数字示波器的FFT分析装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种数字示波器的FFT分析装置，对多通道ADC采集的并行数据进行缓存，然后测量得到每个通道的信号频率，根据抽取系数计算得到倍频参数，对每个通道数据的频率信号进行倍频得到倍频信号，同步抽取模块从缓存的采集数据中读取各个通道的并行数据，根据倍频信号进行数据抽取，对单个通道的并行抽点数据进行平均得到每个通道的平均数据，对该平均数据进行FFT运算和缓存，由上位机读取进行显示。本发明专利技术通过对多通道多路并行ADC采集信号进行同步抽取后取平均值，降低通道噪声，使输入信号的频谱更利于观测。

FFT analysis device for digital oscilloscope

The invention discloses a FFT analysis device of a digital oscilloscope, which caches the parallel data collected by multi-channel ADC, then measures the signal frequency of each channel, calculates the frequency doubling parameters according to the extraction coefficient, multiplies the frequency signal of each channel data, and obtains the frequency doubling signal by multiplying the frequency signal of each channel data. The synchronous extraction module slows down. The parallel data of each channel is read from the collected data, and the data is extracted from the frequency doubling signal. The average data of each channel is averaged from the parallel decimation data of a single channel. The average data is FFT calculated and cached, which is read and displayed by the upper computer. By synchronously extracting the multi-channel and multi-channel parallel ADC acquisition signals, the average value is obtained to reduce the channel noise and make the spectrum of the input signal more convenient for observation.

