หลักการทำงานและโครงสร้างออสซิลโลสโคปแบบดิจิตอล

หลักการทำงานและโครงสร้างออสซิลโลสโคปแบบดิจิตอล

ด้วยการพัฒนาและการเปลี่ยนแปลงของเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ ความต้องการในการวัดวงจรจึงสูงขึ้น ในการผลิตทางอิเล็กทรอนิกส์จะพบว่าการวัดพารามิเตอร์หลายตัวไม่สามารถทำได้ด้วยมัลติมิเตอร์ เช่น พอร์ต I / O ของไมโครคอนโทรลเลอร์ของรูปคลื่นเอาท์พุตหรือ การผลิตเครื่องขยายเสียงเพื่อวัดการตอบสนองความถี่เป็นต้น ดังนั้นออสซิลโลสโคปจึงเหมือนกับมัลติมิเตอร์โดยธรรมชาติ และกลายเป็นเครื่องมือที่จำเป็นสำหรับวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์และผู้ที่สนใจ

หลักการทำงานและการแนะนำโครงสร้าง
ส่วนฮาร์ดแวร์ของระบบออสซิลโลสโคปแบบดิจิทัลคือบอร์ดเก็บข้อมูลความเร็วสูง สามารถป้อนข้อมูลแบบ dual-channel แต่ละความถี่ในการสุ่มตัวอย่างสามารถเข้าถึง 60Mbit/s ในทางปฏิบัติ ระบบฮาร์ดแวร์สามารถแบ่งออกเป็น: การขยายสัญญาณส่วนหน้า (เครื่องขยายสัญญาณอินพุต FET) และโมดูลปรับสภาพ (เครื่องขยายสัญญาณเกนแบบแปรผัน), โมดูลตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลความเร็วสูง (ไดรเวอร์ ADC, ADC), โมดูลควบคุมลอจิก FPGA , การกระจายสัญญาณนาฬิกา, ตัวเปรียบเทียบความเร็วสูง, โมดูลควบคุม MCU (DSP), โมดูลการสื่อสารข้อมูล, จอแสดงผลคริสตัลเหลว (LCD) ), โมดูลการสื่อสารข้อมูล, จอแสดงผล LCD, การควบคุมหน้าจอสัมผัส, การจัดการแหล่งจ่ายไฟและแบตเตอรี่ และการควบคุมแป้นพิมพ์ และส่วนอื่นๆ อีกหลายส่วน

สัญญาณอินพุตจะถูกแปลงโดยปรีแอมพลิฟายเออร์และเพิ่มวงจรที่ปรับได้ให้เป็นแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ตรงตามข้อกำหนดของคอนเวอร์เตอร์ A/D สัญญาณดิจิทัลที่แปลงโดยตัวแปลง A/D จะถูกแคชโดย FPGA หรือหน่วยความจำการเข้าซื้อกิจการ FIFO จากนั้นส่งไปยังคอมพิวเตอร์ผ่านอินเทอร์เฟซการสื่อสารสำหรับการประมวลผลข้อมูลในภายหลัง หรือควบคุมโดยตรงโดยไมโครคอนโทรลเลอร์จะถูกรวบรวมและแสดงบนจอ LCD หน้าจอ.

