一種應用於虛擬示波器的雙通道數據採集系統設計

0 引 言
示波器是一種用途十分廣泛的精密電子測量儀器，在科學研究領域和實驗室中應用廣泛，但目前這類儀器設計複雜，價格較昂貴。
隨著科學技術的發展，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機為核心的硬體平臺支持下，通過軟體編程來實現儀器的功能。與傳統的實體儀器相比。虛擬儀器最大的特點在於其功能的可重構性和應用的靈活性，使用者可以通過修改軟體來方便地修改、增減儀器的功能，提高了儀器的使用效率，降低了成本。利用虛擬儀器技術只需配備必要的數據採集硬體，不僅可以實現傳統示波器的各項功能，而且還具有存儲、回放等特點。
鑑於虛擬示波器的各種優點和廣泛用途，研製出性能優越的虛擬示波器具有重要的實際應用價值。數據採集系統是整個虛擬示波器的重要組成部分，其性能的優劣直接關係到整個系統的品質，所以需要專門為其設計高速、高精度的數據採集系統。

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1 系統總體設計方案
本數據採集系統的總體結構如圖1所示。模擬信號經過多路選擇開關CD4051選通後進入信號調理電路，先經過兩片放大倍數可自動設定的AD526適當放大，然後進入採樣保持模塊。採樣保持電路由LF398晶片完成，它的邏輯輸入引腳與AD574的狀態轉換引腳通過一個非門進行連接，這樣就實現了採樣狀態與保持狀態的自動轉換，無需單片機進行控制。信號經過採樣保持電路後進入AD574進行模／數轉換，轉換後的數據存放到高速緩存晶片IDT7202中，單片機通過查詢緩存器的標誌位，執行向其寫入數據或者從中讀出數據命令。當數據存滿時，從IDT7202中讀出數據並將它寫入CH372，再通過USB將數據上傳至PC機進行相關調理與顯示。

1．1 信號調理電路
為了保證高精度的模／數轉換結果，要求輸入信號接近A／D模塊的滿量程值。信號調理的作用是使輸入信號滿足A／D轉換器的幅度要求，同時也擴大了輸入信號的幅度範圍。比如大信號必須經過適當的衰減，以免因為幅度過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的放大，否則採集恢復後的信號幅度太小，難以正確的觀測信號，並且也沒能夠充分利用A／D轉換器的解析度，會增大A／D轉換的誤差。
在本系統中，利用兩片AD526和單片機AT―mega32設計了能夠進行自動增益控制的放大器。AD526是美國AD公司生產的一款性能優良的軟體可編程放大器，單片AD526的放大倍數是1，2，4，8和16，兩片AD526級聯後可獲得32，64，128和256倍增益。由於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進行放大，以滿足線性放大要求，則放大器的放大倍數需要實時控制，AD526能夠滿足這樣的要求，它的放大倍數隨時可以由一組數碼控制。將從CD4501輸入的現場信號根據要求自動調整到適合A／D轉換的最佳輸入範圍，再啟動AD574進行轉換，能夠有效地保證在低輸入時的轉換精度，擴大採集系統的動態範圍。可編程控制增益電路如圖2所示。

1．2 A／D轉換電路
採用Ateml公司的AVR系列單片機ATmega32與AD574構成數據採集部分。ATmega32是一款高性能、低功耗的8位AVR微調理器，先進的RISC結構，具有32 KB的系統內可編程FLASH。AD574是美國AD公司研製的12位逐次逼近型模數轉換器，具有外接元件少、功耗低和精度高等特點，它的轉換速度為25μs，轉換精度為O．05％，輸入的模擬電壓可以是單極性也可以是雙極性，內部集成轉換時鐘，可廣泛應用在數據採集系統中。由於AD574晶片內有三態輸出緩衝電路，因而可直接與單片機的數據總線相連，而無須附加邏輯接口電路。