Construindo um osciloscópio hobby

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Tenho um projeto em que estou pensando há um tempo e cheguei à conclusão de que, em algum momento do desenvolvimento, vou precisar de um osciloscópio. Ok, não há problema.

Em vez de comprar um osciloscópio, decidi que gostaria de - pelo menos - criar o meu próprio e, esperançosamente, construir o resultado. Para simplificar, estou pensando em usar um Raspberry Pi para fazer todos os cálculos e visualizações divertidos (não sinto vontade de implementar a FFT em um AVR, muito obrigado).

Quanto mais leio sobre os osciloscópios, mais confuso fico, para ser sincero. Por que um osciloscópio não é apenas um ADC? Se eu fosse para ligar algo como este (com proteção de sobre-tensão apropriada e pré-amplificação) para um circuito em uma extremidade e uma CPU apropriadamente programada por outro lado, isso não seria um osciloscópio?

[No passado, trabalhei apenas com circuitos digitais simples - sou principalmente um cientista da computação teórico! - e então estou tentando entender a eletrônica analógica agora. Como tal, peço desculpas se a resposta é extremamente óbvia ...]

oscilloscope hobbyist Etéreo
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Pode ser útil começar estudando alguns osciloscópios de código aberto existentes: Alguns links aqui também veem isso . Com o RPi, o design do SoC fechado exige assinatura de NDAs e convencimento do fabricante do SoC a permitir que você tenha o tipo de informação necessária para fazê-lo fazer o que deseja. Algo como um Tiva-C Launchpad, ou melhor ainda, o Beagle Bone Black pode ser um ponto de partida mais fácil por esse motivo. O BBB possui mais do que amplo IO e poder de processamento, além de boa documentação.
Anindo Ghosh
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Mesmo um osciloscópio barato de 100MHz pode ter uma taxa de amostragem de 1GSps. Um ADC de 20 bits por 8 bits não será bom por mais de alguns MHz (Harry e Claude dizem que 10 MHz é o limite absoluto). Você deve conseguir obter as informações do ADC e colocá-las no processador onde elas podem ser exibidas. Um front end de qualidade comercial também não é trivial. Não quero desencorajá-lo, mas algo que você construirá não terá o desempenho de um Rigol de US $ 350. Certamente será um bom projeto para aprender.
Spehro Pefhany
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Por que você acha que um osciloscópio exige a implementação da FFT?
Phil Frost
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Para um modelo de estudo, o mais importante a ser realizado além do ADC é o circuito de disparo. Você quer uma exibição estável, e não uma que continue se movendo o tempo todo. Você precisa descobrir como começar a desenhar a onda todas as vezes, exatamente no mesmo momento. Isso pode ser divertido e você potencialmente aprenderá muito com isso. Provavelmente, a lição mais importante será que os escopos digitais com qualidade razoável são bastante baratos atualmente.
jippie
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Espero que você tenha acesso a um osciloscópio enquanto constrói isso. :-p
Lyndon White

Respostas:

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No fundo, um osciloscópio (digital) é apenas um ADC, junto com alguma memória para armazenar as amostras. As amostras são então lidas fora da memória e exibidas.

As questões práticas de implementação complicam os osciloscópios comerciais. O sinal de entrada precisa ser dimensionado adequadamente para a faixa do ADC, o que significa que você precisa de atenuadores e / ou amplificadores que tenham valores de ganho muito precisos e muito planos em uma ampla faixa de frequências (DC a 10s ou 100s de MHz no mínimo) para medir formas de onda com distorção mínima.

Além disso, dependendo da aplicação, a taxa de amostragem do ADC precisa ser ajustada (com muita precisão) em uma ampla faixa dinâmica - seria típico 1 ns / amostra a 1 s / amostra (9 ordens de grandeza).

Depois, há a questão de saber quando iniciar - ou, mais importante, parar - a amostragem; isso é conhecido como disparo. Diferentes aplicações têm diferentes necessidades de acionamento, e os escopos comerciais têm uma ampla seleção para acomodá-los.

