Loco homebrew 500 MHz 1 Gs / s osciloscopio posible?

Estaba leyendo la sonda de alcance USB: solicitud de comentarios e ideas , y me hizo pensar. Lo que realmente me gustaría es un osciloscopio de muy alto rendimiento, uno que costaría aproximadamente $ 10000. Seguramente a muchas otras personas les gustaría uno también. Y seguramente, con la experiencia disponible en este sitio, debería ser posible diseñar uno de código abierto.

Aquí está mi idea:

• Sería una sonda de alcance de mano con un cable USB que sale.
• Funciona con pilas para aislarlo de la alimentación USB.
• ¿La etapa de entrada es un amplificador operacional de alta velocidad, como THS3201DBVT ?
• ADC es algo así como ASD5010 , que tiene un ancho de banda de entrada de 1 Gs / sy 650 MHz.
• FPGA para manejar los datos de 32 bits que salen, disparar y empaquetarlos en el USB.
• Software de código abierto para ejecutar en la PC.

¿Es esto un mandado tonto? ¿Qué me estoy perdiendo?

Añadido, más detalles en respuesta a las respuestas:

• Este alcance no podría competir con los sofisticados y costosos alcances que existen. El objetivo principal es tener algo que permita examinar las señales de alta velocidad, mientras que a alguien le cuesta menos de $ 200.
• Ancho de banda USB: este no es un alcance analógico, ni es un LeCroy elegante . Sin embargo, el USB es bastante capaz de transferir 2k muestras a 60 Hz. Esto todavía lo hace extremadamente útil, aunque podría no ser capaz de capturar eventos transitorios entre esos cuadros.
• Una pantalla clara y receptiva. Bueno, el monitor de una PC es ciertamente claro. Mejor que casi todos los ámbitos del mercado. Entonces, la claridad y el tamaño no son problemas. ¿Sensible? Siempre que la pantalla se pueda actualizar a 60 Hz, creo que responde bastante bien.
• Disparo: Estaba imaginando un disparo de nivel simple en el dispositivo. Una vez más, no podría competir con ámbitos sofisticados, pero recuerde: se supone que este es un dispositivo de $ 200.
• No se supone que tenga un ancho de banda de 1 GHz. ¿Dónde dije eso? ¿Pero seguramente podría tener más de 100 MHz de ancho de banda?

Llévate puntos a casa:

• Es un dispositivo de $ 200.
• El objetivo principal del dispositivo es hacer posible ver señales de alta velocidad sin gastar $ 10000.
• Habría muchas cosas que no podría hacer.
• Seguramente algo como esto sería bastante útil para las personas aquí.
• Seguramente, con la experiencia disponible en este sitio, ¿podríamos hacerlo realidad?

Esto se reduce a una cuestión de ancho de banda y latencia. Para un sistema simple, supongamos una sonda con un ancho de banda de 100 MHz con una velocidad de muestreo de 1GS / sy un convertidor A / D de 10 bits (he tenido malas experiencias con ámbitos de 8 bits).

Quiero una pantalla en tiempo real en la PC con una ventana de muestreo mínima de digamos 10ns - 1 ciclo de una onda sinusoidal de 100MHz y una ventana máxima de (seré generoso en esto) medio segundo. En otras palabras, el ajuste de tiempo más bajo será algo así como 1ns / div y el más alto es .05s / div. También quiero varios modos de voltaje: rango de 100mV hasta 20V, digamos.

¿Qué tipo de tasas de datos implica esto?

1Gs / s * 10 bits / muestra = 10Gbits / s

Esas no son velocidades USB. Lejos de ahi. Y ni siquiera tuve en cuenta los gastos generales. En primer lugar, simplemente no tienes el ancho de banda. Y tampoco es solo ancho de banda. Para su visualización en tiempo real, debe ser coherente. Debe transferir 100 bits a su capa de aplicación cada 10 nano segundos. Ese tipo de consistencia no se puede obtener desde USB. No está diseñado para atender a un dispositivo con demandas extravagantes, está diseñado como un autobús. Y no puede controlar cuándo es dueño del autobús: los dispositivos son solo esclavos. Si el host permite que otro dispositivo hable cuando necesita enviar datos, estos se pierden.

