隨機脈沖信號采集卡的設(shè)計

在雷達、聲納及工業(yè)控制領(lǐng)域中的故障監(jiān)測系統(tǒng)中，往往需要采集雷達、聲納的回波信號或故障監(jiān)測系統(tǒng)中的故障信號。由于這些信號是隨機出現(xiàn)的，并且這些信號的幅度、脈寬及形狀相差較大。有些信號脈寬可能很窄，有的可能較寬，且占空比不均勻。若采用傳統(tǒng)的固定采樣速率采集方式則不能滿足實時處理要求。因為，對窄脈沖采樣，要求采樣速率很高，若采用連續(xù)采樣方法，則采集數(shù)據(jù)量太大，采集數(shù)據(jù)不能及時處理，不能滿足采集信號的實時分析或故障的實時處理的要求。為此研制一種隨機脈沖信號采集卡，其基本工作原理為：隨機脈沖信號出現(xiàn)時，高速采集電路工作，無脈沖信號時，高速采集電路停止工作。由于在上述方面應(yīng)用中要求采集的隨機脈沖的平均占空比很小，因此采用該隨機脈沖信號采集卡采集的數(shù)據(jù)量不是很大，能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進行實時處理和分析，并滿足上述領(lǐng)域的特殊需要。

1 隨機脈沖信號采集卡
隨機脈沖信號采集卡硬件組成框圖如圖1所示，它主要分為輸入輸出接口、幅度采集和控制、單片機運行和控制、主機接口控制、信號重放等5個模塊電路。

1)輸入接口電路 該模塊電路主要包括隨機信號輸入及處理、高速A／D采樣、GPS信號輸入及分頻，其他數(shù)字信號輸入等電路。
2)隨機脈沖處理電路 該模塊電路可對隨機脈沖進行放大和限幅，放大倍數(shù)不小于200倍，確保大于25 mV的隨機脈沖信號通過放大后其峰值電平接近5 V，達到TTL電平信號的要求。該信號作為采樣控制電路、脈寬測量32位時鐘電路及80C196單片機的HIS輸入電路的觸發(fā)脈沖信號，控制脈沖的采集和停止及脈寬測量電路的計數(shù)。
3)幅度采集和控制電路 該電路主要包括高速A／D采樣電路和采樣控制電路等。此外80C196內(nèi)部也含一個信號幅度采集電路。
4)高速A／D采樣電路 該電路對隨機脈沖進行高速采樣，其采樣頻率由單片機設(shè)置。
5)GPS信號輸入及分頻電路 該電路是為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時間，同時也給脈寬測量的32位時鐘提供一個整點的復(fù)位脈沖信號。
6)脈沖重放電路 該電路可將采集的脈沖信號數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的脈沖信號輸出，用于顯示或聽音。
7)其他數(shù)字信號輸入電路 該電路包括主機給單片機提供的一些控制參數(shù)(如高速A／D的采樣率)和其他輸入的一些數(shù)字信號(如雷達脈沖的方位和載頻等數(shù)字信號)。
8)輸出接口電路 該電路主要包括大深度的FIFO電路及狀態(tài)鎖存電路等，用于采集卡與主機接口。

2 工作模式
隨機脈沖信號采集卡有2種工作模式：一種是采用單片機完成的單一脈沖幅度的測量模式：一種是對特殊脈沖波形測量使用的脈沖幅度高速采樣模式。第1種工作模式下，脈沖幅度的測量由80C196單片機內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換電路完成，每個脈沖僅采樣測量一次。脈沖寬度及脈沖到達時間等雖然可由80C196單片機的HIS(高速輸入通道)電路等測量，但因為其測量精度達不到要求，因此，外加了一個32位時間計數(shù)器及其相應(yīng)的2套鎖存器等電路用于脈沖寬度及脈沖到達時間的測量。第2種工作模式下，脈沖幅度的測量由外加的高速A／D轉(zhuǎn)換電路完成．高速A／D采樣測量電路由每個脈沖的上升沿啟動，由脈沖的下降沿觸發(fā)一個延時電路。延時一段時間后由延時電路的下降沿停止高速A／D采樣測量電路。高速A／D采樣測量電路的采樣率可由主機根據(jù)需要設(shè)定，最高采樣速率可設(shè)定為20 MHz。脈寬及到達時間的測量與第1種工作模式相同。