High Speed Oscilloscope!

[phanbobo]

Một trong những thiết bị tối cần thiết với những người làm về điện tử là Oscilloscope hay còn gọi là máy hiện sóng. Nhưng giá của nó hiện nay vẫn còn là quá đắt hay thậm chí phải nói là rất rât đắt.Với những Oscilloscope rẻ tiền thì cũng 3-4 triệu nhưng nó cũng không đáp ứng được nhu cầu bởi nhiều nguyên nhân mà chủ yếu là nguyên nhân dải đo tần số quá thấp. Vậy thì tại sao các cao nhân trong diễn đàn không cùng nhau thiết kế một Oscilloscope để giúp ích cho thế hệ trẻ nhỉ và cũng là giúp ích cho đất nước mình. Để thiết kế một Oscilloscope với tần số 20Mhz không phải là quá khó với các cao nhân trên diễn đàn này. Chúng ta hãy bắt đầu xây dựng một Oscilloscope kết nối vào máy tính.

[phanbobo]

Bước đầu tiên: Xác định linh kiện dùng cho mạch
Tôi cứ tạm đưa ra những linh kiện này:
- CPLD để làm giao diện với ADC tốc độ cao(XC9572:100N)
- ADC chọn một con tốc độ cao nào đó (VD MAX1002 60Msps 2 kênh giá khoảng 4$-60N)
- Chọn một vi điều khiển nào đó cố tốc độ cao và có giao diện USB : PIC18F4550 (100N)
- Chọn con khuyếch đại đầu vào cho kênh vi sai đầu tiên:
+JFET kênh N-OAMP tốc độ cao
Tôi không biết loại linh kiện này ở VN chờ cao nhân chỉ lối (bác Quế Dương ra tay đi)
- Chọn chuyển mạch AC/DC đầu vào (Relay 5V- 5N một con -cần 2 con->10N)
- Chọn chuyển mạch chuyển nấc thang đo (Relay 5V- 5N một con-cần 8 con ->40N)
- Que đo cho 2 kênh là 250N (17 Hàn Thuyên)
- Thạch anh tạo dao động 64Mhz (4 chân-20N)
- Cáp nối USB (20N)
- Nguồn (15N)
- Mạch in (35N/dm2) chắc khoảng >1dm2-> khoảng 50N
- Các tụ, trở, Ferite và linh kiện còn lại khoảng 100N
Vậy giá tất cả cho một Oscilloscope 60Mhz tầm khoảng 800N (chưa kể tiền mua OAMP tốc độ cao và JFET)-> quá rẻ!
Vậy chúng ta hãy cùng nhau xây dựng nó nhé!

[phanbobo]

Bước thứ 2:Thiết kế mạch :
Mạch có thể gồm những phần sau:
- Khối analog in (gồm chuyển mạch AC/DC,tiền khuyếch đại, chuyển mạch tỷ lệ, giao tiếp điều khiển v.v.)
- Khối mạch triger (lấy tín hiệu triger cho mạch ADC)
- Khối mạch ADC (2 kênh 6 bit -60->90 Msps)
- Khối mạch số tốc độ cao (XC9572-144pins)
- KHối mạch giao tiếp với máy tính qua USB(18F4550)
- Khối mạch nguồn
Trên đây là các khối cơ bản, khi thiết kế thực có thể sẽ sinh thêm nhiều!

[phanbobo]

Bước thứ 3:Thiết kế phần mềm và Driver trong Window
- Vì PIC18F4550 được Microchip hỗ trợ rất nhiều nên có thể giao tiếp rất dễ dàng.Chúng ta sử dụng phần mềm Windriver để thực hiện viết phần mềm hiện sóng trên PC). Sử dụng VC6.0 để viết giao diện phần mềm trên PC.
- Phần mềm gồm nhiều phần:
+ Điều khiển PIC đóng mở các chuyển mạch relay(AC/DC ,tỷ lệ điện áp vào)
+ Hiện dạng sóng trên màn hình
+ Phân tích phổ + logic
+ Giao tiếp với PIC qua USB
+ Lưu và ghi số liệu
Trên đây là những bước cơ bản. Hy vọng mọi người góp ý thêm!

