Démontage de l’oscilloscope FNIRSI-1014D

Auteurs

Divya Sambhayanamath, Kumudini Balobal, Mahantesh Hosur, Shivanand G Holi

Guide et révision

Sandeep Patil, directeur technique chez RedNerds

Nom du modèle : FNIRSI-1014D
Abstrait :
Un oscilloscope vendu au détail à 13 000 INR couvre essentiellement tous les sujets pratiques qu’un programme d’ingénierie de 4 ans enseigne en théorie. Le seul problème est que rien de tout cela n’est pratiqué. Nous avons à peine dépassé les MCU.
Cet oscilloscope a cependant
1. Microcontrôleur : GD32E230. Eh bien, le schéma se répète. Avez-vous une idée à quelle autre famille de MCU cela ressemble ?
2.FPGA : EF2L45LG144 FPGA pour le traitement intensif.
3. SoC : Allwinner F1C100 CPU + RAM + vidéo + audio dans une seule puce
4. Alimentation
Consultez ce démontage pour avoir un aperçu de la construction, de la façon dont tout s’assemble, de la chaîne d’outils de développement et de ce que le coût approximatif à un volume de 100 000 $.

1. Présentation

Un oscilloscope à stockage numérique (DSO) est un instrument essentiel utilisé en électronique pour analyser les signaux électriques au fil du temps. Les oscilloscopes modernes intègrent des frontaux analogiques haute vitesse, du matériel de traitement du signal numérique et des interfaces utilisateur graphiques pour fournir une visualisation et une mesure précises des formes d’onde.

Le FNIRSI-1014D est un oscilloscope à stockage numérique à deux canaux conçu pour la mesure portable et l’usage éducatif. Il comporte un Bande passante de 100 MHz, taux d’échantillonnage de 1 GS/set deux canaux d’entréepermettant la mesure simultanée de deux signaux. L’appareil intègre plusieurs sous-systèmes intégrés, dont un FPGA pour le traitement du signal à grande vitesse, un contrôleur système basé sur ARMet un microcontrôleur dédié à la gestion de l’interface utilisateur.

Cette étude de démontage vise à analyser la structure interne de l’oscilloscope FNIRSI-1014D en démontant physiquement l’appareil et en examinant l’architecture matérielle interne. Le rapport explore les aspects suivants :

• Structure mécanique de l’oscilloscope
• Disposition des PCB et sous-systèmes internes
• Architecture de traitement du signal
• Structure du système d’affichage
• Matériel d’interface utilisateur
• Architecture du micrologiciel
• Coût estimé des composants

L’analyse permet de comprendre comment les oscilloscopes modernes intègrent électronique analogique, traitement numérique, et systèmes informatiques embarqués pour effectuer une mesure de signal à grande vitesse.

2. Présentation externe de l’oscilloscope

L’oscilloscope FNIRSI-1014D est logé dans un boîtier en plastique conçu pour un fonctionnement portatif ou sur table. Le panneau avant contient l’écran, les connecteurs d’entrée et les boutons de commande. Le panneau arrière contient des éléments d’étiquetage et de support structurel.

L’appareil est conçu pour un fonctionnement ergonomique avec des commandes dédiées pour la mise à l’échelle de la forme d’onde, le déclenchement et l’acquisition du signal.

Vues structurelles externes

L’appareil a été inspecté sous plusieurs orientations pour comprendre sa conception mécanique.

1. Vue de face – Contient un écran, des boutons et des connecteurs
2. Vue de dessus—Ventilation et support structurel des maisons
3. Vue de dessous – Contient des points de montage et des supports de base
4. Vue arrière – Comprend des informations sur le produit et des étiquettes d’identification

3. Spécifications techniques

L’oscilloscope FNIRSI-1014D comprend plusieurs paramètres de performances qui définissent sa capacité d’acquisition de signaux.

Ces spécifications déterminent la capacité de l’oscilloscope à capturer des signaux rapides tout en conservant une mesure précise de la synchronisation et de la tension.