【技术实现步骤摘要】
数字示波器的FFT分析装置
本专利技术属于数字示波器
，更为具体地讲，涉及一种数字示波器的FFT分析装置。
技术介绍
在传统数字示波器中，FFT分析方法是：将输入的模拟量电流电压通过AD采样环节变换成离散的数字量，然后进行快速傅立叶变换，计算获得基波和各次谐波的复数值。现有数字示波器采样率高，传统的FFT用软件实现，串行处理速度慢，不能满足高速数字示波器的实时FFT需求；传统示波器FFT分析数据点抽取信号不能与原始采集信号同步，并且由于不能满足整周期固定点采样导致存在截断误差，因此实际精度不高；传统FFT分析方法噪声频谱分量过大，影响观察被测信号的频谱，具体分析如下：(1)传统FFT分析方法耗时较长，导致波形捕获率降低：传统FFT分析是由软件实现的，高速数字示波器传输速率快且为多通道同步采样，由于软件是串行处理导致处理速度慢，信号处理需要消耗更多的时间，由数据处理时间与波形捕获率成反比，数字示波器的波形捕获率将降低。(2)传统FFT分析方法精度较低：传统数字示波器中基于软件的FFT方法，普遍采用根据适当的抽点系数抽点后将数据送入软件中，软件根据相关的FFT算法计算被测信号的频谱。该抽点算法无法实现被测信号基波频率f0的2q,q∈[1,2,3…]倍抽点，并且抽点使能信号与被测信号基波频率f0相位随机，从而导致数据截断误差、相位误差降低FFT的分析精度。(3)传统FFT分析方法不能有效降低通道的底噪：传统FFT分析无法抑制通道噪声，导致低信噪比的被测信号的频谱容易被噪声的频谱淹没，导致分析结果不精确，不利于复现原始信号的频谱，给原始采集信号频谱的观察带来很大的干扰。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字示波器的FFT分析装置，通过对多通道多路并行ADC采集信号进行同步固定点整数周期抽取后取平均值，提高了FFT分析的精度，降低通道噪声，使输入信号的频谱更利于观测。为了实现上述专利技术目的，本专利技术数字示波器的FFT分析装置包括时钟模块、分频器模块、比较器模块、信号采集模块、相位校正模块、数据缓存模块、频率测量模块、倍频模块、同步抽取模块、FFT分析模块和上位机，其中相位校正模块、数据缓存模块、频率测量模块、倍频模块、同步抽取模块和FFT分析模块在FPGA中实现。时钟模块用于生成N路采集时钟ad_clkn、1路频率测量参考时钟clks和1路倍频参考时钟clk0，其中n＝1,2,…,N，N表示采集模块的通道数量，将N路采集时钟ad_clkn分别输入信号采集模块的每片ADC进行时钟控制，以保证N通道信号同步采集，频率测量参考时钟clks和倍频参考时钟clk0分别发送给频率测量模块和倍频模块；比较器模块用于接收输入的N个通道模拟信号进行阈值比较，得到与N路模拟信号频率相同、占空比为50％的方波信号Wn，将N路方波信号Wn发送至分频器模块；分频器模块用于将接收到的N路方波信号Wn进行固定K分频，K的值需要令分频后信号的频率符合FPGA信号输入的频率范围，将分频后得到的信号发送至FPGA中的频率测量模块用于频率测量；信号采集模块用于对输入的N个通道模拟信号进行采集，信号采集模块包括N个ADC模块，每个ADC模块包含M片交替采集的ADC子模块，每个通道的模拟信号由对应ADC按照接收到的采集时钟ad_clkn进行信号采集，每个ADC模块并行输出M路数据和1路采集时钟ad_clkn至数据缓存模块，记第n个通道所采集的数据datan为Un1,Un2…,UnM，其中Unm表示第n个通道中第m路数据；相位校正模块用于对信号采集模块的每片ADC进行相位校正，使每个ADC模块输出相位相同；数据缓存模块包括N个FIFO，第n个FIFO对第n个通道的数据datan进行降速缓存，根据ad_clkn实现N个通道的数据datan同步输出；频率测量模块用于从时钟控制模块接收频率测量参考时钟clks，从分频器模块接收方波信号进行频率测量，得到N个通道数据对应的K分频后的频率然后计算得到N个通道数据对应的频率将N个频率发送给同步抽取模块，将方波信号转发至倍频模块；倍频模块用于接收倍频参考时钟clk0和N个频率信号分别对N个频率信号进行K×Dn倍倍频得到倍频信号将N个倍频信号和对应的分频系数An输出至同步抽取模块，Dn表示从上位机接收的对第n个通道的倍频系数；同步抽取模块用于从上位机接收FFT分析的信号周期数P，从倍频模块接收N个倍频信号然后从数据缓存模块并行读取N个通道的数据datan，分别对每个通道的M路数据Unm根据对应的倍频信号进行抽取，抽取方法如下：设置每个通道的M路数据Unm的P个周期对应的闸门时间tn：倍频信号与闸门时间tn的闸门信号边沿对齐，在闸门时间tn内对数据Unm根据倍频信号进行抽取，将倍频信号每两个上升沿之间的数据作为一个数据序列提取出来，在闸门时间tn共计提取出Dsum个数据序列，Dsum＝P×K×Dn，记数据Unm中提取出的第d个数据序列为datanm[d]，d＝1,2,…,Dsum，记数据序列datanm[d]对应的分频系数为An[d]；将每个通道提取出的数据按照以下计算公式进行平均，得到第n个通道的平均数据data′n：其中datan′[d]表示平均数据data′n的第d个数据点，datanm[d][i]表示数据序列datanm[d]中的第i个数据，i＝1,2,…,An；将得到的每个通道的平均数据data′n发送给FFT分析模块；FFT分析模块包括N组FFTIP核和平均数据FIFO缓存模块，第n个FFTIP核用于接收第n个通道的平均数据data′n，对其进行FFT运算，得到FFT运算结果Fn；第n个平均数据FIFO缓存模块用于对第n个通道的平均数据data′n进行缓存，缓存之后可以发送至上位机进行波形显示与FFT运算结果进行对比；上位机接收用户设置的FFT分析的信号周期数P和倍频系数Dn，将FFT分析的信号周期数P发送给同步抽取模块，将倍频系数Dn发送给倍频模块；从FFT分析模块中读取每个通道的FFT运算结果Fn和缓存的平均数据data′n进行频谱显示。本专利技术示波器的FFT分析装置，对多通道ADC采集的并行数据进行缓存，然后测量得到每个通道分频后的信号频率，对每个通道分频后的频率信号进行倍频得到倍频信号，对通道数据的频率进行还原，同步抽取模块从缓存的采集数据中读取各个通道的并行数据，根据倍频信号进行数据抽取，对单个通道的并行抽点数据进行平均得到每个通道的平均数据，对该平均数据进行FFT运算和缓存，由上位机读取进行对应通道的频谱显示。本专利技术具有以下有益效果：1)本专利技术是由FPGA实现，FPGA对数据处理速度比软件数据处理速度快，因此能够满足高速数字示波器实时的FFT功能的要求，同时极大提高了波形捕获率；2)本专利技术可以实现整数周期固定点抽取，倍频模块产生的倍频信号为非等间隔信号，使用此倍频信号进行同步抽取可以实现对采集信号整数周期的固定点抽取，并且抽点信号能够与被测信号同步，减小了抽点时产生的截断误差，极大提高了FFT分析的精度，使得FFT分析后的频谱更接近被测信号的真实频谱；3)本专利技术通过对多路并行ADC采集信号抽取后的数据取平均值能够有效抑制通道噪声和毛刺信号，提高了FFT分析的精度，更有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数字示波器的FFT分析装置，其特征在于，包括时钟模块、分频器模块、比较器模块、信号采集模块、相位校正模块、数据缓存模块、频率测量模块、倍频模块、同步抽取模块、FFT分析模块和上位机，其中相位校正模块、数据缓存模块、频率测量模块、倍频模块、同步抽取模块和FFT分析模块在FPGA中实现；时钟模块用于生成N路采集时钟ad_clkn、1路频率测量参考时钟clks和1路倍频参考时钟clk0，其中n＝1,2,…,N，N表示采集模块的通道数量，将N路采集时钟ad_clkn分别输入信号采集模块的每片ADC进行时钟控制，以保证N通道信号同步采集，频率测量参考时钟clks和倍频参考时钟clk0分别发送给频率测量模块和倍频模块；比较器模块用于接收输入的N个通道模拟信号进行阈值比较，得到与N路模拟信号频率相同、占空比为50％的方波信号Wn，将N路方波信号Wn发送至分频器模块；分频器模块用于将接收到的N路方波信号Wn进行固定K分频，K的值需要令分频后信号的频率符合FPGA信号输入的频率范围，将分频后得到的信号

