Nguyên lý và cấu trúc làm việc của máy hiện sóng kỹ thuật số
Với sự phát triển và thay đổi của công nghệ điện tử, các yêu cầu đo mạch ngày càng cao hơn, trong sản xuất điện tử sẽ thấy rằng việc đo nhiều tham số không phải là đồng hồ vạn năng có thể thực hiện được, chẳng hạn như cổng I / O của vi điều khiển của dạng sóng đầu ra hoặc việc sản xuất các bộ khuếch đại để đo đáp ứng tần số của nó, v.v. Do đó, máy hiện sóng về bản chất giống như đồng hồ vạn năng và đã trở thành một công cụ cần thiết cho các kỹ sư và những người đam mê điện tử.
Nguyên lý làm việc và giới thiệu cấu trúc
Phần cứng của hệ thống máy hiện sóng số là bảng thu thập dữ liệu tốc độ cao. Nó có thể đạt được đầu vào dữ liệu kênh đôi, mỗi tần số lấy mẫu có thể đạt tới 60Mbit/s. Về mặt chức năng, hệ thống phần cứng có thể được chia thành: khuếch đại tín hiệu đầu cuối (bộ khuếch đại đầu vào FET) và mô-đun điều hòa (bộ khuếch đại khuếch đại biến đổi), mô-đun chuyển đổi tương tự sang số tốc độ cao (trình điều khiển ADC, ADC), mô-đun điều khiển logic FPGA , phân phối đồng hồ, bộ so sánh tốc độ cao, mô-đun điều khiển MCU (DSP), mô-đun truyền dữ liệu, màn hình tinh thể lỏng (LCD). ), mô-đun giao tiếp dữ liệu, màn hình LCD, điều khiển màn hình cảm ứng, quản lý nguồn điện và pin, điều khiển bàn phím và một số bộ phận khác.
Tín hiệu đầu vào được chuyển đổi bằng bộ tiền khuếch đại và mạch điều chỉnh độ lợi thành điện áp đầu vào đáp ứng yêu cầu của bộ chuyển đổi A/D. Tín hiệu số được chuyển đổi bởi bộ chuyển đổi A/D được lưu trữ bởi FPGA hoặc bộ nhớ thu nhận FIFO, sau đó được truyền đến máy tính thông qua giao diện truyền thông để xử lý dữ liệu tiếp theo hoặc được điều khiển trực tiếp bởi vi điều khiển sẽ được thu thập và hiển thị trên màn hình LCD. màn hình.
Các thiết bị tham khảo như sau
Trong các phần này, quan trọng nhất là mạch khuếch đại (suy hao) được lập trình và mạch chuyển đổi A/D, vì hai mạch này là họng của máy hiện sóng số, mạch khuếch đại (suy hao) được lập trình xác định băng thông đầu vào của máy hiện sóng và độ phân giải dọc , Mạch chuyển đổi A/D xác định độ phân giải ngang của máy hiện sóng, trực tiếp xác định hiệu suất của máy hiện sóng của hai độ phân giải. Hai phần mạch này sẽ được đo tín hiệu vào mặt sau của mạch xử lý cần thiết cho tín hiệu dữ liệu, phần mạch này có thể được sử dụng trong các mạch tích hợp hiệu suất cao cộng với một số ít thiết bị ngoại vi tạo thành một mạch thiết kế đơn giản, gỡ lỗi cũng rất đơn giản. Phần khó nhất của máy hiện sóng là quy trình, tức là phần mềm. Phần mềm đảm nhận tất cả các nhiệm vụ xử lý và điều khiển dữ liệu của máy hiện sóng kỹ thuật số, bao gồm điều khiển lấy mẫu A/D, điều khiển tốc độ quét ngang, điều khiển độ nhạy dọc, xử lý hiển thị, đo từ đỉnh đến đỉnh, đo tần số và các tác vụ khác. Nó có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một bộ vi điều khiển rất phổ biến trên thị trường hiện nay như một bộ vi xử lý và lập trình bằng ngôn ngữ C.