4. Architecture PCB et disposition du matériel interne

L’oscilloscope utilise un carte de circuit imprimé FR-4 multicouche intégrant des sous-systèmes analogiques, numériques et de puissance sur une seule carte.
Le PCB peut être divisé en cinq sous-systèmes principaux :

1. Interface de signal d’entrée
2. Système frontal analogique et système d’échantillonnage
3. Unité de traitement du signal basée sur FPGA
4. Processeur de contrôle du système
5. Réseau de régulation de puissance

La conception du tableau comprend plans de masse étendus, coulées de cuivre et coutures pour réduire les interférences électromagnétiques et maintenir l’intégrité du signal pendant le fonctionnement à grande vitesse.

5. Architecture de traitement des entrées

Le bloc de traitement d’entrée est chargé de recevoir les signaux externes et de les préparer pour la conversion numérique.

Le bloc est composé de :

• Connecteurs d’entrée BNC
• Circuits de conditionnement analogiques front-end
• Sélection de la plage de tension basée sur le relais
• Réseaux d’atténuation du signal
• Logique de détection de déclenchement

Le panneau avant comprend des encodeurs rotatifs et des boutons, qui sont lus par un Microcontrôleur GD32E303 responsable de l’interprétation des commandes utilisateur.

Les commandes décodées sont ensuite transmises au FPGA et au contrôleur système.

Flux de traitement des entrées

1. L’utilisateur fait tourner les boutons ou appuie sur les boutons.
2. MCU interprète les entrées de l’utilisateur.
3. Le signal analogique entre via les connecteurs BNC.
4. Le frontal analogique conditionne le signal.
5. Le FPGA reçoit des données échantillonnées.
6. Les données sont envoyées au processeur système pour affichage.

Cette architecture permet à l’oscilloscope de répondre rapidement aux commandes de l’utilisateur tout en conservant une acquisition de signal à grande vitesse.

6. Traitement des données basé sur FPGA

Le moteur principal de traitement du signal de l’oscilloscope est le FPGA ANLOGIQUE EF2L45.
Les réseaux de portes programmables sur site sont largement utilisés dans les oscilloscopes car ils peuvent traiter les signaux en logique matérielle parallèlepermettant des vitesses de traitement extrêmement élevées.

Le FPGA effectue plusieurs opérations critiques :

• Acquisition de signaux à grande vitesse
• Détection du déclencheur
• Synchronisation du temps
• Mise en mémoire tampon des formes d’onde
• Traitement du signal numérique

Les ressources FPGA internes comprennent :

• Blocs DSP
• Bloquer les tampons RAM
• Unités de gestion d’horloge
• Bus système à grande vitesse

Flux de traitement des données

1. L’ADC échantillonne le signal entrant
2. Le FPGA reçoit des échantillons numériques
3. La logique de déclenchement détecte la condition de capture
4. Données de forme d’onde stockées dans des tampons de mémoire
5. Données transférées au contrôleur du système

Ce traitement parallèle au niveau matériel permet l’acquisition de formes d’onde en temps réel.

7. Traitement de l’affichage et de l’interface utilisateur

Le Système sur puce Allwinner F1C100s sert de contrôleur principal du système.
Ce processeur remplit les fonctions suivantes :

• Gestion de l’interface utilisateur
• Rendu de forme d’onde
• Contrôle du système de menus
• Gestion du stockage
• Communication système

Le processeur comprend plusieurs interfaces matérielles, telles que :

Le SoC convertit les échantillons de forme d’onde reçus du FPGA en tracés de forme d’onde graphiques affichés sur l’écran LCD.

8. Architecture du système d’affichage LCD

L’oscilloscope utilise un Écran LCD TFT de 7 pouces avec une résolution de 800×480 pixels.
L’écran est composé de plusieurs structures optiques en couches qui permettent à la modulation de la lumière de former des images visibles.

Structure de la couche LCD

L’affichage se compose de plusieurs couches disposées de l’arrière vers l’avant :

1. Rétroéclairage LED
2. Couche de diffuseur
3. Polariseur arrière
4. Couche de cristaux liquides
5. Filtres de couleur RVB
6. Polariseur avant
7. Couche de verre protectrice

9. Principe de fonctionnement de l’écran LCD

L’écran LCD TFT fonctionne selon le principe de modulation de la lumière polarisée à travers des molécules de cristaux liquides.

