Construyendo un osciloscopio para aficionados

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Tengo un proyecto en el que he estado pensando durante un tiempo, y me di cuenta de que en algún momento durante su desarrollo, necesitaré un osciloscopio. De acuerdo, no hay problema.

En lugar de comprar un osciloscopio, he decidido que, al menos, me gustaría diseñar el mío y, con suerte, construir el resultado. Para simplificar las cosas, estoy pensando en usar una Raspberry Pi para hacer todos los cálculos y visualizaciones divertidos (no tengo ganas de implementar el FFT en un AVR, muchas gracias).

Cuanto más leo sobre los osciloscopios, más confuso estoy, para ser honesto. ¿Por qué un osciloscopio no es solo un ADC? Si tuviera que conectar algo como esto (con protección adecuada contra sobretensión y preamplificación) a un circuito en un extremo y una CPU adecuadamente programada en el otro, ¿no sería un osciloscopio?

[En el pasado, solo trabajé con circuitos digitales simples: ¡soy principalmente un científico teórico de la informática! - y ahora estoy tratando de entender la electrónica analógica en este momento. Como tal, me disculpo si la respuesta a esto es extremadamente obvia ...]

oscilloscope hobbyist Etéreo
fuente
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Puede ser útil comenzar estudiando algunos osciloscopios de código abierto existentes: algunos enlaces aquí , también vea esto . Con el RPi, su diseño de SoC cerrado requiere firmar NDA y convencer al fabricante de SoC para que le permita tener el tipo de información que pueda necesitar para que haga lo que desea. Algo así como un Tiva-C Launchpad, o mejor aún, el Beagle Bone Black podría ser un punto de partida más fácil por ese motivo. BBB tiene más que suficiente IO y poder de procesamiento, y buena documentación también.
Anindo Ghosh
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Incluso un osciloscopio económico de 100MHz puede tener una frecuencia de muestreo de 1GSps. Un ADC de 8 bits a 20 msps no va a ser bueno por mucho más de unos pocos MHz (Harry y Claude dicen que 10MHz es el límite absoluto). Debe poder obtener la información del ADC y ponerla en su procesador donde se pueda mostrar. Un front-end de calidad comercial tampoco es trivial. No quiero desanimarte, pero algo que construirás no tendrá el rendimiento de un Rigol de $ 350. Sin duda será un buen proyecto para aprender.
Spehro Pefhany
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¿Por qué crees que un osciloscopio requiere implementar la FFT?
Phil Frost
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Para un modelo de estudio, lo más importante a tener en cuenta además del ADC es el circuito de activación. Desea una pantalla estable, no una que se mueva todo el tiempo. Tienes que descubrir cómo comenzar a dibujar la ola cada vez exactamente en el mismo momento. Se puede hacer puede ser divertido y potencialmente aprenderás mucho de él. Probablemente la lección más importante será que los alcances digitales de calidad razonable son bastante baratos en estos días.
jippie
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Espero que tengas acceso a un osciloscopio, mientras construyes esto. :-p
Lyndon White

Respuestas:

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En esencia, un osciloscopio (digital) es solo un ADC, junto con algo de memoria para almacenar las muestras. Las muestras se leen de la memoria y se muestran.

Los problemas prácticos de implementación complican los osciloscopios comerciales. La señal de entrada debe escalarse adecuadamente para el rango del ADC, lo que significa que debe tener atenuadores y / o amplificadores que tengan valores de ganancia muy precisos que sean muy planos en un amplio rango de frecuencias (DC a 10s o 100s de MHz como mínimo) para medir formas de onda con una distorsión mínima.

Además, dependiendo de la aplicación, la frecuencia de muestreo del ADC debe ajustarse (con mucha precisión) en un amplio rango dinámico: 1 ns / muestra a 1 s / muestra (9 órdenes de magnitud) sería típico.

Luego está la cuestión de saber cuándo comenzar, o más importante, detener el muestreo; Esto se conoce como desencadenante. Las diferentes aplicaciones tienen diferentes necesidades de activación, y los ámbitos comerciales tienen una amplia selección para acomodarlos.

Dave Tweed
fuente
Es bueno ver que no estaba demasiado lejos de la marca, ¡gracias! Creo que esto aclara la mayor parte de mi confusión. Para tener una funcionalidad mínima (digamos, mostrar una onda cuadrada sin que la fase cambie innecesariamente en la pantalla), ¿cuál sería un subconjunto de mecanismos de activación para implementar? ¿O es una pregunta estúpida?
Etéreo
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En lugar de ajustar la frecuencia de muestreo del ADC, considere un filtro de diezmado digital en un FPGA o el software de visualización. Los diseños crudos que simplemente disminuyen la frecuencia de muestreo sufren de alias confuso que el operador debe descartar ya sea por el conocimiento de la señal o por el cambio experimental de la base de tiempo para verificar si la señal está sobremuestreada o submuestreada.
Chris Stratton
La activación cruda se puede hacer con un comparador analógico o digital, quizás con histéresis. Además, en un ámbito digital, generalmente se muestrea continuamente en un búfer circular mientras se espera que se dispare, y luego se detiene un período de tiempo después de que se cumpla la condición del disparador. Al ajustar la cantidad de muestreo posterior al desencadenante, puede quedarse con un búfer que incluye lo que sucedió antes y después del desencadenador.
Chris Stratton
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En un ámbito digital, la activación se puede realizar completamente en el dominio digital, aunque se necesita un firmware bastante sofisticado para superponer correctamente los resultados de los activadores repetitivos en una señal periódica. Los disparadores de un solo disparo son relativamente triviales.
Dave Tweed
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Es importante distinguir un proyecto de pasatiempo del equipo que está listo para usar, y tomar la decisión correcta para usted. Esto no tiene que ser la elección correcta para los demás.