【技术特征摘要】
1.一种数字示波器的FFT分析装置，其特征在于，包括时钟模块、分频器模块、比较器模块、信号采集模块、相位校正模块、数据缓存模块、频率测量模块、倍频模块、同步抽取模块、FFT分析模块和上位机，其中相位校正模块、数据缓存模块、频率测量模块、倍频模块、同步抽取模块和FFT分析模块在FPGA中实现；时钟模块用于生成N路采集时钟ad_clkn、1路频率测量参考时钟clks和1路倍频参考时钟clk0，其中n＝1,2,…,N，N表示采集模块的通道数量，将N路采集时钟ad_clkn分别输入信号采集模块的每片ADC进行时钟控制，以保证N通道信号同步采集，频率测量参考时钟clks和倍频参考时钟clk0分别发送给频率测量模块和倍频模块；比较器模块用于接收输入的N个通道模拟信号进行阈值比较，得到与N路模拟信号频率相同、占空比为50％的方波信号Wn，将N路方波信号Wn发送至分频器模块；分频器模块用于将接收到的N路方波信号Wn进行固定K分频，K的值需要令分频后信号的频率符合FPGA信号输入的频率范围，将分频后得到的信号发送至FPGA中的频率测量模块用于频率测量；信号采集模块用于对输入的N个通道模拟信号进行采集，信号采集模块包括N个ADC模块，每个ADC模块包含M片交替采集的ADC子模块，每个通道的模拟信号由对应ADC按照接收到的采集时钟ad_clkn进行信号采集，每个ADC模块并行输出M路数据和1路采集时钟ad_clkn至数据缓存模块，记第n个通道所采集的数据datan为Un1,Un2…,UnM，其中Unm表示第n个通道中第m路数据；相位校正模块用于对信号采集模块的每片ADC进行相位校正，使每个ADC模块输出相位相同；数据缓存模块包括N个FIFO，第n个FIFO对第n个通道的数据datan进行降速缓存，根据ad_clkn实现N个通道的数据datan同步输出；频率测量模块用于从时钟控制模块接收频率测量参考时钟clks，从分频器模块接收方波信号进行频率测量，得到N个通道数据对应的K分频后的频率然后计算得到N个通道数据对应的频率将N个频率发送给同步抽取模块，将方波信号转发至倍频模块；倍频模块用于接收倍频参考时钟clk0和N个频率信号分别对N个频率信号进行K×Dn倍倍频得到倍频信号将N个倍频信号和对应的分频系数An输出至同步抽取模块，Dn表示从上位机接收的对第n个通道的倍频系数；同步抽取模块用于从上位机接收FFT分析的信号周期数P，从倍频模块接收N个倍频信号然后从数据缓存模块并行读取N个通道的数据datan，分别对每个通道的M路数据Unm根据对应的倍频信号进行抽取，抽取方法如下：设置每个通道的M路数据Unm的P个周期对应的闸门时间tn：倍频信号与闸门时间tn的闸门信号边沿对齐，在闸门时间tn内对数据Unm根据倍频信号进行抽取，将倍频信号每两个上升沿之间的数据作为一个数据序列提取出来，在闸门时间tn共计提取出Dsum个数据序列，Dsum＝P×K×Dn，记数据Unm中提取出的第d个数据序列为datanm[d]，d＝1,2,…,Dsum，记数据序列datanm[d]对应的分频系数为An[d]；...

【专利技术属性】
技术研发人员：许波，程玉华，陈凯，陈树轩，黄若冰，赵佳，韩文强，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51