Principio y estructura de funcionamiento del osciloscopio digital
Con el desarrollo y el cambio de la tecnología electrónica, los requisitos de medición del circuito se han vuelto mayores; en la producción electrónica se encontrará que la medición de muchos parámetros no es un multímetro que pueda ser competente, como un puerto de E/S de un microcontrolador de la forma de onda de salida o la producción de amplificadores para medir su respuesta en frecuencia, etc. Por lo tanto, los osciloscopios son naturalmente lo mismo que los multímetros y se han convertido en una herramienta necesaria para los ingenieros y entusiastas de la electrónica.
Introducción al principio de funcionamiento y la estructura.
La parte de hardware del sistema de osciloscopio digital es una placa de adquisición de datos de alta velocidad. Puede lograr entrada de datos de doble canal, cada frecuencia de muestreo puede alcanzar 60 Mbit/s. Funcionalmente, el sistema de hardware se puede dividir en: amplificación frontal de señal (amplificador de entrada FET) y módulo de acondicionamiento (amplificador de ganancia variable), módulo convertidor analógico a digital de alta velocidad (controlador ADC, ADC), módulo de control lógico FPGA , distribución de reloj, comparador de alta velocidad, módulo de control MCU (DSP), módulo de comunicación de datos, pantalla de cristal líquido (LCD). ), módulo de comunicación de datos, pantalla LCD, control de pantalla táctil, administración de fuente de alimentación y batería y control de teclado y varias otras partes.
La señal de entrada es convertida por el preamplificador y el circuito ajustable de ganancia en un voltaje de entrada que cumple con los requisitos del convertidor A/D. La señal digital convertida por el convertidor A/D se almacena en caché mediante la FPGA o la memoria de adquisición FIFO, y luego se transmite a la computadora a través de la interfaz de comunicación para el procesamiento de datos posterior, o se controla directamente mediante el microcontrolador, se recopilará y se mostrará en la pantalla LCD. pantalla.
Los dispositivos de referencia son los siguientes
En estas partes, lo más importante es el circuito de amplificación (atenuación) programado y el circuito de conversión A/D, debido a que estos dos circuitos son la garganta del osciloscopio digital, el circuito de amplificación (atenuación) programado determina el ancho de banda de entrada y la resolución vertical del osciloscopio. El circuito de conversión A/D determina la resolución horizontal del osciloscopio, lo que determina directamente el rendimiento del osciloscopio de las dos resoluciones. Estas dos partes del circuito se medirán en la parte posterior del circuito de procesamiento requerido para la señal de datos. Esta parte del circuito se puede utilizar en circuitos integrados de alto rendimiento y una pequeña cantidad de dispositivos periféricos constituyen un diseño de circuito simple. La depuración también es muy sencilla. La parte más difícil del osciloscopio debería ser el procedimiento, es decir, el software. El software realiza todas las tareas de control y procesamiento de datos del osciloscopio digital, incluido el control de muestreo A/D, el control de velocidad de barrido horizontal, el control de sensibilidad vertical, el procesamiento de visualización, la medición de pico a pico, la medición de frecuencia y otras tareas. Se puede realizar utilizando un microcontrolador muy común en el mercado hoy en día como microprocesador y programando en lenguaje C.
Circuito de amplificación (atenuación) programado y circuito de alimentación.
La señal ingresa desde una sonda de osciloscopio X10X1 común al circuito de amplificación (atenuación). La función del circuito de amplificación (atenuación) programado es amplificar o atenuar la señal de entrada para ajustar, de modo que el voltaje de la señal de salida en los requisitos de voltaje de entrada del convertidor A/D esté dentro del rango de la mejor medición y observación, de modo que el El circuito amplificador programado en la ganancia de ancho de banda especificada debe ser plano. Como el circuito del osciloscopio contiene dos partes digitales y analógicas, para evitar interferencias mutuas, la parte digital de la fuente de alimentación y la parte analógica de la fuente de alimentación por separado, respectivamente, para proporcionar un conjunto de fuente de alimentación e inductancia de ± 5 V CC. y capacitancia hecha de aislamiento de filtro
Memoria flash y circuito de reloj.
Debido a que el convertidor A/D captura una gran cantidad de datos de señal, la memoria flash interna del microcontrolador no es suficiente para usar, por lo que el circuito puede elegir alguna memoria externa para usar, pero también como una forma de escribir la pantalla LCD. La memoria flash también se utiliza como caché para escribir en la pantalla LCD. Para obtener la señal del reloj de referencia, el microcontrolador también está conectado a un cristal, que se utiliza para calcular la frecuencia real de la señal de forma de onda externa.
Unidad de control FPGA
Los FPGA son ASIC semipersonalizados que permiten a los diseñadores de circuitos programar sus propias funciones específicas de la aplicación. El diseño utiliza dos métodos diferentes: entrada esquemática y entrada VHDL. La unidad de control realiza la mayoría de las tareas de control, proporcionando las señales de control adecuadas para cada módulo funcional para garantizar el correcto funcionamiento de todo el sistema. Logre específicamente las siguientes funciones: circuito divisor de frecuencia y generación de señales de control del convertidor A/D. El sistema de adquisición de datos tiene un amplio rango de medición, un circuito divisor de frecuencia está diseñado dentro de la FPGA para lograr diferentes frecuencias de muestreo para diferentes frecuencias de las señales medidas para garantizar que los datos recopilados sean más precisos. La unidad de división de frecuencia se implementa utilizando el método de entrada gráfico y su estructura interna se muestra en la Figura 4. En la Figura 4, el uso del disparador T en la entrada es 1, cada flanco del reloj cuando la salida saltará para lograr la división de frecuencia. . Al mismo tiempo, podemos ver que la entrada del T-flip-flop se compone de algunas combinaciones lógicas, lo que constituye el reloj cerrado. Para los relojes con compuerta, la función del reloj se analiza cuidadosamente para evitar el efecto de rebabas. Si bien se garantiza que el reloj cerrado estará libre de rebabas peligrosas en la señal del reloj cuando se cumplan las dos condiciones siguientes, el reloj cerrado puede funcionar con tanta confiabilidad como el reloj global.
Para el diseño del convertidor A/D, solo hay dos señales de control: la señal de entrada del reloj CLK y la señal de salida OE de habilitación. Señal CLK directamente a través de la señal de entrada de cristal activo 60M, mientras que la señal OE a través del FPGA interno y CLK se invierte la misma frecuencia y la misma fase de la señal de reloj, de modo que solo para cumplir con la conversión de la sincronización del convertidor A/D relaciones.
Conversión A/D de alta velocidad; circuito
El circuito más importante del osciloscopio digital es el circuito de conversión A/D, su función es medir el muestreo de la señal y convertirla en señales digitales en la memoria. No es demasiado decir que es un osciloscopio digital, porque determina directamente el osciloscopio digital. Se puede medir a la frecuencia más alta, según el teorema de Nyquist, la frecuencia de muestreo de al menos 2 veces la frecuencia más alta de la señal a medir para reproducir la señal que se está midiendo. En los osciloscopios digitales, la frecuencia de muestreo debe ser al menos de 5 a 8 veces la frecuencia de la señal bajo prueba; de lo contrario, no se podrá observar la forma de onda de la señal.