อุปกรณ์อ้างอิงมีดังนี้
ในส่วนเหล่านี้ สิ่งที่สำคัญที่สุดคือวงจรขยายสัญญาณที่ตั้งโปรแกรมไว้ (การลดทอน) และวงจรแปลง A/D เนื่องจากวงจรทั้งสองนี้เป็นคอของออสซิลโลสโคปแบบดิจิทัล วงจรขยายสัญญาณที่ตั้งโปรแกรมไว้ (การลดทอน) จะกำหนดแบนด์วิธอินพุตของออสซิลโลสโคปและความละเอียดแนวตั้ง , วงจรแปลง A/D จะกำหนดความละเอียดแนวนอนของออสซิลโลสโคป ซึ่งจะกำหนดประสิทธิภาพของออสซิลโลสโคปของความละเอียดทั้งสองโดยตรง วงจรทั้งสองส่วนนี้จะถูกวัดสัญญาณเข้าที่ด้านหลังของวงจรประมวลผลที่จำเป็นสำหรับสัญญาณข้อมูล ส่วนนี้ของวงจรสามารถใช้ในวงจรรวมประสิทธิภาพสูงได้ บวกกับอุปกรณ์ต่อพ่วงจำนวนน้อยที่เป็นการออกแบบวงจรอย่างง่าย การดีบักก็ทำได้ง่ายมาก ส่วนที่ยากที่สุดของออสซิลโลสโคปควรเป็นขั้นตอน ซึ่งก็คือซอฟต์แวร์ ซอฟต์แวร์รองรับการประมวลผลข้อมูลและงานควบคุมทั้งหมดของออสซิลโลสโคปแบบดิจิทัล รวมถึงการควบคุมการสุ่มตัวอย่าง A/D การควบคุมความเร็วการกวาดแนวนอน การควบคุมความไวในแนวตั้ง การประมวลผลการแสดงผล การวัดค่าจากยอดถึงยอด การวัดความถี่ และงานอื่นๆ สามารถรับรู้ได้โดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ทั่วไปในตลาดปัจจุบันในฐานะไมโครโปรเซสเซอร์และการเขียนโปรแกรมในภาษา C

วงจรขยายสัญญาณที่ตั้งโปรแกรมไว้ (การลดทอน) และวงจรจ่ายไฟ
สัญญาณจะถูกป้อนจากโพรบออสซิลโลสโคป X10X1 ทั่วไปเข้าสู่วงจรขยาย (การลดทอน) บทบาทของวงจรขยายสัญญาณที่ตั้งโปรแกรมไว้ (การลดทอน) คือการขยายหรือลดทอนสัญญาณอินพุตเพื่อปรับ เพื่อให้แรงดันสัญญาณเอาท์พุตในข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าอินพุตของตัวแปลง A/D ภายในช่วงของการวัดและการสังเกตที่ดีที่สุด ดังนั้น วงจรขยายสัญญาณที่ตั้งโปรแกรมไว้ในอัตราขยายแบนด์วิธที่ระบุจะต้องคงที่ เนื่องจากวงจรออสซิลโลสโคปประกอบด้วยดิจิตอลและอนาล็อกสองส่วนเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนซึ่งกันและกัน ดังนั้นส่วนดิจิตอลของแหล่งจ่ายไฟและส่วนอะนาล็อกของแหล่งจ่ายไฟแยกกันตามลำดับเพื่อให้ชุดแหล่งจ่ายไฟ ± 5V DC และความเหนี่ยวนำ และความจุที่ทำจากการแยกตัวกรอง

หน่วยความจำแฟลชและวงจรนาฬิกา
เนื่องจากตัวแปลง A/D จับข้อมูลสัญญาณจำนวนมาก หน่วยความจำแฟลชภายในของไมโครคอนโทรลเลอร์จึงไม่เพียงพอที่จะใช้งาน ดังนั้นวงจรจึงสามารถเลือกหน่วยความจำภายนอกบางส่วนที่จะใช้ แต่ยังเป็นวิธีในการเขียน LCD ด้วยเช่นกัน หน่วยความจำแฟลชยังใช้เป็นแคชสำหรับเขียนจอ LCD เพื่อรับสัญญาณนาฬิกาอ้างอิง ไมโครคอนโทรลเลอร์ยังเชื่อมต่อกับคริสตัล ซึ่งใช้ในการคำนวณความถี่ที่แท้จริงของสัญญาณรูปคลื่นภายนอก

