Funktionsprinzip und Aufbau eines Digitaloszilloskops
Der Hardwareteil des digitalen Oszilloskopsystems ist eine Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungsplatine. Sie kann eine zweikanalige Dateneingabe realisieren und die Abtastfrequenz jedes Kanals kann 60 Mbit/s erreichen. Funktionell kann das Hardwaresystem in folgende Einheiten unterteilt werden: Signal-Frontend-Verstärkung (FET-Eingangsverstärker) und Konditionierungsmodul (Verstärker mit variabler Verstärkung), Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital-Konvertierungsmodul (ADC-Treiber, ADC), FPGA-Logiksteuermodul, Taktverteilung, Hochgeschwindigkeits-Vergleichsprozessor, Mikrocontroller-Steuermodul (DSP), Datenkommunikationsmodul, LCD-Display, Touchscreen-Steuerung, Strom- und Batteriemanagement und Tastatursteuerung.
Nachdem das Eingangssignal durch den Vorverstärker und die verstärkungseinstellbare Schaltung umgewandelt wurde, wird es zu einer Eingangsspannung, die den Anforderungen des A/D-Wandlers entspricht. Das digitale Signal nach der A/D-Umwandlung wird durch den FIFO im FPGA oder Erfassungsspeicher gepuffert und durchläuft dann die Kommunikationsschnittstelle. Es wird zur anschließenden Datenverarbeitung an den Computer übertragen, oder die erfassten Signale werden direkt vom Mikrocontroller gesteuert, um sie auf dem LCD-Bildschirm anzuzeigen.
Referenzgeräte sind wie folgt:
Unter diesen Teilen sind die programmierbare Verstärkungsschaltung (Dämpfungsschaltung) und die A/D-Umwandlungsschaltung die wichtigsten, da diese beiden Schaltungen die Kehle des digitalen Oszilloskops bilden und die programmierbare Verstärkungsschaltung (Dämpfungsschaltung) die Eingangsbandbreite und die vertikale Auflösung des Oszilloskops bestimmt. Die A/D-Umwandlungsschaltung bestimmt die horizontale Auflösung des Oszilloskops und diese beiden Auflösungen bestimmen direkt die Leistung eines Oszilloskops. Diese beiden Teile der Schaltung wandeln das gemessene Signal in das von der nachfolgenden Verarbeitungsschaltung benötigte Datensignal um. Dieser Teil der Schaltung kann aus Hochleistungs-integrierten Schaltungen und einer kleinen Anzahl von Peripheriegeräten bestehen. Das Schaltungsdesign ist einfach und das Debuggen ist ebenfalls sehr einfach. Der schwierigste Teil des gesamten Oszilloskops sollte das Programm sein, d. h. der Softwareaspekt. Die Software ist für alle Datenverarbeitungs- und Steuerungsaufgaben des digitalen Oszilloskops verantwortlich, einschließlich A/D-Abtaststeuerung, Steuerung der horizontalen Sweep-Geschwindigkeit, Steuerung der vertikalen Empfindlichkeit, Anzeigeverarbeitung, Spitze-Spitze-Messung, Frequenzmessung und anderen Aufgaben. Sie können als Mikroprozessor einen auf dem Markt weit verbreiteten Mikrocontroller verwenden und für die Implementierung die Programmierung in der Sprache C nutzen.
Programmierbare Verstärkungs- (Dämpfungs-) Schaltung und Stromversorgungsschaltung
Das Signal wird von einer herkömmlichen X10X1-Oszilloskopsonde eingegeben und gelangt in die Verstärkungs- (Dämpfungs-)Schaltung. Die Funktion der programmgesteuerten Verstärkungs- (Dämpfungs-)Schaltung besteht darin, das Eingangssignal zu verstärken oder zu dämpfen, sodass die Ausgangssignalspannung innerhalb des Eingangsspannungsbedarfsbereichs des A/D-Wandlers liegt, um die besten Mess- und Beobachtungseffekte zu erzielen. Daher arbeitet die programmgesteuerte Verstärkerschaltung innerhalb der angegebenen Bandbreite. Die Verstärkung innerhalb muss flach sein. Da die Oszilloskopschaltung aus zwei Teilen besteht, einem digitalen und einem analogen, sind die Stromversorgung des digitalen Teils und die Stromversorgung des analogen Teils getrennt, um gegenseitige Störungen zu vermeiden. Es wird jeweils ein Satz ±5-V-Gleichstromversorgungen bereitgestellt und durch einen Filter aus Induktoren und Kondensatoren isoliert.
