Принцип на работа и устройство на цифров осцилоскоп
Хардуерната част на цифровата осцилоскопна система е високоскоростна печатна платка за събиране на данни. Той може да реализира двуканален вход на данни и честотата на вземане на проби на всеки канал може да достигне 60Mbit/s. Функционално хардуерната система може да бъде разделена на: преден усилвател на сигнала (FET входен усилвател) и модул за кондициониране (усилвател с променливо усилване), модул за високоскоростно аналогово-цифрово преобразуване (ADC драйвер, ADC), FPGA модул за логическо управление , разпределение на часовника, високоскоростен процесор за сравнение, модул за управление на микроконтролера (DSP), модул за комуникация на данни, LCD дисплей, управление на сензорен екран, управление на захранването и батерията и управление на клавиатурата.
След като входният сигнал се преобразува от предусилвателя и веригата за регулиране на усилването, той се превръща във входно напрежение, което отговаря на изискванията на A/D преобразувателя. Цифровият сигнал след A/D преобразуване се буферира от FIFO в FPGA или паметта за придобиване и след това преминава през комуникационния интерфейс. Той се предава на компютъра за последваща обработка на данни или събраните сигнали се управляват директно от микроконтролера за показване на LCD екрана.
Референтните устройства са както следва:
Сред тези части най-важните са веригата за програмируемо усилване (затихване) и веригата за A/D преобразуване, тъй като тези две вериги са гърлото на цифровия осцилоскоп, а веригата за програмируемо усилване (затихване) определя входната честотна лента и вертикалата резолюция на осцилоскопа. , веригата за A/D преобразуване определя хоризонталната разделителна способност на осцилоскопа и тези две разделителни способности директно определят работата на осцилоскопа. Тези две части на веригата преобразуват измерения сигнал в сигнала за данни, изискван от последващата верига за обработка. Тази част от веригата може да бъде съставена от високопроизводителни интегрални схеми и малък брой периферни устройства. Схемата е проста и отстраняването на грешки също е много просто. Най-трудната част от целия осцилоскоп трябва да бъде програмният, тоест софтуерният аспект. Софтуерът отговаря за всички задачи за обработка на данни и контрол на цифровия осцилоскоп, включително контрол на A/D дискретизация, контрол на скоростта на хоризонтално почистване, контрол на вертикалната чувствителност, обработка на дисплея, измерване от пик до пик, измерване на честота и други задачи. Можете да използвате много често срещан микроконтролер на пазара като микропроцесор и да използвате програмиране на език C, за да го реализирате.
Програмируема схема за усилване (затихване) и верига за захранване
Сигналът се въвежда от обща сонда на осцилоскоп X10X1 и влиза във веригата за усилване (затихване). Функцията на веригата за програмно контролирано усилване (затихване) е да усилва или отслабва входния сигнал, така че напрежението на изходния сигнал да е в рамките на обхвата на изискванията за входно напрежение на A/D преобразувателя, за да се постигнат най-добрите ефекти при измерване и наблюдение. Следователно програмно управляваната верига на усилвателя работи в определената честотна лента. Печалбата вътре трябва да е равна. Тъй като веригата на осцилоскопа се състои от две части, цифрова и аналогова, за да се избегнат взаимни смущения, захранването на цифровата част и захранването на аналоговата част са разделени. Осигурен е съответно набор от ±5V DC захранване и е изолиран от филтър, направен от индуктори и кондензатори.
Флаш памет и часовникова схема
Тъй като количеството сигнални данни, уловени от A/D преобразувателя, е голямо, флаш паметта вътре в микроконтролера не е достатъчна, така че веригата може да използва малко външна памет.
В същото време се използва и като кеш за запис на LCD. За да се получи референтният тактов сигнал, микроконтролерът също е свързан към кристален осцилатор, за да се изчисли действителната честота на външния сигнал с формата на вълната.
FPGA контролен блок
Програмируемото логическо устройство FPGA е полу-персонализирана ASIC, която позволява на дизайнерите на вериги да се програмират за изпълнение на специфични за приложението функции. Този дизайн използва два различни метода за схематично въвеждане и въвеждане на VHDL език. Блокът за управление изпълнява по-голямата част от контролните задачи и осигурява съответните управляващи сигнали за всеки функционален модул, за да гарантира изправността на цялата система. По-конкретно, той изпълнява следните функции: Верига за разделяне на честотата и генериране на управляващи сигнали за A/D преобразувателя. Тази система за събиране на данни има относително широк диапазон на измерване. Верига за разделяне на честотата е проектирана вътре в FPGA за постигане на различни честоти. Изберете различни честоти на семплиране за измерения сигнал, за да осигурите по-точно събиране на данни. Диаграмата на вътрешната структура на блока за разделяне на честотата се реализира с помощта на метода на графично въвеждане, както е показано на Фигура 4. На Фигура 4, когато входът на T тригера е 1, изходът ще скочи, когато всеки фронт на часовника пристигне, за да постигне честота разделение. В същото време можем да видим, че входът на T тригера е съставен от някои логически комбинации, които представляват затворения часовник. За затворени часовници внимателно анализирайте функцията на часовника, за да избегнете ефектите от проблеми. Когато затвореният часовник отговаря на следните две условия, той може да гарантира, че часовниковият сигнал няма опасни проблеми и затвореният часовник може да работи толкова надеждно, колкото и глобалният часовник.
За аналого-цифровия преобразувател в този дизайн има само два управляващи сигнала: тактовият входен сигнал CLK и разрешаващият изходен сигнал OE. CLK сигналът директно въвежда 60M сигнал през активния кристален осцилатор, докато OE сигналът се получава чрез инвертиране на тактовия сигнал със същата честота и фаза като CLK вътре в FPGA, което може просто да отговори на времевата връзка на преобразуването на A/D конвертор.
Високоскоростно A/D преобразуване; верига
Най-важната верига в цифровия осцилоскоп е веригата за A/D преобразуване. Неговата функция е да взема проби и да конвертира измерения сигнал в цифров сигнал и да го съхранява в паметта. Не е преувеличено да се каже, че това е гърлото на цифровия осцилоскоп, защото той пряко определя най-високата честота, която цифровият осцилоскоп може да измери. Съгласно теоремата на Найкуист, честотата на дискретизация трябва да бъде най-малко два пъти най-високата честота на измерения сигнал, за да възпроизведе измерения сигнал. В цифров осцилоскоп честотата на дискретизация трябва да бъде най-малко 5 до 8 пъти честотата на сигнала, който се измерва, в противен случай формата на вълната на сигнала изобщо не може да се наблюдава.