Puede estar llorando mal, ¿por qué transferir datos en tiempo real a la computadora cuando el 'tiempo real' para una persona es 60Hz? Si todo lo que necesita hacer es actualizar la pantalla, ciertamente no necesita tanta información. Excepto que lo haga, su pantalla es una combinación lineal de todas las muestras que ha recopilado. Interpolación de spline cúbica aproximada, media cuadrática aproximada, no importa. Para hacer una bonita pantalla bonita que no sea solo un montón de puntos, necesita la mayoría de todos esos datos y debe publicar el proceso. ¿Alguna provocación? Los cálculos deben hacerse en el host, en la capa de aplicación. No importa de qué manera lo corte, para pantallas en tiempo real a velocidades de 1GS / s para cualquier precisión que valga la pena, debe transferir órdenes de magnitud más datos de los que puede manejar el USB y debe hacerlo de manera más confiable que usted '

¿Cuáles son las formas de evitar esto? No haga una visualización en tiempo real. Algunos ámbitos USB solo ofrecen modos activados. El disparo se maneja en el dispositivo y cuando se encuentra un disparador, los datos se recopilan en un búfer. Cuando el búfer se llena, el osciloscopio USB lo transfiere lentamente a la aplicación y luego la aplicación lo muestra. Eso es suficiente para un gran uso del alcance, pero no es en tiempo real. Y la transferencia, eso también lleva un tiempo. Es inconveniente Y generalmente los conductores apestan. Se nota que he tenido malas experiencias.

Siempre me he preguntado por qué Firewire no se usó para los ámbitos. Evita algunos de los dolores de cabeza de USB. Es de igual a igual, ofrece modos isócronos (sincronización constante) y tiene un ancho de banda relativamente alto. Es posible que pueda hacer un alcance de 10MHz en tiempo real más o menos con eso.

Para abordar sus puntos después de la edición:

• La usabilidad de un alcance aumenta enormemente con el precio. Cuando saltas de un alcance USB de $ 200 a un equipo autónomo de $ 500, obtienes enormes aumentos en las características y la funcionalidad básica. ¿Por qué gastar solo $ 200 cuando por un poco más puede obtener un alcance real? Ahora que China ha abierto las compuertas de alcances baratos y efectivos, hay pocas razones para querer ahorrar $ 300 que lo frustrarán más tarde. Los ámbitos 'elegantes' que tienen estas características son baratos hoy en día.

• Sí, limitar su transferencia de datos para proporcionar solo datos consistentes de alrededor de 60Hz será más fácil con USB, pero eso todavía no es algo que desee hacer. No se olvide de sus clases de DSP: solo tomar ciertos datos de la transmisión equivale a la aniquilación. Cuando diezma, debe agregar filtros antialiasing. Cuando haces eso, pierdes ancho de banda. Esto hace que su alcance sea menos útil: limitará su ancho de banda en la pantalla en tiempo real (y solo para los modos activados en tiempo real estaría bien) a mucho menos que el ancho de banda de su front-end analógico. La gestión de los aspectos de procesamiento de señal de un osciloscopio es un asunto complicado.

• ¿Pantalla sensible y clara? La PC? No consistentemente Independientemente de cómo lo haga, debe almacenar los datos en el búfer. Como dije antes, el USB no garantiza cuándo pasan sus datos. Lo diré de manera diferente: el USB no está diseñado para admitir la transferencia de datos en tiempo real. Claro, para cantidades suficientemente pequeñas de datos a grandes intervalos puede obtener un buen rendimiento, pero no un rendimiento constante. USARÁ el almacenamiento en búfer y, de vez en cuando, extrañará transferir su búfer de manera oportuna. Luego, la pantalla se salta, los datos están obsoletos, etc. etc. Las pantallas claras y receptivas en tiempo real requieren enlaces de datos en tiempo real, punto.

• Activación simple: nuevamente, volvemos a los costos versus la complejidad versus la capacidad de respuesta. Para activar el dispositivo para detectar transitorios, su dispositivo no puede ser simplemente una tubería de datos tonta que transfiere muestras de manera irresponsable a través de USB. Tienes que almacenar en búfer, buffer, muestras de buffer en el dispositivohasta que vea su condición desencadenante. Eso significa que necesita memoria e inteligencia en su dispositivo, ya sea un FPGA grande o un microcontrolador grande. Eso agrega tamaño y espacio. Si usa un FPGA, debe equilibrar la cantidad de lógica de activación con su necesidad de mucha RAM para el espacio de búfer. Por lo tanto, su búfer es más pequeño de lo que ya quisiera. Eso significa que obtienes una cantidad minúscula de datos alrededor de tu punto de activación. A menos que agregue memoria externa, puede hacer más. Sin embargo, eso aumenta el tamaño y el costo de su dispositivo; esto ciertamente no será solo una sonda con un cable USB conectado.

