一种10MHz级高速变频电信号采集系统及采集方法技术方案

本申请公开了一种10MHz级高速变频电信号采集系统，包括XOR电路、采样触发信号发生器、采样计数器和高速计时器，采样触发信号发生器连接有XOR电路，XOR电路和高速计时器连接有采集开始信号，采样触发信号发生器连接有采样电路和采样计数器，采样计数器连接有MCU，采样电路连接有DMA传输控制器，采样电路和高速计时器通过DMA数据传输连接有数据存储器，采样计数器发送频率切换信号到XOR电路，采样计数器发送变频触发信号到MCU。发送变频触发信号到MCU。发送变频触发信号到MCU。

【技术实现步骤摘要】
一种10MHz级高速变频电信号采集系统及采集方法


[0001]本专利技术是一种10MHz级高速变频电信号采集系统及采集方法，属于测量电变量


技术介绍

[0002]进行瞬态信号采集时，很多情况下信号变化速度在初期非常块，而随着时间推移，信号变化速度会指数减小。
[0003]现有的信号采集系统中的控制部分都是线性连续采样的，也就是说一次采样过程中的采样频率不会变化，不同频率下的最大连续采样时间由采集系统的内存容量决定，采样频率越高，可持续采样的时间越短。
[0004]信号变化速度随时间指数递减的这类信号，在采集初期，信号变化速度极快，需要10MHz级别的采样频率，而随着采集时间越长信号变化速度越慢，所需要的采样频率也需要随着信号降低而降低，一致保持10MHz采样频率的话，就会产生大量冗余数据占据采集系统的存储空间，而导致无法长时间连续采样。
[0005]如果以10MHz进行匀速采样，那么每秒钟会产生1000万条数据，假设每条数据8个字节，那么就会产生80MB数据。一般低成本单片机的内存只有不到1MB的容量，这样就只能缓存10毫秒左右的数据，远远无法满足使用需要。
[0006]实际的信号变化速度，会随着时间的推移指数递减，在1微秒
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10微秒这个范围变化速度最快，需要使用10MHz采样频率才能获得足够的精度，这样相当于100条数据，但是10微秒
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100微秒这个时间范围内，信号变化速度大幅度下降，这样同样100条数据就能获得足够的精度，即使用10Mhz采集了1000条数据，这里面有效数据量只有10%，其余的都是冗余数据。100毫秒以后部分同理，如此时间每增加一个数量级，有效数据密度就降低10倍，在1秒钟的时候，有效数据量密度就只剩1微妙时的100万分之一了。
[0007]对于这类信号进行采样时，为了采集到初期高频变化的信号，就需要非常高的采样频率，一般都需要达到MHz甚至10MHz以上，而仅仅1秒后的信号变化速度就慢到几个Hz～几百Hz的程度。
[0008]如果使用匀速采样系统，要保证初期数据的有效性，就需要在采样全程保持与初期一致的采样频率，这种方案需要大量的存储空间来存储冗余数据，实际上将需要数十MB/秒的高速存储空间，而实际有用的数据可能仅有数十KB，其他都是冗余数据。
[0009]一般的单片机系统，高速存储空间（RAM）容量在数十～数百KB的范围，假使每个数据长度4Byte，那么10MHz的采样频率将会产生40MB/秒的数据量，这远远超出单片机内存容量很多个数量级。
[0010]市场上的商用大容量高速采集设备（例如高端示波器），可以在10MHz的频率上连续采集数十秒的数据，但是体积巨大，价格昂贵（数万～数十万元/台），不管是成本还是体积都无法用于嵌入式数据采集系统。
[0011]仅靠单片机程序控制虽然也可以实现变频采样，但是程序的执行需要消耗时间，
而且由于MCU中断的不确定性，就导致同样的代码在运行时会出现数μs～数十μs的时间误差，这样是无法实现MHz以上的精确采样控制的。
[0012]对于此类信号的采集，要大幅度减少冗余数据，就要求数据采集系统在整个数据采集过程种不断的改变采样频率，比如：1微秒
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10微秒采样频率为10Mhz，采集100点10微秒
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100微秒采样频率为1Mhz，采集100点100微妙
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1毫秒采样频率0.1Mhz，采集100点，l
…
以此类推，这样1秒钟内只会产生几百个数据点，大幅度减少冗余数据，即使低成本单片机的存储资源有限，也能够进行长时间的连续采集。
[0013]当然，通过单片机的中断程序也可以实现上述控制目的，但是单片机的工作频率一般在10
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100MHz左右，每次进入中断程序的时候需要预先执行大量程序控制相关指令，这就需要数微秒~数十微秒以上的时间，而且这个时间存在不确定性。在实际设计过程中发现，单纯依靠单片机程序实现变频采样的话，时间控制误差会达到数微秒到数十微秒，而且存在不确定性，这对于要求微秒级时间精度的信号采集来说是不够的。