Si lo que quiere es equipo para otro proyecto ESTE año, compraría uno. Podría ser nuevo o usado según sus requisitos y presupuesto.

Si lo que quieres es construir un osciloscopio como un pasatiempo o un proyecto educativo, ¡adelante! Les deseo una experiencia divertida y educativa. Aprenderás mucho Probablemente te encontrarás con personas que no dicen nada; dígales que pueden ahorrar mucho tiempo y dinero en sus próximas vacaciones, por ejemplo, al no ir a Europa y comprar un libro ilustrado. Se están perdiendo el punto!

Un osciloscopio digital (básico) en realidad está compuesto por un front-end (que incluye un ADC y quizás un circuito de disparo), una computadora integrada, una pantalla y un software.

Sugeriré que es probable que surjan los siguientes problemas:

  • Hora. Este proyecto te llevará un tiempo, dependiendo del rendimiento deseado, tu experiencia, etc.
  • Costo. Costará más que comprar uno de igual rendimiento.
  • Actuación. ¿Qué tipo de rendimiento estás buscando? Incluyendo rangos de entrada, resolución de tiempo, cuánto voltaje debe soportar el extremo frontal.
  • Pruebas. ¿Cómo lo vas a depurar? ¿Cómo comprobará que funciona correctamente?
  • La seguridad. ¿Qué sucede si sondea 120VCA o alcanza un voltaje más alto?
Tecnófilo
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Sabes que los europeos se divertirán con tus consejos de vacaciones, ¿verdad? :-)
RedGrittyBrick
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Creo que puede obtener algunas ideas del osciloscopio de almacenamiento digital AVR 10MHz 50MS / s .
Incluye esquemas completos y código fuente.

ingrese la descripción de la imagen aquí

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Utiliza un pequeño CPLD que lee los resultados de ADC y llena una RAM, luego usa un mcu AVR para leer los datos de RAM y enviarlos a una PC

También te puede resultar útil:

  • Los esquemas de Bitscope
  • El dsonano incluye esquemas completos y código fuente
  • Varios proyectos relacionados con DSO que utilizan FPGA o mcu se enumeran aquí

Hay un diagrama de bloques en la página del proyecto openDSO que debería ser útil para visualizar las secciones utilizadas en un DSO.

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alexan_e
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JYE Tech tiene un kit de osciloscopio de $ 49 :

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con las siguientes características:

5M samples/second
8 bit resolution
256 sample memory depth
1MHz analog bandwidth
100mV/Div-5V/Div sensitivity
1MΩ impedance
50Vpeak-to-peak max input voltage
DC/AC coupling
Save and display up to 6 captures to memory
Transfer screen capture to PC as a bitmap file (serial adapter not included)
Backlit LCD display
FFT function available

Sparkfun también lo lleva pero por $ 10 más.

Todos los componentes de montaje en superficie ya están soldados.

Utiliza un ATmega 64. Proporcionan el esquema y la lista de piezas en su sitio web si desea utilizarlos como una guía para rodar el suyo, pero dudo si podría hacerlo por cerca de $ 49. El código fuente del firmware también está disponible.

Por solo $ 30 más ($ 79.50) tienen una unidad ensamblada con un ancho de banda analógico de 5 MHz.

tcrosley
fuente
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Por lo que vale, ese es más o menos el rendimiento de un osciloscopio Heathkit de la década de 1950. AC-acoplado solamente (basado en tubo de vacío). theoldcatvequipmentmuseum.org/180/182/…
Spehro Pefhany
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Irónicamente, Heath presentó su primer kit de osciloscopio electrónico (el O1) en 1947, que también se vendió por $ 50. Pero eso sería un poco más de $ 500 en dólares de hoy.
tcrosley
Esto es extremadamente molesto de usar, porque no hay indicación de qué tan recientemente se ha disparado. Si un indicador parpadeara, o apareciera algo después de medio segundo para mostrar que la pantalla está obsoleta, sería mucho más útil, aunque dentro de las limitaciones de una muestra tan primitiva.
Chris Stratton
Dado que proporcionan el código fuente del firmware, probablemente podría agregar un indicador de activación a la pantalla sin demasiados problemas.
keshlam
Sin embargo, la fuente que proporcionan es un firmware más limitado que en el dispositivo.
Chris Stratton