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在現代電子測量、通訊系統以及生物醫學(xué)等領(lǐng)域，經(jīng)常涉及對寬帶模擬信號進(jìn)行數據采集和存儲，以便計算機進(jìn)一步進(jìn)行數據處理。為了對高速模擬信號進(jìn)行不失真采集，根據奈奎斯特定理， 采樣頻率必須為信號頻率的2 倍以上，但在電阻抗多頻及參數成像技術(shù)中正交序列數字解調法的抗噪性能對信號每周期的采樣點(diǎn)數決定，采樣點(diǎn)數越多，抗噪性能越高。當采樣信號頻率很高時(shí)，為了在被采樣信號的一周期內多采樣，就需要提高采樣時(shí)鐘的頻率，但是由于系統的ADC 器件時(shí)鐘速率并不能達到要求的高頻速率或者存儲處理速度等不能滿(mǎn)足要求因此我們可以采用低速ADC 器件通過(guò)等效時(shí)間采樣來(lái)對寬帶模擬信號進(jìn)行數據采集從而使系統易于實(shí)現。 1 等效時(shí)間采樣原理 等效時(shí)間采樣技術(shù)是把周期性或準周期性的高頻、快速信號變換為低頻的慢速信號。在電路上只對取樣前的電路具有高頻的要求，大大降低采樣變換后的信號處理、顯示電路對速度的要求，簡(jiǎn)化了整個(gè)系統的設計難度。等效時(shí)間采樣分為順序采樣（sequential equivalent sampling）、隨機采樣（random equivalent sampling） 以及結合這兩種方式的混合等效采樣（compound equivalent sampling）。在文獻[3]、[4]中分別介紹了兩種硬件實(shí)現的等效時(shí)間采樣中的順序采樣。 下面我將介紹等效時(shí)間采樣中的混合時(shí)間采樣，對于周期性信號的等效時(shí)間采樣如圖1（a）所示。 在第一周期中的橫軸（時(shí)間）的第2 與第6 處的時(shí)鐘上升沿對模擬信號進(jìn)行采樣，圖中的箭頭表示采樣時(shí)刻。在一個(gè)周期中可以采集兩個(gè)點(diǎn)，緊接著(zhù)在第二個(gè)周期橫軸的第11與第15 處的時(shí)鐘上升沿對模擬信號進(jìn)行采樣。為了方便觀(guān)察在此將第一至第五周期的波形縱向排列�？梢钥吹降诙芷诒鹊谝恢艿牟蓸狱c(diǎn)距離各自周期起始點(diǎn)的時(shí)間晚了一個(gè)時(shí)鐘周期。第三周期比第二周的采樣點(diǎn)距離第三周期起始點(diǎn)的時(shí)間晚了一個(gè)時(shí)鐘周期。在第四周期進(jìn)行采樣時(shí)我們可以發(fā)現第二個(gè)采樣點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入第五周期。如果我們在第五周期周試圖繼續用以上方式進(jìn)行采樣即第五周期比第四周的采樣點(diǎn)距離起始點(diǎn)的時(shí)間晚一個(gè)時(shí)鐘周期，那么我們會(huì )發(fā)現在第五周期的采樣起始點(diǎn)采樣到的值重復了第一周期采樣到的數值。所以此時(shí)我們可以終止采樣那么我們就得到了如圖1 中的第6 個(gè)波形示意圖所表示的在一個(gè)周期的正弦波形中采到的8 個(gè)數據點(diǎn)。 在文獻[5]中給出了等效時(shí)間采樣中每個(gè)周期可以采集多個(gè)點(diǎn)時(shí)的理論依據，在文獻[6]中給出了等效時(shí)間采樣中每個(gè)周期可以采集單個(gè)點(diǎn)時(shí)的理論依據。 我們通過(guò)將高頻時(shí)鐘進(jìn)行分頻已達到或者接近滿(mǎn)足處理速度時(shí)鐘要求。在圖1（b）中幅度最小的時(shí)鐘信號為采樣時(shí)鐘。由圖1（b）可以很清楚的看到分頻后的時(shí)鐘波形，分頻后的時(shí)鐘波形在時(shí)鐘的上升沿對信號進(jìn)行采樣，那么就會(huì )得到如圖1（a）中所表示的等效時(shí)間采樣。 圖1 等效時(shí)間采樣示意圖 2 基于FPGA的等效時(shí)間采樣實(shí)現 2.1 系統硬件實(shí)現框圖 系統的總體框圖如圖2，FPGA 控制的等效采樣時(shí)鐘連接到ADC 器件的時(shí)鐘部分，ADC 器件在時(shí)鐘的控制下對寬帶模擬信號進(jìn)行采樣，采集到的數據傳送到FPGA 中的FIFO，FPGA 再將FPGA 中FIFO 的數據傳遞到USB 中的FIFO，然后USB 將USB 中FIFO 數據推送到計算機，計算機對接收到的數據進(jìn)行重構處理。對于信號周期的獲取，在電阻抗多頻及參數成像技術(shù)中采集信號的周期是由發(fā)送信號的周期決定， 而對于其他復雜周期信號的周期獲得可以通過(guò)所采用的方法獲得。 圖2 系統方案框圖 2.2 等效時(shí)間采樣時(shí)鐘的程序實(shí)現 圖3 展示了基于FPGA 生成的等效時(shí)間采樣模塊的輸入端口與輸出端口。其中CLK 表示高頻時(shí)鐘的輸入，RESET表示的是復位輸入端，FREN_CON 表示的是分頻控制輸入用于控制高頻時(shí)鐘的分頻數，SANM_CONT 表示的是模擬信號的周期包含多少個(gè)高頻時(shí)鐘信號的波形，CLK_ADC_OUT 表示的是輸出時(shí)鐘端口，此端口連接到模數轉換器件（ADC）的時(shí)鐘輸入端口。 