技术实现思路

[0014]本专利技术要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种10MHz级高速变频电信号采集系统，解决了单片机系统中，由于内存容量限制导致的匀速采样无法保持长时间高速数据采集的问题，解决了信号变化速度指数递减的数据采集场景下，匀速采样带来的大量冗余数据的问题，解决了单纯单片机程序控制的变速采样，无法实现MHz以上的精准控制问题。
[0015]为解决以上技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种10MHz级高速变频电信号采集系统，包括XOR电路、采样触发信号发生器、采样计数器和高速计时器，采样触发信号发生器连接有XOR电路，XOR电路和高速计时器连接有采集开始信号，采样触发信号发生器连接有采样电路和采样计数器，采样计数器连接有MCU，采样电路连接有DMA传输控制器，采样电路和高速计时器通过DMA数据传输连接有数据存储器，采样计数器发送频率切换信号到XOR电路，采样计数器发送变频触发信号到MCU；所述高速计时器连接有XOR电路，XOR电路连接采样开始信号和采集停止信号，高速计时器通过比较器连接有脉冲周期寄存器、脉冲宽度寄存器和输出寄存器，输出寄存器输出采样触发信号，高速计时器输入采集开始信号和采集停止信号。
[0016]进一步的，所述触发信号发生器包括采样触发信号生成器，采样触发信号生成器连接有高速ADC，高速ADC连接有ADC数据寄存器，高速ADC接入采样触发信号生成器发出的采样触发信号，高度ADC输出DMA传输触发信号。
[0017]进一步的，所述采样计数器包括采样触发信号生成器，采样触发信号生成器连接有通用计数器，通用计数器通过比较器连接有数据密度寄存器。
[0018]进一步的，所述采集开始信号包括比较器U1，比较器U1的1脚连接有接口P1，比较器U1的2脚连接有电阻R1一端，比较器U1的7脚连接有电容C1一端，并接+3V3电源，电容C1另一端接地，比较器U1的3脚连接有芯片U2的1脚和2脚；
所述通用计数器包括芯片U2，芯片U2的型号为SN74161，芯片U2的3脚连接有电阻R6一端，电阻R6另一端连接有晶振Y2的2脚，晶振Y2的4脚接+3V3电源，晶振Y2的3脚接地，芯片U2的16脚连接有电容C6一端，并接+3V3电源，电容C6另一端接地；所述芯片U2的13脚连接有比较器U4的1脚和比较器U11
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B的5脚，比较器U4的3脚连接有电容C7一端，并接+3V3电源，电容C7另一端接地，比较器U4的2脚连接有比较器U3
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A的2脚，比较器U3
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A的1脚连接有电阻R7一端，电阻R7另一端连接有芯片U2的14脚。
[0019]进一步的，所述脉冲周期寄存器包括芯片U10，芯片U10的型号为XD74LS194，芯片U10的3脚和9连接有电阻R本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种10MHz级高速变频电信号采集系统，其特征在于：包括XOR电路、采样触发信号发生器、采样计数器和高速计时器，采样触发信号发生器连接有XOR电路，XOR电路和高速计时器连接有采集开始信号，采样触发信号发生器连接有采样电路和采样计数器，采样计数器连接有MCU，采样电路连接有DMA传输控制器，采样电路和高速计时器通过DMA数据传输连接有数据存储器，采样计数器发送频率切换信号到XOR电路，采样计数器发送变频触发信号到MCU；所述高速计时器连接有XOR电路，XOR电路连接采样开始信号和采集停止信号，高速计时器通过比较器连接有脉冲周期寄存器、脉冲宽度寄存器和输出寄存器，输出寄存器输出采样触发信号，高速计时器输入采集开始信号和采集停止信号。