Zasada działania i budowa oscyloskopu cyfrowego
Częścią sprzętową systemu oscyloskopu cyfrowego jest płytka drukowana o dużej szybkości gromadzenia danych. Może realizować dwukanałowe wprowadzanie danych, a częstotliwość próbkowania każdego kanału może osiągnąć 60 Mbit/s. Funkcjonalnie system sprzętowy można podzielić na: moduł wzmacniający sygnał front-end (wzmacniacz wejściowy FET) i moduł kondycjonujący (wzmacniacz o zmiennym wzmocnieniu), moduł szybkiej konwersji analogowo-cyfrowej (sterownik ADC, ADC), moduł sterowania logicznego FPGA , dystrybucja zegara, szybki procesor porównawczy, moduł sterujący mikrokontrolera (DSP), moduł transmisji danych, wyświetlacz LCD, sterowanie za pomocą ekranu dotykowego, zarządzanie zasilaniem i baterią oraz sterowanie klawiaturą.
Po przetworzeniu sygnału wejściowego przez przedwzmacniacz i układ regulacji wzmocnienia staje się on napięciem wejściowym spełniającym wymagania przetwornika A/C. Sygnał cyfrowy po konwersji A/D jest buforowany przez FIFO w FPGA lub pamięci akwizycyjnej, a następnie przechodzi przez interfejs komunikacyjny. Jest on przesyłany do komputera w celu późniejszego przetwarzania danych lub zebrane sygnały są bezpośrednio kontrolowane przez mikrokontroler i wyświetlane na ekranie LCD.
Urządzenia referencyjne to:
Wśród tych części najważniejsze są programowalny obwód wzmocnienia (tłumienia) i obwód konwersji A/D, ponieważ te dwa obwody stanowią gardło oscyloskopu cyfrowego, a programowalny obwód wzmocnienia (tłumienia) określa szerokość pasma wejściowego i pionową rozdzielczość oscyloskopu. , obwód konwersji A/D określa rozdzielczość poziomą oscyloskopu, a te dwie rozdzielczości bezpośrednio określają działanie oscyloskopu. Te dwie części obwodu przekształcają mierzony sygnał w sygnał danych wymagany przez kolejny obwód przetwarzający. Ta część obwodu może składać się z wysokowydajnych układów scalonych i niewielkiej liczby urządzeń peryferyjnych. Projekt obwodu jest prosty, a debugowanie jest również bardzo proste. Najtrudniejszą częścią całego oscyloskopu powinien być program, czyli aspekt oprogramowania. Oprogramowanie jest odpowiedzialne za wszystkie zadania przetwarzania i sterowania danymi oscyloskopu cyfrowego, w tym kontrolę próbkowania A/D, kontrolę prędkości przesuwu poziomego, kontrolę czułości pionowej, przetwarzanie wyświetlania, pomiar międzyszczytowy, pomiar częstotliwości i inne zadania. Możesz użyć bardzo popularnego na rynku mikrokontrolera jako mikroprocesora i użyć programowania w języku C, aby go zaimplementować.
Programowalny obwód wzmocnienia (tłumienia) i obwód zasilania
Sygnał jest wprowadzany przez wspólną sondę oscyloskopu X10X1 i wchodzi do obwodu wzmacniającego (tłumiącego). Funkcja sterowanego programowo obwodu wzmacniającego (tłumiącego) polega na wzmacnianiu lub tłumieniu sygnału wejściowego w taki sposób, aby napięcie sygnału wyjściowego mieściło się w zakresie wymagań napięcia wejściowego przetwornika A/D, aby uzyskać najlepsze efekty pomiarowe i obserwacyjne. Dlatego sterowany programowo obwód wzmacniacza działa w określonym paśmie. Zysk wewnątrz musi być płaski. Ponieważ obwód oscyloskopu składa się z dwóch części, cyfrowej i analogowej, aby uniknąć wzajemnych zakłóceń, zasilanie części cyfrowej i zasilanie części analogowej są oddzielone. Zapewniony jest odpowiednio zestaw zasilania ±5V DC, izolowany filtrem złożonym z cewek i kondensatorów.