หน่วยควบคุม FPGA
FPGA เป็น ASIC แบบกึ่งกำหนดเองที่ช่วยให้ผู้ออกแบบวงจรสามารถตั้งโปรแกรมฟังก์ชันเฉพาะแอปพลิเคชันของตนเองได้ การออกแบบใช้สองวิธีที่แตกต่างกัน: อินพุตแผนผังและอินพุต VHDL หน่วยควบคุมดำเนินงานควบคุมส่วนใหญ่ โดยให้สัญญาณควบคุมที่เหมาะสมสำหรับแต่ละโมดูลการทำงานเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานถูกต้องของทั้งระบบ บรรลุฟังก์ชันต่อไปนี้โดยเฉพาะ: วงจรแบ่งความถี่และสร้างสัญญาณควบคุมตัวแปลง A/D ระบบเก็บข้อมูลมีช่วงการวัดที่กว้าง วงจรแบ่งความถี่ได้รับการออกแบบภายใน FPGA เพื่อให้บรรลุความถี่การสุ่มตัวอย่างที่แตกต่างกันสำหรับความถี่ที่แตกต่างกันของสัญญาณที่วัดได้เพื่อให้แน่ใจว่า ว่าข้อมูลที่เก็บรวบรวมมีความแม่นยำมากขึ้น หน่วยการแบ่งความถี่ถูกนำมาใช้โดยใช้วิธีการป้อนข้อมูลแบบกราฟิกและโครงสร้างภายในแสดงในรูปที่ 4 ในรูปที่ 4 การใช้ T-trigger ในอินพุตคือ 1 แต่ละขอบนาฬิกาเมื่อเอาต์พุตจะข้ามเพื่อให้ได้การแบ่งความถี่ . ในเวลาเดียวกัน เราจะเห็นว่าอินพุตของ T-flip-flop ประกอบด้วยการผสมเชิงตรรกะบางอย่าง ซึ่งประกอบขึ้นเป็นนาฬิกาที่มีรั้วรอบขอบชิด สำหรับนาฬิกาที่มีรั้วรอบขอบชิด ฟังก์ชั่นนาฬิกาจะได้รับการวิเคราะห์อย่างรอบคอบเพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบจากการเกิดครีบ แม้ว่านาฬิกาแบบมีรั้วรอบขอบชิดจะรับประกันว่าจะปราศจากเสี้ยนที่เป็นอันตรายบนสัญญาณนาฬิกาเมื่อตรงตามเงื่อนไขสองประการต่อไปนี้ นาฬิกาแบบมีรั้วรอบขอบชิดก็สามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือเช่นเดียวกับนาฬิกาทั่วโลก

สำหรับการออกแบบตัวแปลง A/D สัญญาณควบคุมมีเพียงสองสัญญาณ: สัญญาณอินพุตนาฬิกา CLK และเปิดใช้งานสัญญาณเอาต์พุต OE CLK สัญญาณโดยตรงผ่านสัญญาณอินพุตคริสตัลที่ใช้งาน 60M ในขณะที่สัญญาณ OE ผ่าน FPGA ภายในและ CLK ความถี่เดียวกันและเฟสเดียวกันของสัญญาณนาฬิกากลับด้านเพื่อรับ เพื่อให้ตรงตามการแปลงของระยะเวลาตัวแปลง A/D ความสัมพันธ์

การแปลง A/D ความเร็วสูง วงจร
ออสซิลโลสโคปแบบดิจิทัลในวงจรที่สำคัญที่สุดคือวงจรแปลง A/D บทบาทของมันคือการวัดตัวอย่างสัญญาณและแปลงเป็นสัญญาณดิจิทัลลงในหน่วยความจำ กล่าวว่าเป็นคอของออสซิลโลสโคปแบบดิจิทัลไม่มากเกินไปเพราะจะกำหนดออสซิลโลสโคปแบบดิจิทัลโดยตรง สามารถวัดได้ที่ความถี่สูงสุดตามทฤษฎีบทของ Nyquist ความถี่สุ่มตัวอย่างอย่างน้อย 2 เท่าของความถี่สูงสุดของสัญญาณที่จะวัดเพื่อทำซ้ำสัญญาณที่กำลังวัด ในออสซิลโลสโคปแบบดิจิทัล ความถี่ในการสุ่มตัวอย่างควรเป็นอย่างน้อย 5 ถึง 8 เท่าของความถี่ของสัญญาณที่ทดสอบ มิฉะนั้นจะไม่สามารถสังเกตรูปคลื่นของสัญญาณได้