Principe de fonctionnement et structure de l'oscilloscope numérique
Avec le développement de la technologie électronique et le changement, les exigences de mesure des circuits sont devenues plus élevées, dans la production électronique, on constatera que la mesure de nombreux paramètres n'est pas un multimètre qui peut être compétent, comme un port d'entrée/sortie d'un microcontrôleur de la forme d'onde de sortie ou la production d'amplificateurs pour mesurer sa réponse en fréquence, etc. Par conséquent, les oscilloscopes sont naturellement identiques aux multimètres et sont devenus un outil indispensable pour les ingénieurs et les passionnés d’électronique.
Introduction au principe de fonctionnement et à la structure
La partie matérielle du système d'oscilloscope numérique est une carte d'acquisition de données à grande vitesse. Il peut réaliser une entrée de données à double canal, chaque fréquence d'échantillonnage peut atteindre 60 Mbit/s. Sur le plan fonctionnel, le système matériel peut être divisé en : amplification frontale du signal (amplificateur d'entrée FET) et module de conditionnement (amplificateur à gain variable), module convertisseur analogique-numérique haute vitesse (pilote ADC, ADC), module de contrôle logique FPGA. , distribution d'horloge, comparateur haute vitesse, module de contrôle MCU (DSP), module de communication de données, affichage à cristaux liquides (LCD). ), module de communication de données, écran LCD, contrôle par écran tactile, alimentation et gestion de la batterie et contrôle par clavier et plusieurs autres pièces.
Le signal d'entrée est converti par le préamplificateur et le circuit réglable en gain en une tension d'entrée qui répond aux exigences du convertisseur A/D. Le signal numérique converti par le convertisseur A/D est mis en cache par le FPGA ou la mémoire d'acquisition FIFO, puis transmis à l'ordinateur via l'interface de communication pour un traitement ultérieur des données, ou directement contrôlé par le microcontrôleur sera collecté et affiché sur l'écran LCD. écran.
Les appareils de référence sont les suivants
Dans ces parties, le plus important est le circuit d'amplification (atténuation) programmé et le circuit de conversion A/D, car ces deux circuits sont la gorge de l'oscilloscope numérique, le circuit d'amplification (atténuation) programmé détermine la bande passante d'entrée et la résolution verticale de l'oscilloscope. , Le circuit de conversion A/D détermine la résolution horizontale de l'oscilloscope, qui détermine directement les performances de l'oscilloscope des deux résolutions. Ces deux parties du circuit mesureront les signaux à l'arrière du circuit de traitement requis pour le signal de données, cette partie du circuit peut être utilisée dans des circuits intégrés haute performance et un petit nombre de périphériques constituent une conception de circuit simple, le débogage est également très simple. La partie la plus difficile de l’oscilloscope devrait être la procédure, c’est-à-dire le logiciel. Le logiciel prend en charge toutes les tâches de traitement et de contrôle des données de l'oscilloscope numérique, y compris le contrôle d'échantillonnage A/D, le contrôle de la vitesse de balayage horizontal, le contrôle de la sensibilité verticale, le traitement de l'affichage, la mesure crête à crête, la mesure de fréquence et d'autres tâches. Cela peut être réalisé en utilisant un microcontrôleur très courant sur le marché aujourd'hui comme microprocesseur et en programmant en langage C.
Circuit d'amplification (atténuation) programmé et circuit d'alimentation
Le signal est entré depuis une sonde d'oscilloscope X10X1 commune dans le circuit d'amplification (atténuation). Le rôle du circuit d'amplification (atténuation) programmé est d'amplifier ou d'atténuer le signal d'entrée à ajuster, de sorte que la tension du signal de sortie dans les exigences de tension d'entrée du convertisseur A/D dans la plage de la meilleure mesure et observation, de sorte que le Le circuit amplificateur programmé dans le gain de bande passante spécifié doit être plat. Comme le circuit de l'oscilloscope contient deux parties numériques et analogiques, afin d'éviter les interférences mutuelles, la partie numérique de l'alimentation et la partie analogique de l'alimentation séparément, respectivement, pour fournir un ensemble d'alimentation CC ± 5 V et d'inductance. et capacité constituée d'une isolation par filtre
Mémoire flash et circuit d'horloge
Étant donné que le convertisseur A/D capture une grande quantité de données de signal, la mémoire flash interne du microcontrôleur n'est pas suffisante, le circuit peut donc choisir une mémoire externe à utiliser, mais également comme moyen d'écrire sur l'écran LCD. La mémoire flash sert également de cache pour l'écriture sur l'écran LCD. Afin d'obtenir le signal d'horloge de référence, le microcontrôleur est également connecté à un cristal, qui est utilisé pour calculer la fréquence réelle du signal de forme d'onde externe.
Unité de contrôle FPGA
Les FPGA sont des ASIC semi-personnalisés qui permettent aux concepteurs de circuits de programmer leurs propres fonctions spécifiques à l'application. La conception utilise deux méthodes différentes : l'entrée schématique et l'entrée VHDL. L'unité de contrôle effectue la plupart des tâches de contrôle, en fournissant les signaux de commande appropriés pour chaque module fonctionnel afin d'assurer le bon fonctionnement de l'ensemble du système. Réalisez spécifiquement les fonctions suivantes : circuit diviseur de fréquence et génération de signaux de commande du convertisseur A/D. Le système d'acquisition de données a une large plage de mesure, un circuit diviseur de fréquence est conçu à l'intérieur du FPGA pour obtenir différentes fréquences d'échantillonnage pour différentes fréquences des signaux mesurés afin de garantir que les données collectées sont plus précises. L'unité de division de fréquence est implémentée à l'aide de la méthode de saisie graphique et sa structure interne est illustrée à la figure 4. Dans la figure 4, l'utilisation du déclencheur en T dans l'entrée est de 1, chaque front d'horloge lorsque la sortie saute pour réaliser la division de fréquence. . Dans le même temps, nous pouvons voir que l'entrée de la bascule en T est composée de quelques combinaisons logiques, qui constituent l'horloge à portes. Pour les horloges à portail, la fonction horloge est soigneusement analysée pour éviter l'effet de bavures. Bien que l'horloge à grille soit garantie sans bavures dangereuses sur le signal d'horloge lorsque les deux conditions suivantes sont remplies, l'horloge à grille peut fonctionner de manière aussi fiable que l'horloge globale.
Pour la conception du convertisseur A/D, son signal de commande n'est que de deux : le signal d'entrée d'horloge CLK et active le signal de sortie OE. Signal CLK directement via le signal d'entrée à cristal actif 60M, tandis que le signal OE via le FPGA interne et CLK a la même fréquence et la même phase du signal d'horloge inversé pour obtenir, de sorte que juste pour répondre à la conversion de la synchronisation du convertisseur A/D des relations.
Conversion A/D haute vitesse ; circuit
L'oscilloscope numérique dans le circuit le plus important est le circuit de conversion A/D, son rôle est d'échantillonner le signal mesuré et de le convertir en signaux numériques en mémoire, dit que c'est un oscilloscope numérique, ce n'est pas trop, car il détermine directement l'oscilloscope numérique peut être mesuré à la fréquence la plus élevée, selon le théorème de Nyquist, la fréquence d'échantillonnage d'au moins 2 fois la fréquence la plus élevée du signal à mesurer afin de reproduire le signal mesuré. Dans les oscilloscopes numériques, la fréquence d'échantillonnage doit être au moins 5 à 8 fois la fréquence du signal testé, sinon la forme d'onde du signal ne peut pas être observée.
