デジタルオシロスコープの動作原理と構造

デジタルオシロスコープの動作原理と構造

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、高速データ収集回路基板です。デュアルチャネルデータ入力を実現でき、各チャネルの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-デジタル変換モジュール（ADCドライバ、ADC）、FPGAロジック制御モジュール、クロック分配、高速比較プロセッサ、マイクロコントローラ制御モジュール（DSP）、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変換された後、A/Dコンバータの要件を満たす入力電圧になります。A/D変換後のデジタル信号は、FPGAまたは取得メモリ内のFIFOによってバッファリングされ、通信インターフェイスを通過します。その後のデータ処理のためにコンピュータに送信され、収集された信号はマイクロコントローラによって直接制御され、LCD画面に表示されます。

参照デバイスは次のとおりです。
これらの部分の中で、最も重要なのはプログラム可能な増幅（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喉元であり、プログラム可能な増幅（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するためです。 A / D変換回路はオシロスコープの水平解像度を決定し、これら2つの解像度はオシロスコープのパフォーマンスを直接決定します。回路のこれらの2つの部分は、測定された信号を後続の処理回路に必要なデータ信号に変換します。回路のこの部分は、高性能集積回路と少数の周辺機器で構成できます。回路設計は簡単で、デバッグも非常に簡単です。オシロスコープ全体の中で最も難しい部分はプログラム、つまりソフトウェアの側面です。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当します。 市販されているごく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 言語プログラミングを使用して実装することができます。

プログラム可能な増幅（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によって入力され、増幅（減衰）回路に入ります。プログラム制御増幅（減衰）回路の機能は、入力信号を増幅または減衰して、出力信号電圧がA / Dコンバーターの入力電圧要件範囲内になり、最良の測定および観察効果を実現することです。したがって、プログラム制御増幅回路は指定された帯域幅内で動作します。その内部のゲインは平坦でなければなりません。オシロスコープ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、相互干渉を避けるために、デジタル部分の電源とアナログ部分の電源は分離されています。それぞれ±5V DC電源のセットが提供され、インダクタとコンデンサーで作られたフィルターによって分離されています。

フラッシュメモリとクロック回路

A/D コンバータで取り込まれる信号データの量が大きいため、マイクロコントローラ内部のフラッシュ メモリでは不十分であり、回路では外部メモリを使用できます。

同時に、LCD への書き込み用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発振器にも接続され、外部波形信号の実際の周波数を計算します。

FPGA制御ユニット
プログラマブルロジックデバイスFPGAは、回路設計者がアプリケーション固有の機能を実装するために自分でプログラムできるセミカスタムASICです。 この設計では、回路図入力とVHDL言語入力の2つの異なる方法を使用します。 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対応する制御信号を提供して、システム全体の正確性を確保します。 具体的には、周波数分割回路とA / Dコンバーターの制御信号の生成という機能を実装します。 このデータ収集システムは、比較的広い測定範囲を持っています。 FPGA内には、さまざまな周波数を実現するために周波数分割回路が設計されています。 測定信号に異なるサンプリング周波数を選択して、より正確なデータ収集を確保します。 周波数分割ユニットの内部構造図は、図4に示すように、グラフィック入力方式を使用して実装されています。 図4では、Tフリップフロップの入力が1の場合、各クロックエッジが到着すると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、グリッチの影響を回避するために、クロック機能を慎重に分析してください。 ゲート クロックが次の 2 つの条件を満たす場合、クロック信号に危険なグリッチが発生しないことを保証でき、ゲート クロックはグローバル クロックと同様に確実に動作できます。

この設計の A/D コンバータには、クロック入力信号 CLK とイネーブル出力信号 OE の 2 つの制御信号しかありません。CLK 信号はアクティブ水晶発振器を介して 60M 信号を直接入力しますが、OE 信号は FPGA 内で CLK と同じ周波数と位相のクロック信号を反転することによって取得され、A/D コンバータの変換タイミング関係にぴったり適合します。

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。その機能は、測定信号をサンプリングしてデジタル信号に変換し、メモリに保存することです。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、デジタルオシロスコープの喉元であると言っても過言ではありません。ナイキスト定理によると、測定信号を再現するには、サンプリング周波数が測定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測定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、信号の波形をまったく観察できません。