デジタルオシロスコープの動作原理と構造
電子技術の発展と変化に伴い、回路測定の要件はますます高くなり、電子製品の製造においては、マイクロコントローラのI/Oポートの出力波形やアンプの周波数応答の測定など、マルチメータでは対応できないパラメータの測定が多くあることがわかります。そのため、オシロスコープは当然マルチメータと同じであり、電子技術者や愛好家にとって必要なツールとなっています。
動作原理と構造の紹介
デジタルオシロスコープシステムのハードウェア部分は、高速データ収集ボードです。デュアルチャネルデータ入力を実現でき、各サンプリング周波数は60Mbit / sに達します。機能的には、ハードウェアシステムは、信号フロントエンド増幅（FET入力アンプ）と調整モジュール（可変ゲインアンプ）、高速アナログ-デジタルコンバータモジュール（ADCドライバー、ADC）、FPGAロジック制御モジュール、クロック分配、高速コンパレータ、MCU制御モジュール（DSP）、データ通信モジュール、液晶ディスプレイ（LCD）、データ通信モジュール、LCDディスプレイ、タッチスクリーン制御、電源とバッテリー管理、キーボード制御、およびその他のいくつかの部分に分けられます。
入力信号は、プリアンプとゲイン調整回路によって、A/D コンバータの要件を満たす入力電圧に変換されます。A/D コンバータによって変換されたデジタル信号は、FPGA または取得メモリ FIFO によってキャッシュされ、その後、通信インターフェイスを介してコンピュータに送信されて後続のデータ処理が行われるか、マイクロコントローラによって直接制御されて収集され、LCD 画面に表示されます。
参照デバイスは以下のとおりです
これらの部分の中で、最も重要なのはプログラム増幅（減衰）回路とA/D変換回路です。これら2つの回路はデジタルオシロスコープの要であり、プログラム増幅（減衰）回路はオシロスコープの入力帯域幅と垂直解像度を決定し、A/D変換回路はオシロスコープの水平解像度を決定し、これがオシロスコープの2つの解像度のパフォーマンスを直接決定します。これらの2つの回路部分は、測定された信号とデータ信号に必要な処理回路の背面に送られます。この回路部分は、高性能集積回路に使用でき、少数の周辺機器を加えて簡単な回路設計を構成し、デバッグも非常に簡単です。オシロスコープの最も難しい部分は手順、つまりソフトウェアです。ソフトウェアは、A/Dサンプリング制御、水平スイープ速度制御、垂直感度制御、表示処理、ピークツーピーク測定、周波数測定などのタスクを含む、デジタルオシロスコープのすべてのデータ処理および制御タスクを担います。 これは、現在市場で非常に一般的なマイクロコントローラをマイクロプロセッサとして使用し、C 言語でプログラミングすることで実現できます。
プログラム増幅（減衰）回路と電源回路
信号は、一般的なX10X1オシロスコーププローブから増幅（減衰）回路に入力されます。プログラム増幅（減衰）回路の役割は、入力信号を増幅または減衰して調整し、出力信号電圧がA / Dコンバータの入力電圧要件の範囲内で最良の測定と観察になるようにすることです。そのため、プログラム増幅回路は指定された帯域幅でゲインが平坦でなければなりません。オシロスコープの回路にはデジタルとアナログの2つの部分が含まれているため、相互干渉を回避するために、デジタル部分の電源とアナログ部分の電源をそれぞれ個別に提供し、±5V DC電源セットとインダクタンスと容量のフィルタ絶縁を提供します。
フラッシュメモリとクロック回路
A/Dコンバータは大量の信号データをキャプチャするため、マイクロコントローラの内部フラッシュメモリを使用するには不十分です。そのため、回路は外部メモリを選択して使用できますが、LCDに書き込む方法としても使用できます。フラッシュメモリは、LCDに書き込むためのキャッシュとしても使用されます。基準クロック信号を取得するために、マイクロコントローラは水晶にも接続され、外部波形信号の実際の周波数を計算するために使用されます。
FPGA制御ユニット
FPGA は、回路設計者が独自のアプリケーション固有の機能をプログラムできるセミカスタム ASIC です。設計では、回路図入力と VHDL 入力という 2 つの異なる方法が使用されます。制御ユニットは、ほとんどの制御タスクを実行し、各機能モジュールに適切な制御信号を提供して、システム全体の正しい動作を保証します。具体的には、周波数分割回路と A/D コンバーター制御信号の生成という次の機能を実現します。データ収集システムは測定範囲が広く、FPGA 内に周波数分割回路が設計されており、測定信号のさまざまな周波数に対してさまざまなサンプリング周波数を実現して、収集されたデータの精度を高めます。周波数分割ユニットはグラフィカル入力方式を使用して実装され、その内部構造を図 4 に示します。図 4 では、入力に T トリガーが 1 個使用されており、各クロック エッジで出力がジャンプして周波数分割が実現されます。同時に、T フリップフロップの入力は、ゲート クロックを構成するいくつかの論理組み合わせで構成されていることがわかります。ゲート クロックの場合、クロック機能は、バリの影響を回避するために慎重に分析されます。 次の 2 つの条件が満たされている場合、ゲート クロックはクロック信号に危険なバリがないことが保証され、グローバル クロックと同様に確実に動作します。
A/D コンバータの設計では、その制御信号はクロック入力信号 CLK とイネーブル出力信号 OE の 2 つだけです。CLK 信号はアクティブ水晶を介して直接 60M 信号を入力し、OE 信号は FPGA 内部を介して CLK と同じ周波数および同じ位相の反転クロック信号を取得し、A/D コンバータの変換タイミング関係を満たすようにします。
高速A/D変換回路
デジタルオシロスコープで最も重要な回路はA/D変換回路です。その役割は測定信号をサンプリングし、デジタル信号に変換してメモリに格納することです。これはデジタルオシロスコープの喉元に過ぎないと言えます。これは、デジタルオシロスコープが測定できる最高周波数を直接決定するためです。ナイキスト定理によれば、測定対象信号を再現するには、サンプリング周波数が測定対象信号の最高周波数の少なくとも2倍である必要があります。デジタルオシロスコープでは、サンプリング周波数はテスト対象信号の周波数の少なくとも5〜8倍である必要があります。そうでない場合、信号波形を観察できません。
