डिजिटल ऑसिलोस्कोप का कार्य सिद्धांत और संरचना
डिजिटल ऑसिलोस्कोप सिस्टम का हार्डवेयर हिस्सा एक हाई-स्पीड डेटा अधिग्रहण सर्किट बोर्ड है। यह दोहरे चैनल डेटा इनपुट को महसूस कर सकता है, और प्रत्येक चैनल की सैंपलिंग आवृत्ति 60Mbit/s तक पहुँच सकती है। कार्यात्मक रूप से, हार्डवेयर सिस्टम को निम्न में विभाजित किया जा सकता है: सिग्नल फ्रंट-एंड एम्पलीफिकेशन (FET इनपुट एम्पलीफायर) और कंडीशनिंग मॉड्यूल (वेरिएबल गेन एम्पलीफायर), हाई-स्पीड एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्जन मॉड्यूल (ADC ड्राइवर, ADC), FPGA लॉजिक कंट्रोल मॉड्यूल, क्लॉक डिस्ट्रीब्यूशन, हाई-स्पीड कंपेरिजन प्रोसेसर, माइक्रोकंट्रोलर कंट्रोल मॉड्यूल (DSP), डेटा कम्युनिकेशन मॉड्यूल, LCD डिस्प्ले, टच स्क्रीन कंट्रोल, पावर और बैटरी मैनेजमेंट और कीबोर्ड कंट्रोल।
इनपुट सिग्नल को प्रीएम्पलीफायर और गेन-एडजस्टेबल सर्किट द्वारा परिवर्तित करने के बाद, यह एक इनपुट वोल्टेज बन जाता है जो A/D कनवर्टर की आवश्यकताओं को पूरा करता है। A/D रूपांतरण के बाद डिजिटल सिग्नल को FPGA या अधिग्रहण मेमोरी में FIFO द्वारा बफर किया जाता है, और फिर संचार इंटरफ़ेस से होकर गुजरता है। इसे बाद के डेटा प्रोसेसिंग के लिए कंप्यूटर पर प्रेषित किया जाता है, या एकत्रित सिग्नल को सीधे माइक्रोकंट्रोलर द्वारा LCD स्क्रीन पर प्रदर्शित करने के लिए नियंत्रित किया जाता है।
संदर्भ उपकरण इस प्रकार हैं:
इन भागों में, सबसे महत्वपूर्ण हैं प्रोग्रामेबल एम्पलीफिकेशन (क्षीणन) सर्किट और ए/डी रूपांतरण सर्किट, क्योंकि ये दो सर्किट डिजिटल ऑसिलोस्कोप के गले हैं, और प्रोग्रामेबल एम्पलीफिकेशन (क्षीणन) सर्किट ऑसिलोस्कोप के इनपुट बैंडविड्थ और ऊर्ध्वाधर रिज़ॉल्यूशन को निर्धारित करता है। , ए/डी रूपांतरण सर्किट ऑसिलोस्कोप के क्षैतिज रिज़ॉल्यूशन को निर्धारित करता है, और ये दो रिज़ॉल्यूशन सीधे एक ऑसिलोस्कोप के प्रदर्शन को निर्धारित करते हैं। सर्किट के ये दो भाग मापे गए सिग्नल को बाद के प्रोसेसिंग सर्किट द्वारा आवश्यक डेटा सिग्नल में परिवर्तित करते हैं। सर्किट का यह हिस्सा उच्च-प्रदर्शन एकीकृत सर्किट और परिधीय उपकरणों की एक छोटी संख्या से बना हो सकता है। सर्किट डिजाइन सरल है और डिबगिंग भी बहुत सरल है। यह सॉफ्टवेयर डिजिटल ऑसिलोस्कोप के सभी डेटा प्रोसेसिंग और नियंत्रण कार्यों के लिए जिम्मेदार है, जिसमें A/D सैंपलिंग नियंत्रण, क्षैतिज स्वीप गति नियंत्रण, ऊर्ध्वाधर संवेदनशीलता नियंत्रण, डिस्प्ले प्रोसेसिंग, पीक-टू-पीक माप, आवृत्ति माप और अन्य कार्य शामिल हैं। आप माइक्रोप्रोसेसर के रूप में बाजार में एक बहुत ही सामान्य माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग कर सकते हैं और इसे लागू करने के लिए C भाषा प्रोग्रामिंग का उपयोग कर सकते हैं।
प्रोग्रामयोग्य प्रवर्धन (क्षीणन) सर्किट और विद्युत आपूर्ति सर्किट
सिग्नल एक सामान्य X10X1 ऑसिलोस्कोप जांच द्वारा इनपुट किया जाता है और प्रवर्धन (क्षीणन) सर्किट में प्रवेश करता है। प्रोग्राम-नियंत्रित प्रवर्धन (क्षीणन) सर्किट का कार्य इनपुट सिग्नल को बढ़ाना या कम करना है ताकि आउटपुट सिग्नल वोल्टेज ए/डी कनवर्टर की इनपुट वोल्टेज आवश्यकता सीमा के भीतर हो ताकि सर्वोत्तम माप और अवलोकन प्रभाव प्राप्त हो सके। इसलिए, प्रोग्राम-नियंत्रित एम्पलीफायर सर्किट निर्दिष्ट बैंडविड्थ के भीतर संचालित होता है। इसके भीतर लाभ समतल होना चाहिए। चूंकि ऑसिलोस्कोप सर्किट में दो भाग होते हैं, डिजिटल और एनालॉग, इसलिए आपसी हस्तक्षेप से बचने के लिए, डिजिटल भाग की बिजली आपूर्ति और एनालॉग भाग की बिजली आपूर्ति को अलग कर दिया जाता है। क्रमशः ±5V डीसी बिजली आपूर्ति का एक सेट प्रदान किया जाता है, और प्रेरकों और कैपेसिटर से बने फिल्टर द्वारा अलग किया जाता है।
