一种高速顺序采样方法
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第* "卷 第 $期 ! " " !年 $月
华
中
科
技
大
学
学
报 （自然科学版）
; 8 > % * " 3 8 % $ % ! " " ! 5 9 E
（ ） ? % @ 9 A B C 8 D D G H % 8 I J K G %L 2 , K C %3 A : 9 + ,J K G , D K ,M N G : G 8 D EF
［ ］ 5 借鉴通信原理中产生单边带信号的方法 ，
［! （ ） ］ ， （ ） 2 6 + &. " & ’ ( 的输出信号 % " # / & :& ! $ ［! ［! （ ） ］ ； （ ） ’2 2 6 + &." , &. % % 3 & : & !’ 2+ % （ ） ］ ， 分频后在 0点和2点的输出分别为： " 3& ［! （ ） ／ （ ） ］ ； 2 6 + & # *" % 0 & ( ’0 " # 1& $ ［! （ ） （ ） ／ （ ） ］ + , & # *" % 2 & (% 0 & ( ’0 " # 1& ! $ 与% （ ） 相乘后在 4点和#点的信号分别为： *& （ ） （ ）0 （ （ ／） &） ) ( % % 4 & () / *& % /1 ・ ｛ ［ （ ／ （ ） 1 （ ］ ’* ’0 #） ! &*" &） 2 6 + /+/ * " # / & +" $ （ ） 1 （ ］ ｝ ； ［ （ ／ #） ! &*" &） 2 6 + /*/ " # / & *" $ （ ） （ ）（ ） （ / ／ ） ・ 1 % % # & () / *& % 2& ( ) ｛ ［ （ ／ （ ） 1 （ ］ ’* ’0 #） ! &*" &） + , /*/ * " # / & *" $ ［ （ ／ （ ） 1 （ ］ ｝ #） ! &*" &） + , /+/ ! " # / & +" $ 通过计算 ;点和,点的信号， 可以得到<点的 信号 （ ） （ ） （ ） （ / ／） ) % ; & +% ,& ( ) 15 , <& ( % ｛ ［ （ ／ ’* ’0 ’2 #） ! &+! &* 1 2 6 + /+/ " # % $ （ ） 1 （ （ ） ］ 2 ［ （ ／ ・ " &） #） 6 + /*/ +" / & +" 3 & *1 （ ） 1 （ （ ） ］ ｝ ! &*! &*" &） ! *" " # % / & *" 3& $ 通过上面的计算， 可见达到锁定状态时 （此时 （ 7/ ／ ） ， 环路滤波器的输入端仅剩 ! #） ! %! / " # $ ， /， ［ （/./ ／ 下三 种 频 率 成 分： ! % !% ! 1! = 而式（ ）中的镜像频率 ］ 1 #） ! .! ! ! 1 " # % != " # $ $ （ ／ 改 #） ! 7! 1 $ > 1 ! / . / " 已经被消去了! " # %! $ 进前后的环路滤波器的输入波形如图 5 所示， 其 中的虚线表示所需环路滤波器的频率特性， 改进
图 3 差频采样的改进电路
利用相移法可以消除这个频率成分! 具体的实现 （ （ 的希尔伯 框图如图3所示， 其中 &）表示 " &） " 特变换， 目的是产生一个与原始信号正交的信号， 的分频电路分别输出两个相互正交 & ’ ( 和" " # $ 的信号! 万方数据 设触 发 电 路 的 输 出 信 号 %（&）! ’ ・
第 @期
黄
健等：一种高速顺序采样方法
?
