Princíp činnosti a štruktúra digitálneho osciloskopu
Hardvérovou časťou systému digitálneho osciloskopu je doska s obvodmi na vysokorýchlostný zber dát. Dokáže realizovať dvojkanálový vstup dát a vzorkovacia frekvencia každého kanála môže dosiahnuť 60 Mbit/s. Funkčne možno hardvérový systém rozdeliť na: predné zosilnenie signálu (vstupný zosilňovač FET) a modul kondicionovania (zosilňovač s premenlivým ziskom), vysokorýchlostný modul analógovo-digitálnej konverzie (ovládač ADC, ADC), modul riadenia logiky FPGA , distribúcia hodín, vysokorýchlostný porovnávací procesor, riadiaci modul mikrokontroléra (DSP), modul dátovej komunikácie, LCD displej, ovládanie dotykovej obrazovky, správa napájania a batérie a ovládanie klávesnicou.
Po prevedení vstupného signálu predzosilňovačom a obvodom s nastaviteľným ziskom sa z neho stáva vstupné napätie, ktoré spĺňa požiadavky A/D prevodníka. Digitálny signál po A/D prevode je uložený vo vyrovnávacej pamäti FIFO v FPGA alebo akvizičnej pamäti a potom prechádza cez komunikačné rozhranie. Prenáša sa do počítača na následné spracovanie dát, alebo sú zozbierané signály priamo riadené mikrokontrolérom a zobrazujú sa na LCD obrazovke.
Referenčné zariadenia sú nasledovné:
Spomedzi týchto častí sú najdôležitejšie obvod programovateľného zosilnenia (útlmu) a obvod A/D prevodu, pretože tieto dva obvody sú hrdlom digitálneho osciloskopu a obvod programovateľného zosilnenia (útlmu) určuje vstupnú šírku pásma a vertikálny rozlíšenie osciloskopu. , obvod A/D prevodu určuje horizontálne rozlíšenie osciloskopu a tieto dve rozlíšenia priamo určujú výkon osciloskopu. Tieto dve časti obvodu premieňajú nameraný signál na dátový signál vyžadovaný nasledujúcim obvodom spracovania. Táto časť obvodu môže byť zložená z vysokovýkonných integrovaných obvodov a malého počtu periférnych zariadení. Návrh obvodu je jednoduchý a ladenie je tiež veľmi jednoduché. Najťažšou časťou celého osciloskopu by mal byť program, teda softvérová stránka. Softvér je zodpovedný za všetky úlohy spracovania údajov a riadenia digitálneho osciloskopu, vrátane riadenia vzorkovania A/D, riadenia rýchlosti horizontálneho rozmietania, riadenia vertikálnej citlivosti, spracovania zobrazenia, merania od špičky po špičku, merania frekvencie a ďalších úloh. Ako mikroprocesor môžete použiť veľmi bežný mikrokontrolér na trhu a na jeho implementáciu použiť programovanie v jazyku C.
Programovateľný zosilňovací (útlmový) obvod a napájací obvod
Signál je na vstupe z bežnej sondy osciloskopu X10X1 a vstupuje do zosilňovacieho (útlmového) obvodu. Funkciou programom riadeného zosilňovacieho (útlmového) obvodu je zosilniť alebo zoslabiť vstupný signál tak, aby napätie výstupného signálu bolo v rozsahu požiadaviek na vstupné napätie A/D prevodníka, aby sa dosiahli najlepšie efekty merania a pozorovania. Preto programom riadený obvod zosilňovača pracuje v rámci špecifikovanej šírky pásma. Zisk v rámci musí byť plochý. Keďže obvod osciloskopu obsahuje dve časti, digitálnu a analógovú, aby sa zabránilo vzájomnému rušeniu, je napájanie digitálnej časti a napájanie analógovej časti oddelené. Súprava ±5V jednosmerného napájania je zabezpečená jednotlivo a izolovaná filtrom vyrobeným z induktorov a kondenzátorov.
Flash pamäť a obvod hodín
Pretože množstvo signálových dát zachytených A/D prevodníkom je veľké, flash pamäť vo vnútri mikrokontroléra nestačí, takže obvod môže využiť nejakú externú pamäť.
Zároveň sa používa aj ako vyrovnávacia pamäť pre zápis na LCD. Aby sa získal referenčný hodinový signál, mikrokontrolér je tiež pripojený ku kryštálovému oscilátoru na výpočet skutočnej frekvencie signálu externého tvaru vlny.
FPGA riadiaca jednotka
Programovateľné logické zariadenie FPGA je semi-custom ASIC, ktoré umožňuje návrhárom obvodov programovať sa na implementáciu funkcií špecifických pre aplikáciu. Tento návrh používa dve rôzne metódy schematického vstupu a vstupu jazyka VHDL. Riadiaca jednotka nesie väčšinu riadiacich úloh a poskytuje zodpovedajúce riadiace signály pre každý funkčný modul, aby bola zabezpečená správnosť celého systému. Konkrétne implementuje tieto funkcie: Obvod na delenie frekvencie a generovanie riadiacich signálov pre A/D prevodník. Tento systém zberu dát má pomerne široký rozsah merania. Vo vnútri FPGA je navrhnutý frekvenčný deliaci obvod na dosiahnutie rôznych frekvencií. Vyberte rôzne vzorkovacie frekvencie pre meraný signál, aby ste zabezpečili presnejší zber údajov. Schéma vnútornej štruktúry frekvenčnej deliacej jednotky je implementovaná pomocou metódy grafického vstupu, ako je znázornené na obrázku 4. Na obrázku 4, keď je vstup klopného obvodu T 1, výstup preskočí, keď každá hrana hodín príde, aby sa dosiahla frekvencia divízie. Zároveň vidíme, že vstup klopného obvodu T je zložený z niekoľkých logických kombinácií, ktoré tvoria hradlové hodiny. V prípade gatovaných hodín dôkladne analyzujte funkciu hodín, aby ste sa vyhli účinkom závad. Keď hradlové hodiny spĺňajú nasledujúce dve podmienky, môžu zabezpečiť, že hodinový signál nebude mať nebezpečné poruchy a hradlové hodiny budú fungovať rovnako spoľahlivo ako globálne hodiny.
Pre A/D prevodník v tomto prevedení existujú len dva riadiace signály: hodinový vstupný signál CLK a povoľovací výstupný signál OE. Signál CLK priamo privádza 60M signál cez aktívny kryštálový oscilátor, zatiaľ čo signál OE sa získava invertovaním hodinového signálu s rovnakou frekvenciou a fázou ako CLK vo vnútri FPGA, čo môže práve spĺňať časový vzťah konverzie A/D. prevodník.
Vysokorýchlostná A/D konverzia; obvod
Najdôležitejším obvodom v digitálnom osciloskope je obvod A/D prevodu. Jeho funkciou je vzorkovanie a prevod nameraného signálu na digitálny signál a jeho uloženie do pamäte. Nie je prehnané povedať, že je to hrdlo digitálneho osciloskopu, pretože priamo určuje Najvyššiu frekvenciu, ktorú dokáže digitálny osciloskop zmerať. Podľa Nyquistovej vety musí byť vzorkovacia frekvencia aspoň dvojnásobkom najvyššej frekvencie meraného signálu, aby sa meraný signál reprodukoval. V digitálnom osciloskope by vzorkovacia frekvencia mala byť aspoň 5 až 8-násobkom frekvencie meraného signálu, inak sa priebeh signálu nedá vôbec pozorovať.