फ्लैश मेमोरी और घड़ी सर्किट
क्योंकि A/D कनवर्टर द्वारा कैप्चर किए गए सिग्नल डेटा की मात्रा बड़ी है, माइक्रोकंट्रोलर के अंदर फ्लैश मेमोरी पर्याप्त नहीं है, इसलिए सर्किट कुछ बाहरी मेमोरी का उपयोग कर सकता है।
साथ ही, इसका उपयोग एलसीडी पर लिखने के लिए कैश के रूप में भी किया जाता है। संदर्भ घड़ी संकेत प्राप्त करने के लिए, माइक्रोकंट्रोलर बाहरी तरंग संकेत की वास्तविक आवृत्ति की गणना करने के लिए एक क्रिस्टल ऑसिलेटर से भी जुड़ा होता है।
एफपीजीए नियंत्रण इकाई
प्रोग्रामेबल लॉजिक डिवाइस FPGA एक अर्ध-कस्टम ASIC है जो सर्किट डिज़ाइनरों को एप्लिकेशन-विशिष्ट फ़ंक्शन को लागू करने के लिए खुद को प्रोग्राम करने की अनुमति देता है। यह डिज़ाइन योजनाबद्ध इनपुट और VHDL भाषा इनपुट के दो अलग-अलग तरीकों का उपयोग करता है। नियंत्रण इकाई अधिकांश नियंत्रण कार्यों को वहन करती है और पूरे सिस्टम की शुद्धता सुनिश्चित करने के लिए प्रत्येक कार्यात्मक मॉड्यूल के लिए संबंधित नियंत्रण संकेत प्रदान करती है। विशेष रूप से, यह निम्नलिखित कार्यों को लागू करता है: आवृत्ति विभाजन सर्किट और A/D कनवर्टर के लिए नियंत्रण संकेत उत्पन्न करना। इस डेटा अधिग्रहण प्रणाली में अपेक्षाकृत व्यापक माप सीमा होती है। विभिन्न आवृत्तियों को प्राप्त करने के लिए FPGA के अंदर एक आवृत्ति विभाजन सर्किट डिज़ाइन किया गया है। अधिक सटीक डेटा संग्रह सुनिश्चित करने के लिए मापे गए सिग्नल के लिए अलग-अलग नमूना आवृत्तियों का चयन करें। आवृत्ति विभाजन इकाई का आंतरिक संरचना आरेख चित्र 4 में दिखाए गए अनुसार ग्राफ़िक इनपुट विधि का उपयोग करके कार्यान्वित किया जाता है। चित्र 4 में, जब T फ़्लिप-फ्लॉप का इनपुट 1 होता है, तो प्रत्येक क्लॉक एज के आने पर आउटपुट फ़्रीक्वेंसी विभाजन को प्राप्त करने के लिए कूद जाएगा। उसी समय, हम देख सकते हैं कि T फ़्लिप-फ्लॉप का इनपुट कुछ तार्किक संयोजनों से बना है, जो गेटेड क्लॉक का गठन करता है। गेटेड क्लॉक के लिए, गड़बड़ियों के प्रभाव से बचने के लिए क्लॉक फ़ंक्शन का सावधानीपूर्वक विश्लेषण करें। जब गेटेड क्लॉक निम्नलिखित दो शर्तों को पूरा करता है, तो यह सुनिश्चित कर सकता है कि क्लॉक सिग्नल में खतरनाक गड़बड़ियाँ नहीं हैं, और गेटेड क्लॉक वैश्विक क्लॉक की तरह ही मज़बूती से काम कर सकता है।
इस डिज़ाइन में A/D कनवर्टर के लिए, केवल दो नियंत्रण संकेत हैं: क्लॉक इनपुट सिग्नल CLK और सक्षम आउटपुट सिग्नल OE। CLK सिग्नल सीधे सक्रिय क्रिस्टल ऑसिलेटर के माध्यम से 60M सिग्नल इनपुट करता है, जबकि OE सिग्नल FPGA के अंदर CLK के समान आवृत्ति और चरण के साथ क्लॉक सिग्नल को उलट कर प्राप्त किया जाता है, जो A/D कनवर्टर के रूपांतरण समय संबंध को पूरा कर सकता है।
उच्च गति ए/डी रूपांतरण; सर्किट
डिजिटल ऑसिलोस्कोप में सबसे महत्वपूर्ण सर्किट ए/डी रूपांतरण सर्किट है। इसका कार्य मापे गए सिग्नल को सैंपल करना और डिजिटल सिग्नल में बदलना और उसे मेमोरी में स्टोर करना है। यह कहना अतिशयोक्ति नहीं होगी कि यह डिजिटल ऑसिलोस्कोप का गला है, क्योंकि यह सीधे उस उच्चतम आवृत्ति को निर्धारित करता है जिसे एक डिजिटल ऑसिलोस्कोप माप सकता है। नाइक्विस्ट प्रमेय के अनुसार, मापे गए सिग्नल को पुन: पेश करने के लिए नमूना आवृत्ति मापे गए सिग्नल की उच्चतम आवृत्ति से कम से कम दोगुनी होनी चाहिए। एक डिजिटल ऑसिलोस्कोप में, नमूना आवृत्ति मापी जा रही सिग्नल की आवृत्ति से कम से कम 5 से 8 गुना होनी चाहिए, अन्यथा सिग्नल की तरंग को बिल्कुल भी नहीं देखा जा सकता है।