[phanbobo]

Thiết kế khối Analog in:
Do khối này phải đảm bảo yêu cầu trở kháng vào cao, điện dung vào thấp, tần số hoạt động cao và ít nhiễu nên chúng ta chọn JFET kênh N để thực hiện khuyếch đại tín hiệu đầu vào. Tôi có ý định chọn sơ đồ mạch khuyếch đại vi sai để làm mạch khuyếch đại đầu vào vì nó có trở kháng vào cao, đáp ứng tần số tốt, độ trôi nhiệt thấp.v.v.Vậy chọn linh kiện nào để đáp ứng được yêu cầu này?(Bác Quế Dương ơi!)

[phanbobo]

Thiết kế khối mạch Triger:
Đây là khối mạch quan trọng nhất trong Oscilloscope bởi tuy nó đơn giản nhất xong lại mang tính quyết định đến cách làm việc của Oscilloscope
Khuyếch đại đầu vào của khối Triger theo tui là dùng OAMP tốc độ cao.Thiết kế theo kiểu so sánh với tín hiệu ra trên khối Analog in .Đầu ra trên khối Analog in là 2 kênh tuy nhiên vì kênh triger chỉ có 1 nên phải có một chuyển mạch ở đây.
chúng ta hãy khảo sát mạch sau:

[thaithutrang]

Bước đầu tiên: Xác định linh kiện dùng cho mạch
Tôi cứ tạm đưa ra những linh kiện này:
- CPLD để làm giao diện với ADC tốc độ cao(XC9572:100N)
- ADC chọn một con tốc độ cao nào đó (VD MAX1002 60Msps 2 kênh giá khoảng 4$-60N)
- Chọn một vi điều khiển nào đó cố tốc độ cao và có giao diện USB : PIC18F4550 (100N)
- Chọn con khuyếch đại đầu vào cho kênh vi sai đầu tiên:
+JFET kênh N-OAMP tốc độ cao
Tôi không biết loại linh kiện này ở VN chờ cao nhân chỉ lối (bác Quế Dương ra tay đi)
- Chọn chuyển mạch AC/DC đầu vào (Relay 5V- 5N một con -cần 2 con->10N)
- Chọn chuyển mạch chuyển nấc thang đo (Relay 5V- 5N một con-cần 8 con ->40N)
- Que đo cho 2 kênh là 250N (17 Hàn Thuyên)
- Thạch anh tạo dao động 64Mhz (4 chân-20N)
- Cáp nối USB (20N)
- Nguồn (15N)
- Mạch in (35N/dm2) chắc khoảng >1dm2-> khoảng 50N
- Các tụ, trở, Ferite và linh kiện còn lại khoảng 100N
Vậy giá tất cả cho một Oscilloscope 60Mhz tầm khoảng 800N (chưa kể tiền mua OAMP tốc độ cao và JFET)-> quá rẻ!
Vậy chúng ta hãy cùng nhau xây dựng nó nhé!

Nếu chọn CPLD thì em nghĩ gặp vấn đề RAM, em cũng ko thấy anh nói đến việc ghép RAM. Nữa là anh ko thể lấy 1 mẫu xong bắt PIC nhận luôn bởi ko PIC ko đủ tốc. Bởi thế chỉ có cách khối FPGA nhận một mảng N dữ liệu rồi từ từ chuyên sang PIC. Nên chăng anh chọn các con FPGA tốt nhất kiểu Dual port RAM sẽ thích ứng với ứng dụng này hơn.
Chọn nấc thang đo thì dùng analog sw + DAC sẽ được dải đo rộng hơn, hay hơn, mềm dẻo hơn.