Pamięć flash i obwód zegara
Ponieważ ilość danych sygnałowych przechwytywanych przez przetwornik A/C jest duża, pamięć flash wewnątrz mikrokontrolera nie jest wystarczająca, dlatego układ może wykorzystać część pamięci zewnętrznej.
Jednocześnie służy również jako pamięć podręczna do zapisu na wyświetlaczu LCD. Aby uzyskać referencyjny sygnał zegarowy, mikrokontroler jest również podłączony do oscylatora kwarcowego w celu obliczenia rzeczywistej częstotliwości sygnału zewnętrznego.
Jednostka sterująca FPGA
Programowalne urządzenie logiczne FPGA to częściowo niestandardowy układ ASIC, który umożliwia projektantom obwodów samodzielne programowanie w celu implementacji funkcji specyficznych dla aplikacji. W tym projekcie zastosowano dwie różne metody wprowadzania schematycznego i wprowadzania w języku VHDL. Jednostka sterująca realizuje większość zadań sterujących i dostarcza odpowiednie sygnały sterujące dla każdego modułu funkcjonalnego, aby zapewnić poprawność działania całego systemu. W szczególności realizuje następujące funkcje: Układ podziału częstotliwości i generowanie sygnałów sterujących dla przetwornika A/D. Ten system akwizycji danych ma stosunkowo szeroki zakres pomiarowy. Wewnątrz układu FPGA zaprojektowano obwód podziału częstotliwości w celu uzyskania różnych częstotliwości. Wybierz różne częstotliwości próbkowania dla mierzonego sygnału, aby zapewnić dokładniejsze gromadzenie danych. Wewnętrzny diagram struktury jednostki podziału częstotliwości jest realizowany przy użyciu metody wprowadzania graficznego, jak pokazano na rysunku 4. Na rysunku 4, gdy sygnał wejściowy przerzutnika T wynosi 1, wyjście przeskoczy, gdy każde zbocze zegara osiągnie częstotliwość dział. Jednocześnie widzimy, że wejście przerzutnika T składa się z kilku kombinacji logicznych, co stanowi zegar bramkowany. W przypadku zegarów bramkowanych należy dokładnie przeanalizować działanie zegara, aby uniknąć skutków usterek. Gdy zegar bramkowany spełnia dwa poniższe warunki, może zapewnić, że sygnał zegara nie będzie zawierał niebezpiecznych zakłóceń, a zegar bramkowany może działać tak samo niezawodnie jak zegar globalny.
W przypadku przetwornika A/D w tej konstrukcji dostępne są tylko dwa sygnały sterujące: sygnał wejściowy zegara CLK i sygnał wyjściowy zezwolenia OE. Sygnał CLK bezpośrednio wprowadza sygnał 60M przez oscylator z aktywnym kryształem, podczas gdy sygnał OE jest uzyskiwany poprzez odwrócenie sygnału zegara o tej samej częstotliwości i fazie co CLK w FPGA, który może po prostu spełnić zależność czasową konwersji A/D przetwornik.
Szybka konwersja A/D; okrążenie
Najważniejszym obwodem w oscyloskopie cyfrowym jest obwód konwersji A/D. Jego zadaniem jest próbkowanie i konwersja zmierzonego sygnału na sygnał cyfrowy oraz zapisanie go w pamięci. Nie będzie przesadą stwierdzenie, że jest to gardło oscyloskopu cyfrowego, ponieważ bezpośrednio wyznacza ono najwyższą częstotliwość, jaką może zmierzyć oscyloskop cyfrowy. Zgodnie z twierdzeniem Nyquista częstotliwość próbkowania musi być co najmniej dwukrotnie większa od najwyższej częstotliwości mierzonego sygnału, aby odtworzyć mierzony sygnał. W oscyloskopie cyfrowym częstotliwość próbkowania powinna być co najmniej 5 do 8 razy większa od częstotliwości mierzonego sygnału, w przeciwnym razie w ogóle nie będzie można zaobserwować kształtu fali sygnału.
