示波器是一種用途十分廣泛的精密電子測量儀器，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年美國國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)為核心的硬件平臺支持下，通過軟件編程來實(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，使用者可以通過修改軟件來方便地修改、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、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)，所以需要專門為其設(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。模擬信號經(jīng)過多路選擇開關(guān)CD4051選通后進(jìn)入信號調(diào)理電路，先經(jīng)過兩片放大倍數(shù)可自動設(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)換引腳通過一個(gè)非門進(jìn)行連接，這樣就實(shí)現(xiàn)了采樣狀態(tài)與保持狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換，無需單片機(jī)進(jìn)行控制。信號經(jīng)過采樣保持電路后進(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)通過查詢緩存器的標(biāo)志位，執(zhí)行向其寫入數(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)并將它寫入CH372，再通過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，要求輸入信號接近A／D模塊的滿量程值。信號調(diào)理的作用是使輸入信號滿足A／D轉(zhuǎn)換器的幅度要求，同時(shí)也擴(kuò)大了輸入信號的幅度范圍。比如大信號必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)乃p，以免因?yàn)榉冗^大而損壞電路中的元器件或引起信號失真。而小信號又需要適當(dāng)?shù)姆糯?，否則采集恢復(fù)后的信號幅度太小，難以正確的觀測信號，并且也沒能夠充分利用A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率，會增大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)行自動增益控制的放大器。AD526是美國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級聯(lián)后可獲得32，64，128和256倍增益。由于輸入模擬信號幅度大小的差異，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)場信號根據(jù)要求自動調(diào)整到適合A／D轉(zhuǎn)換的最佳輸入范圍，再啟動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)的動態(tài)范圍。可編程控制增益電路如圖2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，采用查詢方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)R／C=0時(shí)，啟動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語言編寫，程序分成若干個(gè)功能相對獨(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
通過對該數(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)過多次實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)～10V的模擬電壓信號進(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。