Arbeidsprinsipp og struktur for digitalt oscilloskop
Maskinvaredelen av det digitale oscilloskopsystemet er et høyhastighets datainnsamlingskretskort. Den kan realisere tokanals datainngang, og samplingsfrekvensen til hver kanal kan nå 60Mbit/s. Funksjonelt kan maskinvaresystemet deles inn i: signal front-end forsterkning (FET inngangsforsterker) og kondisjoneringsmodul (variabel forsterker), høyhastighets analog-til-digital konverteringsmodul (ADC driver, ADC), FPGA logikk kontrollmodul , klokkedistribusjon, høyhastighets sammenligningsprosessor, mikrokontrollerkontrollmodul (DSP), datakommunikasjonsmodul, LCD-skjerm, berøringsskjermkontroll, strøm- og batteristyring og tastaturkontroll.
Etter at inngangssignalet er konvertert av forforsterkeren og den forsterkningsjusterbare kretsen, blir det en inngangsspenning som oppfyller kravene til A/D-omformeren. Det digitale signalet etter A/D-konvertering bufres av FIFO-en i FPGA-en eller innsamlingsminnet, og går deretter gjennom kommunikasjonsgrensesnittet. Den overføres til datamaskinen for påfølgende databehandling, eller de innsamlede signalene styres direkte av mikrokontrolleren for å vises på LCD-skjermen.
Referanseenheter er som følger:
Blant disse delene er de viktigste den programmerbare forsterkerkretsen (demping) og A/D-konverteringskretsen, fordi disse to kretsene er halsen til det digitale oscilloskopet, og den programmerbare forsterkningskretsen (demping) bestemmer inngangsbåndbredden og vertikalen. oppløsningen til oscilloskopet. , bestemmer A/D-konverteringskretsen den horisontale oppløsningen til oscilloskopet, og disse to oppløsningene bestemmer direkte ytelsen til et oscilloskop. Disse to delene av kretsen konverterer det målte signalet til datasignalet som kreves av den påfølgende prosesseringskretsen. Denne delen av kretsen kan bestå av integrerte kretser med høy ytelse og et lite antall perifere enheter. Kretsdesignet er enkelt og feilsøking er også veldig enkelt. Den vanskeligste delen av hele oscilloskopet bør være programmet, det vil si programvareaspektet. Programvaren er ansvarlig for alle databehandlings- og kontrolloppgaver til det digitale oscilloskopet, inkludert A/D-samplingkontroll, horisontal sveipehastighetskontroll, vertikal følsomhetskontroll, displaybehandling, topp-til-topp måling, frekvensmåling og andre oppgaver. Du kan bruke en veldig vanlig mikrokontroller på markedet som mikroprosessor og bruke C-språkprogrammering for å implementere den.
Programmerbar forsterkning (demping) krets og strømforsyningskrets
Signalet sendes inn av en vanlig X10X1 oscilloskopsonde og går inn i forsterkerkretsen (dempningskretsen). Funksjonen til den programstyrte forsterkerkretsen (demping) er å forsterke eller dempe inngangssignalet slik at utgangssignalspenningen er innenfor inngangsspenningskravet til A/D-omformeren for å oppnå de beste måle- og observasjonseffektene. Derfor opererer den programstyrte forsterkerkretsen innenfor den spesifiserte båndbredden. Forsterkningen innenfor må være flat. Siden oscilloskopkretsen inneholder to deler, digital og analog, for å unngå gjensidig interferens, er strømforsyningen til den digitale delen og strømforsyningen til den analoge delen separert. Et sett med ±5V DC strømforsyning leveres henholdsvis, og isolert av et filter laget av induktorer og kondensatorer.
Flash-minne og klokkekrets
Fordi mengden signaldata som fanges opp av A/D-omformeren er stor, er ikke flashminnet inne i mikrokontrolleren nok, så kretsen kan bruke noe eksternt minne.
Samtidig brukes den også som cache for skriving til LCD-skjermen. For å få referanseklokkesignalet er mikrokontrolleren også koblet til en krystalloscillator for å beregne den faktiske frekvensen til det eksterne bølgeformsignalet.
FPGA kontrollenhet
Programmerbar logikkenhet FPGA er en semi-tilpasset ASIC som lar kretsdesignere programmere seg selv til å implementere applikasjonsspesifikke funksjoner. Denne designen bruker to forskjellige metoder for skjematisk input og VHDL-språkinndata. Styreenheten utfører de fleste kontrolloppgavene og gir tilsvarende styresignaler for hver funksjonsmodul for å sikre korrektheten til hele systemet. Konkret implementerer den følgende funksjoner: Frekvensdelingskrets og generering av styresignaler for A/D-omformeren. Dette datainnsamlingssystemet har et relativt bredt måleområde. En frekvensdelingskrets er designet inne i FPGA for å oppnå forskjellige frekvenser. Velg forskjellige samplingsfrekvenser for det målte signalet for å sikre mer nøyaktig datainnsamling. Det interne strukturdiagrammet til frekvensdelingsenheten er implementert ved å bruke den grafiske inndatametoden som vist i figur 4. I figur 4, når inngangen til T-flip-flop er 1, vil utgangen hoppe når hver klokkekant kommer for å oppnå frekvens inndeling. Samtidig kan vi se at inngangen til T-flip-flop er sammensatt av noen logiske kombinasjoner, som utgjør den gatede klokken. For gatede klokker, analyser klokkefunksjonen nøye for å unngå effekten av feil. Når den gatede klokken oppfyller følgende to betingelser, kan den sikre at klokkesignalet ikke har farlige feil, og den gatede klokken kan fungere like pålitelig som den globale klokken.
For A/D-omformeren i denne utformingen er det bare to kontrollsignaler: klokkeinngangssignalet CLK og aktiveringsutgangssignalet OE. CLK-signalet sender direkte inn et 60M-signal gjennom den aktive krystalloscillatoren, mens OE-signalet oppnås ved å invertere klokkesignalet med samme frekvens og fase som CLK inne i FPGA, som akkurat kan møte konverteringstidsforholdet til A/D-en. omformer.
Høyhastighets A/D-konvertering; krets
Den viktigste kretsen i et digitalt oscilloskop er A/D-konverteringskretsen. Dens funksjon er å sample og konvertere det målte signalet til et digitalt signal og lagre det i minnet. Det er ikke en overdrivelse å si at det er halsen på det digitale oscilloskopet, fordi det bestemmer direkte den høyeste frekvensen som et digitalt oscilloskop kan måle. I følge Nyquist-teoremet må samplingsfrekvensen være minst to ganger den høyeste frekvensen til det målte signalet for å reprodusere det målte signalet. I et digitalt oscilloskop bør samplingsfrekvensen være minst 5 til 8 ganger frekvensen til signalet som måles, ellers kan ikke bølgeformen til signalet observeres i det hele tatt.