的触发信号! 当波形比较复杂时， 需要用一个时钟 提取电路完成触发信号的产生! 周期信号通过分 （! ／ ） ， 再与" 和 频得到所需的频偏 ! " "! " " # " # $ # $ 相乘后产生的信号 ! （频差） 送入乘法器 " $ " " % 进行鉴相， 通过环路滤波器后产生控制电压， 使 & ’ ( 产生合适的采样时钟) 设输入信号经过触发电路后在*点的输出信 ［! （ ） * （ ） ］ ， （ ） 分频后 号为% + , &. " % * & !’ " # /& *& $ ［! （ ） ／ （ ） ］ ， 在 0点的信号 % + , & #. " 0 & !’0 " # 1& $ ［! （ ） 2 （ ） ］， + , &." & ’ ( 的输出信号 % 2 & !’ % 3& 则 4点的信号 （ ） （ ）（ ） （ / ／ ） ’* ’2・ 1 % % 4 & () / *& % 2& ( ) ｛ ［ （! ） （ ） 3 （ ］ &） + , * " # % &*" / & *" $*! ） （ ） 3 （ ］ ｝ ， ［ （! &） + , " # % &*" / & +" $+! 为乘法器#的相乘系数! 从 0点和 4点来 式中) / 的信号通过乘法器后的输出信号 （ ） （ ）4 （ （ ／） &） ) ) ( % % # & () 1 0& % / 15 , ｛ ［ （! ／ ） ’* ’0 ’2 2 6 + " # % +! " # $*! $ # &* （ ） 3 （ （ ） ］ 6 ［ （! " &） + +" / & *" 1 & +2 " # %* $*! ／ ） （ ） 3 （ （ ） ］ ! &） *" " # / & *" 1& * $ # &*" ／ ） （ ） ［ （! 2 6 + " # % +! " # /& + $+! $ # &*" （ ） 1 （ ］ ［ （! ／ " &） 6 + +2 3 & +" " # % *! " # $+! $ （ ） 3 （ （ ） ］ ｝ ， （ ） #） &*" &） 1 *" / & +" 1& 式中) 在此希望通过环 1 为乘法器"的相乘系数! 路滤 波 器 后 对 & ’ ( 进行控制的频率成分是 ［ （! ／ ） （ ） 3 （ 7! &） 2 6 + 7 " # % 7! " # / & 7" $ $ # &." （ ） ］ ， 即要求达到锁定状态时的瞬时频差 " 1& ， 亦即 ／ ! 7! ! % " # %7 " # $ $ #! ／ " "! " # % (" " # $+" $ # (! 由上面的分析可以得到两个结论： 这个锁相 环路的确 可 以 得 到 所 希 望 的 频 率 " （" " % %! +7 ） ； （特 别 是 ! #点的信号所包含的频率成分 " ／ ・ 对后面的滤波器提 ! 7! ! 1 # 1 ! "） " # %. " # $ $ #! 出了很高的要求， 例如当频率间隔 1 % %8 9 ! " 为/ 时， 鉴相频率就只能为几十 8 此时， 要求环 9了， ， 这样的指标对滤 路滤波器的带宽也应为几十 8 9 波器的设计是十分不利的!
第; V卷
噪声带来的高频抖动而引起的采样点的相位误 差， 从而有利于提高采集系统的等效采样率!
示意图$ 这里移位寄存器用作一个数字混频器以 获取周期信号与采样时钟之间的频差$ 周期信号 是触发电路的输出信号， 而采样时钟是 % & ’的 输出信号， 在每个采样时钟的上升沿对周期信号 进行采样， 从而反映了两个输入信号的频差! 第二 级寄存器用于减少由于第一级的亚稳态而可能出 现的错误! 输出信号的频率等于两个输入信号频 这个输出信号可用 率的差值， 即" " " * + ,./ 0 1 2$ 来触发传统示波器或控制 3 ! & 输出数据的存储， 与前面的差频采样方法一起可以用以实现超高速 数据采集!