• Tendría suerte de obtener un ancho de banda de 100MHz, generalmente 10 veces la frecuencia de muestreo se considera el límite mínimo para el ancho de banda. Entonces, si tiene una velocidad de muestreo de 1GS / s que apenas obtiene un ancho de banda de 100MHz. No puede obtener más: una onda cuadrada de 200MHz se verá como una onda sinusoidal de 200MHz. Eso apesta. Eso es tonto: no está cerca del nivel profesional.

Su otro conjunto de puntos:

• $ 200? ¿Cómo te imaginas? ¿Cuál es la lista de partes?
• Los buenos alcances para leer señales de alta velocidad no cuestan miles de dólares. Cuestan quizás mil dólares. 100MHz es un juego de niños en el departamento de alcance y su idea ni siquiera alcanzará ese punto de referencia, así como un alcance de $ 1000
• Sí, por la forma en que lo describe sería muy limitado. Los aspectos técnicos de incluso los pocos requisitos que tiene significan un dispositivo muy limitado.
• No sería tan útil como el alcance de $ 1100 que compré con un analizador lógico y un ancho de banda analógico de 60MHz. Prefiero pagar por mi equipo de prueba que juega con juguetes para niños intencionalmente limitados.

Vives y mueres por tu equipo de prueba como ingeniero. Si no está seguro, puede confiar en que está perdiendo el tiempo. Dada la falta de experiencia que ha demostrado sobre la comunicación de alta velocidad, el procesamiento de señales y la potencia del procesamiento integrado (en FPGA o microcontroladores), no apostaría que está dispuesto a diseñarlo usted mismo y nadie más que haya respondido es nada aparte de ambivalente.

Si hubiera un conjunto de requisitos mejor orientado que satisficiera una necesidad real en la comunidad que no estaba siendo atendida, podría ver que es técnicamente factible que estaría a bordo. Pero sus vagos requisitos no parecen investigados. Debe hacer una encuesta de las opciones disponibles para los aficionados: qué ámbitos USB y autónomos están utilizando las personas, cuáles son sus fortalezas y debilidades, y determinar si no se están llenando los nichos. De lo contrario, esto es solo fantasear.

No querrá que esté en un formato de sonda portátil, ya que un solo alcance de canal no es muy útil. El costo adicional de 2 canales (incluso si modifica el ADC) es un pequeño porcentaje de costo adicional, pero un gran aumento en la utilidad.

A menos que desee extraer más de 500 mA, no hay razón para usar una batería, ya que podría tener un convertidor DC-DC aislado. Sin embargo, obtener un ancho de banda alto a través de una barrera de aislamiento no es trivial.

Bueno, hay un par de problemas aquí. Si tomamos como nuestro estándar de referencia un alcance analógico de 1 GHz (como un buen Tektronix), este alcance propuesto sufrirá de las siguientes maneras:

1) el ASD5010 es un convertidor de 8 bits. 8 bits no es suficiente para poder competir con un buen alcance analógico.

2) No confunda la frecuencia de muestreo con el ancho de banda analógico. Para el chip que seleccionó, el ancho de banda analógico equivalente probablemente estaría mucho más cerca de 100 MHz que 1 GHz.

Esto no quiere decir que no sea posible construir tal alcance, uno puede comprar claramente uno que cumpla con estas especificaciones comercialmente. No es trivial lograr un ancho de banda de 1 GHz, y se requeriría ingeniería especial y mejores partes.

Los ADC de 8 bits son bastante comunes en los osciloscopios, sin embargo, la técnica de usar los ADC es un poco diferente. Como he visto algunos ámbitos internos, el caso común es usar 4 chips ADC, cada uno de ellos sincronizado con un incremento de fase de 90 grados, por lo que obtienes 4x muestras por ciclo de reloj y es por eso que la frecuencia de clk es bastante baja, pero el ancho de banda de datos es alto. De todos modos, dicho proyecto terminará en más pérdida de dinero que la compra de un nuevo alcance :-) Sin embargo, podría ser una buena práctica para el autoaprendizaje. OTOH, piense en el lado analógico del alcance. Esa parte es muy difícil y muy difícil de hacer.

Otros asuntos:

• protección : para asegurarse de que no quiere que se rompa el primer tiempo, erróneamente pone 20-30 V a la entrada;

• calibración : incluso con una precisión de 8 bits, aún debe controlar el error dentro de 1/256 = 0.4% en general; no trivial con componentes estándar;

• filtrado de ruido : tiene que estar protegido y filtrado, y no es suficiente porque también es probable que el FPGA genere ruido, por lo que debe separar el dominio analógico y digital.

De todos modos, sobre la conexión USB, creo que es más funcional procesar internamente los datos y conectarlos directamente a la pantalla.