Princip rada i struktura digitalnog osciloskopa
Hardverski dio sustava digitalnog osciloskopa je strujna ploča za prikupljanje podataka velike brzine. Može ostvariti dvokanalni unos podataka, a frekvencija uzorkovanja svakog kanala može doseći 60 Mbit/s. Funkcionalno, hardverski sustav može se podijeliti na: pojačanje signala na prednjem dijelu (FET ulazno pojačalo) i modul za kondicioniranje (pojačalo s promjenjivim pojačanjem), modul brze analogno-digitalne pretvorbe (ADC driver, ADC), FPGA logički upravljački modul , distribucija takta, procesor za usporedbu velike brzine, upravljački modul mikrokontrolera (DSP), podatkovni komunikacijski modul, LCD zaslon, upravljanje zaslonom osjetljivim na dodir, upravljanje napajanjem i baterijom te upravljanje tipkovnicom.
Nakon što se ulazni signal pretvori u predpojačalo i krug za podešavanje pojačanja, on postaje ulazni napon koji zadovoljava zahtjeve A/D pretvarača. Digitalni signal nakon A/D pretvorbe sprema FIFO u međuspremnik u FPGA ili akvizicijsku memoriju, a zatim prolazi kroz komunikacijsko sučelje. Šalje se u računalo za naknadnu obradu podataka ili prikupljene signale izravno kontrolira mikrokontroler za prikaz na LCD zaslonu.
Referentni uređaji su sljedeći:
Među tim dijelovima, najvažniji su programibilni krug pojačanja (prigušenja) i krug A/D pretvorbe, jer su ova dva kruga grlo digitalnog osciloskopa, a programibilni krug pojačanja (prigušenja) određuje ulaznu širinu pojasa i vertikalu rezoluciju osciloskopa. , krug A/D pretvorbe određuje vodoravnu rezoluciju osciloskopa, a ove dvije rezolucije izravno određuju rad osciloskopa. Ova dva dijela sklopa pretvaraju izmjereni signal u podatkovni signal potreban za naknadni krug obrade. Ovaj dio sklopa može biti sastavljen od integriranih sklopova visokih performansi i malog broja perifernih uređaja. Dizajn strujnog kruga je jednostavan i otklanjanje pogrešaka je također vrlo jednostavno. Najteži dio cijelog osciloskopa trebao bi biti programski, odnosno softverski aspekt. Softver je odgovoran za sve zadatke obrade podataka i kontrole digitalnog osciloskopa, uključujući kontrolu A/D uzorkovanja, kontrolu horizontalne brzine prelaska, kontrolu vertikalne osjetljivosti, obradu prikaza, mjerenje od vrha do vrha, mjerenje frekvencije i druge zadatke. Možete koristiti vrlo čest mikrokontroler na tržištu kao mikroprocesor i upotrijebiti programiranje na C jeziku da ga implementirate.
Programabilni krug pojačanja (prigušenja) i krug napajanja
Signal se unosi putem zajedničke sonde osciloskopa X10X1 i ulazi u krug pojačanja (prigušenja). Funkcija programski kontroliranog kruga pojačanja (prigušenja) je pojačati ili prigušiti ulazni signal tako da napon izlaznog signala bude unutar raspona zahtjeva ulaznog napona A/D pretvarača kako bi se postigli najbolji učinci mjerenja i promatranja. Stoga programski kontrolirani krug pojačala radi unutar specificirane propusnosti. Dobitak unutar mora biti ravan. Kako se sklop osciloskopa sastoji od dva dijela, digitalnog i analognog, da bi se izbjegle međusobne smetnje, napajanje digitalnog dijela i napajanje analognog dijela su odvojeni. Osiguran je set od ±5V DC napajanja i izoliran je filtrom napravljenim od induktora i kondenzatora.
Flash memorija i sklop sata
Budući da je količina signalnih podataka koje hvata A/D pretvarač velika, flash memorija unutar mikrokontrolera nije dovoljna, tako da sklop može koristiti nešto vanjske memorije.
U isto vrijeme, koristi se i kao predmemorija za upisivanje na LCD. Kako bi se dobio referentni taktni signal, mikrokontroler je također spojen na kristalni oscilator za izračunavanje stvarne frekvencije vanjskog valnog signala.
FPGA upravljačka jedinica
Programabilni logički uređaj FPGA je polu-prilagođeni ASIC koji dizajnerima krugova omogućuje da se sami programiraju za implementaciju funkcija specifičnih za aplikaciju. Ovaj dizajn koristi dvije različite metode shematskog unosa i unosa VHDL jezika. Upravljačka jedinica nosi većinu zadataka upravljanja i daje odgovarajuće upravljačke signale za svaki funkcionalni modul kako bi se osigurala ispravnost cijelog sustava. Konkretno, implementira sljedeće funkcije: Krug za dijeljenje frekvencije i generiranje upravljačkih signala za A/D pretvarač. Ovaj sustav za prikupljanje podataka ima relativno širok raspon mjerenja. Krug za dijeljenje frekvencije dizajniran je unutar FPGA za postizanje različitih frekvencija. Odaberite različite frekvencije uzorkovanja za izmjereni signal kako biste osigurali preciznije prikupljanje podataka. Dijagram unutarnje strukture jedinice za dijeljenje frekvencije implementiran je korištenjem metode grafičkog unosa kao što je prikazano na slici 4. Na slici 4, kada je ulaz T flip-flopa 1, izlaz će skočiti kada svaki brid takta stigne da postigne frekvenciju podjela. U isto vrijeme, možemo vidjeti da je ulaz T flip-flopa sastavljen od nekih logičkih kombinacija, što čini zatvoreni sat. Za zatvorene satove pažljivo analizirajte funkciju sata kako biste izbjegli učinke grešaka. Kada usmjerni sat ispunjava sljedeća dva uvjeta, može osigurati da signal sata nema opasnih kvarova, a uspravni sat može raditi jednako pouzdano kao i globalni sat.
Za A/D pretvarač u ovom dizajnu, postoje samo dva upravljačka signala: ulazni signal takta CLK i izlazni signal omogućavanja OE. CLK signal izravno unosi 60M signal kroz aktivni kristalni oscilator, dok se OE signal dobiva invertiranjem taktnog signala s istom frekvencijom i fazom kao CLK unutar FPGA, što može zadovoljiti vremenski odnos konverzije A/D konverter.
A/D pretvorba velike brzine; strujni krug
Najvažniji krug u digitalnom osciloskopu je A/D pretvorbeni krug. Njegova funkcija je uzorkovanje i pretvaranje izmjerenog signala u digitalni signal te pohranjivanje u memoriju. Nije pretjerano reći da je to grlo digitalnog osciloskopa, jer ono izravno određuje najvišu frekvenciju koju digitalni osciloskop može mjeriti. Prema Nyquistovom teoremu, frekvencija uzorkovanja mora biti najmanje dvostruko veća od najveće frekvencije mjerenog signala da bi se reproducirao izmjereni signal. U digitalnom osciloskopu frekvencija uzorkovanja trebala bi biti najmanje 5 do 8 puta veća od frekvencije signala koji se mjeri, inače se valni oblik signala uopće ne može promatrati.
