随机脉冲信号采集卡的设计

在雷达、声纳及工业控制领域中的故障监测系统中，往往需要采集雷达、声纳的回波信号或故障监测系统中的故障信号。由于这些信号是随机出现的，并且这些信号的幅度、脉宽及形状相差较大。有些信号脉宽可能很窄，有的可能较宽，且占空比不均匀。若采用传统的固定采样速率采集方式则不能满足实时处理要求。因为，对窄采样，要求采样速率很高，若采用连续采样方法，则采集数据量太大，采集数据不能及时处理，不能满足采集信号的实时分析或故障的实时处理的要求。为此研制一种随机卡，其基本工作原理为：随机信号出现时，高速采集电路工作，无脉冲信号时，高速采集电路停止工作。由于在上述方面应用中要求采集的随机脉冲的平均占空比很小，因此采用该随机脉冲卡采集的数据量不是很大，能够对采集的数据进行实时处理和分析，并满足上述领域的特殊需要。

1 随机脉冲卡
随机脉冲信号采集卡硬件组成框图如图1所示，它主要分为输入输出接口、幅度采集和控制、单片机运行和控制、主机接口控制、信号重放等5个模块电路。

1)输入接口电路 该模块电路主要包括随机信号输入及处理、高速A／D采样、GPS信号输入及分频，其他数字信号输入等电路。
2)随机脉冲处理电路 该模块电路可对随机脉冲进行放大和限幅，放大倍数不小于200倍，确保大于25 mV的随机脉冲信号通过放大后其峰值电平接近5 V，达到TTL电平信号的要求。该信号作为采样控制电路、脉宽测量32位时钟电路及80C196单片机的HIS输入电路的触发脉冲信号，控制脉冲的采集和停止及脉宽测量电路的计数。
3)幅度采集和控制电路 该电路主要包括高速A／D采样电路和采样控制电路等。此外80C196内部也含一个信号幅度采集电路。
4)高速A／D采样电路 该电路对随机脉冲进行高速采样，其采样频率由单片机设置。
5)GPS信号输入及分频电路 该电路是为系统提供标准时间，同时也给脉宽测量的32位时钟提供一个整点的复位脉冲信号。
6)脉冲重放电路 该电路可将采集的脉冲信号数据再转化为对应的脉冲信号输出，用于显示或听音。
7)其他数字信号输入电路 该电路包括主机给单片机提供的一些控制参数(如高速A／D的采样率)和其他输入的一些数字信号(如雷达脉冲的方位和载频等数字信号)。
8)输出接口电路 该电路主要包括大深度的FIFO电路及状态锁存电路等，用于采集卡与主机接口。

2 工作模式
随机脉冲信号采集卡有2种工作模式：一种是采用单片机完成的单一脉冲幅度的测量模式：一种是对特殊脉冲波形测量使用的脉冲幅度高速采样模式。第1种工作模式下，脉冲幅度的测量由80C196单片机内部的A／D转换电路完成，每个脉冲仅采样测量一次。脉冲宽度及脉冲到达时间等虽然可由80C196单片机的HIS(高速输入通道)电路等测量，但因为其测量精度达不到要求，因此，外加了一个32位时间计数器及其相应的2套锁存器等电路用于脉冲宽度及脉冲到达时间的测量。第2种工作模式下，脉冲幅度的测量由外加的高速A／D转换电路完成．高速A／D采样测量电路由每个脉冲的上升沿启动，由脉冲的下降沿触发一个延时电路。延时一段时间后由延时电路的下降沿停止高速A／D采样测量电路。高速A／D采样测量电路的采样率可由主机根据需要设定，最高采样速率可设定为20 MHz。脉宽及到达时间的测量与第1种工作模式相同。