Werkingsprincipe en structuur van digitale oscilloscoop
Het hardwaregedeelte van het digitale oscilloscoopsysteem is een printplaat voor data-acquisitie met hoge snelheid. Het kan tweekanaals data-invoer realiseren en de bemonsteringsfrequentie van elk kanaal kan 60 Mbit/s bereiken. Functioneel kan het hardwaresysteem worden onderverdeeld in: signaal front-end versterking (FET-ingangsversterker) en conditioneringsmodule (versterker met variabele versterking), snelle analoog-naar-digitaal conversiemodule (ADC-driver, ADC), FPGA logische besturingsmodule , klokverdeling, snelle vergelijkingsprocessor, microcontroller-besturingsmodule (DSP), datacommunicatiemodule, LCD-display, touchscreenbediening, stroom- en batterijbeheer en toetsenbordbediening.
Nadat het ingangssignaal is omgezet door de voorversterker en het circuit met instelbare versterking, wordt het een ingangsspanning die voldoet aan de eisen van de A/D-omzetter. Het digitale signaal na A/D-conversie wordt gebufferd door de FIFO in de FPGA of het acquisitiegeheugen en gaat vervolgens door de communicatie-interface. Het wordt naar de computer verzonden voor daaropvolgende gegevensverwerking, of de verzamelde signalen worden rechtstreeks door de microcontroller bestuurd om op het LCD-scherm weer te geven.
Referentie-apparaten zijn als volgt:
Van deze onderdelen zijn de belangrijkste het programmeerbare versterkings(verzwakkings)circuit en het A/D-conversiecircuit, omdat deze twee circuits de keel vormen van de digitale oscilloscoop, en het programmeerbare versterkings(verzwakkings)circuit de ingangsbandbreedte en verticale resolutie van de oscilloscoop. bepaalt het A/D-conversiecircuit de horizontale resolutie van de oscilloscoop, en deze twee resoluties bepalen direct de prestaties van een oscilloscoop. Deze twee delen van de schakeling zetten het gemeten signaal om in het datasignaal dat nodig is voor de volgende verwerkingsschakeling. Dit deel van het circuit kan bestaan uit krachtige geïntegreerde schakelingen en een klein aantal randapparatuur. Het circuitontwerp is eenvoudig en het debuggen is ook heel eenvoudig. Het moeilijkste deel van de hele oscilloscoop zou het programma moeten zijn, dat wil zeggen het softwareaspect. De software is verantwoordelijk voor alle gegevensverwerkings- en besturingstaken van de digitale oscilloscoop, inclusief A/D-bemonsteringsregeling, horizontale sweepsnelheidsregeling, verticale gevoeligheidsregeling, weergaveverwerking, piek-tot-piekmeting, frequentiemeting en andere taken. U kunt een veel voorkomende microcontroller op de markt gebruiken als microprocessor en programmeren in C-taal om deze te implementeren.
Programmeerbaar versterkings- (verzwakkings)circuit en voedingscircuit
Het signaal wordt ingevoerd door een gewone X10X1-oscilloscoopsonde en komt in het versterkings- (verzwakkings)circuit terecht. De functie van het programmagestuurde versterkings(verzwakkings)circuit is het versterken of verzwakken van het ingangssignaal, zodat de uitgangssignaalspanning binnen het vereiste ingangsspanningsbereik van de A/D-omzetter ligt om de beste meet- en observatie-effecten te bereiken. Daarom werkt de programmagestuurde versterkerschakeling binnen de gespecificeerde bandbreedte. De winst binnenin moet vlak zijn. Omdat het oscilloscoopcircuit twee delen bevat, digitaal en analoog, zijn, om wederzijdse interferentie te voorkomen, de voeding van het digitale deel en de voeding van het analoge deel gescheiden. Er wordt respectievelijk een set ±5V DC-voeding geleverd, die wordt geïsoleerd door een filter gemaakt van inductoren en condensatoren.
Flash-geheugen en klokcircuit
Omdat de hoeveelheid signaalgegevens die door de A/D-omzetter worden vastgelegd groot is, is het flashgeheugen in de microcontroller niet voldoende, zodat het circuit wat extern geheugen kan gebruiken.
Tegelijkertijd wordt het ook gebruikt als cache voor het schrijven naar het LCD-scherm. Om het referentiekloksignaal te verkrijgen, is de microcontroller ook verbonden met een kristaloscillator om de werkelijke frequentie van het externe golfvormsignaal te berekenen.
FPGA-besturingseenheid
Programmeerbaar logisch apparaat FPGA is een semi-aangepaste ASIC waarmee circuitontwerpers zichzelf kunnen programmeren om toepassingsspecifieke functies te implementeren. Dit ontwerp maakt gebruik van twee verschillende methoden voor schematische invoer en VHDL-taalinvoer. De besturingseenheid voert de meeste besturingstaken uit en levert overeenkomstige besturingssignalen voor elke functionele module om de juistheid van het hele systeem te garanderen. Concreet implementeert het de volgende functies: frequentiedeelcircuit en het genereren van stuursignalen voor de A/D-omzetter. Dit data-acquisitiesysteem heeft een relatief groot meetbereik. Binnen de FPGA is een frequentieverdelingscircuit ontworpen om verschillende frequenties te bereiken. Selecteer verschillende bemonsteringsfrequenties voor het gemeten signaal om een nauwkeurigere gegevensverzameling te garanderen. Het interne structuurdiagram van de frequentieverdelingseenheid is geïmplementeerd met behulp van de grafische invoermethode zoals weergegeven in figuur 4. In figuur 4, wanneer de invoer van de T-flip-flop 1 is, zal de uitvoer springen wanneer elke klokflank arriveert om de frequentie te bereiken. divisie. Tegelijkertijd kunnen we zien dat de invoer van de T-flip-flop bestaat uit enkele logische combinaties, die de gepoorte klok vormen. Analyseer bij gated klokken zorgvuldig de klokfunctie om de effecten van storingen te voorkomen. Wanneer de gated klok aan de volgende twee voorwaarden voldoet, kan deze ervoor zorgen dat het kloksignaal geen gevaarlijke storingen vertoont, en kan de gated klok net zo betrouwbaar werken als de mondiale klok.
Voor de A/D-omzetter in dit ontwerp zijn er slechts twee stuursignalen: het klokingangssignaal CLK en het vrijgave-uitgangssignaal OE. Het CLK-signaal voert rechtstreeks een 60M-signaal in via de actieve kristaloscillator, terwijl het OE-signaal wordt verkregen door het kloksignaal te inverteren met dezelfde frequentie en fase als CLK in de FPGA, wat net kan voldoen aan de conversietimingrelatie van de A/D omvormer.
Snelle A/D-conversie; circuit
Het belangrijkste circuit in een digitale oscilloscoop is het A/D-conversiecircuit. Zijn functie is het bemonsteren en omzetten van het gemeten signaal in een digitaal signaal en het opslaan in het geheugen. Het is niet overdreven om te zeggen dat dit de keel van de digitale oscilloscoop is, omdat deze direct de hoogste frequentie bepaalt die een digitale oscilloscoop kan meten. Volgens de stelling van Nyquist moet de bemonsteringsfrequentie minimaal tweemaal de hoogste frequentie van het gemeten signaal zijn om het gemeten signaal te reproduceren. In een digitale oscilloscoop moet de bemonsteringsfrequentie minimaal 5 tot 8 maal de frequentie van het gemeten signaal zijn, anders kan de golfvorm van het signaal helemaal niet worden waargenomen.
