راه حل های کاربرد و طراحی مدار اسیلوسکوپ الکترونیکی دیجیتال

راه حل های کاربرد و طراحی مدار اسیلوسکوپ الکترونیکی دیجیتال

اسیلوسکوپ های الکترونیکی ابزاری هستند که به طور گسترده توسط مهندسان در آزمایشگاه ها، کارخانه ها و در محل استفاده می شود. در واقع اسیلوسکوپ های الکترونیکی نیز محصولاتی هستند که بیشترین حجم فروش و بیشترین حجم فروش را در بین دستگاه های تست و اندازه گیری الکترونیکی دارند. از اواخر دهه 1930 تا اوایل دهه 1940، با هدایت بازارهای به سرعت در حال توسعه پخش تلویزیونی و محدوده رادار، اسیلوسکوپ الکترونیکی آنالوگ اساساً نهایی شد و به چهار بخش تقسیم شد: تقویت عمودی، اسکن افقی، هماهنگ سازی ماشه و نمایشگر لوله اسیلوسکوپ (CRT) . . پهنای باند بلادرنگ اسیلوسکوپ های الکترونیکی آنالوگ در دهه 1970 به اوج 1000 مگاهرتز رسید. با ظهور فناوری دیجیتال و مدارهای مجتمع، اسیلوسکوپ‌های الکترونیکی آنالوگ تحت سلطه لوله‌های خلاء و مدارهای تقویت‌کننده باند پهن به تدریج با شروع در دهه 1980 جایگزین اسیلوسکوپ‌های الکترونیکی دیجیتال شدند. با توسعه انفجاری فناوری اطلاعات و بازارهای ارتباطات دیجیتال، پهنای باند بلادرنگ اسیلوسکوپ های الکترونیکی دیجیتال در دهه 1990 از 1 گیگاهرتز فراتر رفت. در دهه 2010 قرن بیست و یکم، اسیلوسکوپ های الکترونیکی دیجیتال نیز جهشی به جلو داشتند، با پهنای باند بلادرنگ بیش از 10 گیگاهرتز و پهنای باند نمونه برداری معادل به 100 گیگاهرتز.

ساختار مدار یک اسیلوسکوپ الکترونیکی دیجیتال ساده تر از یک اسیلوسکوپ الکترونیکی آنالوگ است. عمدتاً از چهار بخش تشکیل شده است: مبدل آنالوگ/دیجیتال (ADC)، ذخیره سازی/پردازنده شکل موج، مبدل دیجیتال/آنالوگ (DAC) و نمایشگر شکل موج کریستال مایع (LCD). اسیلوسکوپ های الکترونیکی آنالوگ باید یک پاسخ باند پهن از انتهای ورودی سیگنال تا انتهای صفحه نمایش شکل موج داشته باشند. با این حال، اسیلوسکوپ‌های الکترونیکی دیجیتال فقط به مبدل آنالوگ/دیجیتال جلویی نیاز دارند تا پاسخ پهنای باند مشابه سیگنال ورودی را داشته باشند و سپس پاسخ فرکانسی مدارهای مختلف بر این اساس کاهش می‌یابد. طبق اصل نمونه برداری، در شرایط بهینه، فرکانس نمونه برداری برابر با 2 برابر بالاترین فرکانس سیگنال آنالوگ ورودی است. پس از فیلتر شدن و پردازش اطلاعات دیجیتال خروجی ADC توسط DAC، شکل موج سیگنال ورودی را می توان بازتولید کرد. بدیهی است که فرکانس ساعت DAC می تواند بسیار کمتر از فرکانس نمونه برداری ADC باشد. علاوه بر این، به منظور کاهش سیگنال‌های aliasing ناشی از فیلتر و پردازش سیگنال، فرکانس نمونه‌برداری واقعی که توسط ADC اسیلوسکوپ الکترونیکی دیجیتال استفاده می‌شود، 4 برابر به جای 2 برابر بالاترین فرکانس سیگنال ورودی آنالوگ است.

در حال حاضر بالاترین سطح فرکانس نمونه برداری ADC به 20 گیگاهرتز و وضوح 8 بیت می رسد. اگر از دو ADC با فرکانس نمونه برداری 20 گیگاهرتز استفاده شود و بر روی محور زمان سوار شوند، یک تابع ADC معادل با وضوح 8 بیت و فرکانس نمونه برداری 40 گیگاهرتز به دست می آید. به عبارت دیگر، با یک ADC با فرکانس نمونه برداری 20 گیگاهرتز، می توان به پهنای باند پیاده سازی 10 گیگاهرتز دست یافت، اما وضوح آن تنها 8 بیت است. اگر میزان نمونه برداری از ADC مجاز به کاهش باشد، افزایش وضوح ADC دشوار نیست. برای مثال، یک ADC با نرخ نمونه‌برداری 1 مگاهرتز می‌تواند به وضوح 28-بیتی دست یابد. اسیلوسکوپ‌های الکترونیکی دیجیتال با پهنای باند بی‌درنگ بیش از 100 مگاهرتز، وضوح 8-بیتی را به طور کامل اتخاذ می‌کنند. به منظور بهبود وضوح، نمونه برداری های متعدد را می توان میانگین گرفت، اما زمان اندازه گیری نیز بر این اساس افزایش می یابد. اسیلوسکوپ‌های الکترونیکی دیجیتال با پهنای باند بی‌درنگ کمتر از 100 مگاهرتز می‌توانند محصولاتی با وضوح 8-بیت، 10-بیت، و 16-بیت یا بیشتر ارائه دهند.