一种高精度便捷式全数字示波器的设计
3 信号采集及处理分析
3．1 信号采集原理
对不同的频率信号进行测量时选取合理的采样手段将直接影响系统的测量精度，在数字信号分析技术中，常用的信号采样方法有两种：实时采样和等效采样。
实时采样(Real Sampling)通常是等时间间隔的，其最高采样频率是奈奎斯特极限频率，特点是，取样一个波形所得脉冲序列的持续时间等于输入信号实际经历的时间，所以取样信号的频谱比原信号还要宽。在本设计中采用A／D转换器件频率为400 kHz，根据采样特性可计算出该数字示波器能对不大于50 MHz的输入信号进行采样输出。
等效采样(Equivalent Sampling)是指针对周期信号的时域重复的特点，在不同的时间段进行多次较低采样率的采样，然后将这些低采样率的样本复合成高采样率的数据样本，从而真实重构出原始信号波形的数据采集方法。它利用信号的周期性，以增加采集时间为代价，降低对高速采样电路的压力，通过重组恢复原始信号。
本文采用提取等效采样时间采样，它是用信号的重复频率fi与采样率fs的特殊关系，使等效的采样率增加D倍。
首先，适当选取输入信号的重复频率fi，采样D个周期的信号波形，然后把记录的数据通过一个简单的算法重新排列组合，以获得一个完整的输入信号波形，这样等效采样率是实际采样率的D倍。
实际实现时，D的选取取决于所需要的等效采样率fe，使得fe=Dfs即可。而L是单个周期实际采样点的个数，L=int(M／D)，M是记录的采样数据的总和。输出信号的重复频率为：
提取等效时间采样的方法可以提高采样率，但要求输入信号的重复频率fi要受到精确度的控制，而等效采样率为Dfs，与输入信号无关，当输入信号的重复频率偏离式(2)中所给的值，等效采样度变最大时间偏差为：
等效于展宽了频带，此时频带的宽度与A／D转换的速度和微处理器的速度几乎无关，用这种方法结合设计的数字示波器，较容易地测量高频信号的频率和幅值。
最后，把采样得到的数据进行存储，然后进行统一的分析，复现出信号的函数曲线，可计算得到幅值。
由于在设计过程当中对电压信号采样分析采用的是等效方式，采集到的是以时间为自变量的离散序列，这些采样数据反映了被测参数的变化过程，但带有一定程度的误差，势必会引起采集数据失真的现象。为了避免非误差允许范围内的值对测量结果造成干扰，采用软件对测量结果进行曲线拟合的方式对数据进行修正，以保证测量结果的相对精度。
3．2 显示分辨率计算
设计的波形显示窗口一共有354x446像元素，能满足设计要求，统一分析采集的数据，采用正弦内插算法进行处理，形成相应的输出，复现被测信号波形。
4 系统软件设计
编程逻辑器件CPLD采用硬件描述语言VHDL为底层支撑，用原理图输入的方式来实现系统软件部分的设计。DSP软件编程采用C语言与汇编语言混合编程，程序主体用C语言编写，对于占用处理器时间较多的算法程序和I／O接口操作则采用汇编语言编程，汇编代码可以用C语言可调用的函数或内联代码的形式出现，把C语言和汇编语言的优点有机结合起来。系统软件完成数据收集分析，把采集到的曲线坐标经处理后由RS 422标准接口传输给智能终端，同时也能接收到智能终端的输入信息，执行相应的功能，系统程序流程图如图3所示。
5 测试结果
(1)系统能对10 Hz～20 MHz的任意周期信号进行测量，对大于20 MHz的信号，由于输入信号调理电路器件带宽的限制，导致用于测量输入信号频率的方波失真，致使示波器的测量信号频率精度降低。对相同频率的信号，等效采样方式的波形比实时采样方式的波形要好，其原因是同一个信号周期内前者的采样点比后者的采样点多。
(2)示波器的显示屏刻度垂直方向有354个像元，水平方向有446个像元，显示分辨率较高。
(3)示波器的垂直灵敏度分辨率包含1 V／div，0．1 V／div及2 mV／div三档，对比专用数字示波器测试结果，信号在显示屏上显示明显，波形失真小。
(4)示波器实时采样速率为400 kHz，等效采样速率可达200 MHz。
(5)系统在扫描速度包含了20 ms／div，2 μs／div及100 ns／div三档。
(6)系统具有存储和调出显示信号波形的功能。
用所设计的示波器，分别对多种信号的不同频率、幅值进行测试，同时对比高精度数字示波器测量结果，具体测试数据如表1，表2所示。
6 结语
样机测量结果表明，系统频率测量误差小于0．05％，信号幅值测量误差小于1％，系统精度较高，能满足一般的工业要求，并且可以在显示模块上对被测信号进行很好的复现。系统重量小于0．
它克服了同类产品使用时操作复杂，精度低的缺点，并且所设计的数字示波器集成度高，工作过程受外界环境的干扰小，测量数据可视化，界面友好，可复现被测信号波形，故可作为一种内嵌式设备，嵌入到一些柔性工业测量系统当中，这在工业自动化领域和测试领域有广泛的应用前景。