Princípio e estrutura de funcionamento do osciloscópio digital
Com o desenvolvimento da tecnologia eletrônica e a mudança, os requisitos de medição do circuito tornaram-se maiores, na produção eletrônica descobrirá que a medição de muitos parâmetros não é um multímetro pode ser competente, como uma porta de E / S do microcontrolador da forma de onda de saída ou a produção de amplificadores para medir sua resposta de frequência e assim por diante. Portanto, os osciloscópios são naturalmente iguais aos multímetros e se tornaram uma ferramenta necessária para engenheiros eletrônicos e entusiastas.
Princípio de funcionamento e introdução à estrutura
A parte de hardware do sistema de osciloscópio digital é uma placa de aquisição de dados de alta velocidade. Ele pode obter entrada de dados de canal duplo, cada frequência de amostragem pode atingir 60Mbit/s. Funcionalmente, o sistema de hardware pode ser dividido em: amplificação front-end de sinal (amplificador de entrada FET) e módulo de condicionamento (amplificador de ganho variável), módulo conversor analógico-digital de alta velocidade (driver ADC, ADC), módulo de controle lógico FPGA , distribuição de relógio, comparador de alta velocidade, módulo de controle MCU (DSP), módulo de comunicação de dados, display de cristal líquido (LCD). ), módulo de comunicação de dados, display LCD, controle de tela sensível ao toque, fonte de alimentação e gerenciamento de bateria e controle de teclado e diversas outras peças.
O sinal de entrada é convertido pelo pré-amplificador e pelo circuito ajustável de ganho em uma tensão de entrada que atende aos requisitos do conversor A/D. O sinal digital convertido pelo conversor A/D é armazenado em cache pelo FPGA ou pela memória de aquisição FIFO, e então transmitido ao computador através da interface de comunicação para posterior processamento de dados, ou controlado diretamente pelo microcontrolador será coletado e exibido no LCD tela.
Os dispositivos de referência são os seguintes
Nessas partes, o mais importante é o circuito de amplificação (atenuação) programado e o circuito de conversão A/D, pois esses dois circuitos são a garganta do osciloscópio digital, o circuito de amplificação (atenuação) programado determina a largura de banda de entrada e a resolução vertical do osciloscópio. , O circuito de conversão A/D determina a resolução horizontal do osciloscópio, que determina diretamente o desempenho do osciloscópio das duas resoluções. Essas duas partes do circuito serão sinais medidos na parte traseira do circuito de processamento necessário para o sinal de dados, esta parte do circuito pode ser usada em circuitos integrados de alto desempenho e um pequeno número de dispositivos periféricos constituem um projeto de circuito simples, a depuração também é muito simples. A parte mais difícil do osciloscópio deve ser o procedimento, ou seja, o software. O software suporta todas as tarefas de processamento e controle de dados do osciloscópio digital, incluindo controle de amostragem A/D, controle de velocidade de varredura horizontal, controle de sensibilidade vertical, processamento de exibição, medição pico a pico, medição de frequência e outras tarefas. Isso pode ser realizado utilizando um microcontrolador muito comum no mercado hoje em dia como microprocessador e programação em linguagem C.
Circuito de amplificação programada (atenuação) e circuito de alimentação
O sinal é recebido de uma ponta de prova comum do osciloscópio X10X1 no circuito de amplificação (atenuação). O papel do circuito de amplificação (atenuação) programado é amplificar ou atenuar o sinal de entrada para ajustar, de modo que a tensão do sinal de saída nos requisitos de tensão de entrada do conversor A/D esteja dentro da faixa da melhor medição e observação, de modo que o circuito amplificador programado no ganho de largura de banda especificado deve ser plano. Como o circuito do osciloscópio contém duas partes digitais e analógicas, para evitar interferência mútua, a parte digital da fonte de alimentação e a parte analógica da fonte de alimentação separadamente, respectivamente, para fornecer um conjunto de fonte de alimentação de ± 5V DC e indutância e capacitância feita de isolamento de filtro
Memória flash e circuito de clock
Como o conversor A/D captura uma grande quantidade de dados de sinal, a memória flash interna do microcontrolador não é suficiente para uso, então o circuito pode escolher alguma memória externa para usar, mas também como forma de gravar o LCD. A memória flash também é usada como cache para gravação do LCD. Para obter o sinal do clock de referência, o microcontrolador também é conectado a um cristal, que é usado para calcular a frequência real do sinal de forma de onda externo.
Unidade de controle FPGA
FPGAs são ASICs semipersonalizados que permitem aos projetistas de circuitos programar suas próprias funções específicas de aplicação. O projeto usa dois métodos diferentes: entrada esquemática e entrada VHDL. A unidade de controle realiza a maioria das tarefas de controle, fornecendo os sinais de controle apropriados para cada módulo funcional para garantir o correto funcionamento de todo o sistema. Atingir especificamente as seguintes funções: circuito divisor de frequência e gerar sinais de controle do conversor A/D O sistema de aquisição de dados tem uma ampla faixa de medição, um circuito divisor de frequência é projetado dentro do FPGA para alcançar diferentes frequências de amostragem para diferentes frequências dos sinais medidos para garantir que os dados coletados sejam mais precisos. A unidade de divisão de frequência é implementada usando o método de entrada gráfica e sua estrutura interna é mostrada na Figura 4. Na Figura 4, o uso do gatilho T na entrada é 1, cada transição do clock quando a saída saltará para atingir a divisão de frequência . Ao mesmo tempo, podemos ver que a entrada do flip-flop T é composta por algumas combinações lógicas, que constituem o clock fechado. Para relógios fechados, a função do relógio é cuidadosamente analisada para evitar o efeito de rebarbas. Embora seja garantido que o relógio fechado esteja livre de rebarbas perigosas no sinal do relógio quando as duas condições a seguir forem atendidas, o relógio fechado pode funcionar de maneira tão confiável quanto o relógio global.
Para o projeto do conversor A/D, seu sinal de controle é apenas dois: sinal de entrada de clock CLK e habilitação do sinal de saída OE. Sinal CLK diretamente através do sinal de entrada de cristal ativo 60M, enquanto o sinal OE através do FPGA interno e CLK a mesma frequência e a mesma fase do sinal de clock invertido para obter, de modo que apenas para atender a conversão do tempo do conversor A/D relacionamentos.
Conversão A/D de alta velocidade; o circuito
O osciloscópio digital no circuito mais importante é o circuito de conversão A/D, seu papel é medir a amostragem do sinal e convertê-lo em sinais digitais na memória, disse que é um osciloscópio digital. A garganta não é demais, porque determina diretamente o osciloscópio digital pode ser medida na frequência mais alta, de acordo com o Teorema de Nyquist, a frequência de amostragem de pelo menos 2 vezes a frequência mais alta do sinal a ser medido, a fim de reproduzir o sinal que está sendo medido. Em osciloscópios digitais, a frequência de amostragem deve ser pelo menos 5 a 8 vezes a frequência do sinal em teste, caso contrário a forma de onda do sinal não poderá ser observada.