图 ! 用锁相环实现差频采样的采样时钟
假设输入的周期信号被送入了采样保持电路 和触发产生器! 触发产生器的输出是一个周期性
收稿日期： ! " " ! # " ! # " $ % 万方数据 作者简介：黄 健 （ ） ， 男， 硕士研究生； 武汉， 华中科技大学电子与信息工程系（ ） & ’ ( ! # ) * " " ( ) %
* *
图 5 改进前后环路滤波器的输入信号频谱
以后， 环路滤波器可以具有较宽的截止频率， 大大 简化了环路滤波器的设计! 另外因环路闭环频率 特性呈低通特性， 而误差频率特性呈高通特性， 故 环路可以跟踪输入相位中的低频成份而不能跟踪 其高频成分! 这样就减小了输入的触发信号由于
)
华
中
科
技
大
学
学
报 （自然科学版）
! 由于是将不同周期的采样点重新组成一个完
整的周期信号， 任何定时抖动或触发点的变化都 将导致采样点的相位误差! 而在等效采样的重建 过程中要求采样点没有定时错误， 相位误差的存 在使得在重组信号时导致重建波形失真， 这样就 降低了恢复的波形的精度! 顺序采样在实现中的另一个问题是如何获得 一个低抖动的可变延时! 商用延时器的内部抖动 及有限的数模转换器精度使它无法为需要测量的 复杂波形提供足够高的定时精度! 针对上面指出的顺序采样的两个关键问题， 从等效采样的原理出发， 提出了用外差技术实现 等效采样的方法!
图 & 用差频法实现顺序采样
要得到这样的采样时钟， 频率合成技术为差 频法 提 供 了 一 条 可 行 的 方 法! 下面讨论如何将 上! 基于锁相 （ ; < = 的输出频率锁定在 ( (） + , -1! ［ ］ 实现差频采样的采样时钟原理 环的基本原理 * ， 框图如图 ! 所示!
! 差频顺序采样法
一种高速顺序采样方法
黄 健 张蕴玉 胡修林
（华中科技大学电子与信息工程系）
摘要：论述了一种适用于低速采样系统采集高频宽带周期信号的高速顺序采样方法! 利用在本地锁相环产生 的一个与信号重复周期 "+ 相近的时钟信号作为采样保持电路的控制信号， 采样时钟周期 ". 与信号重复周 , 期之间的差值为 ! ） ， 而时间 ! 探讨了锁相环路的设计和系 （".1"+ "/0 " 反映了等效采样的时间分辨力! , 统触发原理， 给出了差频采样的原理框图及相应的触发电路! 该方法突破了传统顺序采样在使用商用可编程 延时器时的局限性， 在测控、 虚拟仪器、 信息处理等领域具有广泛的应用前景! 关 键 词：顺序采样；锁相环；相位抖动；希尔伯特变换；系统触发 文献标识码： 5 文章编号： （ ） & 6 ( & # ) 4 & ! ! " " ! " $ # " " " ) # " * 中图分类号： 2 3 ’ 4
顺序采样是一种常用的等效采样方法， 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
［"8 ／ （ 8 ） ］ （ ） ". %$ "+ & 9 : , 9 :’" + , - " - ! 由式（ ，."( ／ ， 所以 ）可知： 因为 ( !( & 8 9 : + , + , -( -$ 顺序采样在获得很高的时间分辨率 ! " 的同时可 以大大降低采样速率!
图 ) 数字混频波形示意图
参 考 文 献
Biblioteka Baidu! 系统触发
实际的波形显示或用 ! " # 技术对信号进行 处理时， 需要一个有效的系统触发对重构波形的 起始位置进行定位$ 利用周期信号与 % & ’ 的输出信号频率偏差 比较小的特点， 触发脉冲可以用图 ( 所示的传统 移位寄存器来实现，图 ) 是相应的数字混频波形
［ ］沈兰荪$ 高速数据采集系统的原理与应用$ 北京： 人民 4 邮电出版社， 4 5 5 ( $ 图 ( 触发信号产生电路 ［ ］7 电子测量仪器： 原理与使用$ 何小平译$ 北 6 8 , , 9:3$ 京： 清华大学出版社， 4 5 5 ( $ ［ ］王福昌， 鲁昆生$ 锁相技术$ 武汉： 华中理工大学出版 ; 社， 4 5 5 < $ ［ ］曹志刚， 钱亚生$ 现代通信原理$ 北京： 清华大学出版 = 社， 4 5 5 6 $
差频顺序采样的基本原理见图 & ! ， 采集时钟的周期为 "./ 设信号周期为 "+ , 输出信号 $ "+ 7! "， , （ ／ "） "8 % 9 :% " ." + , -!
