Dijital osiloskopun çalışma prensibi ve yapısı
Dijital osiloskop sisteminin donanım kısmı yüksek hızlı veri toplama devre kartıdır. Çift kanallı veri girişini gerçekleştirebilir ve her kanalın örnekleme frekansı 60Mbit/s'ye ulaşabilir. İşlevsel olarak donanım sistemi şu parçalara ayrılabilir: sinyal ön uç amplifikasyonu (FET giriş amplifikatörü) ve koşullandırma modülü (değişken kazanç amplifikatörü), yüksek hızlı analogdan dijitale dönüştürme modülü (ADC sürücüsü, ADC), FPGA mantık kontrol modülü , saat dağıtımı, yüksek hızlı karşılaştırma işlemcisi, mikrodenetleyici kontrol modülü (DSP), veri iletişim modülü, LCD ekran, dokunmatik ekran kontrolü, güç ve pil yönetimi ve klavye kontrolü.
Giriş sinyali ön amplifikatör ve kazanç ayarlı devre tarafından dönüştürüldükten sonra A/D dönüştürücünün gereksinimlerini karşılayan bir giriş voltajı haline gelir. A/D dönüşümünden sonraki dijital sinyal, FPGA veya toplama belleğindeki FIFO tarafından arabelleğe alınır ve ardından iletişim arayüzünden geçer. Daha sonraki veri işleme için bilgisayara iletilir veya toplanan sinyaller, LCD ekranda görüntülenmek üzere doğrudan mikro denetleyici tarafından kontrol edilir.
Referans cihazları aşağıdaki gibidir:
Bu parçalar arasında en önemlileri programlanabilir amplifikasyon (zayıflama) devresi ve A/D dönüşüm devresidir, çünkü bu iki devre dijital osiloskopun boğazıdır ve programlanabilir amplifikasyon (zayıflama) devresi giriş bant genişliğini ve dikeyini belirler. Osiloskobun çözünürlüğü. A/D dönüşüm devresi osiloskobun yatay çözünürlüğünü belirler ve bu iki çözünürlük doğrudan osiloskobun performansını belirler. Devrenin bu iki kısmı ölçülen sinyali sonraki işlem devresinin ihtiyaç duyduğu veri sinyaline dönüştürür. Devrenin bu kısmı yüksek performanslı entegre devrelerden ve az sayıda çevresel cihazdan oluşabilir. Devre tasarımı basittir ve hata ayıklama da çok basittir. Tüm osiloskopun en zor kısmı program yani yazılım kısmı olmalıdır. Yazılım, A/D örnekleme kontrolü, yatay tarama hızı kontrolü, dikey hassasiyet kontrolü, ekran işleme, tepeden tepeye ölçüm, frekans ölçümü ve diğer görevler dahil olmak üzere dijital osiloskobun tüm veri işleme ve kontrol görevlerinden sorumludur. Piyasada çok yaygın olarak kullanılan bir mikrodenetleyiciyi mikroişlemci olarak kullanabilir ve bunu uygulamak için C dili programlamayı kullanabilirsiniz.
Programlanabilir amplifikasyon (zayıflama) devresi ve güç kaynağı devresi
Sinyal, ortak bir X10X1 osiloskop probu tarafından girilir ve amplifikasyon (zayıflama) devresine girer. Program kontrollü amplifikasyon (zayıflama) devresinin işlevi, en iyi ölçüm ve gözlem efektlerini elde etmek için çıkış sinyali voltajının A/D dönüştürücünün giriş voltajı gereksinim aralığı dahilinde olmasını sağlayacak şekilde giriş sinyalini güçlendirmek veya zayıflatmaktır. Bu nedenle program kontrollü amplifikatör devresi belirlenen bant genişliği dahilinde çalışır. İçerideki kazanç düz olmalıdır. Osiloskop devresi dijital ve analog olmak üzere iki parça içerdiğinden karşılıklı girişimi önlemek amacıyla dijital parçanın güç kaynağı ile analog parçanın güç kaynağı ayrılmıştır. Sırasıyla bir dizi ±5V DC güç kaynağı sağlanır ve indüktörler ve kapasitörlerden oluşan bir filtre ile izole edilir.
