开源示波器ADALM2000介绍、原理图学习-程序员宅基地

技术标签： 生活记录&DIY  ADALM2000  

介绍

ADALM2000是ADI推出的9合1的便携式测试测量仪器，有如下功能：

  • 双通道USB数字示波器
  • 双通道任意函数发生器
  • 16通道数字逻辑分析仪（兼容3.3V CMOS和1.8V或5V，100MS/s）
  • 16通道模式发生器（3.3V CMOS，100MS/s）
  • 16通道虚拟数字I/O
  • 用于链接多个仪器的两个输入/输出数字触发信号(3.3V CMOS)
  • 单通道电压表（AC、DC、±20V）
  • 网络分析仪 – 电路波特、奈奎斯特、尼克尔斯传输图。范围：1Hz至10MHz
  • 频谱分析仪 – 功率频谱和频谱测量（噪底、SFDR、SNR、THD等）
  • 数字总线分析仪（SPI、I²C、UART、并行）
  • 两个可编程电源（0…+5V、0…-5V）
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    ADALM2000使用的配套PC端的软件为Scopy，这是一个开源的软件，提供直观的用户图形界面。

示波器

ADALM2000的示波器可以基本满足10MHz以内波形的测量，超过10MHz信号的示波器不推荐使用ADALM2000这个仪器来测了，但如果真要比较准确测量的话，建议测量6MHz以下的信号。
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信号发生器

在信号发生器产生正弦波频率达到20MHz以上时，正弦波波形信号出现变形失真，幅度有所衰减。
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电压源

ADALM2000的电压源可以实现-50V，0+5V供电，并可可实现两路单独的供电或者跟随供电功能，不过只提供50mA的电流。
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电压表

ADALM2000的电压表功能可以实现+/-20V DC/AC测量。
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频谱分析仪

ADALM2000的频谱分析仪功能可以测量功率频谱和频谱测量（包括噪底、SFDR、SNR、THD等）。
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网络分析仪

ADALM2000的网络分析仪功能具有三种测试频率反馈的方式，如：电路波特、奈奎斯特、尼克尔斯传输图，测量频率的范围为：1Hz至10MHz。
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开源资料

硬件设计：https://wiki.analog.com/university/tools/m2k/devs/hardware
固件：https://github.com/analogdevicesinc/m2k-fw
开源上位机scopy：https://codeload.github.com/analogdevicesinc/scopy/zip/refs/heads/master

原理图学习

输入输出端口电路

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  • 外部信号从接插件P1输入，经过220欧姆的热敏电阻（作用类似于自恢复保险丝，用来限流），再经过两个钳位二极管，最后直接连接到FPGA的IO口。
  • 这部分接口用来实现逻辑分析仪功能。
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ADC、DAC电路

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  • AD9963包含了双通道10位/12位、100 MSPS的ADC和双通道10位/12位、170 MSPS的DAC。
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  • 供电电源使用了磁珠构成Π型LC滤波电路。

示波器输入

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  • 示波器支持差分输入，因此输入分为P、N，ADG612是四通道单刀单掷模拟开关，1脚和9脚、8脚和16脚控制信号相同，他们控制P、N输入信号的衰减。
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  • 衰减后的信号进入电压跟随器，R22、R24起限流作用，C89和R24并联构成低通滤波器，截止频率为1/(2*pi*C89*R24)
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  • P端输入，可以通过给EN_SC_CAL1信号，把2脚、3脚闭合，来给P端输入参考信号（用来自我校准？），参考信号通过四选一模拟开关选择，可以为函数发生器的信号、GND、参考信号1、参考信号2。参考信号1、参考信号2通过分压电阻得到：
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  • 校准的时候，可以把6、7脚闭合，把N端接地。
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  • P端、N端信号经过衰减、电压跟随器后送入ADA4940，ADA4940是单端转差分放大器，从ADA4940输出的差分信号直接送入ADC进行采样。
  • P端上叠加了OFFSET_SC1，OFFSET_SC1是直流偏置电压，其电压值由DAC控制。
  • N端上也叠加了REF_SC1，REF_SC1也是直流偏置电压，其电压值是固定的1.6V。
  • 差分放大器的反馈电阻是3.9K，P端、N端输入信号串入的电阻是3K，因此P端与N端的差模分量会被放大3.9K/3K倍，即1.3倍。直流偏置电压串入的电阻是3.9K，因此REF_SC2与OFFSET_SC2的差模分量会被放大1倍。
  • ADA4940输出差分信号的共模分量与输入信号无关，由VCOM脚指定，而VCOM脚的电压来自ADC。
  • 差模分量等于两个输入电压差的一半，共模分量等于两个输入电压和的一半，因此输出关系式为：
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  • ADC芯片AD9963提供了1.4V的共模分量电压给差分放大器使用。
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  • DAC的输出电压被放大2.693倍。
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  • P端上的直流偏置电压由DAC芯片AD5625控制。
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  • N端上的直流偏置电压是固定的1.6V。
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  • 输入到ADC的差分信号还要经过上图所示钳位电路（限幅电路）。
  • Vout+和Vout-之间的差模分量为：(1.8V-0V)/2*4.99/11.3=0.39。因此Vout+的电压为1.4V+0.39V=1.79V，Vout-的电压为1.4V-0.39V=1.01V。

函数发生器前端电路

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  • AD9963输出的DAC信号为电路信号，通过AD8058转成电压信号，4MA转为 -0.496 -> 0.496
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  • REF_AWG1为固定的1.2V
  • OFFSET_AWG1的电压由DAC控制。
  • 把电压经过偏移和放大后直接送出。
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参考和偏移电路

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可编程电源电路

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  • 电压大小由DAC AD5627控制。
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  • DAC出来的电压进入ADA4808，放大5.1倍，输出0~5.1V和0~-5.1V的电压。

时钟电路

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USB PHY

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