Mạch khuếch đại (suy hao) được lập trình và mạch cấp nguồn
Tín hiệu được đưa vào từ đầu dò dao động X10X1 thông thường vào mạch khuếch đại (suy hao). Vai trò của mạch khuếch đại (suy hao) được lập trình là khuếch đại hoặc suy giảm tín hiệu đầu vào để điều chỉnh, sao cho điện áp tín hiệu đầu ra trong yêu cầu điện áp đầu vào của bộ chuyển đổi A/D nằm trong phạm vi đo và quan sát tốt nhất, do đó mạch khuếch đại được lập trình ở mức tăng băng thông quy định phải bằng phẳng. Vì mạch máy hiện sóng chứa hai phần kỹ thuật số và tương tự, để tránh nhiễu lẫn nhau, do đó, phần kỹ thuật số của nguồn điện và phần tương tự của nguồn điện tương ứng sẽ cung cấp một bộ nguồn DC ± 5V và điện cảm và điện dung của bộ lọc cách ly
Bộ nhớ flash và mạch đồng hồ
Do bộ chuyển đổi A/D thu được một lượng lớn dữ liệu tín hiệu nên bộ nhớ flash bên trong của vi điều khiển không đủ để sử dụng, do đó mạch có thể chọn một số bộ nhớ ngoài để sử dụng nhưng cũng là cách để ghi lên LCD. Bộ nhớ flash cũng được sử dụng làm bộ nhớ đệm để ghi lên màn hình LCD. Để có được tín hiệu đồng hồ tham chiếu, bộ vi điều khiển cũng được kết nối với một tinh thể, tinh thể này được sử dụng để tính tần số thực của tín hiệu dạng sóng bên ngoài.
Bộ điều khiển FPGA
FPGA là các ASIC bán tùy chỉnh cho phép các nhà thiết kế mạch lập trình các chức năng dành riêng cho ứng dụng của họ. Thiết kế sử dụng hai phương pháp khác nhau: đầu vào sơ đồ và đầu vào VHDL. Bộ điều khiển thực hiện hầu hết các nhiệm vụ điều khiển, cung cấp các tín hiệu điều khiển phù hợp cho từng module chức năng đảm bảo cho toàn hệ thống hoạt động chính xác. Cụ thể đạt được các chức năng sau: mạch chia tần và tạo tín hiệu điều khiển bộ chuyển đổi A/D Hệ thống thu thập dữ liệu có dải đo rộng, mạch chia tần được thiết kế bên trong FPGA để đạt được các tần số lấy mẫu khác nhau cho các tần số khác nhau của tín hiệu đo được để đảm bảo rằng dữ liệu thu thập được sẽ chính xác hơn. Đơn vị phân chia tần số được triển khai bằng phương thức nhập đồ họa và cấu trúc bên trong của nó được hiển thị trong Hình 4. Trong Hình 4, việc sử dụng T-trigger ở đầu vào là 1, mỗi cạnh xung nhịp khi đầu ra sẽ nhảy để đạt được sự phân chia tần số . Đồng thời, chúng ta có thể thấy rằng đầu vào của T-flip-flop bao gồm một số kết hợp logic, tạo thành đồng hồ có cổng. Đối với đồng hồ có cổng, chức năng đồng hồ được phân tích cẩn thận để tránh ảnh hưởng của vệt. Mặc dù đồng hồ có cổng được đảm bảo không có vệt nguy hiểm trên tín hiệu đồng hồ khi đáp ứng hai điều kiện sau, đồng hồ có cổng có thể hoạt động đáng tin cậy như đồng hồ toàn cầu.
Đối với thiết kế bộ chuyển đổi A/D, tín hiệu điều khiển của nó chỉ có hai: tín hiệu đầu vào xung nhịp CLK và tín hiệu đầu ra OE cho phép. Tín hiệu CLK trực tiếp thông qua tín hiệu 60M đầu vào tinh thể hoạt động, trong khi tín hiệu OE thông qua FPGA bên trong và CLK có cùng tần số và cùng pha của tín hiệu đồng hồ được đảo ngược để nhận, để đáp ứng việc chuyển đổi thời gian chuyển đổi A/D các mối quan hệ.
Chuyển đổi A/D tốc độ cao; mạch điện
Máy hiện sóng số trong mạch quan trọng nhất là mạch chuyển đổi A/D, vai trò của nó là đo lấy mẫu tín hiệu và chuyển đổi thành tín hiệu số vào bộ nhớ, nói rằng đó là họng dao động số không quá nhiều, vì nó quyết định trực tiếp đến máy hiện sóng số có thể được đo ở tần số cao nhất, theo Định lý Nyquist, tần số lấy mẫu ít nhất gấp 2 lần tần số cao nhất của tín hiệu cần đo để tái tạo tín hiệu được đo. Trong máy hiện sóng kỹ thuật số, tần số lấy mẫu phải gấp ít nhất 5 đến 8 lần tần số của tín hiệu được kiểm tra, nếu không thì không thể quan sát được dạng sóng tín hiệu.
