Princip činnosti a struktura digitálního osciloskopu
Hardwarovou částí systému digitálního osciloskopu je obvodová deska pro vysokorychlostní sběr dat. Může realizovat dvoukanálový datový vstup a vzorkovací frekvence každého kanálu může dosáhnout 60 Mbit/s. Funkčně lze hardwarový systém rozdělit na: přední zesilovač signálu (vstupní zesilovač FET) a modul úpravy (zesilovač s proměnným ziskem), modul vysokorychlostního analogově-digitálního převodu (ovladač ADC, ADC), modul řízení logiky FPGA , distribuce hodin, vysokorychlostní porovnávací procesor, řídicí modul mikrokontroléru (DSP), modul datové komunikace, LCD displej, ovládání dotykové obrazovky, správa napájení a baterie a ovládání pomocí klávesnice.
Po převedení vstupního signálu předzesilovačem a obvodem s nastavitelným zesílením se z něj stane vstupní napětí, které splňuje požadavky A/D převodníku. Digitální signál po A/D převodu je ukládán do vyrovnávací paměti FIFO v FPGA nebo akviziční paměti a poté prochází komunikačním rozhraním. Jsou přenášeny do počítače pro následné zpracování dat, nebo jsou shromážděné signály přímo řízeny mikrokontrolérem pro zobrazení na LCD obrazovce.
Referenční zařízení jsou následující:
Mezi těmito částmi jsou nejdůležitější obvod programovatelného zesílení (útlum) a obvod A/D převodu, protože tyto dva obvody jsou hrdlem digitálního osciloskopu a obvod programovatelného zesílení (útlum) určuje vstupní šířku pásma a vertikální rozlišení osciloskopu. , obvod A/D převodu určuje horizontální rozlišení osciloskopu a tato dvě rozlišení přímo určují výkon osciloskopu. Tyto dvě části obvodu převádějí měřený signál na datový signál vyžadovaný obvodem následného zpracování. Tato část obvodu může být složena z vysoce výkonných integrovaných obvodů a malého počtu periferních zařízení. Návrh obvodu je jednoduchý a ladění je také velmi jednoduché. Nejobtížnější částí celého osciloskopu by měl být program, tedy softwarová stránka. Software je zodpovědný za všechny úlohy zpracování dat a řízení digitálního osciloskopu, včetně řízení vzorkování A/D, řízení rychlosti horizontálního rozmítání, řízení vertikální citlivosti, zpracování zobrazení, měření mezi špičkami, měření frekvence a další úkoly. Jako mikroprocesor můžete použít velmi běžný mikrokontrolér na trhu a k jeho implementaci použít programování v jazyce C.
Programovatelný zesilovací (útlumový) obvod a napájecí obvod
Signál je přiváděn běžnou sondou osciloskopu X10X1 a vstupuje do zesilovacího (útlumového) obvodu. Funkcí programově řízeného zesilovacího (útlumového) obvodu je zesílit nebo zeslabit vstupní signál tak, aby napětí výstupního signálu bylo v rozsahu požadavků na vstupní napětí A/D převodníku pro dosažení nejlepších efektů měření a pozorování. Programově řízený obvod zesilovače tedy pracuje v rámci specifikované šířky pásma. Zisk uvnitř musí být plochý. Protože obvod osciloskopu obsahuje dvě části, digitální a analogovou, aby se zabránilo vzájemnému rušení, je napájení digitální části a napájení analogové části odděleno. Je zajištěna sada napájecího zdroje ±5 V DC a izolována filtrem vyrobeným z tlumivek a kondenzátorů.
Flash paměť a hodinový obvod
Protože množství signálových dat zachycených A/D převodníkem je velké, flash paměť uvnitř mikrokontroléru nestačí, takže obvod může využít nějakou externí paměť.
Zároveň se používá i jako cache pro zápis na LCD. Aby bylo možné získat referenční hodinový signál, je mikrokontrolér také připojen ke krystalovému oscilátoru pro výpočet skutečné frekvence signálu vnějšího tvaru vlny.
Řídicí jednotka FPGA
Programmable logic device FPGA je semi-custom ASIC, které umožňuje návrhářům obvodů programovat sami za účelem implementace funkcí specifických pro aplikaci. Tento návrh používá dvě různé metody vstupu schématu a vstupu jazyka VHDL. Řídicí jednotka přebírá většinu řídicích úkolů a poskytuje odpovídající řídicí signály pro každý funkční modul, aby byla zajištěna správnost celého systému. Konkrétně implementuje následující funkce: Obvod pro dělení frekvence a generování řídicích signálů pro A/D převodník. Tento systém sběru dat má poměrně široký rozsah měření. Uvnitř FPGA je navržen frekvenční dělicí obvod pro dosažení různých frekvencí. Vyberte různé vzorkovací frekvence pro měřený signál, abyste zajistili přesnější sběr dat. Schéma vnitřní struktury jednotky pro dělení frekvence je implementováno pomocí metody grafického vstupu, jak je znázorněno na obrázku 4. Na obrázku 4, když je vstup klopného obvodu T 1, výstup poskočí, když každá hrana hodin dorazí, aby se dosáhlo frekvence divize. Zároveň vidíme, že vstup klopného obvodu T je složen z nějakých logických kombinací, které tvoří hradlové hodiny. U hradlových hodin pečlivě analyzujte funkci hodin, abyste se vyhnuli účinkům závad. Když hradlové hodiny splní následující dvě podmínky, může zajistit, že hodinový signál nebude mít nebezpečné závady a hradlové hodiny budou fungovat stejně spolehlivě jako globální hodiny.
Pro A/D převodník v tomto provedení existují pouze dva řídicí signály: vstupní hodinový signál CLK a povolovací výstupní signál OE. Signál CLK přímo přivádí 60M signál přes aktivní krystalový oscilátor, zatímco signál OE se získává invertováním hodinového signálu se stejnou frekvencí a fází jako CLK uvnitř FPGA, což může právě splňovat vztah časování převodu A/D. konvertor.
Vysokorychlostní A/D konverze; obvod
Nejdůležitějším obvodem v digitálním osciloskopu je obvod A/D převodu. Jeho funkcí je vzorkování a převod naměřeného signálu na digitální signál a jeho uložení do paměti. Bez nadsázky lze říci, že jde o hrdlo digitálního osciloskopu, protože přímo určuje Nejvyšší frekvenci, kterou digitální osciloskop dokáže změřit. Podle Nyquistova teorému musí být vzorkovací frekvence alespoň dvojnásobkem nejvyšší frekvence měřeného signálu, aby se měřený signál reprodukoval. V digitálním osciloskopu by vzorkovací frekvence měla být alespoň 5 až 8 násobkem frekvence měřeného signálu, jinak nelze průběh signálu vůbec pozorovat.
