Principio de funcionamiento y estructura del osciloscopio digital.
La parte de hardware del sistema de osciloscopio digital es una placa de circuito de adquisición de datos de alta velocidad. Puede realizar entrada de datos de doble canal y la frecuencia de muestreo de cada canal puede alcanzar los 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 de conversión analógico a digital de alta velocidad (controlador ADC, ADC), módulo de control lógico FPGA , distribución de reloj, procesador de comparación de alta velocidad, módulo de control de microcontrolador (DSP), módulo de comunicación de datos, pantalla LCD, control de pantalla táctil, administración de energía y batería y control de teclado.
Después de que el preamplificador y el circuito de ganancia ajustable convierten la señal de entrada, se convierte en un voltaje de entrada que cumple con los requisitos del convertidor A/D. La señal digital después de la conversión A/D es almacenada en el FIFO en la FPGA o en la memoria de adquisición y luego pasa a través de la interfaz de comunicación. Se transmite a la computadora para el procesamiento posterior de datos, o las señales recopiladas son controladas directamente por el microcontrolador para mostrarlas en la pantalla LCD.
Los dispositivos de referencia son los siguientes:
Entre estas partes, las más importantes son el circuito de amplificación (atenuación) programable y el circuito de conversión A/D, porque estos dos circuitos son la garganta del osciloscopio digital y el circuito de amplificación (atenuación) programable determina el ancho de banda de entrada y la vertical. Resolución del osciloscopio. , el circuito de conversión A/D determina la resolución horizontal del osciloscopio, y estas dos resoluciones determinan directamente el rendimiento de un osciloscopio. Estas dos partes del circuito convierten la señal medida en la señal de datos requerida por el circuito de procesamiento posterior. Esta parte del circuito puede estar compuesta por circuitos integrados de alto rendimiento y una pequeña cantidad de dispositivos periféricos. El diseño del circuito es simple y la depuración también es muy simple. La parte más difícil de todo el osciloscopio debería ser el programa, es decir, el aspecto del software. El software es responsable de 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. Puedes utilizar un microcontrolador muy común en el mercado como microprocesador y utilizar programación en lenguaje C para implementarlo.
Circuito de amplificación (atenuación) programable y circuito de alimentación.
La señal ingresa a través de una sonda de osciloscopio común X10X1 y ingresa al circuito de amplificación (atenuación). La función del circuito de amplificación (atenuación) controlado por programa es amplificar o atenuar la señal de entrada para que el voltaje de la señal de salida esté dentro del rango requerido de voltaje de entrada del convertidor A/D para lograr los mejores efectos de medición y observación. Por lo tanto, el circuito amplificador controlado por programa funciona dentro del ancho de banda especificado. La ganancia interna debe ser plana. Dado que el circuito del osciloscopio contiene dos partes, digital y analógica, para evitar interferencias mutuas, la fuente de alimentación de la parte digital y la fuente de alimentación de la parte analógica están separadas. Se proporciona un conjunto de fuente de alimentación de CC de ±5 V respectivamente y está aislado por un filtro hecho de inductores y condensadores.
Memoria flash y circuito de reloj.
Debido a que la cantidad de datos de señal capturados por el convertidor A/D es grande, la memoria flash dentro del microcontrolador no es suficiente, por lo que el circuito puede usar algo de memoria externa.
Al mismo tiempo, 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 oscilador de cristal para calcular la frecuencia real de la señal de forma de onda externa.
unidad de control FPGA
El dispositivo lógico programable FPGA es un ASIC semipersonalizado que permite a los diseñadores de circuitos programarse ellos mismos para implementar funciones específicas de la aplicación. Este diseño utiliza dos métodos diferentes de entrada esquemática y entrada de lenguaje VHDL. La unidad de control realiza la mayoría de las tareas de control y proporciona las señales de control correspondientes para cada módulo funcional para garantizar la corrección de todo el sistema. En concreto implementa las siguientes funciones: Circuito divisor de frecuencia y generación de señales de control para el convertidor A/D. Este sistema de adquisición de datos tiene un rango de medición relativamente amplio. Se diseña un circuito divisor de frecuencia dentro de la FPGA para lograr diferentes frecuencias. Seleccione diferentes frecuencias de muestreo para la señal medida para garantizar una recopilación de datos más precisa. El diagrama de estructura interna de la unidad divisora de frecuencia se implementa utilizando el método de entrada gráfica como se muestra en la Figura 4. En la Figura 4, cuando la entrada del flip-flop T es 1, la salida saltará cuando llegue cada flanco del reloj para alcanzar la frecuencia. división. Al mismo tiempo, podemos ver que la entrada del flip-flop T se compone de algunas combinaciones lógicas, lo que constituye el reloj cerrado. Para relojes cerrados, analice cuidadosamente la función del reloj para evitar los efectos de fallas. Cuando el reloj cerrado cumple las dos condiciones siguientes, puede garantizar que la señal del reloj no tenga fallas peligrosas y el reloj cerrado puede funcionar con tanta confiabilidad como el reloj global.
Para el convertidor A/D en este diseño, sólo hay dos señales de control: la señal de entrada de reloj CLK y la señal de salida de habilitación OE. La señal CLK ingresa directamente una señal de 60M a través del oscilador de cristal activo, mientras que la señal OE se obtiene invirtiendo la señal de reloj con la misma frecuencia y fase que CLK dentro de la FPGA, que puede cumplir con la relación de sincronización de conversión del A/D. convertidor.
Conversión A/D de alta velocidad; circuito
El circuito más importante de un osciloscopio digital es el circuito de conversión A/D. Su función es muestrear y convertir la señal medida en una señal digital y almacenarla en la memoria. No es exagerado decir que es la garganta del osciloscopio digital, porque determina directamente la frecuencia más alta que un osciloscopio digital puede medir. Según el teorema de Nyquist, la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia más alta de la señal medida para reproducir la señal medida. En un osciloscopio digital, la frecuencia de muestreo debe ser al menos de 5 a 8 veces la frecuencia de la señal que se está midiendo; de lo contrario, la forma de onda de la señal no se podrá observar en absoluto.
