Принцип работы и устройство цифрового осциллографа
Аппаратная часть системы цифрового осциллографа представляет собой плату высокоскоростного сбора данных. Он может осуществлять двухканальный ввод данных, а частота дискретизации каждого канала может достигать 60 Мбит/с. Функционально аппаратную систему можно разделить на: модуль входного усиления сигнала (входной усилитель на полевом транзисторе) и модуль формирования (усилитель с регулируемым коэффициентом усиления), модуль высокоскоростного аналого-цифрового преобразования (драйвер АЦП, АЦП), модуль логического управления FPGA. , распределение тактового сигнала, высокоскоростной процессор сравнения, модуль управления микроконтроллером (DSP), модуль передачи данных, ЖК-дисплей, управление сенсорным экраном, управление питанием и батареей, а также управление с клавиатуры.
После того как входной сигнал преобразуется предусилителем и схемой регулировки усиления, он становится входным напряжением, соответствующим требованиям аналого-цифрового преобразователя. Цифровой сигнал после аналого-цифрового преобразования буферизуется FIFO в FPGA или памяти сбора данных, а затем проходит через интерфейс связи. Он передается в компьютер для последующей обработки данных или собранные сигналы напрямую управляются микроконтроллером для отображения на ЖК-экране.
Эталонные устройства следующие:
Среди этих частей наиболее важными являются схема программируемого усиления (ослабления) и схема аналого-цифрового преобразования, поскольку эти две схемы являются «горлом» цифрового осциллографа, а схема программируемого усиления (ослабления) определяет входную полосу пропускания и вертикальную развертку. разрешение осциллографа. Схема аналого-цифрового преобразования определяет горизонтальное разрешение осциллографа, и эти два разрешения напрямую определяют производительность осциллографа. Эти две части схемы преобразуют измеренный сигнал в сигнал данных, необходимый для последующей схемы обработки. Эта часть схемы может состоять из высокопроизводительных интегральных схем и небольшого количества периферийных устройств. Схема проста, и отладка также очень проста. Самой сложной частью всего осциллографа должна быть программная, то есть программная часть. Программное обеспечение отвечает за все задачи обработки данных и управления цифровым осциллографом, включая аналогово-цифровое управление выборкой, управление скоростью горизонтальной развертки, управление вертикальной чувствительностью, обработку изображения, измерение размаха амплитуды, измерение частоты и другие задачи. Вы можете использовать очень распространенный на рынке микроконтроллер в качестве микропроцессора и использовать для его реализации программирование на языке C.
Схема программируемого усиления (затухания) и схема питания
Сигнал поступает с обычного щупа осциллографа Х10Х1 и поступает в схему усиления (затухания). Функция схемы усиления (ослабления) с программным управлением заключается в усилении или ослаблении входного сигнала так, чтобы напряжение выходного сигнала находилось в пределах диапазона требований к входному напряжению аналого-цифрового преобразователя для достижения наилучших результатов измерения и наблюдения. Следовательно, схема усилителя с программным управлением работает в пределах заданной полосы пропускания. Прибыль внутри должна быть постоянной. Поскольку схема осциллографа содержит две части — цифровую и аналоговую, во избежание взаимных помех питание цифровой части и питание аналоговой части разделены. Комплект питания постоянного тока ±5 В предусмотрен соответственно и изолирован фильтром, состоящим из катушек индуктивности и конденсаторов.
Флэш-память и схема часов
Поскольку объем данных сигнала, захватываемых аналого-цифровым преобразователем, велик, флэш-памяти внутри микроконтроллера недостаточно, поэтому схема может использовать некоторую внешнюю память.
В то же время он также используется как кэш для записи на ЖК-дисплей. Чтобы получить опорный тактовый сигнал, микроконтроллер также подключается к кварцевому генератору для расчета фактической частоты внешнего сигнала.
Блок управления ПЛИС
Программируемое логическое устройство FPGA представляет собой полузаказную ASIC, которая позволяет разработчикам схем программировать себя для реализации функций, специфичных для приложения. В этом проекте используются два разных метода схематического ввода и ввода на языке VHDL. Блок управления выполняет большую часть задач управления и подает соответствующие сигналы управления для каждого функционального модуля, чтобы обеспечить корректность работы всей системы. В частности, он реализует следующие функции: Схема деления частоты и формирование сигналов управления для аналого-цифрового преобразователя. Эта система сбора данных имеет относительно широкий диапазон измерений. Внутри FPGA спроектирована схема деления частоты для достижения разных частот. Выберите разные частоты дискретизации для измеряемого сигнала, чтобы обеспечить более точный сбор данных. Схема внутренней структуры блока деления частоты реализована с использованием метода графического ввода, как показано на рисунке 4. На рисунке 4, когда вход T-триггера равен 1, выходной сигнал будет прыгать при достижении каждого фронта тактового сигнала для достижения частоты. разделение. В то же время мы видим, что вход Т-триггера состоит из некоторых логических комбинаций, которые составляют стробируемый тактовый сигнал. Для закрытых часов тщательно проанализируйте функцию часов, чтобы избежать эффектов сбоев. Когда стробируемый тактовый сигнал отвечает следующим двум условиям, он может гарантировать, что тактовый сигнал не будет иметь опасных сбоев, и стробируемый тактовый сигнал может работать так же надежно, как и глобальный тактовый сигнал.
Для аналого-цифрового преобразователя в этой конструкции имеется только два сигнала управления: входной тактовый сигнал CLK и выходной сигнал разрешения OE. Сигнал CLK напрямую вводит сигнал 60M через активный кварцевый генератор, в то время как сигнал OE получается путем инвертирования тактового сигнала с той же частотой и фазой, что и CLK, внутри FPGA, что может просто соответствовать соотношению времени преобразования аналого-цифрового преобразователя. преобразователь.
Высокоскоростное аналого-цифровое преобразование; схема
Наиболее важной схемой цифрового осциллографа является схема аналого-цифрового преобразования. Его функция — выборка, преобразование измеренного сигнала в цифровой сигнал и сохранение его в памяти. Не будет преувеличением сказать, что это «горло» цифрового осциллографа, поскольку оно напрямую определяет самую высокую частоту, которую может измерить цифровой осциллограф. Согласно теореме Найквиста, чтобы воспроизвести измеренный сигнал, частота дискретизации должна быть как минимум в два раза выше самой высокой частоты измеряемого сигнала. В цифровом осциллографе частота дискретизации должна быть как минимум в 5–8 раз выше частоты измеряемого сигнала, иначе форму сигнала вообще невозможно будет наблюдать.