圖3 等效時(shí)間采樣模塊圖 以下是實(shí)現等效時(shí)間采樣所需時(shí)鐘的代碼： SIGNAL SAMP_CONTS:STD_LOGIC_VECTOR （11 DOWNTO 0）:=（OTHERS=>'0'）； SIGNAL ADC_CLK_BANK:STD_LOGIC_VECTOR （11 DOWNTO 0）:=（OTHERS=>'0'）； SIGNAL CLK_CNT :INTEGER RANGE 0 TO 5000:=0； SIGNAL CLK_TANK:STD_LOGIC:='0'； SIGNAL EN :STD_LOGIC:='1'； BEGIN PROCESS（CLK，RESET） BEGIN IF RESET='1' THEN EN'0'）； SAMP_CONTS'0'）； EN 3 波形仿真 圖4 中的波形仿真是以模擬信號的一周期等于8 個(gè)CLK 時(shí)鐘周期，CLK_ADC_OUT 是對CLK 進(jìn)行4 分頻且分頻后的時(shí)鐘占空比為50%為假設的。1 號箭頭指向的時(shí)鐘上升沿標志著(zhù)第一周期結束，上升沿之后進(jìn)入第二周期。同理，2號箭頭所指時(shí)鐘的上升沿標志著(zhù)第二周期的結束，上升沿之后標志著(zhù)進(jìn)入第三周期。 圖4 波形仿真 在第一個(gè)周期中從CLK 的第一個(gè)上升沿開(kāi)始計時(shí)同時(shí)對CLK 進(jìn)行分頻可以得到CLK_ADC_OUT 時(shí)鐘信號， 在第一周期中在CLK 的第二個(gè)上升沿CLK_ADC_OUT 電平翻轉（存在延時(shí)）， 在第二周期中在第三個(gè)上升沿CLK_ADC_OUT電平翻轉， 在第三個(gè)周期中在CLK 的第四個(gè)上升沿CLK_ADC_OUT 電平翻轉�？梢钥闯霾ㄐ畏抡鎴D是對圖1（a）、（b）兩圖表達時(shí)鐘的實(shí)現。在這里應該注意到，在第一周期中雖然也有8 個(gè)CLK 的上升沿，但是并沒(méi)有表示出如1 號箭頭所指CLK 時(shí)鐘上升沿之后與第二周期第一個(gè)CLK 時(shí)鐘上升沿之間的波形。 4 結論 本文介紹了等效時(shí)間采樣的基本原理、系統實(shí)現的具體方案。等效時(shí)間采樣技術(shù)實(shí)現了利用低速的ADC 器件對寬帶模擬信號的采集， 降低了系統對ADC 器件的要求以及系統實(shí)現的復雜度。本文介紹的等效時(shí)間采樣技術(shù)由于使用了FPGA 采樣技術(shù)， 使得在被采樣信號的一個(gè)周期中相較于一個(gè)周期僅能采集一個(gè)點(diǎn)的順序等效時(shí)間采樣有很大的提高，并且可以控制被采集信號一個(gè)周期中的采集點(diǎn)數從而可以根據后續器件處理速度實(shí)現變頻控制采樣。通過(guò)FPGA 實(shí)現等效采樣時(shí)間，降低了系統實(shí)現的復雜度，同時(shí)可以十分方便的對代碼進(jìn)行修改使系統的調試更加簡(jiǎn)便。 參考文獻： [1] 史學(xué)濤. 用于電阻抗多頻及參數成像的多頻數據采集技術(shù)研究[D]. 西安:第四軍醫大學(xué)，2001. [2] 葉旭. 導波式雷達物位計信號處理方法研究與實(shí)驗[D]. 合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2012. [3] 張杰，曹思樟，祝懷標，等. 基于游標法的等效時(shí)間采樣模塊的設計[J]. 計量與測試技術(shù)2012，39（4）:59-60，63.ZHANG Jie，CAO Si zhang，ZHU Huai biao，et al. Design ofequivalent time sanding module based on vernier method[J].Measurement and Test Technology，2012，39（4）:59-60，63. [4] 陳小橋，劉愛(ài)榮，亓長(cháng)軍. 基于等效時(shí)間采樣的高速數據采集技術(shù)[J]. 電測與儀表，2002，39（440）:23-26.CHEN Xiao qiao，LIU Ai鄄rong，QI Chang jun. High speed data acquisition system based on equivalent time sampling [J].Electrical Measurement & Instrumentation，2002，39 （440）:23-26. [5] 任斌，余成，陳衛，等. 基于EDA技術(shù)的等效采樣的設計實(shí)現[J]. 微計算機信息，2007，23（5-2）:293-295.REN Bin，YU Cheng，CHEN Wei，et al. Design and realization of equivalent -time sampling based on EDA [J]. Micro Computer Information，2007，23（5-2）:293-295. [6] 周維，王赤，田茂，等. 基于等效時(shí)間采樣的探地-雷達回波信號采樣方法研究[J]. 雷達科學(xué)與技術(shù)，2004（2）:43-47.ZHOU Wei，WANG Chi，TIAN Mao，et al. Research on asample-collecting method of echo data of ground penetrating radar based on equivalent time sampling[J]. Radar Science and Technology，2004（2）:43-47. |
