Principi de funcionament i estructura de l'oscil·loscopi digital
La part de maquinari del sistema d'oscil·loscopi digital és una placa de circuit d'adquisició de dades d'alta velocitat. Pot realitzar entrada de dades de doble canal i la freqüència de mostreig de cada canal pot arribar als 60 Mbit/s. Funcionalment, el sistema de maquinari es pot dividir en: amplificació frontal del senyal (amplificador d'entrada FET) i mòdul de condicionament (amplificador de guany variable), mòdul de conversió analògic a digital d'alta velocitat (controlador ADC, ADC), mòdul de control lògic FPGA , distribució del rellotge, processador de comparació d'alta velocitat, mòdul de control de microcontroladors (DSP), mòdul de comunicació de dades, pantalla LCD, control de pantalla tàctil, gestió d'energia i bateria i control del teclat.
Després que el senyal d'entrada sigui convertit pel preamplificador i el circuit ajustable de guany, es converteix en una tensió d'entrada que compleix els requisits del convertidor A/D. El senyal digital després de la conversió A/D el FIFO a la memòria FPGA o d'adquisició, i després passa per la interfície de comunicació. Es transmet a l'ordinador per al processament de dades posterior, o els senyals recollits són controlats directament pel microcontrolador per mostrar-los a la pantalla LCD.
Els dispositius de referència són els següents:
Entre aquestes parts, les més importants són el circuit d'amplificació programable (atenuació) i el circuit de conversió A/D, perquè aquests dos circuits són la gola de l'oscil·loscopi digital, i el circuit d'amplificació programable (atenuació) determina l'amplada de banda d'entrada i la vertical. resolució de l'oscil·loscopi. , el circuit de conversió A/D determina la resolució horitzontal de l'oscil·loscopi, i aquestes dues resolucions determinen directament el rendiment d'un oscil·loscopi. Aquestes dues parts del circuit converteixen el senyal mesurat en el senyal de dades requerit pel circuit de processament posterior. Aquesta part del circuit pot estar composta per circuits integrats d'alt rendiment i un petit nombre de dispositius perifèrics. El disseny del circuit és senzill i la depuració també és molt senzilla. La part més difícil de tot l'oscil·loscopi hauria de ser el programa, és a dir, l'aspecte del programari. El programari és responsable de totes les tasques de processament i control de dades de l'oscil·loscopi digital, inclòs el control de mostreig A/D, control de velocitat d'escombrat horitzontal, control de sensibilitat vertical, processament de visualització, mesurament de pic a pic, mesura de freqüència i altres tasques. Podeu utilitzar un microcontrolador molt comú al mercat com a microprocessador i utilitzar la programació en llenguatge C per implementar-lo.
Circuit d'amplificació (atenuació) programable i circuit d'alimentació
El senyal és introduït per una sonda d'oscil·loscopi X10X1 comuna i entra al circuit d'amplificació (atenuació). La funció del circuit d'amplificació (atenuació) controlada pel programa és amplificar o atenuar el senyal d'entrada de manera que la tensió del senyal de sortida estigui dins del rang de requeriments de voltatge d'entrada del convertidor A/D per aconseguir els millors efectes de mesura i observació. Per tant, el circuit amplificador controlat pel programa funciona dins de l'ample de banda especificat. El guany dins ha de ser pla. Com que el circuit de l'oscil·loscopi conté dues parts, digital i analògica, per tal d'evitar interferències mútues, la font d'alimentació de la part digital i la font d'alimentació de la part analògica estan separades. Es proporciona un conjunt de fonts d'alimentació de ± 5 V CC respectivament i aïllat per un filtre fet d'inductors i condensadors.
Memòria flaix i circuit de rellotge
Com que la quantitat de dades del senyal capturada pel convertidor A/D és gran, la memòria flaix dins del microcontrolador no és suficient, de manera que el circuit pot utilitzar una mica de memòria externa.
Al mateix temps, també s'utilitza com a memòria cau per escriure a la pantalla LCD. Per obtenir el senyal de rellotge de referència, el microcontrolador també està connectat a un oscil·lador de cristall per calcular la freqüència real del senyal de forma d'ona externa.
Unitat de control FPGA
El dispositiu lògic programable FPGA és un ASIC semi-personalitzat que permet als dissenyadors de circuits programar-se per implementar funcions específiques de l'aplicació. Aquest disseny utilitza dos mètodes diferents d'entrada esquemàtica i entrada de llenguatge VHDL. La unitat de control duu a terme la majoria de les tasques de control i proporciona els corresponents senyals de control per a cada mòdul funcional per garantir la correcció de tot el sistema. Concretament, implementa les funcions següents: Circuit divisor de freqüència i generació de senyals de control per al convertidor A/D. Aquest sistema d'adquisició de dades té un rang de mesura relativament ampli. Dins de l'FPGA es dissenya un circuit divisor de freqüències per aconseguir diferents freqüències. Seleccioneu diferents freqüències de mostreig per al senyal mesurat per garantir una recollida de dades més precisa. El diagrama d'estructura interna de la unitat de divisió de freqüència s'implementa mitjançant el mètode d'entrada gràfic tal com es mostra a la figura 4. A la figura 4, quan l'entrada del flip-flop T és 1, la sortida saltarà quan arribi cada vora del rellotge per aconseguir la freqüència. divisió. Al mateix temps, podem veure que l'entrada del flip-flop T es compon d'unes combinacions lògiques, que constitueixen el rellotge amb compuerta. Per als rellotges amb tancament, analitzeu acuradament la funció del rellotge per evitar els efectes dels errors. Quan el rellotge tancat compleix les dues condicions següents, pot assegurar-se que el senyal del rellotge no tingui problemes perillosos i que el rellotge amb compuerta funcioni de manera tan fiable com el rellotge global.
Per al convertidor A/D d'aquest disseny, només hi ha dos senyals de control: el senyal d'entrada del rellotge CLK i el senyal de sortida d'habilitació OE. El senyal CLK entra directament un senyal de 60M a través de l'oscil·lador de cristall actiu, mentre que el senyal OE s'obté invertint el senyal de rellotge amb la mateixa freqüència i fase que CLK dins de l'FPGA, que només pot complir la relació de temps de conversió de l'A/D. convertidor.
Conversió A/D d'alta velocitat; circuit
El circuit més important en un oscil·loscopi digital és el circuit de conversió A/D. La seva funció és mostrejar i convertir el senyal mesurat en un senyal digital i emmagatzemar-lo a la memòria. No és una exageració dir que és la gola de l'oscil·loscopi digital, perquè determina directament la La freqüència més alta que pot mesurar un oscil·loscopi digital. Segons el teorema de Nyquist, la freqüència de mostreig ha de ser almenys el doble de la freqüència més alta del senyal mesurat per reproduir el senyal mesurat. En un oscil·loscopi digital, la freqüència de mostreig hauria de ser almenys de 5 a 8 vegades la freqüència del senyal que es mesura, en cas contrari, la forma d'ona del senyal no es pot observar en absolut.
