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時域反射儀的硬件設計與實現----關鍵電路設計(三)

作者: 時間:2013-04-24 來源:網絡 收藏
入信號頻率較高的情況下就可能發生差拍。當發生差拍時,顯示波形頻率將低于實際信號頻率,一般兩者成倍數關系,同時示波器在己觸發的情況下也不能穩定,在采樣周期性波形情況下,屏幕上可能顯示出與原信號形狀相同但頻率不正確的信號。檢查是否發生差拍的方法之一是改變時基,當時基在相鄰檔位變化時,若波形發生很大變化,則表示己經產生了差拍,另一種方法是采用峰值檢測方式,由于峰值檢測即使在慢速時基檔位下也始終采用最高的采樣率捕獲信號,所以當輸入信號的頻率在可測范圍內時,就可以避免差拍出現。如圖4-26所示,在低速采樣下產生差拍信號的現象。

無峰值檢測下顯示波形差拍效應

反射測量中,在高速時基情況下,如100ns/div--5ns/div之間,屏幕上的一列對應了ADC單次采樣采集到的數據,即點對點形式,此時ADC也處于最高速采樣狀態下(250MSPS),當時基為20ns/div時,采樣率仍保持在250MSPS,此時屏幕上的單個像素點對應的時間間隔為5ns,對應了兩次采樣時鐘,即兩個數據確定了屏幕上的一列圖形,如果這兩個數據相同,則對應屏幕上的一點,如果不同,則對應屏幕上同一列的上下兩個或是連成一小段的像素點。當時基為500ns/div,如果采樣率仍為250MSPS,則單個像素點的時間(20ns)對應5次采樣的數據,如果采樣率為200MSPS,則單個像素點的時間(20ns)對應4次采樣的數據。又因為為了降低功耗的目的,在1us/div以后都采用了100MSPS,單個像素點的時間(20ns)對應了以4為倍數的采樣數據。為此在500ns/div時也采用200MsPs,這樣在進行峰值檢測的時候可以一次將4個數據送到高速比較模塊做流水線比較,并在規定時間周期內找到最大值和最小值。4個高速數據的峰值比較電路設計流程如圖4-27所示。

峰值檢測模塊設計流程圖

在FPGA內部,峰值檢測模塊電路由于采用了流水線的模式,因此用了較多的8位并行D觸發器、8位比較器和8位兩路選擇器來實現。雖然占用了一定的FPGA的內部邏輯單元(LB),但卻保證了大量數據的高速連續處理,且不丟失有用的數據,唯一的缺點就是實時性不強,即4個數據的比較需要經過好幾次時鐘(每個時鐘為周期為4*4ns)以后才能找到最大值和最小值,即有一定的延時性,但并不影響波形的正常顯示。因此這種流水線的操作方式實際上是一種利用空間換取時間的方式。整體設計模塊如圖4-28所示。

峰值檢測模塊

在峰值檢測模塊當中,輸入端有兩個控制輸入,CLK_NUM和OVER_4.OVER_4表示峰值檢測在單位時間內總共多少個數據進行比較,因為在時基為500ns/div和1us/div下,一次只進行4個數據的比較,就要輸出最大和最小值,而在Zu叮div以后都是要進行大于4個,且以4為倍數的數據的比較,而模塊單次只能比較4個數據,因此用OVER4來控制總共比較的數據是否大于4,大于4則OVER_4為1,反之為O。CLK_NUM用來控制單位時間間隔內到底有多少個數據進行比較,如果CLK-少舊M的周期為16ns,則只有4個數據比較,此時OVER_4也為0,當CLK_NUM的周期為16ns的倍數后,則會有4的倍數個數據進行比較。

實際上CLK-少舊M的周期與時基是相聯系的,如時基為500ns/div,則CLK_NUM的周期為20ns,又因為此時的采樣率為20OMSPS,所以只有4個數據比較,當時基為1us/div,CLK_NUM的周期為40ns,采樣率為100MSPS,所以同樣只有4個數據比較,而當時基為2us/div,CLK_NUM的周期為80ns,采樣率為100MSPs,就會有8個數據進行比較,而在比較的過程當中,先進去的4個數據會比較出一個大值和小值,這兩個數據被默認為最大值和最小值暫時保留下來,直到與后進來的4的數據比較出的大值和小值繼續做比較,最終確定最大值和最小值。表4-3給出了在不同時基情況下起用峰值檢測模塊控制信息相關對照表



關鍵詞: 時域 反射儀 硬件設計

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