Funktionsprinzip und Aufbau eines digitalen Oszilloskops
Mit der Entwicklung und den Veränderungen in der elektronischen Technologie sind die Anforderungen an die Schaltungsmessung gestiegen. In der Elektronikproduktion stellt man fest, dass ein Multimeter für die Messung vieler Parameter nicht geeignet ist, wie z. B. die Ausgabewellenform eines Mikrocontroller-E/A-Ports oder die Messung des Frequenzgangs bei der Produktion von Verstärkern usw. Daher sind Oszilloskope natürlich dasselbe wie Multimeter und zu einem unverzichtbaren Werkzeug für Elektronikingenieure und -begeisterte geworden.
Funktionsprinzip und Struktureinführung
Der Hardwareteil des digitalen Oszilloskopsystems ist eine Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungskarte. Sie kann einen zweikanaligen Dateneingang erreichen, wobei jede Abtastfrequenz 60 Mbit/s erreichen kann. Funktionell kann das Hardwaresystem in folgende Teile unterteilt werden: Signal-Frontend-Verstärkung (FET-Eingangsverstärker) und Konditionierungsmodul (Verstärker mit variabler Verstärkung), Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital-Wandlermodul (ADC-Treiber, ADC), FPGA-Logiksteuermodul, Taktverteilung, Hochgeschwindigkeitskomparator, MCU-Steuermodul (DSP), Datenkommunikationsmodul, Flüssigkristallanzeige (LCD), Datenkommunikationsmodul, LCD-Anzeige, Touchscreen-Steuerung, Stromversorgung und Batteriemanagement sowie Tastatursteuerung und mehrere andere Teile.
Das Eingangssignal wird vom Vorverstärker und der Verstärkungsregelschaltung in eine Eingangsspannung umgewandelt, die den Anforderungen des A/D-Wandlers entspricht. Das vom A/D-Wandler umgewandelte digitale Signal wird vom FPGA oder dem Erfassungsspeicher FIFO zwischengespeichert und dann über die Kommunikationsschnittstelle zur anschließenden Datenverarbeitung an den Computer übertragen oder direkt vom Mikrocontroller gesteuert und auf dem LCD-Bildschirm erfasst und angezeigt.
Referenzgeräte sind wie folgt
Von diesen Teilen sind die programmierte Verstärkungsschaltung (Dämpfung) und die A/D-Umwandlungsschaltung am wichtigsten, da diese beiden Schaltungen die Kehle des digitalen Oszilloskops bilden. Die programmierte Verstärkungsschaltung (Dämpfung) bestimmt die Eingangsbandbreite und die vertikale Auflösung des Oszilloskops, die A/D-Umwandlungsschaltung bestimmt die horizontale Auflösung des Oszilloskops, die wiederum direkt die Leistung der beiden Auflösungen des Oszilloskops bestimmt. Diese beiden Teile der Schaltung leiten die gemessenen Signale in die Verarbeitungsschaltung auf der Rückseite, die für das Datensignal erforderlich ist. Dieser Teil der Schaltung kann in integrierten Hochleistungsschaltungen zusammen mit einer kleinen Anzahl von Peripheriegeräten verwendet werden, um ein einfaches Schaltungsdesign zu bilden, und auch das Debuggen ist sehr einfach. Der schwierigste Teil des Oszilloskops sollte das Verfahren sein, d. h. die Software. Die Software übernimmt alle Datenverarbeitungs- und Steuerungsaufgaben des digitalen Oszilloskops, einschließlich A/D-Abtaststeuerung, Steuerung der horizontalen Sweep-Geschwindigkeit, Steuerung der vertikalen Empfindlichkeit, Anzeigeverarbeitung, Spitze-Spitze-Messung, Frequenzmessung und andere Aufgaben. Dies kann realisiert werden, indem man als Mikroprozessor einen heutzutage auf dem Markt sehr verbreiteten Mikrocontroller verwendet und in der Sprache C programmiert.