Dave Tweed
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É bom ver que eu não estava muito errado, obrigado! Eu acho que isso esclarece a maior parte da minha confusão. Para ter uma funcionalidade mínima básica (digamos, exibir uma onda quadrada sem que a fase mude desnecessariamente na tela), qual seria um subconjunto de mecanismos de acionamento a serem implementados? Ou isso é uma pergunta estúpida?
Ethereal
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Em vez de ajustar a taxa de amostragem do ADC, considere um filtro de dizimação digital em um FPGA ou no software de exibição. Projetos brutos que simplesmente diminuem a taxa de amostragem sofrem aliases confusos, os quais o operador deve descartar pelo conhecimento do sinal ou pela alteração experimental da base de tempo para verificar se o sinal está superamostrado ou subamostrado.
Chris Stratton
O disparo bruto pode ser feito com um comparador analógico ou digital, talvez com histerese. Além disso, em um escopo digital, você geralmente faz amostragem contínua em um buffer circular enquanto aguarda o disparo e, em seguida, pára um período de tempo após o cumprimento da condição de disparo. Ao ajustar a quantidade de amostragem pós-gatilho, você pode ficar com um buffer que inclui o que aconteceu antes e depois do gatilho.
Chris Stratton
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Em um escopo digital, o disparo pode ser feito inteiramente no domínio digital, embora seja necessário um firmware bastante sofisticado para sobrepor corretamente os resultados de disparos repetitivos em um sinal periódico. Os gatilhos de tiro único são relativamente triviais.
Dave Tweed
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É importante distinguir um projeto de hobby de equipamento pronto para uso e fazer a escolha certa para você. Isso não precisa ser a escolha certa para os outros.

Se o que você quer é equipamento para usar em outro projeto ESTE ano, eu compraria um. Pode ser novo ou usado com base em seus requisitos e orçamento.

Se o que você deseja é construir um osciloscópio como hobby ou projeto educacional, siga em frente! Desejo-lhe uma experiência divertida e educacional. Você aprenderá muito. Provavelmente você encontrará negativistas; diga a eles que eles podem economizar muito tempo e dinheiro em suas próximas férias, por exemplo, não indo à Europa e comprando um livro de figuras. Eles estão perdendo o objetivo!

Um osciloscópio digital (básico) é de fato composto por um front-end (incluindo um ADC e talvez um circuito de gatilho), um computador incorporado, um monitor e um software.

Sugerirei que os seguintes problemas provavelmente surgirão:

  • Tempo. Este projeto levará um tempo, dependendo do desempenho desejado, da sua experiência etc.
  • Custo. Vai custar mais do que comprar um de igual desempenho.
  • Atuação. Que tipo de desempenho você está procurando? Incluindo faixas de entrada, resolução de tempo, quanta tensão o front-end deve suportar.
  • Teste. Como você o depurará? Como você verificará se funciona corretamente?
  • Segurança. O que acontece se você testar 120VAC ou atingir uma tensão mais alta?
Technophile
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Você sabe que os europeus vão se divertir com seus conselhos de férias, certo? :-)
RedGrittyBrick
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Acho que você pode obter algumas idéias do osciloscópio de armazenamento digital AVR 10MHz 50MS / s .
Inclui esquemas completos e código fonte.

insira a descrição da imagem aqui

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Ele usa um pequeno CPLD que lê os resultados do ADC e preenche uma RAM, depois usa um AVR mcu para ler os dados da RAM e enviá-los para um PC

Você também pode achar útil:

  • Os esquemas Bitscope
  • O dsonano, incluindo esquemas completos e código fonte
  • Vários projetos relacionados ao DSO usando FPGA ou mcu listados aqui

Existe um diagrama de blocos na página do projeto openDSO que deve ser útil para visualizar as seções usadas em um DSO.

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alexan_e
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A JYE Tech possui um kit de osciloscópio de US $ 49 :

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com os seguintes recursos:

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 também carrega, mas por US $ 10 a mais.

Todos os componentes de montagem em superfície já estão soldados.

Ele usa um ATmega 64. Eles fornecem a lista esquemática e de peças no site deles, se você quiser usá-los como um guia para criar seus próprios, mas duvido que você possa fazer isso por algo em torno de US $ 49. O código fonte do firmware também está disponível.

Por apenas US $ 30 a mais (US $ 79,50), eles têm uma unidade montada com uma largura de banda analógica de 5 MHz.

tcrosley
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Pelo que vale, esse é aproximadamente o desempenho de um osciloscópio Heathkit da década de 1950. Somente acoplado à CA (baseado em tubo de vácuo). theoldcatvequipmentmuseum.org/180/182/…
Spehro Pefhany
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Ironicamente, Heath lançou seu primeiro osciloscópio de kit eletrônico (o O1) em 1947, que também foi vendido por US $ 50. Mas isso seria um pouco mais de US $ 500 em dólares de hoje.
tcrosley
Isso é extremamente chato de usar, porque não há indicação de quão recentemente ele foi acionado. Se um indicador piscar, ou algo aparecer após meio segundo para mostrar que a tela está obsoleta, seria muito mais utilizável, embora dentro das limitações de um amostrador tão primitivo.
Chris Stratton
Como eles fornecem o código-fonte do firmware, você provavelmente pode adicionar um indicador de disparo ao monitor sem muitos problemas.
Kevlam 06/02
A fonte que eles fornecem é de um firmware mais limitado do que no dispositivo, no entanto.
Chris Stratton