Principiul de funcționare și structura osciloscopului digital
Partea hardware a sistemului de osciloscop digital este o placă de circuit de achiziție de date de mare viteză. Poate realiza intrare de date pe două canale, iar frecvența de eșantionare a fiecărui canal poate ajunge la 60 Mbit/s. Din punct de vedere funcțional, sistemul hardware poate fi împărțit în: amplificare front-end de semnal (amplificator de intrare FET) și modul de condiționare (amplificator cu câștig variabil), modul de conversie analog-digital de mare viteză (driver ADC, ADC), modul de control logic FPGA , distribuție a ceasului, procesor de comparație de mare viteză, modul de control al microcontrolerului (DSP), modul de comunicare de date, afișaj LCD, control ecran tactil, management al energiei și bateriei și control al tastaturii.
După ce semnalul de intrare este convertit de preamplificator și circuitul reglabil cu câștig, acesta devine o tensiune de intrare care îndeplinește cerințele convertorului A/D. Semnalul digital după conversia A/D este tamponat de FIFO în FPGA sau memoria de achiziție și apoi trece prin interfața de comunicare. Este transmis către computer pentru prelucrarea ulterioară a datelor sau semnalele colectate sunt controlate direct de microcontroler pentru a fi afișate pe ecranul LCD.
Dispozitivele de referință sunt după cum urmează:
Dintre aceste părți, cele mai importante sunt circuitul programabil de amplificare (atenuare) și circuitul de conversie A/D, deoarece aceste două circuite sunt gâtul osciloscopului digital, iar circuitul programabil de amplificare (atenuare) determină lățimea de bandă de intrare și verticală. rezoluția osciloscopului. , circuitul de conversie A/D determină rezoluția orizontală a osciloscopului, iar aceste două rezoluții determină direct performanța unui osciloscop. Aceste două părți ale circuitului convertesc semnalul măsurat în semnalul de date cerut de circuitul de procesare ulterior. Această parte a circuitului poate fi compusă din circuite integrate de înaltă performanță și un număr mic de dispozitive periferice. Designul circuitului este simplu, iar depanarea este, de asemenea, foarte simplă. Cea mai dificilă parte a întregului osciloscop ar trebui să fie programul, adică aspectul software. Software-ul este responsabil pentru toate sarcinile de procesare și control a datelor ale osciloscopului digital, inclusiv controlul eșantionării A/D, controlul vitezei de baleiaj orizontal, controlul sensibilității verticale, procesarea afișajului, măsurarea vârf-la-vârf, măsurarea frecvenței și alte sarcini. Puteți utiliza un microcontroler foarte comun de pe piață ca microprocesor și puteți utiliza programarea în limbaj C pentru a-l implementa.
Circuit programabil de amplificare (atenuare) și circuit de alimentare
Semnalul este introdus de o sondă de osciloscop comună X10X1 și intră în circuitul de amplificare (atenuare). Funcția circuitului de amplificare (atenuare) controlată de program este de a amplifica sau atenua semnalul de intrare, astfel încât tensiunea semnalului de ieșire să se încadreze în intervalul necesar de tensiune de intrare a convertorului A/D pentru a obține cele mai bune efecte de măsurare și observare. Prin urmare, circuitul amplificator controlat de program funcționează în lățimea de bandă specificată. Câștigul din interior trebuie să fie plat. Deoarece circuitul osciloscopului conține două părți, digitală și analogică, pentru a evita interferența reciprocă, sursa de alimentare a părții digitale și sursa de alimentare a părții analogice sunt separate. Este furnizat un set de surse de alimentare de ±5V DC, respectiv izolat de un filtru format din inductori și condensatori.
Memorie flash și circuit de ceas
Deoarece cantitatea de date de semnal capturată de convertorul A/D este mare, memoria flash din interiorul microcontrolerului nu este suficientă, astfel încât circuitul poate folosi o memorie externă.
În același timp, este folosit și ca cache pentru scrierea pe LCD. Pentru a obține semnalul de ceas de referință, microcontrolerul este de asemenea conectat la un oscilator cu cristal pentru a calcula frecvența reală a semnalului extern al formei de undă.
Unitate de control FPGA
Dispozitivul logic programabil FPGA este un ASIC semi-personalizat care permite proiectanților de circuite să se programeze pentru a implementa funcții specifice aplicației. Acest design folosește două metode diferite de introducere schematică și introducere în limbaj VHDL. Unitatea de control desfășoară majoritatea sarcinilor de control și oferă semnale de control corespunzătoare pentru fiecare modul funcțional pentru a asigura corectitudinea întregului sistem. Mai exact, implementează următoarele funcții: Circuit de divizare a frecvenței și generare de semnale de control pentru convertorul A/D. Acest sistem de achiziție de date are un domeniu de măsurare relativ larg. Un circuit de divizare a frecvenței este proiectat în interiorul FPGA pentru a obține frecvențe diferite. Selectați diferite frecvențe de eșantionare pentru semnalul măsurat pentru a asigura o colectare mai precisă a datelor. Diagrama structurii interne a unității de împărțire a frecvenței este implementată folosind metoda de intrare grafică, așa cum este prezentată în Figura 4. În Figura 4, când intrarea flip-flop-ului T este 1, ieșirea va sări când fiecare margine de ceas ajunge pentru a atinge frecvența. Divizia. În același timp, putem observa că intrarea flip-flop-ului T este compusă din unele combinații logice, care constituie ceasul gated. Pentru ceasurile cu blocare, analizați cu atenție funcția ceasului pentru a evita efectele erorilor. Atunci când ceasul cu blocare îndeplinește următoarele două condiții, se poate asigura că semnalul de ceas nu are erori periculoase, iar ceasul cu blocare poate funcționa la fel de fiabil ca ceasul global.
Pentru convertorul A/D din acest design, există doar două semnale de control: semnalul de intrare a ceasului CLK și semnalul de ieșire de activare OE. Semnalul CLK introduce direct un semnal de 60M prin oscilatorul cu cristal activ, în timp ce semnalul OE este obținut prin inversarea semnalului de ceas cu aceeași frecvență și fază ca CLK în interiorul FPGA, care poate îndeplini doar relația de sincronizare a conversiei A/D. convertor.
Conversie A/D de mare viteză; circuit
Cel mai important circuit dintr-un osciloscop digital este circuitul de conversie A/D. Funcția sa este de a eșantiona și de a converti semnalul măsurat într-un semnal digital și de a-l stoca în memorie. Nu este o exagerare să spunem că este gâtul osciloscopului digital, deoarece determină direct Frecvența cea mai înaltă pe care o poate măsura un osciloscop digital. Conform teoremei Nyquist, frecvența de eșantionare trebuie să fie de cel puțin două ori cea mai mare frecvență a semnalului măsurat pentru a reproduce semnalul măsurat. Într-un osciloscop digital, frecvența de eșantionare ar trebui să fie de cel puțin 5 până la 8 ori frecvența semnalului măsurat, altfel forma de undă a semnalului nu poate fi observată deloc.