Flash-Speicher und Taktschaltung
Da die Menge der vom A/D-Wandler erfassten Signaldaten groß ist, reicht der Flash-Speicher im Mikrocontroller nicht aus, sodass die Schaltung einen externen Speicher verwenden kann.
Gleichzeitig dient er auch als Cache zum Schreiben auf das LCD. Um das Referenztaktsignal zu erhalten, ist der Mikrocontroller außerdem mit einem Quarzoszillator verbunden, um die tatsächliche Frequenz des externen Wellenformsignals zu berechnen.
FPGA-Steuergerät
Das programmierbare Logikbauelement FPGA ist ein halbkundenspezifischer ASIC, der es Schaltungsentwicklern ermöglicht, sich selbst zu programmieren, um anwendungsspezifische Funktionen zu implementieren. Dieses Design verwendet zwei verschiedene Methoden der Schaltplaneingabe und der VHDL-Spracheingabe. Die Steuereinheit übernimmt die meisten Steuerungsaufgaben und stellt entsprechende Steuersignale für jedes Funktionsmodul bereit, um die Richtigkeit des gesamten Systems sicherzustellen. Insbesondere implementiert sie die folgenden Funktionen: Frequenzteilerschaltung und Generierung von Steuersignalen für den A/D-Wandler. Dieses Datenerfassungssystem hat einen relativ großen Messbereich. Innerhalb des FPGA ist eine Frequenzteilerschaltung vorgesehen, um unterschiedliche Frequenzen zu erreichen. Wählen Sie unterschiedliche Abtastfrequenzen für das gemessene Signal aus, um eine genauere Datenerfassung zu gewährleisten. Das interne Strukturdiagramm der Frequenzteilereinheit wird mithilfe der grafischen Eingabemethode implementiert, wie in Abbildung 4 dargestellt. In Abbildung 4 springt der Ausgang, wenn der Eingang des T-Flipflops 1 ist, bei jeder Taktflanke, um eine 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 Uhren muss die Uhrfunktion sorgfältig analysiert werden, um die Auswirkungen von Störungen zu vermeiden. Wenn die getaktete Uhr die folgenden beiden Bedingungen erfüllt, kann sichergestellt werden, dass das Taktsignal keine gefährlichen Störungen aufweist und die getaktete Uhr genauso zuverlässig arbeiten kann wie die globale Uhr.
Für den A/D-Wandler in diesem Design gibt es nur zwei Steuersignale: das Takteingangssignal CLK und das Freigabeausgangssignal OE. Das CLK-Signal gibt über den aktiven Quarzoszillator direkt ein 60M-Signal ein, während das OE-Signal durch Invertieren des Taktsignals mit derselben Frequenz und Phase wie CLK im FPGA erhalten wird, wodurch die Konvertierungstaktbeziehung des A/D-Wandlers gerade noch eingehalten werden kann.
Hochgeschwindigkeits-A/D-Umwandlung; Schaltung
Die wichtigste Schaltung in einem digitalen Oszilloskop ist die A/D-Umwandlungsschaltung. Ihre Funktion besteht darin, das gemessene Signal abzutasten, in ein digitales Signal umzuwandeln und es im Speicher abzulegen. Es ist keine Übertreibung, zu sagen, dass sie die Kehle des digitalen Oszilloskops ist, denn sie bestimmt direkt die höchste Frequenz, die ein digitales Oszilloskop messen kann. Gemäß dem Nyquist-Theorem muss die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste Frequenz des gemessenen Signals, um das gemessene Signal reproduzieren zu können. In einem digitalen Oszilloskop sollte die Abtastfrequenz mindestens das 5- bis 8-fache der Frequenz des gemessenen Signals betragen, da sonst die Wellenform des Signals überhaupt nicht beobachtet werden kann.