! （ $ "+ "） "+ "+ , , , -&! ! %$ &"+ , ! " ! " 由上述两式可以解出采样时钟周期
华
中
科
技
大
学
学
报 （自然科学版）
; 8 > % * " 3 8 % $ % ! " " ! 5 9 E
（ ） ? % @ 9 A B C 8 D D G H % 8 I J K G %L 2 , K C %3 A : 9 + ,J K G , D K ,M N G : G 8 D EF
［ ］ 5 借鉴通信原理中产生单边带信号的方法 ，
［! （ ） ］ ， （ ） 2 6 + &. " & ’ ( 的输出信号 % " # / & :& ! $ ［! ［! （ ） ］ ； （ ） ’2 2 6 + &." , &. % % 3 & : & !’ 2+ % （ ） ］ ， 分频后在 0点和2点的输出分别为： " 3& ［! （ ） ／ （ ） ］ ； 2 6 + & # *" % 0 & ( ’0 " # 1& $ ［! （ ） （ ） ／ （ ） ］ + , & # *" % 2 & (% 0 & ( ’0 " # 1& ! $ 与% （ ） 相乘后在 4点和#点的信号分别为： *& （ ） （ ）0 （ （ ／） &） ) ( % % 4 & () / *& % /1 ・ ｛ ［ （ ／ （ ） 1 （ ］ ’* ’0 #） ! &*" &） 2 6 + /+/ * " # / & +" $ （ ） 1 （ ］ ｝ ； ［ （ ／ #） ! &*" &） 2 6 + /*/ " # / & *" $ （ ） （ ）（ ） （ / ／ ） ・ 1 % % # & () / *& % 2& ( ) ｛ ［ （ ／ （ ） 1 （ ］ ’* ’0 #） ! &*" &） + , /*/ * " # / & *" $ ［ （ ／ （ ） 1 （ ］ ｝ #） ! &*" &） + , /+/ ! " # / & +" $ 通过计算 ;点和,点的信号， 可以得到<点的 信号 （ ） （ ） （ ） （ / ／） ) % ; & +% ,& ( ) 15 , <& ( % ｛ ［ （ ／ ’* ’0 ’2 #） ! &+! &* 1 2 6 + /+/ " # % $ （ ） 1 （ （ ） ］ 2 ［ （ ／ ・ " &） #） 6 + /*/ +" / & +" 3 & *1 （ ） 1 （ （ ） ］ ｝ ! &*! &*" &） ! *" " # % / & *" 3& $ 通过上面的计算， 可见达到锁定状态时 （此时 （ 7/ ／ ） ， 环路滤波器的输入端仅剩 ! #） ! %! / " # $ ， /， ［ （/./ ／ 下三 种 频 率 成 分： ! % !% ! 1! = 而式（ ）中的镜像频率 ］ 1 #） ! .! ! ! 1 " # % != " # $ $ （ ／ 改 #） ! 7! 1 $ > 1 ! / . / " 已经被消去了! " # %! $ 进前后的环路滤波器的输入波形如图 5 所示， 其 中的虚线表示所需环路滤波器的频率特性， 改进
图 3 差频采样的改进电路
利用相移法可以消除这个频率成分! 具体的实现 （ （ 的希尔伯 框图如图3所示， 其中 &）表示 " &） " 特变换， 目的是产生一个与原始信号正交的信号， 的分频电路分别输出两个相互正交 & ’ ( 和" " # $ 的信号! 万方数据 设触 发 电 路 的 输 出 信 号 %（&）! ’ ・
第 @期
黄
健等：一种高速顺序采样方法
?
