可以进行疯狂的自制500 MHz 1 Gs / s示波器吗？

我正在阅读USB示波器探头-征求意见和想法，这让我开始思考。我真正想要的是一款非常高性能的示波器，价格大约在10000美元左右。当然，其他许多人也想要一个。当然，借助此站点上的专业知识，应该可以设计和开源该软件。

这是我的主意：

• 这将是带有USB引线的手持式'示波器探头。
• 电池供电，可将其与USB电源隔离。
• 输入级是高速运算放大器，例如THS3201DBVT？
• ADC类似于ASD5010，它具有1 Gs / s和650 MHz的输入带宽。
• FPGA处理输出的32位数据，进行触发，然后将其打包到USB中。
• 在PC上运行的开源软件。

这是傻子的事吗？我想念什么？

添加了更多详细信息以响应答案：

• 这个“范围”将无法与昂贵的昂贵示波器竞争。其主要目的是提供一种可以检查高速信号的东西，而使自己制作的成本不到200美元。
• USB带宽：这不是模拟示波器，也不是幻想的LeCroy。但是，USB完全能够以60 Hz的速率传输2k个样本。即使它可能无法捕获那些帧之间的瞬态事件，这仍然使它非常有用。
• 清晰的响应式显示。好吧，一台PC的显示器肯定很清楚。优于市场上几乎所有示波器。因此，清晰度和大小没有问题。反应灵敏？只要屏幕可以以60 Hz的频率更新，我认为响应速度非常快。
• 触发：我想象设备上会发生简单的电平触发。同样，它无法与高档示波器竞争，但请记住：这应该是一台200美元的设备。
• 它不应具有1 GHz带宽。我在哪说的 但是肯定可以拥有超过100 MHz的带宽吗？

带回家点：

• 这是一台200美元的设备。
• 该设备的主要目的是无需花费10000美元即可看到高速信号。
• 将有很多事情无法做。
• 当然，这样的事情对于这里的人们将是相当有用的。
• 当然，有了此站点上的专业知识，我们可以实现它吗？

这归结为带宽和延迟的问题。对于一个简单的系统，我们假设一个探头具有100 MHz带宽，1GS / s采样率和一个10位A / D转换器（我在使用8位示波器时经验很差）。

我想在PC上实时显示最小采样窗口，例如10ns-1个周期的100MHz正弦波，最大窗口（半秒内，我会很慷慨）。换句话说，最低时间设置约为1ns / div，最高时间设置为0.05s / div。我还想要几种电压模式-可以说100mV范围至20V。

这涉及哪种数据速率？

1Gs / s * 10位/样本= 10Gbits / s

这些不是USB速度。离得很远。而且我什至没有考虑开销。首先，您只是没有带宽。而且也不只是带宽。为了进行实时显示，您需要保持一致。您需要每10纳秒将100位传输到应用程序层。USB无法拥有这种一致性。它不是为满足一种奢侈需求的设备而设计的-它是作为总线设计的。而且您无法控制何时拥有总线-设备只是从属设备。如果主机在需要发送数据时让另一台设备通话，则数据将丢失。

您可能会犯规-为什么当一个人的“实时”频率为60Hz时，为什么要将实时数据传输到计算机？如果您需要做的就是更新显示，那么您当然不需要太多的数据。除了您所做的以外-您的显示内容是您收集的所有样本的某种线性组合。平均的，最小均方的近似三次样条插值-没关系。为了使显示的不仅仅是点点的漂亮，您需要所有这些数据中的大多数，并且需要对其进行后期处理。任何触发？计算必须在主机上进行-在应用程序层。无论采用哪种方式进行切片，要以1GS / s的速率实时显示任何精度的数据，都必须传输比USB能够处理的数据量大几个数量级的数据，并且必须比您更可靠地进行处理。

有什么解决方法？不要进行实时显示。某些USB示波器仅提供触发模式。触发在设备上处理，找到触发后，数据将收集在缓冲区中。缓冲区填满后，USB示波器将其缓慢传输到应用程序，然后应用程序显示它。这足以满足许多范围的使用，但它不是实时的。而转移-也需要一段时间。不方便 通常情况下，司机很烂。可以告诉我，我的经历很糟糕。

我一直想知道为什么Firewire不用于示波器。它避免了USB的某些麻烦。它是点对点的，提供同步（一致的定时）模式，并且带宽相对较高。您也许可以制作一个10MHz的实时示波器。

编辑后要解决的问题：

• 示波器的可用性随价格而大大提高。当您从200美元的USB示波器跃升至500美元的独立示波器时，功能和基本功能将获得巨大的增长。 为什么只花200美元，多花一点钱就能得到真正的瞄准镜呢？ 既然中国已经打开了廉价有效示波器的闸门，那么没有理由想节省300美元，这只会在以后让您感到沮丧。如今，具有这些功能的“高档”示波器很便宜。

