مبدأ العمل وهيكل الذبذبات الرقمية
جزء الأجهزة من نظام راسم الذبذبات الرقمي عبارة عن لوحة دوائر للحصول على البيانات عالية السرعة. يمكنها تحقيق إدخال بيانات ثنائي القناة، ويمكن أن يصل تردد أخذ العينات لكل قناة إلى 60 ميجابت/ثانية. من الناحية الوظيفية، يمكن تقسيم نظام الأجهزة إلى: تضخيم الإشارة الأمامية (مضخم إدخال FET) ووحدة التكييف (مضخم الكسب المتغير)، وحدة التحويل التناظرية إلى الرقمية عالية السرعة (محرك ADC، ADC)، وحدة التحكم المنطقية FPGA ، توزيع الساعة، معالج مقارنة عالي السرعة، وحدة التحكم في المتحكم الدقيق (DSP)، وحدة نقل البيانات، شاشة LCD، التحكم في شاشة اللمس، إدارة الطاقة والبطارية والتحكم في لوحة المفاتيح.
بعد تحويل إشارة الدخل بواسطة المضخم الأولي والدائرة القابلة لضبط الكسب، تصبح جهد دخل يلبي متطلبات محول A/D. يتم تخزين الإشارة الرقمية بعد التحويل A/D بواسطة FIFO في FPGA أو ذاكرة الاستحواذ، ثم تمر عبر واجهة الاتصال. يتم إرسالها إلى الكمبيوتر لمعالجة البيانات اللاحقة، أو يتم التحكم في الإشارات المجمعة مباشرة بواسطة وحدة التحكم الدقيقة لعرضها على شاشة LCD.
الأجهزة المرجعية هي كما يلي:
ومن هذه الأجزاء أهمها دائرة التضخيم (التوهين) القابلة للبرمجة ودائرة التحويل A/D، لأن هاتين الدائرتين هما حنجرة الذبذبات الرقمية، ودائرة التضخيم (التوهين) القابلة للبرمجة تحدد عرض نطاق الإدخال والرأسي قرار الذبذبات. ، تحدد دائرة التحويل A/D الدقة الأفقية لمرسمة الذبذبات، ويحدد هذان القراران أداء راسم الذبذبات بشكل مباشر. يقوم هذان الجزءان من الدائرة بتحويل الإشارة المقاسة إلى إشارة البيانات التي تتطلبها دائرة المعالجة اللاحقة. يمكن أن يتكون هذا الجزء من الدائرة من دوائر متكاملة عالية الأداء وعدد صغير من الأجهزة الطرفية. تصميم الدائرة بسيط وتصحيح الأخطاء بسيط جدًا أيضًا. يجب أن يكون الجزء الأكثر صعوبة في راسم الذبذبات بأكمله هو البرنامج، أي الجانب البرمجي. البرنامج مسؤول عن جميع مهام معالجة البيانات والتحكم في راسم الذبذبات الرقمي، بما في ذلك التحكم في أخذ العينات A/D، والتحكم في سرعة المسح الأفقي، والتحكم في الحساسية الرأسية، ومعالجة العرض، والقياس من الذروة إلى الذروة، وقياس التردد ومهام أخرى. يمكنك استخدام وحدة تحكم دقيقة شائعة جدًا في السوق كمعالج دقيق واستخدام برمجة لغة C لتنفيذه.
دائرة التضخيم (التوهين) القابلة للبرمجة ودائرة إمداد الطاقة
يتم إدخال الإشارة بواسطة مسبار راسم الذبذبات X10X1 الشائع وتدخل في دائرة التضخيم (التوهين). تتمثل وظيفة دائرة التضخيم (التوهين) التي يتحكم فيها البرنامج في تضخيم إشارة الإدخال أو تخفيفها بحيث يكون جهد إشارة الخرج ضمن نطاق متطلبات جهد الإدخال لمحول A/D لتحقيق أفضل تأثيرات القياس والمراقبة. لذلك، تعمل دائرة مكبر الصوت التي يتم التحكم فيها بواسطة البرنامج ضمن النطاق الترددي المحدد. يجب أن يكون الربح في الداخل مسطحًا. نظرًا لأن دائرة راسم الذبذبات تحتوي على جزأين، رقمي وتناظري، لتجنب التداخل المتبادل، يتم فصل مصدر الطاقة للجزء الرقمي ومصدر الطاقة للجزء التناظري. يتم توفير مجموعة من إمدادات الطاقة ± 5V DC على التوالي، ومعزولة بواسطة مرشح مصنوع من المحاثات والمكثفات.