2.如权利要求1所述的一种10MHz级高速变频电信号采集系统，其特征在于：所述触发信号发生器包括采样触发信号生成器，采样触发信号生成器连接有高速ADC，高速ADC连接有ADC数据寄存器，高速ADC接入采样触发信号生成器发出的采样触发信号，高度ADC输出DMA传输触发信号。3.如权利要求1所述的一种10MHz级高速变频电信号采集系统，其特征在于：所述采样计数器包括采样触发信号生成器，采样触发信号生成器连接有通用计数器，通用计数器通过比较器连接有数据密度寄存器。4.如权利要求3所述的一种10MHz级高速变频电信号采集系统，其特征在于：所述采集开始信号包括比较器U1，比较器U1的1脚连接有接口P1，比较器U1的2脚连接有电阻R1一端，比较器U1的7脚连接有电容C1一端，并接+3V3电源，电容C1另一端接地，比较器U1的3脚连接有芯片U2的1脚和2脚；所述通用计数器包括芯片U2，芯片U2的型号为SN74161，芯片U2的3脚连接有电阻R6一端，电阻R6另一端连接有晶振Y2的2脚，晶振Y2的4脚接+3V3电源，晶振Y2的3脚接地，芯片U2的16脚连接有电容C6一端，并接+3V3电源，电容C6另一端接地；所述芯片U2的13脚连接有比较器U4的1脚和比较器U11
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B的5脚，比较器U4的3脚连接有电容C7一端，并接+3V3电源，电容C7另一端接地，比较器U4的2脚连接有比较器U3
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A的2脚，比较器U3
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A的1脚连接有电阻R7一端，电阻R7另一端连接有芯片U2的14脚。5.如权利要求2所述的一种10MHz级高速变频电信号采集系统，其特征在于：所述脉冲周期寄存器包括芯片U10，芯片U10的型号为XD74LS194，芯片U10的3脚和9连接有电阻R8一端，电阻R8另一端接+3V3电源，芯片U10的16脚连接有电容C11一端，并接+3V3电源，电容C11另一端接地，芯片U10的11脚连接有接口P3的1脚，芯片U10的14脚连接有比较器U3
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A的3脚。6.如权利要求2所述的一种10MHz级高速变频电信号采集系统，其特征在于：所述脉冲宽度寄存器包括芯片U7，芯片U7的型号为XD74LS194，芯片U7的型号为XD74LS194，芯片U7的3脚和9脚连接有电阻R5一端，电阻R5另一端接+3V3电源，芯片U7的16脚连接有电容C10一端，并接+3V3电源，电容C10另一端接地，芯片U7的11脚连接有接口P2的1脚，芯片U7的15脚连接有比较器U11
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B的6脚；所述输出寄存器包括芯片U6，芯片U6的型号为XD74HC373，芯片U6的2脚连接有比较器U11
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B的7脚，芯片U6的20脚连接有电容C12一端，并接+3V3电源，电容C12另一端接地。7.如权利要求1所述的一种10MHz级高速变频电信号采集系统，其特征在于：所述高速计时器包括芯片U13，芯片U13的型号为SN74161，芯片U13的3脚连接有电阻R14一...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗亚非，
申请(专利权)人：鲁欧智造山东高端装备科技有限公司，
类型：发明
国别省市：