Projecto e implementação de osciloscópio digital baseado na norma IEEE1451.0

Os osciloscópios digitais são utilizados em diversas áreas do conhecimento, assumindo-se no âmbito da engenharia electrónica, como instrumentos indispensáveis. Graças ao advento das Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), os instrumentos de medição reconfiguráveis, dadas as suas vantagens, i.e., altos desempenhos, baixos custos e elevada flexibilidade, são cada vez mais uma alternativa aos instrumentos tradicionalmente usados nos laboratórios. Tendo como objectivo a normalização no acesso e no controlo deste tipo de instrumentos, esta tese descreve o projecto e implementação de um osciloscópio digital reconfigurável baseado na norma IEEE 1451.0. Definido de acordo com uma arquitectura baseada nesta norma, as características do osciloscópio são descritas numa estrutura de dados denominada Transducer Electronic Data Sheet (TEDS), e o seu controlo é efectuado utilizando um conjunto de comandos normalizados. O osciloscópio implementa um conjunto de características e funcionalidades básicas, todas verificadas experimentalmente. Destas, destaca-se uma largura de banda de 575kHz, um intervalo de medição de 0.4V a 2.9V, a possibilidade de se definir um conjunto de escalas horizontais, o nível e declive de sincronismo e o modo de acoplamento com o circuito sob análise. Arquitecturalmente, o osciloscópio é constituído por um módulo especificado com a linguagem de descrição de hardware (HDL, Hardware Description Language) Verilog e por uma interface desenvolvida na linguagem de programação Java®. O módulo é embutido numa FPGA, definindo todo o processamento do osciloscópio. A interface permite o seu controlo e a representação do sinal medido. Durante o projecto foi utilizado um conversor Analógico/Digital (A/D) com uma frequência máxima de amostragem de 1.5MHz e 14 bits de resolução que, devido às suas limitações, obrigaram à implementação de um sistema de interpolação multi-estágio com filtros digitais.

The oscilloscopes are used in various areas of knowledge, assuming that in electronic engineering this is a very important and indispensable tool. Thanks to the advent of the Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), reconfigurable measuring instruments, due to its advantages, i.e., high performance, low cost and high flexibility, is an increasingly alternative way to the traditional instruments used in laboratories. In order to standardize the access and control of this type of instruments, this thesis describes the project and implementation of a reconfigurable digital oscilloscope based on the IEEE 1451.0 std. Defined according to an architecture based on the indicated standard, its characteristics are described using a data structure named Transducer Electronic Data Sheet (TEDS), and its control is made using a set of standardized commands. The oscilloscope implements a set of basic characteristics and functionalities, all verified and tested. A bandwidth of 575kHz, a measurement interval of 0.4V to 2.9V, the possibility of defining a set of horizontal scales, the level and slope of triggering and the way coupling can be made to the circuit under analysis, are the main characteristics provided by the implemented oscilloscope. Its architecture comprises a module specified using the Verilog Hardware Description Language (HDL) and an interface developed using the Java® programming language. The module is embedded in an FPGA, which defines the entire processing capabilities of the oscilloscope. The interface, allows its control and the representation of the measured signals. During the project, a Digital-Analog converter was adopted with the maximum frequency of 1.5Mhz and 14 bits of resolution, which, due to its limitations, required the implementation of a interpolation multi-stage system with digital filters.