Fonctionnement de l’affichage

1. Un rétroéclairage LED génère une lumière blanche.
2. Un diffuseur diffuse la lumière de manière uniforme.
3. Le polariseur arrière aligne la polarisation de la lumière.
4. Les molécules de cristaux liquides font pivoter la polarisation lorsqu’une tension est appliquée.
5. Les filtres RVB créent des pixels colorés.
6. Le polariseur avant contrôle la transmission de la lumière.
7. Le couvercle en verre protège l’écran.

Ce processus convertit les signaux électriques en formes d’onde graphiques visibles.

10. Système de contrôle du panneau avant

L’oscilloscope comprend plusieurs commandes d’interface utilisateur qui permettent à l’utilisateur d’interagir avec le système de mesure.

Contrôles principaux

Bouton d’alimentation
Active l’appareil et alimente l’électronique interne.
Interface hôte USB
Utilisé pour exporter les images de forme d’onde capturées et les données de mesure.
Contrôles verticaux
Ajustez l’échelle de tension (V/div) et le positionnement des canaux.
Contrôles horizontaux
Contrôlez la base de temps (s/div) et le défilement de la forme d’onde.
Commandes de déclenchement
Déterminez le point de départ de la capture de forme d’onde.
Ports d’entrée
Les connecteurs BNC fournissent une entrée de signal électrique.

11. Mécanisme de contrôle de l’encodeur rotatif

Les boutons de commande utilisent codeurs rotatifs incrémentaux qui génèrent des impulsions en quadrature lorsqu’elles sont tournées.

Fonctionnement de l’encodeur

1. La rotation du codeur génère des impulsions numériques.
2. Le MCU lit la direction et le nombre d’impulsions.
3. MCU convertit le mouvement en ajustements de paramètres.
4. Commandes envoyées au FPGA.
5. FPGA modifie les paramètres de traitement du signal

12. Architecture système complète

Le système complet d’oscilloscope intègre plusieurs sous-systèmes matériels travaillant ensemble.

Flux de signaux

1. Le signal entre via le connecteur d’entrée BNC
2. Le frontal analogique conditionne le signal
3. L’ADC échantillonne un signal.
4. Le FPGA traite les données de forme d’onde
5. ARM SoC restitue une forme d’onde.
6. L’écran LCD affiche la forme d’onde.

Cette architecture sépare traitement matériel à grande vitesse depuis contrôle de l’interface utilisateuraméliorant les performances globales.

13. Architecture du micrologiciel

L’oscilloscope utilise un architecture de micrologiciel multiprocesseur.

Micrologiciel du microcontrôleur (GD32F303)

• Lit les boutons et les boutons
• Commande la commutation des relais
• Envoie des commandes de contrôle au FPGA

Logique FPGA

• Acquisition de signaux à grande vitesse
• Détection du déclencheur
• Mise en mémoire tampon des formes d’onde

Logiciel de processeur système

• Exécute Linux intégré
• Gère les graphiques d’affichage
• Gère le stockage des fichiers

14. Analyse des coûts des composants

Sur la base d’un volume de production estimé de 100 000 unités, le coût approximatif des composants est :

Coût total estimé : 4620 ₹ par unité

15.Conclusion

L’analyse du démontage de l’oscilloscope FNIRSI-1014D révèle un système de mesure intégré bien intégré combinant électronique analogique, matériel numérique et logiciels embarqués.

L’architecture utilise trois éléments de traitement principaux :

• FPGA pour le traitement du signal à grande vitesse
• ARM SoC pour l’affichage et le contrôle du système
• Microcontrôleur pour la gestion de l’interface utilisateur

Cette architecture distribuée permet à l’oscilloscope d’atteindre des taux d’échantillonnage élevés tout en maintenant une interaction utilisateur réactive.

La conception du PCB multicouche, le routage à impédance contrôlée et la régulation de puissance dédiée garantissent un fonctionnement stable et une acquisition précise du signal. Le FNIRSI-1014D démontre comment les oscilloscopes modernes intègrent plusieurs plates-formes informatiques et du matériel spécialisé pour offrir des capacités de mesure hautes performances à un coût de fabrication relativement faible.

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Retrouvez l’histoire de Raspberry Pi dans cette vidéo :