A digitális oszcilloszkóp működési elve és felépítése
A digitális oszcilloszkóp rendszer hardveres része egy nagy sebességű adatgyűjtő áramköri kártya. Kétcsatornás adatbevitelt tud megvalósítani, és az egyes csatornák mintavételi frekvenciája elérheti a 60Mbit/s-ot. Funkcionálisan a hardverrendszer a következőkre osztható: előtér-jelerősítő (FET bemeneti erősítő) és kondicionáló modul (változtatható erősítésű erősítő), nagy sebességű analóg-digitális átalakító modul (ADC meghajtó, ADC), FPGA logikai vezérlő modul. , óraelosztás, nagy sebességű összehasonlító processzor, mikrokontroller vezérlőmodul (DSP), adatkommunikációs modul, LCD kijelző, érintőképernyős vezérlés, energia- és akkumulátorkezelés, valamint billentyűzetvezérlés.
Miután a bemeneti jelet az előerősítő és az állítható erősítésű áramkör átalakította, az A/D konverter követelményeinek megfelelő bemeneti feszültséggé válik. A digitális jelet az A/D konverzió után a FIFO puffereli az FPGA vagy adatgyűjtési memóriában, majd áthalad a kommunikációs interfészen. Ezt továbbítja a számítógéphez további adatfeldolgozás céljából, vagy a begyűjtött jeleket a mikrokontroller közvetlenül vezérli, hogy megjelenítse az LCD képernyőn.
A referenciaeszközök a következők:
Ezen részek közül a legfontosabbak a programozható erősítő (csillapító) áramkör és az A/D konverziós áramkör, mert ez a két áramkör a digitális oszcilloszkóp torka, a programozható erősítő (csillapító) áramkör pedig meghatározza a bemeneti sávszélességet és a függőlegest. az oszcilloszkóp felbontása. , az A/D konverziós áramkör határozza meg az oszcilloszkóp vízszintes felbontását, és ez a két felbontás közvetlenül határozza meg az oszcilloszkóp teljesítményét. Az áramkörnek ez a két része alakítja át a mért jelet a következő feldolgozó áramkör által igényelt adatjellé. Az áramkör ezen része nagy teljesítményű integrált áramkörökből és néhány perifériaeszközből állhat. Az áramkör kialakítása egyszerű, és a hibakeresés is nagyon egyszerű. Az egész oszcilloszkóp legnehezebb része a program, vagyis a szoftver szempontja. A szoftver felelős a digitális oszcilloszkóp összes adatfeldolgozási és vezérlési feladatáért, beleértve az A/D mintavételezést, a vízszintes sweep sebesség szabályozást, a függőleges érzékenység szabályozást, a kijelző feldolgozást, a csúcstól csúcsig mérést, a frekvencia mérést és egyéb feladatokat. A piacon nagyon elterjedt mikrokontroller használható mikroprocesszorként, és C nyelvű programozást használhat a megvalósításához.
Programozható erősítő (csillapító) áramkör és tápegység áramkör
A jelet egy közös X10X1 oszcilloszkóp szonda adja be, és az erősítő (csillapító) áramkörbe kerül. A programvezérelt erősítő (csillapító) áramkör feladata a bemeneti jel felerősítése vagy csillapítása úgy, hogy a kimeneti jel feszültsége az A/D konverter bemeneti feszültségigényének tartományán belül legyen a legjobb mérési és megfigyelési hatások elérése érdekében. Ezért a programvezérelt erősítő áramkör a megadott sávszélességen belül működik. A belső nyereségnek egyenletesnek kell lennie. Mivel az oszcilloszkóp áramkör két részből áll, digitálisból és analógból, a kölcsönös interferencia elkerülése érdekében a digitális rész tápegysége és az analóg rész tápegysége el van választva. Egy ±5 V egyenáramú tápegységet biztosítunk, amelyet induktorokból és kondenzátorokból álló szűrő választ el.
Flash memória és óra áramkör
Mivel az A/D konverter által rögzített jeladatok mennyisége nagy, a mikrokontroller belsejében lévő flash memória nem elegendő, így az áramkör használhat némi külső memóriát.
Ugyanakkor gyorsítótárként is használják az LCD-re való íráshoz. A referencia órajel elérése érdekében a mikrokontrollert egy kristályoszcillátorhoz is csatlakoztatják, amely kiszámítja a külső hullámforma jel tényleges frekvenciáját.
FPGA vezérlőegység
Az FPGA programozható logikai eszköz egy félig egyedi ASIC, amely lehetővé teszi az áramkör-tervezők számára, hogy programozzák magukat alkalmazás-specifikus funkciók megvalósítására. Ez a kialakítás két különböző módszert használ a sematikus bevitelre és a VHDL nyelvi bevitelre. A vezérlőegység végzi a legtöbb vezérlési feladatot, és minden egyes funkcionális modulhoz megfelelő vezérlőjeleket biztosít, hogy biztosítsa a teljes rendszer helyességét. Konkrétan a következő funkciókat valósítja meg: Frekvenciaosztó áramkör és vezérlőjelek generálása az A/D átalakító számára. Ennek az adatgyűjtő rendszernek viszonylag széles mérési tartománya van. Az FPGA belsejében egy frekvenciaosztó áramkört terveztek különböző frekvenciák eléréséhez. A pontosabb adatgyűjtés érdekében válasszon különböző mintavételi frekvenciákat a mért jelhez. A frekvenciaosztó egység belső szerkezeti diagramja a 4. ábrán látható grafikus beviteli módszerrel van megvalósítva. A 4. ábrán, ha a T flip-flop bemenete 1, a kimenet ugrik, amikor minden óraél megérkezik a frekvencia eléréséhez. osztály. Ugyanakkor láthatjuk, hogy a T flip-flop bemenete néhány logikai kombinációból áll, ami a kapuzott órát alkotja. Kapuzott órák esetén gondosan elemezze az óra funkciót, hogy elkerülje a hibák hatását. Ha a kapuzott óra megfelel az alábbi két feltételnek, akkor biztosítani tudja, hogy az órajelben ne legyenek veszélyes hibák, és a kapuzott óra ugyanolyan megbízhatóan működjön, mint a globális óra.
Az ilyen típusú A/D konverterhez csak két vezérlőjel van: a CLK óra bemeneti jel és az OE engedélyező kimeneti jel. A CLK jel közvetlenül egy 60 M jelet ad be az aktív kristályoszcillátoron keresztül, míg az OE jelet az órajel invertálása révén kapjuk, ugyanolyan frekvenciájú és fázisú, mint a CLK az FPGA-n belül, ami éppen megfelel az A/D konverziós időzítési kapcsolatának. átalakító.
Nagy sebességű A/D konverzió; áramkör
A digitális oszcilloszkóp legfontosabb áramköre az A/D átalakító áramkör. Feladata a mért jel mintavétele, digitális jellé alakítása és a memóriában való tárolása. Nem túlzás azt állítani, hogy ez a digitális oszcilloszkóp torka, mert közvetlenül határozza meg a A legmagasabb frekvenciát, amit egy digitális oszcilloszkóp mérni tud. A Nyquist-tétel szerint a mintavételezési frekvenciának a mért jel legmagasabb frekvenciájának legalább kétszeresének kell lennie, hogy a mért jelet reprodukálja. Digitális oszcilloszkópban a mintavételezési frekvenciának legalább 5-8-szorosának kell lennie a mért jel frekvenciájának, ellenkező esetben a jel hullámformája egyáltalán nem figyelhető meg.
