Nguyên lý làm việc và cấu tạo của máy hiện sóng số
Phần cứng của hệ thống dao động số là bảng mạch thu thập dữ liệu tốc độ cao. Nó có thể nhận ra dữ liệu đầu vào kênh đôi và tần số lấy mẫu của mỗi kênh 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 xử lý so sánh tốc độ cao, mô-đun điều khiển vi điều khiển (DSP), mô-đun truyền dữ liệu, màn hình LCD, điều khiển màn hình cảm ứng, quản lý nguồn và pin và điều khiển bàn phím.
Sau khi tín hiệu đầu vào được chuyển đổi bằng bộ tiền khuếch đại và mạch điều chỉnh khuếch đại, nó sẽ trở thành điện áp đầu vào đáp ứng yêu cầu của bộ chuyển đổi A/D. Tín hiệu số sau khi chuyển đổi A/D được FIFO đệm trong FPGA hoặc bộ nhớ thu thập, sau đó đi qua giao diện truyền thông. Nó được truyền đến máy tính để xử lý dữ liệu tiếp theo hoặc các tín hiệu thu thập được điều khiển trực tiếp bởi vi điều khiển để hiển thị trên màn hình LCD.
Các thiết bị tham khảo như sau:
Trong số các bộ phận này, bộ phận quan trọng nhất là mạch khuếch đại (suy hao) có thể lập trình và mạch chuyển đổi A/D, vì hai mạch này là cổ họng của máy hiện sóng kỹ thuật số và mạch khuếch đại (suy hao) có thể lập trình xác định băng thông đầu vào và chiều dọc. độ phân giải của máy hiện sóng. , mạch chuyển đổi A/D xác định độ phân giải ngang của máy hiện sóng và hai độ phân giải này trực tiếp xác định hiệu suất của máy hiện sóng. Hai phần của mạch này chuyển đổi tín hiệu đo được thành tín hiệu dữ liệu theo yêu cầu của mạch xử lý tiếp theo. Phần mạch này có thể bao gồm các mạch tích hợp hiệu suất cao và một số ít thiết bị ngoại vi. Thiết kế mạch đơn giản và việc gỡ lỗi cũng rất đơn giản. Phần khó nhất của toàn bộ máy hiện sóng phải là chương trình, tức là khía cạnh phần mềm. Phần mềm chịu trách nhiệm thực hiện 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. Bạn có thể sử dụng một bộ vi điều khiển rất phổ biến trên thị trường làm bộ vi xử lý và sử dụng lập trình ngôn ngữ C để triển khai nó.
Mạch khuếch đại (suy hao) có thể lập trình và mạch cấp nguồn
Tín hiệu được đưa vào bởi đầu dò dao động X10X1 thông thường và đi vào mạch khuếch đại (suy hao). Chức năng của mạch khuếch đại (suy giảm) điều khiển bằng chương trình là khuếch đại hoặc suy giảm tín hiệu đầu vào sao cho điện áp tín hiệu đầu ra nằm trong phạm vi yêu cầu điện áp đầu vào của bộ chuyển đổi A/D để đạt được hiệu quả đo và quan sát tốt nhất. Do đó, mạch khuếch đại được điều khiển bằng chương trình hoạt động trong phạm vi băng thông được chỉ định. Mức tăng bên trong phải bằng phẳng. Vì mạch máy hiện sóng có hai phần, kỹ thuật số và analog, để tránh nhiễu lẫn nhau, nguồn điện của phần kỹ thuật số và nguồn điện của phần analog được tách riêng. Một bộ nguồn DC ±5V được cung cấp tương ứng và được cách ly bằng bộ lọc làm từ cuộn cảm và tụ điện.
Bộ nhớ flash và mạch đồng hồ
Do lượng dữ liệu tín hiệu được bộ chuyển đổi A/D thu được lớn nên bộ nhớ flash bên trong vi điều khiển không đủ nên mạch có thể sử dụng một số bộ nhớ ngoài.
Đồng thời, nó còn được sử dụng làm bộ nhớ đệm để ghi vào màn hình LCD. Để thu được tín hiệu xung nhịp tham chiếu, bộ vi điều khiển cũng được kết nối với bộ tạo dao động tinh thể để tính tần số thực của tín hiệu dạng sóng bên ngoài.
Bộ điều khiển FPGA
Thiết bị logic lập trình FPGA là một ASIC bán tùy chỉnh cho phép các nhà thiết kế mạch tự lập trình để thực hiện các chức năng dành riêng cho ứng dụng. Thiết kế này sử dụng hai phương pháp nhập sơ đồ và ngôn ngữ VHDL khác nhau. Bộ điều khiển đảm nhiệm hầu hết các nhiệm vụ điều khiển và cung cấp các tín hiệu điều khiển tương ứng cho từng module chức năng nhằm đảm bảo tính chính xác của toàn bộ hệ thống. Cụ thể, nó thực hiện các chức năng sau: Mạch chia tần và tạo tín hiệu điều khiển cho bộ chuyển đổi A/D. Hệ thống thu thập dữ liệu này có phạm vi đo tương đối rộng. Một mạch phân chia tần số được thiết kế bên trong FPGA để đạt được các tần số khác nhau. Chọn các tần số lấy mẫu khác nhau cho tín hiệu đo được để đảm bảo thu thập dữ liệu chính xác hơn. Sơ đồ cấu trúc bên trong của bộ chia tần số được thực hiện bằng phương pháp nhập liệu đồ họa như Hình 4. Trong Hình 4, khi đầu vào của T flip-flop là 1, đầu ra sẽ nhảy khi mỗi cạnh xung nhịp đạt tần số phân công. 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, hãy phân tích cẩn thận chức năng đồng hồ để tránh ảnh hưởng của trục trặc. Khi đồng hồ có cổng đáp ứng hai điều kiện sau, nó có thể đảm bảo rằng tín hiệu đồng hồ không gặp trục trặc nguy hiểm và đồng hồ có cổng có thể hoạt động đáng tin cậy như đồng hồ toàn cầu.
Đối với bộ chuyển đổi A/D trong thiết kế này, chỉ có hai tín hiệu điều khiển: tín hiệu đầu vào xung nhịp CLK và tín hiệu đầu ra cho phép OE. Tín hiệu CLK trực tiếp nhập tín hiệu 60M thông qua bộ tạo dao động tinh thể hoạt động, trong khi tín hiệu OE thu được bằng cách đảo ngược tín hiệu đồng hồ có cùng tần số và pha với CLK bên trong FPGA, có thể đáp ứng mối quan hệ thời gian chuyển đổi của A/D bộ chuyển đổi.
Chuyển đổi A/D tốc độ cao; mạch điện
Mạch quan trọng nhất trong máy hiện sóng số là mạch chuyển đổi A/D. Chức năng của nó là lấy mẫu và chuyển đổi tín hiệu đo được thành tín hiệu số và lưu vào bộ nhớ. Không quá lời khi nói rằng nó chính là phần họng của máy hiện sóng số, bởi nó quyết định trực tiếp đến tần số cao nhất mà máy hiện sóng số có thể đo được. Theo định lý Nyquist, tần số lấy mẫu ít nhất phải gấp đôi tần số cao nhất của tín hiệu đo được để tái tạo tín hiệu đo được. 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 đo, nếu không thì không thể quan sát được dạng sóng của tín hiệu.