ذاكرة فلاش ودائرة الساعة
نظرًا لأن كمية بيانات الإشارة التي تم التقاطها بواسطة محول A/D كبيرة، فإن ذاكرة الفلاش داخل وحدة التحكم الدقيقة ليست كافية، لذلك يمكن للدائرة استخدام بعض الذاكرة الخارجية.
وفي الوقت نفسه، يتم استخدامه أيضًا كذاكرة تخزين مؤقت للكتابة على شاشة LCD. من أجل الحصول على إشارة الساعة المرجعية، يتم توصيل المتحكم الدقيق أيضًا بمذبذب بلوري لحساب التردد الفعلي لإشارة الشكل الموجي الخارجية.
وحدة التحكم FPGA
جهاز المنطق القابل للبرمجة FPGA هو ASIC شبه مخصص يسمح لمصممي الدوائر ببرمجة أنفسهم لتنفيذ وظائف خاصة بالتطبيقات. يستخدم هذا التصميم طريقتين مختلفتين للإدخال التخطيطي وإدخال لغة VHDL. تقوم وحدة التحكم بمعظم مهام التحكم وتوفر إشارات التحكم المقابلة لكل وحدة وظيفية لضمان صحة النظام بأكمله. على وجه التحديد، فإنه ينفذ الوظائف التالية: دائرة تقسيم التردد وتوليد إشارات التحكم لمحول A/D. يحتوي نظام الحصول على البيانات هذا على نطاق قياس واسع نسبيًا. تم تصميم دائرة تقسيم التردد داخل FPGA لتحقيق ترددات مختلفة. حدد ترددات أخذ عينات مختلفة للإشارة المقاسة لضمان جمع بيانات أكثر دقة. يتم تنفيذ مخطط الهيكل الداخلي لوحدة تقسيم التردد باستخدام طريقة الإدخال الرسومية كما هو موضح في الشكل 4. في الشكل 4، عندما يكون دخل T flip-flop هو 1، سيقفز الخرج عند وصول كل حافة ساعة لتحقيق التردد قسم. في الوقت نفسه، يمكننا أن نرى أن مدخلات T flip-flop تتكون من بعض المجموعات المنطقية، والتي تشكل الساعة المسورة. بالنسبة للساعات المسورة، قم بتحليل وظيفة الساعة بعناية لتجنب آثار الأخطاء. عندما تستوفي الساعة المسورة الشرطين التاليين، يمكنها التأكد من أن إشارة الساعة لا تحتوي على خلل خطير، ويمكن أن تعمل الساعة المسورة بشكل موثوق مثل الساعة العالمية.
بالنسبة لمحول A/D في هذا التصميم، هناك إشارتان فقط للتحكم: إشارة دخل الساعة CLK وإشارة تمكين الإخراج OE. تقوم إشارة CLK بإدخال إشارة 60M مباشرة من خلال مذبذب الكريستال النشط، بينما يتم الحصول على إشارة OE عن طريق عكس إشارة الساعة بنفس التردد والمرحلة مثل CLK داخل FPGA، والتي يمكن أن تلبي فقط علاقة توقيت التحويل الخاصة بـ A/D محول.
تحويل A/D عالي السرعة؛ دائرة كهربائية
أهم دائرة في راسم الذبذبات الرقمي هي دائرة التحويل A/D. وتتمثل وظيفتها في أخذ عينات من الإشارة المقاسة وتحويلها إلى إشارة رقمية وتخزينها في الذاكرة. وليس من المبالغة أن نقول إنه حلق الذبذبات الرقمية، لأنه يحدد بشكل مباشر أعلى تردد يمكن أن يقيسه الذبذبات الرقمية. وفقا لنظرية نيكويست، يجب أن يكون تردد أخذ العينات على الأقل ضعف أعلى تردد للإشارة المقاسة لإعادة إنتاج الإشارة المقاسة. في راسم الذبذبات الرقمي، يجب أن يكون تردد أخذ العينات على الأقل 5 إلى 8 أضعاف تردد الإشارة التي يتم قياسها، وإلا لا يمكن ملاحظة الشكل الموجي للإشارة على الإطلاق.