的触发信号! 当波形比较复杂时， 需要用一个时钟 提取电路完成触发信号的产生! 周期信号通过分 （! ／ ） ， 再与" 和 频得到所需的频偏 ! " "! " " # " # $ # $ 相乘后产生的信号 ! （频差） 送入乘法器 " $ " " % 进行鉴相， 通过环路滤波器后产生控制电压， 使 & ’ ( 产生合适的采样时钟) 设输入信号经过触发电路后在*点的输出信 ［! （ ） * （ ） ］ ， （ ） 分频后 号为% + , &. " % * & !’ " # /& *& $ ［! （ ） ／ （ ） ］ ， 在 0点的信号 % + , & #. " 0 & !’0 " # 1& $ ［! （ ） 2 （ ） ］， + , &." & ’ ( 的输出信号 % 2 & !’ % 3& 则 4点的信号 （ ） （ ）（ ） （ / ／ ） ’* ’2・ 1 % % 4 & () / *& % 2& ( ) ｛ ［ （! ） （ ） 3 （ ］ &） + , * " # % &*" / & *" $*! ） （ ） 3 （ ］ ｝ ， ［ （! &） + , " # % &*" / & +" $+! 为乘法器#的相乘系数! 从 0点和 4点来 式中) / 的信号通过乘法器后的输出信号 （ ） （ ）4 （ （ ／） &） ) ) ( % % # & () 1 0& % / 15 , ｛ ［ （! ／ ） ’* ’0 ’2 2 6 + " # % +! " # $*! $ # &* （ ） 3 （ （ ） ］ 6 ［ （! " &） + +" / & *" 1 & +2 " # %* $*! ／ ） （ ） 3 （ （ ） ］ ! &） *" " # / & *" 1& * $ # &*" ／ ） （ ） ［ （! 2 6 + " # % +! " # /& + $+! $ # &*" （ ） 1 （ ］ ［ （! ／ " &） 6 + +2 3 & +" " # % *! " # $+! $ （ ） 3 （ （ ） ］ ｝ ， （ ） #） &*" &） 1 *" / & +" 1& 式中) 在此希望通过环 1 为乘法器"的相乘系数! 路滤 波 器 后 对 & ’ ( 进行控制的频率成分是 ［ （! ／ ） （ ） 3 （ 7! &） 2 6 + 7 " # % 7! " # / & 7" $ $ # &." （ ） ］ ， 即要求达到锁定状态时的瞬时频差 " 1& ， 亦即 ／ ! 7! ! % " # %7 " # $ $ #! ／ " "! " # % (" " # $+" $ # (! 由上面的分析可以得到两个结论： 这个锁相 环路的确 可 以 得 到 所 希 望 的 频 率 " （" " % %! +7 ） ； （特 别 是 ! #点的信号所包含的频率成分 " ／ ・ 对后面的滤波器提 ! 7! ! 1 # 1 ! "） " # %. " # $ $ #! 出了很高的要求， 例如当频率间隔 1 % %8 9 ! " 为/ 时， 鉴相频率就只能为几十 8 此时， 要求环 9了， ， 这样的指标对滤 路滤波器的带宽也应为几十 8 9 波器的设计是十分不利的!
第; V卷
噪声带来的高频抖动而引起的采样点的相位误 差， 从而有利于提高采集系统的等效采样率!
示意图$ 这里移位寄存器用作一个数字混频器以 获取周期信号与采样时钟之间的频差$ 周期信号 是触发电路的输出信号， 而采样时钟是 % & ’的 输出信号， 在每个采样时钟的上升沿对周期信号 进行采样， 从而反映了两个输入信号的频差! 第二 级寄存器用于减少由于第一级的亚稳态而可能出 现的错误! 输出信号的频率等于两个输入信号频 这个输出信号可用 率的差值， 即" " " * + ,./ 0 1 2$ 来触发传统示波器或控制 3 ! & 输出数据的存储， 与前面的差频采样方法一起可以用以实现超高速 数据采集!
