Digitaalinen oskilloskooppi

Abstract

Tässä opinnäytetyössä selostetaan digitaaliseen oskilloskooppiin liittyviä suunnittelunäkökulmia sekä käytännön kytkentää.

Lähtökohtana on ollut suunnitella melko yksinkertainen digitaalinen oskilloskooppi, jossa on hyvät laajennusmahdollisuudet. Tässä työssä näyttöä ohjataan VGA-signaaleilla, mutta jatkokehittelyyn on jätetty varaa mm. USB-yhteydelle tietokoneeseen. USB-yhteys ja muut lisälaajennukset onnistuvat kytkentään jo alkuvaiheessa valitun FPGA-piirin avulla. Lisäksi piirille voidaan kehittää digitaalisia suodattimia sekä tehdä esimerkiksi fourierin muunnos signaalista.

Digitaalinen signaalinkäsittely edellyttää analogisen tulosignaalin muuntamista digitaaliseksi erityisellä AD-muuntimella, joka mittaa signaalin jännitetason miljoonia kertoja sekunnissa. AD-muunnin tarvitsee ns. laskostumisen estosuotimen, joka käytännössä estää näytteenottotaajuuden puolikasta suurempia taajuuksia häiritsemisestä mittausta.

Digitaalisen osan lisäksi laitteeseen on suunniteltu virtalähde, joka käyttää verkkojännitettä ja tuottaa laitteelle tarvittavat käyttöjännitteet.

The principles of designing a digital oscilloscope are described in this thesis in addition to explaining the basic concept of a digital oscilloscope. The subject of this thesis has risen from personal requirements for such device.

The primary goal was to design a relatively simple digital oscilloscope with good expansion capabilities for future development. Also component prices have been taken into account throughout the development to meet the student budget.

This oscilloscope uses VGA-output for the purpose of displaying measured signal on a standard computer screen. The display is driven by an FPGA-chip, which handles all the controlling functions of the digital oscilloscope. The FPGA also enables future development for other more complex functions, such as connecting the oscilloscope to a computer via USB-link. Other possible features include digital filtering of the signal and Fast Fourier Transform.

Processing the digital signal in any way requires converting the analog signal to digital form in a component called AD-converter. The AD-converter is a chip that measures the voltage of input over million times every second. The measured voltage is then converted into digital and outputted to the next stage, which is the FPGA in this case. AD-converter works more reliably if the analog input is first filtered with an anti-aliasing filter, which filters out frequencies higher than the Nyquist frequency.

The digital and analog processing parts require multiple operating voltages, which are created from the household voltage in the same device.