Flash bellek ve saat devresi
A/D dönüştürücü tarafından yakalanan sinyal verisi miktarı büyük olduğundan, mikro denetleyicinin içindeki flash bellek yeterli değildir, dolayısıyla devre bir miktar harici bellek kullanabilir.
Aynı zamanda LCD'ye yazmak için önbellek olarak da kullanılır. Referans saat sinyalini elde etmek için mikro denetleyici ayrıca harici dalga biçimi sinyalinin gerçek frekansını hesaplamak üzere bir kristal osilatöre bağlanır.
FPGA kontrol ünitesi
Programlanabilir mantık cihazı FPGA, devre tasarımcılarının uygulamaya özel fonksiyonları uygulamak için kendilerini programlamalarına olanak tanıyan yarı özel bir ASIC'dir. Bu tasarım iki farklı şematik giriş ve VHDL dil girişi yöntemini kullanır. Kontrol ünitesi, kontrol görevlerinin çoğunu taşır ve tüm sistemin doğruluğunu sağlamak için her işlevsel modüle karşılık gelen kontrol sinyallerini sağlar. Spesifik olarak aşağıdaki işlevleri yerine getirir: Frekans bölme devresi ve A/D dönüştürücü için kontrol sinyalleri üretme. Bu veri toplama sistemi nispeten geniş bir ölçüm aralığına sahiptir. Farklı frekansları elde etmek için FPGA içerisinde bir frekans bölücü devre tasarlanmıştır. Daha doğru veri toplamayı sağlamak için ölçülen sinyal için farklı örnekleme frekansları seçin. Frekans bölme ünitesinin iç yapı diyagramı Şekil 4'te gösterildiği gibi grafik giriş yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Şekil 4'te T flip-flop'un girişi 1 olduğunda, her saat kenarı frekansı elde etmek için geldiğinde çıkış atlayacaktır. bölüm. Aynı zamanda T flip-flopun girişinin bazı mantıksal kombinasyonlardan oluştuğunu ve kapılı saati oluşturduğunu da görebiliriz. Geçitli saatler için, aksaklıkların etkilerinden kaçınmak için saat fonksiyonunu dikkatlice analiz edin. Geçitli saat aşağıdaki iki koşulu karşıladığında, saat sinyalinin tehlikeli aksaklıklara sahip olmamasını ve geçitli saatin küresel saat kadar güvenilir bir şekilde çalışabilmesini sağlayabilir.
Bu tasarımdaki A/D dönüştürücü için yalnızca iki kontrol sinyali vardır: saat giriş sinyali CLK ve etkinleştirme çıkış sinyali OE. CLK sinyali, aktif kristal osilatör aracılığıyla doğrudan 60M'lik bir sinyalin girişini yaparken, OE sinyali, A/D'nin dönüşüm zamanlaması ilişkisini tam olarak karşılayabilen, FPGA içindeki CLK ile aynı frekans ve faza sahip saat sinyalinin ters çevrilmesiyle elde edilir. dönüştürücü.
Yüksek hızlı A/D dönüşümü; devre
Dijital osiloskoptaki en önemli devre A/D dönüşüm devresidir. Görevi ölçülen sinyali örnekleyip dijital sinyale dönüştürmek ve hafızada saklamaktır. Dijital osiloskobun boğazı olduğunu söylemek abartı olmaz çünkü dijital osiloskobun ölçebileceği en yüksek frekansı doğrudan belirler. Nyquist teoremine göre, ölçülen sinyali yeniden üretmek için örnekleme frekansı, ölçülen sinyalin en yüksek frekansının en az iki katı olmalıdır. Dijital osiloskopta örnekleme frekansı, ölçülen sinyalin frekansının en az 5 ila 8 katı olmalıdır, aksi takdirde sinyalin dalga biçimi hiç gözlemlenemez.
