Brainstorming Diseño

Aqui se publican ideas generales y discusiones sobre el diseño a alto nivel del osciloscopio. Para agregar comentarios publicarlos al final de la página, en la zona de comentarios

Areas de diseño:

Arquitectura

La decisión de la arquitectura a adoptar es probablemente la más importante del proyecto pues de ella depende todo el funcionamiento del osciloscopio. Define el enfoque generla que se va a adoptar para atacar el problema, especifica de que forma se va a implementar la inteligencia del hardware, de lo cual se desprenden las posibilidades y limitaciones a las cuales estaremos estaremos atados.

Actualmente estamos evaluando tres posiblidades:

• IC con todo (ADC+micro+interfaz USB) (requiere submuestreo)
• ADC + lógica + interfaz USB (sin necesidad de submuestrear).
• Dispositivo con linux integrado (embedded linux)

IC con todo

Una alternativa puede ser lo que brinda Silicon Laboratories:

• C8051F064/5/6/7 que incluye ADC 1MSPS/16bits + micro 8051 (USD 24)
  • Plava de desarollo: USD 300
• Bridge uart-usb CP2102 (USD 5).
  • Placa de desarollo: USD 50

Ventajas:

• Ya viene todo integrado. No hay que preocuparse de implementar toda la lógica analógica.

Desventajas:

• Requiere el uso de submuestreo para lograr llegar a las frecuencias esperadas de trabajo (10 Mhz)
• Nos atamos a usar este integrado con todos los problemas de dependencia y escalabilidad que ello genera.

ADC + lógica + interfaz USB

La lógica se puede implementar con:

• microcontrolador
• FPGA ( http://www.xilinx.com | http://www.altera.com )
  • xilinx app note sobre virtex-2 con un ADC texas de 8ch 12bit y 70MSPS (por canal) xapp774.pdf
  • Designing an Oscilloscope with the Insight Springboard Kit
  • Serial ADC Interface Using a CoolRunner CPLD
• pic
  • SX hasta 80MIPS ( http://www.parallax.com )
  • microchip hasta 48MHz

El ADC debería ser lo suficientemente rápido como para trabajar a las frecuencias necesarias sin necesidad de submuestrear. ADC de 40 MSPS son apropiados.

Interfaz USB - escribir sobre esto

Dispositivo con Linux integrado

• Esta alternativa abre la puerta a otras posbilidades realmente interesantes.
• Una alternativa es el procesador ETRAX de axis.
• Por más info ver ApuntesEtrax

Adaptación de la señal de entrada

• Utilizar atenuadores o amplificadores segun la escala que se este usando
• filtros pasabajos para recortar y que no haya aliasing ?

Muestreo y conversión analógica-digital

• Version vieja de las posibilidades de muestreo^?

Modos de muestreo disponibles

• 3 tipos de muestreo
  • realtime sampling
    • Advantages:
      • The only choice for serious single-shot measurements
    • Disadvantages:
      • Bandwidth is directly related to sampling rate
      • Time interval measurement resolution and pre-trigger range are limited by sampling rate and memory depth
      • Susceptible to aliasing at slow sweep speeds
  • random repetitive sampling
    • Advantages:
      • Offers higher bandwidths than real-time sampling
      • The pre-trigger range is not limited by the combination of sampling rate and memory depth
      • Not susceptible to aliasing on repetitive signals
    • Disadvantages:
      • Not suitable for high-speed, single-shot measurements
  • sequence sampling
    • Advantages:
      • Highest bandwidth available in digitizing oscilloscopes (up to 50 GHz)
      • Very low noise
      • Because the sampling occurs at a relatively slow rate, an A/D converter with high resolution can be used
      • TDR capability
    • Disadvantages:
      • No pre-triggering
      • Cannot display trigger event without a delay line
      • Susceptible to aliasing at slow sweep speeds
      • Not capable of single-shot measurements
      • Typically limited dynamic range with no pre-amp/attenuation

• aqui esta la explicacion de como funcionan los 3 modos
  • Sampling: How fast and which way?
• que tecnica usan los osciloscopios
  • osciloscopios rapidos

• se pueden usar los 3 metodos de acuerdo a que frecuencia se desee trabajar

Bits

Son 8 bits suficientes o precisamos más?. Ver análisis de errores vs. resolución (y comparación con otros errores) en sbaa051.pdf.

creo que hemos llegado a la conclusion de que 10 bits son suficientes. hemos evaluado la resolucion del monitor y los pixeles para el detalle en bits de la señal ademas, a frecuencias mas bajas, muestreando rapido, se puede aumentar la definicion con la tecnica de upsampling

Memoria

estudiar cuanta memoria necesitamos

alternativa autoincrement

• esta patentado pero no existe el dispositivo
  • RAM 200
• al usar un controlador, esto ya no es necesario.
• si se van a descartar muestras por usar trigger y esas cosas, carece de utilidad.

Alimentación de la placa

• Alternativas:
  • Alimentación con fuente propia
  • Alimentación directo del bus USB
    • Voltaje: 4.4 - 5.25V (5V nominales)
    • Consumo máximo: 500 mA

Lo ideal sería poder utilizar la alimentación del puerto USB, pues resultaría en un producto mucho más flexible. Luego de haber diseñado y especificado los componentes se verá si es posible alimentarlos con el puerto USB o si se requerirá de una fuente propia. Aunque no hay que olvidar tener siempre en mente este punto en el diseño, es decir buscar siempre los componentes de menor consumo de potencia.

Interfaz de conexión (USB)

• Que velocidades máximas de transferencias tenemos usando USB1 vs USB2 ?

Protecciones y compatbilidad electromagnética

• Requisitos:
  • poder enchufarlo a 220V y que se la banque.
  • que no se haga puré con alguna descarga electroestática al tocar las puntas del osciloscopio

Conectores y controles de hardware

• Conectores
  • USB tipo B
  • 2 x BNC
  • Alimentación externa (si correponde)
• Controles (de hardware)
  • on/off switch
  • ajuste horizontal (frecuencia, Secs/div)
  • ajuste vertical (voltaje, Volts/div)
  • trigger?

• Alternativas:
  • Sin controles de hardware
    • Ventajas: simplifica diseño del hardware, robustez.
  • Con controles de hardware
    • Ventajas: no requiere interacción con la PC para poder cambiar parámetros.
      • Se solucionaría teniendo detección automática de escala por software?

Protocolo de comunicación Placa-PC

• Alternativas:
  • Unidireccional: Placa -> PC (datos, estado)
    • Ventajas: simplifica hardware
  • Bidireccional: Placa -> PC (datos, estado) | PC -> Placa (control)
    • Ventajas: permite controles desde la PC (fundamental)

• Preferido: Bidireccional para poder controlar el equipo desde la PC.

Software

Temas interesantes a estudiar:

• Detección inteligente de transitorios
• Análisis espectral en tiempo real (usando fft)
• Detección automática de escala por barrido?

Comentarios generales

-- PabloHoffman - 13 Jul 2005