Принцип дії та будова цифрового осцилографа
Апаратною частиною системи цифрового осцилографа є плата високошвидкісного збору даних. Він може реалізувати двоканальне введення даних, а частота дискретизації кожного каналу може досягати 60 Мбіт/с. Функціонально апаратну систему можна розділити на: передній модуль посилення сигналу (вхідний підсилювач FET) і модуль кондиціонування (підсилювач зі змінним коефіцієнтом підсилення), модуль високошвидкісного аналого-цифрового перетворення (драйвер АЦП, АЦП), модуль керування логікою FPGA , розподіл годинника, високошвидкісний процесор порівняння, модуль керування мікроконтролером (DSP), модуль передачі даних, РК-дисплей, керування сенсорним екраном, керування живленням і батареєю та керування клавіатурою.
Після того, як вхідний сигнал перетворено попереднім підсилювачем і схемою регулювання посилення, він стає вхідною напругою, яка відповідає вимогам АЦП. Цифровий сигнал після аналого-цифрового перетворення буферизується FIFO в FPGA або пам’яті збору, а потім проходить через інтерфейс зв’язку. Він передається на комп'ютер для подальшої обробки даних або зібрані сигнали безпосередньо контролюються мікроконтролером для відображення на РК-екрані.
Еталонні прилади наступні:
Серед цих частин найважливішими є схема програмованого посилення (ослаблення) і схема аналого-цифрового перетворення, оскільки ці дві схеми є головною частиною цифрового осцилографа, а схема програмованого посилення (ослаблення) визначає вхідну смугу пропускання та вертикальну роздільна здатність осцилографа. , схема аналого-цифрового перетворення визначає горизонтальну роздільну здатність осцилографа, і ці дві роздільності безпосередньо визначають продуктивність осцилографа. Ці дві частини схеми перетворюють виміряний сигнал у сигнал даних, необхідний для наступної схеми обробки. Ця частина схеми може складатися з високопродуктивних інтегральних схем і невеликої кількості периферійних пристроїв. Конструкція схеми проста, і налагодження також дуже просте. Найскладнішим у всьому осцилографі має бути програмний, тобто програмний аспект. Програмне забезпечення відповідає за всю обробку даних і завдання керування цифровим осцилографом, включаючи контроль дискретизації аналого-цифрового сигналу, контроль швидкості горизонтальної розгортки, контроль вертикальної чутливості, обробку відображення, вимірювання пік-пік, вимірювання частоти та інші завдання. Ви можете використовувати дуже поширений на ринку мікроконтролер як мікропроцесор і використовувати програмування мовою C для його реалізації.
Програмована схема підсилення (ослаблення) і схема живлення
Сигнал надходить на загальний щуп осцилографа X10X1 і надходить в схему підсилення (ослаблення). Функція програмно керованої схеми підсилення (ослаблення) полягає в посиленні або ослабленні вхідного сигналу таким чином, щоб напруга вихідного сигналу була в межах діапазону вимог до вхідної напруги аналого-цифрового перетворювача для досягнення найкращих ефектів вимірювання та спостереження. Таким чином, програмно керована схема підсилювача працює в межах заданої смуги пропускання. Коефіцієнт посилення всередині має бути плоским. Оскільки схема осцилографа складається з двох частин, цифрової та аналогової, щоб уникнути взаємних перешкод, джерело живлення цифрової частини та джерело живлення аналогової частини розділені. Джерело живлення ±5 В постійного струму забезпечується відповідно та ізольовано фільтром, що складається з котушок індуктивності та конденсаторів.
Флеш-пам'ять і схема годинника
Оскільки кількість сигнальних даних, які фіксує аналого-цифровий перетворювач, велика, флеш-пам’яті всередині мікроконтролера недостатньо, тому схема може використовувати зовнішню пам’ять.
У той же час він також використовується як кеш для запису на РК-дисплей. Щоб отримати опорний тактовий сигнал, мікроконтролер також підключається до кристалічного генератора для обчислення фактичної частоти зовнішнього сигналу.
Блок керування FPGA
Програмований логічний пристрій FPGA — це напівспеціальна ASIC, яка дозволяє розробникам схем програмувати себе для реалізації функцій, специфічних для програми. У цій конструкції використовуються два різні методи введення схем і мова VHDL. Блок управління виконує більшість завдань управління і подає відповідні сигнали управління для кожного функціонального модуля для забезпечення коректності всієї системи. Зокрема, він реалізує наступні функції: Схема поділу частоти та генерування керуючих сигналів для АЦП. Ця система збору даних має відносно широкий діапазон вимірювань. Схема поділу частоти розроблена всередині FPGA для досягнення різних частот. Виберіть різні частоти дискретизації для вимірюваного сигналу, щоб забезпечити більш точний збір даних. Діаграма внутрішньої структури блоку поділу частоти реалізована за допомогою методу графічного введення, як показано на малюнку 4. На малюнку 4, коли вхід тригера T дорівнює 1, вихід буде стрибати, коли кожен фронт тактового сигналу досягне частоти. поділ. У той же час ми бачимо, що вхід тригера T складається з деяких логічних комбінацій, які становлять стробований годинник. Для закритих годинників уважно проаналізуйте функцію годинника, щоб уникнути збоїв. Коли стробований годинник відповідає наступним двом умовам, він може гарантувати відсутність небезпечних збоїв у сигналі синхронізації, і він може працювати так само надійно, як і глобальний годинник.
Для аналого-цифрового перетворювача в цій конструкції є лише два керуючі сигнали: тактовий вхідний сигнал CLK і вихідний сигнал дозволу OE. Сигнал CLK безпосередньо вводить сигнал 60M через активний кварцевий генератор, тоді як сигнал OE отримується інвертуванням тактового сигналу з тією ж частотою та фазою, що й CLK всередині FPGA, що може відповідати тимчасовому співвідношенню перетворення АЦП конвертер.
Високошвидкісне аналого-цифрове перетворення; схема
Найважливішою схемою в цифровому осцилографі є схема аналого-цифрового перетворення. Його функція полягає у вибірці та перетворенні виміряного сигналу в цифровий сигнал і збереженні його в пам’яті. Не буде перебільшенням сказати, що це горловина цифрового осцилографа, оскільки вона безпосередньо визначає найвищу частоту, яку може виміряти цифровий осцилограф. Згідно з теоремою Найквіста, частота дискретизації повинна принаймні вдвічі перевищувати найвищу частоту вимірюваного сигналу, щоб відтворити виміряний сигнал. У цифровому осцилографі частота дискретизації повинна принаймні в 5-8 разів перевищувати частоту вимірюваного сигналу, інакше форму сигналу взагалі неможливо спостерігати.