[thaithutrang]

Thiết kế khối mạch Triger:
Đây là khối mạch quan trọng nhất trong Oscilloscope bởi tuy nó đơn giản nhất xong lại mang tính quyết định đến cách làm việc của Oscilloscope
Khuyếch đại đầu vào của khối Triger theo tui là dùng OAMP tốc độ cao.Thiết kế theo kiểu so sánh với tín hiệu ra trên khối Analog in .Đầu ra trên khối Analog in là 2 kênh tuy nhiên vì kênh triger chỉ có 1 nên phải có một chuyển mạch ở đây.
chúng ta hãy khảo sát mạch sau:

Tín hiệu ANAlog out thì nên lấy từ PWM--RC của PIC, như thế sẽ tiết kiệm được linh kiện.

[thaithutrang]

Về ADC thì theo em nên chọn 2 con rời nhau, vì nếu lấy mẫu 2 kênh xen kẽ sẽ rất dễ nhiễu do các quá trình chuyển mạch. Hơn nữa sẽ giảm tốc độ.
Trong các OSC số, ko ai làm 1 con ADC tích hợp đa kênh đâu.

[thaithutrang]

Ngoài ra, có cần thiết dùng khối triger ko(để đồng bộ )? theo em là ko cần thiết, bởi mình hoàn toàn có thể dùng phần mềm trên PC để làm tốt điều này.

[qmk]

Hihi, theo mình nghĩ chuyện đầu tiên khi thiết kế cái Osc thì phải tìm hiều cái Osc thực chất nó làm gì bên trong. Thấy bàn luận thiết kế cảm tính quá.
Ví dụ nhé có USB 3.0 cũng không thể đọc và xử lý nối 20MByte (8bit) dữ liệu trong một s. Em Trang đòi dùng PC xử lý chắc siêu máy tính quá
Theo tôi bàn luận thiết kế thế này này:
- Spec
- Diagram
- Detail Diagram

[phanbobo]

Thực ra để thiết kế Oscilloscope thì có nhiều phương pháp nhưng phương pháp dùng CPLD là rẻ nhất!Dùng ADC Dual là để tiết kiệm tiền ADC(do nó rẻ hơn)

[phanbobo]

Về khối RAM thì em 3T (bánh mì ba tê ) nói rất đúng!Thiếu khối này thì không thể ghép ghi nhớ số liệu từ ADC ở tốc độ cao được. Có thể dùng FPGA(rất tốt) nhưng vì giá thành của FPGA quá cao nên tôi sử dụng CPLD.

[phanbobo]

Nếu dùng Triger số thì không thể thực hiện được chế độ repetive(quét lặp) nhằm tăng tốc độ lấy mẫu của ADC(có thể tăng đến 1Gsps-> thích hợp cho người làm về cao tần).Vì vậy nên dùng triger analog để có thể cải thiện tốc độ lấy mẫu.

[thaithutrang]

Hihi, theo mình nghĩ chuyện đầu tiên khi thiết kế cái Osc thì phải tìm hiều cái Osc thực chất nó làm gì bên trong. Thấy bàn luận thiết kế cảm tính quá.
Ví dụ nhé có USB 3.0 cũng không thể đọc và xử lý nối 20MByte (8bit) dữ liệu trong một s. Em Trang đòi dùng PC xử lý chắc siêu máy tính quá
Theo tôi bàn luận thiết kế thế này này:
- Spec
- Diagram
- Detail Diagram

Hihi.. có vẻ anh qmk chưa hiểu cách thức hoạt động của OSC gắn PC.
Có những cái OSC ghép qua RS232 tốc độ hàng trăm Msps.
Có những cái OSC ghép qua USB tới hàng Gsps.
Đây ko phải là cứ ADC lấy 1 mẫu rồi gửi về PC, mà có thể hiểu đơn giản như sau:
ADC lấy 1 mảng N mẫu rồi gửi về PC, PC xử lý hiển thị xong thì ADC lại lấy tiếp N mẫu...
Có thể dùng cơ chế dual port RAM để tăng tốc chút ít nhưng tựu trưng lại vẫn là cơ chế hiển thị ko liên tục