图 ! 用锁相环实现差频采样的采样时钟
假设输入的周期信号被送入了采样保持电路 和触发产生器! 触发产生器的输出是一个周期性
收稿日期： ! " " ! # " ! # " $ % 万方数据 作者简介：黄 健 （ ） ， 男， 硕士研究生； 武汉， 华中科技大学电子与信息工程系（ ） & ’ ( ! # ) * " " ( ) %
* *
图 5 改进前后环路滤波器的输入信号频谱
以后， 环路滤波器可以具有较宽的截止频率， 大大 简化了环路滤波器的设计! 另外因环路闭环频率 特性呈低通特性， 而误差频率特性呈高通特性， 故 环路可以跟踪输入相位中的低频成份而不能跟踪 其高频成分! 这样就减小了输入的触发信号由于
)
华
中
科
技
大
学
学
报 （自然科学版）
! 由于是将不同周期的采样点重新组成一个完
整的周期信号， 任何定时抖动或触发点的变化都 将导致采样点的相位误差! 而在等效采样的重建 过程中要求采样点没有定时错误， 相位误差的存 在使得在重组信号时导致重建波形失真， 这样就 降低了恢复的波形的精度! 顺序采样在实现中的另一个问题是如何获得 一个低抖动的可变延时! 商用延时器的内部抖动 及有限的数模转换器精度使它无法为需要测量的 复杂波形提供足够高的定时精度! 针对上面指出的顺序采样的两个关键问题， 从等效采样的原理出发， 提出了用外差技术实现 等效采样的方法!
图 & 用差频法实现顺序采样
要得到这样的采样时钟， 频率合成技术为差 频法 提 供 了 一 条 可 行 的 方 法! 下面讨论如何将 上! 基于锁相 （ ; < = 的输出频率锁定在 ( (） + , -1! ［ ］ 实现差频采样的采样时钟原理 环的基本原理 * ， 框图如图 ! 所示!
! 差频顺序采样法
一种高速顺序采样方法
黄 健 张蕴玉 胡修林
（华中科技大学电子与信息工程系）
摘要：论述了一种适用于低速采样系统采集高频宽带周期信号的高速顺序采样方法! 利用在本地锁相环产生 的一个与信号重复周期 "+ 相近的时钟信号作为采样保持电路的控制信号， 采样时钟周期 ". 与信号重复周 , 期之间的差值为 ! ） ， 而时间 ! 探讨了锁相环路的设计和系 （".1"+ "/0 " 反映了等效采样的时间分辨力! , 统触发原理， 给出了差频采样的原理框图及相应的触发电路! 该方法突破了传统顺序采样在使用商用可编程 延时器时的局限性， 在测控、 虚拟仪器、 信息处理等领域具有广泛的应用前景! 关 键 词：顺序采样；锁相环；相位抖动；希尔伯特变换；系统触发 文献标识码： 5 文章编号： （ ） & 6 ( & # ) 4 & ! ! " " ! " $ # " " " ) # " * 中图分类号： 2 3 ’ 4
顺序采样是一种常用的等效采样方法， 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
［"8 ／ （ 8 ） ］ （ ） ". %$ "+ & 9 : , 9 :’" + , - " - ! 由式（ ，."( ／ ， 所以 ）可知： 因为 ( !( & 8 9 : + , + , -( -$ 顺序采样在获得很高的时间分辨率 ! " 的同时可 以大大降低采样速率!
图 ) 数字混频波形示意图
参 考 文 献
Biblioteka Baidu! 系统触发
实际的波形显示或用 ! " # 技术对信号进行 处理时， 需要一个有效的系统触发对重构波形的 起始位置进行定位$ 利用周期信号与 % & ’ 的输出信号频率偏差 比较小的特点， 触发脉冲可以用图 ( 所示的传统 移位寄存器来实现，图 ) 是相应的数字混频波形
［ ］沈兰荪$ 高速数据采集系统的原理与应用$ 北京： 人民 4 邮电出版社， 4 5 5 ( $ 图 ( 触发信号产生电路 ［ ］7 电子测量仪器： 原理与使用$ 何小平译$ 北 6 8 , , 9:3$ 京： 清华大学出版社， 4 5 5 ( $ ［ ］王福昌， 鲁昆生$ 锁相技术$ 武汉： 华中理工大学出版 ; 社， 4 5 5 < $ ［ ］曹志刚， 钱亚生$ 现代通信原理$ 北京： 清华大学出版 = 社， 4 5 5 6 $
差频顺序采样的基本原理见图 & ! ， 采集时钟的周期为 "./ 设信号周期为 "+ , 输出信号 $ "+ 7! "， , （ ／ "） "8 % 9 :% " ." + , -!
! （ $ "+ "） "+ "+ , , , -&! ! %$ &"+ , ! " ! " 由上述两式可以解出采样时钟周期