• 是的，通过USB将数据传输限制为仅提供大约60Hz的一致数据将变得更加容易，但这仍然不是您想要做的。不要忘了您的DSP类-仅从流中获取某些数据就等于抽取。抽取时，您必须添加抗混叠滤波器。当您这样做时，您将失去带宽。这使您的示波器不那么有用-它将限制您在实时显示上的带宽（并且仅对于实时-触发模式可以），远远小于模拟前端的带宽。管理示波器的信号处理方面非常棘手。

• 清除响应显示？电脑？不一致。无论如何执行此操作，都需要缓冲数据。如前所述，USB不能保证您的数据通过。我会说不同的话：USB并非旨在容纳硬实时数据传输。 当然，对于大间隔的足够少量的数据，您可能会获得良好的性能，但性能却可能不一致。您将使用缓冲，偶尔您会错过及时传输缓冲区的机会。然后，您的显示将跳过，数据会过时等。清晰，响应迅速的实时显示需要硬实时数据链接，周期。

• 简单触发-再一次，我们回到成本，复杂性和响应能力上。要在设备上进行触发以检测瞬变，您的设备不能只是笨拙的数据管道，它通过USB不负责任地传输样本。您必须在设备上缓冲，缓冲，缓冲样品直到看到触发条件。这意味着您需要设备上的内存和智能-大型FPGA或大型微控制器。这增加了尺寸和空间。如果使用FPGA，则必须在触发逻辑量与需要大量RAM用于缓冲区空间之间取得平衡。因此，您的缓冲区小于您想要的缓冲区。这意味着您可以在触发点附近获得极少量的数据。除非添加外部内存，否则您可以做更多的事情。但是，这会增加设备的尺寸和成本-当然，这不仅仅是连接USB电缆的探头。

• 您会很幸运地获得100MHz带宽-通常是采样率的10倍被认为是带宽的最小截止值。因此，如果您具有1GS / s的采样率，几乎无法获得100MHz带宽。您无法获得更多-200MHz方波看起来像200MHz正弦波。糟透了 这太愚蠢了-距离专业水平还差得远。

您的其他观点：

• 200美元？你如何看待？什么是零件清单？
• 读取高速信号的良好示波器无需花费数千美元。他们可能要花一千美元。100MHz是示波器部门中​​的佼佼者，您的想法甚至不会达到该基准以及1000美元的示波器
• 是的，从您的描述方式来看，确实是非常有限的。即使您有几个要求的技术方面，也意味着设备非常有限。
• 它几乎没有我用逻辑分析仪和60MHz模拟带宽购买的1100美元示波器有用。我宁愿付出与有意地限制孩子的玩具我的测试设备家伙周围。

作为工程师，您会在测试设备上生死攸关。如果不确定，您可以信任它，那是在浪费时间。鉴于您缺乏有关高速通信，信号处理和嵌入式处理功能（在FPGA或微控制器中）的专业知识，我不会打赌您要自己设计它，没有其他人可以回答除了矛盾。

如果有一个针对性更好的需求集可以满足社区中没有得到满足的实际需求，那么我将在技术上可行。但是您的含糊要求似乎并未得到研究。您需要对业余爱好者可用的选项进行调查-人们正在使用哪些USB示波器和独立式示波器，它们的优缺点是什么，并确定是否未填补任何壁ni。否则，这简直就是幻想。

您不希望它采用手持式探针格式，因为单通道示波器不是很有用。2个通道的额外成本（即使您将ADC多路复用）也只是一小部分额外成本，但实用性却大大提高。

除非您希望拉出500mA以上的电流，否则没有理由使用电池，因为您可能拥有隔离的DC-DC转换器。但是，在隔离栅上获得高带宽并非易事。

好吧，这里有两个问题。如果我们将1GHz模拟示波器（如优质的Tektronix）作为参考标准，则该提议的示波器将受到以下影响：

1）ASD5010是8位转换器。8位几乎不足以与良好的模拟示波器竞争。

2）不要将采样率与模拟带宽混淆。对于您选择的芯片，等效模拟带宽可能比1 GHz接近100 MHz。

这并不是说不可能构建这样的范围，人们可以明显购买一个符合这些规格的产品。达到1 GHz带宽并非易事，并且需要特殊的工程设计和更好的零件。

8位ADC在示波器中非常普遍，但是使用ADC的技术略有不同。正如我所看到的一些示波器内部结构一样，常见的情况是使用4个ADC芯片，每个芯片都以90deg的相位增量进行时钟控制，因此每个时钟周期可获得4x采样，这就是为什么clk频率相当低，但是数据带宽大的原因高。无论如何，与购买一个全新的示波器相比，这样的项目最终会浪费更多的钱：-)但是，这可能是自学的好习惯。OTOH，请考虑一下示波器的模拟方面。这部分很难做，而且非常棘手。

其他问题：

• 保护：为确保您不希望它打断第一拳时间，请错误地将20-30 V输入电压；

• 校准：即使以8位精度，您仍然必须将误差控制在1/256 = 0.4％的整体范围内；与标准组件无关紧要；

• 噪音过滤：必须对其进行屏蔽和滤波，这还不够，因为FPGA也会产生噪声，因此必须将模拟域和数字域分开。

无论如何，关于USB连接，我认为在内部处理数据并将其直接连接到显示器具有更大的功能。