(xué)生, 在使用與改進(jìn)的過(guò)程中也是儀器設(shè)計(jì)的一項(xiàng)專業(yè)技能培養(yǎng)。其相關(guān)設(shè)計(jì)思路對(duì)于高校自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有借鑒作用, 對(duì)于引導(dǎo)本專業(yè)學(xué)生認(rèn)識(shí)、 改造、 設(shè)計(jì)儀器、 提升專業(yè)水平具有積極作用。