Programmierte Verstärkungs- (Dämpfungs-) Schaltung und Stromversorgungsschaltung
Das Signal wird von einer üblichen X10X1-Oszilloskopsonde in den Verstärkungs- (Dämpfungs-)Schaltkreis eingegeben. Die Rolle des programmierten Verstärkungs- (Dämpfungs-)Schaltkreises besteht darin, das Eingangssignal zu verstärken oder zu dämpfen, um es so anzupassen, dass die Ausgangssignalspannung innerhalb des Bereichs liegt, der für die Messung und Beobachtung am besten geeignet ist. Daher muss die programmierte Verstärkerschaltung innerhalb der angegebenen Bandbreite eine flache Verstärkung aufweisen. Da der Oszilloskopschaltkreis zwei digitale und analoge Teile enthält, werden zur Vermeidung gegenseitiger Störungen der digitale Teil und der analoge Teil der Stromversorgung getrennt, um jeweils eine Gleichstromversorgung von ± 5 V bereitzustellen, und Induktivität und Kapazität werden durch Filterisolation isoliert.
Flash-Speicher und Taktschaltung
Da der A/D-Wandler eine große Menge an Signaldaten erfasst, reicht der interne Flash-Speicher des Mikrocontrollers nicht aus. Daher kann die Schaltung einen externen Speicher verwenden, der auch zum Schreiben auf das LCD verwendet werden kann. Der Flash-Speicher wird auch als Cache zum Schreiben auf das LCD verwendet. Um das Referenztaktsignal zu erhalten, ist der Mikrocontroller auch mit einem Kristall verbunden, der zur Berechnung der tatsächlichen Frequenz des externen Wellenformsignals verwendet wird.
FPGA-Steuereinheit
FPGAs sind halbkundenspezifische ASICs, die es Schaltungsentwicklern ermöglichen, ihre eigenen anwendungsspezifischen Funktionen zu programmieren. Das Design verwendet zwei verschiedene Methoden: schematische Eingabe und VHDL-Eingabe. Die Steuereinheit führt die meisten Steuerungsaufgaben aus und stellt die entsprechenden Steuersignale für jedes Funktionsmodul bereit, um den korrekten Betrieb des gesamten Systems sicherzustellen. Insbesondere werden die folgenden Funktionen erreicht: Frequenzteilerschaltung und Generierung von A/D-Wandler-Steuersignalen Das Datenerfassungssystem verfügt über einen weiten Messbereich. Innerhalb des FPGA ist eine Frequenzteilerschaltung vorgesehen, um unterschiedliche Abtastfrequenzen für unterschiedliche Frequenzen der gemessenen Signale zu erreichen und so sicherzustellen, dass die erfassten Daten genauer sind. Die Frequenzteilereinheit wird mithilfe der grafischen Eingabemethode implementiert und ihre interne Struktur ist in Abbildung 4 dargestellt. In Abbildung 4 ist die Verwendung eines T-Triggers im Eingang 1, bei jeder Taktflanke springt der Ausgang, um die Frequenzteilung zu erreichen. Gleichzeitig können wir sehen, dass der Eingang des T-Flipflops aus einigen logischen Kombinationen besteht, die den getakteten Takt bilden. Bei getakteten Takten wird die Taktfunktion sorgfältig analysiert, um den Effekt von Graten zu vermeiden. Während bei der getriggerten Uhr garantiert keine gefährlichen Störungen im Taktsignal auftreten, wenn die folgenden beiden Bedingungen erfüllt sind, kann die getriggerte Uhr genauso zuverlässig arbeiten wie die globale Uhr.
Für das Design des A/D-Wandlers gibt es nur zwei Steuersignale: das Takteingangssignal CLK und das Aktivierungsausgangssignal OE. Das CLK-Signal wird direkt über das aktive Quarz-Eingangssignal 60M empfangen, während das OE-Signal über die invertierte Taktfrequenz und die gleiche Phase des CLK-Signals im FPGA empfangen wird, sodass die Konvertierung des A/D-Wandlers genau der zeitlichen Beziehung entspricht.
Hochgeschwindigkeits-A/D-Umwandlung; Schaltung
Der wichtigste Schaltkreis eines digitalen Oszilloskops ist der A/D-Umwandlungsschaltkreis. Seine Aufgabe besteht darin, das zu messende Signal abzutasten und in ein digitales Signal umzuwandeln, das im Speicher gespeichert wird. Es ist nicht zu viel Aufwand, da es direkt bestimmt, mit welcher Frequenz das digitale Oszilloskop messen kann. Gemäß dem Nyquist-Theorem muss die Abtastfrequenz mindestens das Zweifache der höchsten Frequenz des zu messenden Signals betragen, um das zu messende Signal reproduzieren zu können. Bei digitalen Oszilloskopen muss die Abtastfrequenz mindestens das Fünf- bis Achtfache der Frequenz des zu testenden Signals betragen, da sonst die Signalwellenform nicht beobachtet werden kann.
