Pasmo oscyloskopu, o co w tym wszystkim chodzi?

To pytanie pojawiło się kilka chwil temu. Mierzyłem, co ma być falą kwadratową 50 MHz o poziomie od 0 do 2,5, jednak to, co zobaczyłem na ekranie, to fala sinusoidalna, która była wyśrodkowana wokół 1,2 V i na poziomie 0,5 do 2,0 V, częstotliwość wynosiła 4 MHz.

Sprawdziłem arkusz danych oscyloskopów i okazało się, że szerokość pasma wynosiła 10 MHz przy częstotliwości próbkowania 50 MS / s.

Zastanawiam się, o co chodzi w tych liczbach.

• Czy są miarą górnej granicy częstotliwości, którą oscyloskop może zmierzyć?
• Czy ten oscyloskop może w ogóle mierzyć 50 MHz?

Przepustowość systemu jest kombinacją przepustowości sondy i przepustowości wejściowej oscyloskopu. Każdy z nich może być aproksymowany przez obwód dolnoprzepustowy RC, co oznacza, że ​​opóźnienia dodają geometrycznie:

t_system^2 = (t_probe^2 + t_scope^2)
f_system = 1/sqrt((1/f_probe)^2 + (1/f_scope)^2)

Oznacza to, że zakres 10 MHz z sondami 60 MHz może mierzyć sinusoidy o częstotliwości 9,86 MHz z tłumieniem -3 dB (100 * 10 ^ {- 3/20}%).

Przy pomiarze cyfrowych ciągów impulsów liczy się nie tyle okresowość, ile czasy narastania i opadania, ponieważ zawierają one informacje o wysokiej częstotliwości. Czasy narastania mogą być aproksymowane matematycznie przez wzrost RC lub wzrost Gaussa i są zdefiniowane jako czas przejścia sygnału od 10% różnicy między niskim napięciem (logiczne 0) i wysokim napięciem (logiczne 1) do 90% różnicy. Na przykład w systemie 5 V / 0 V jest definiowany jako czas przejścia od 0.1*5V=0.5Vdo 0.9*5V=4.5V. Dzięki tym ograniczeniom i pewnej fantazyjnej matematyce można stwierdzić, że każdy typowy charakterystyczny czas narastania ma zawartość częstotliwości do około 0.34/t_risedla Gaussa i0.35/t_risedla RC. (Używam 0.35/t_risebez powodu i zrobię to do końca tej odpowiedzi).

Ta informacja działa również w drugą stronę: określona przepustowość systemu może mierzyć czasy narastania aż do 0.35/f_system; w twoim przypadku od 35 do 40 nanosekund. Widzisz coś podobnego do fali sinusoidalnej, ponieważ przepuszcza to analogowy interfejs.

Aliasing jest cyfrowym artefaktem próbkowania, który działa również w pomiarze (nie masz szczęścia!). Oto pożyczony obraz z WP:

Ponieważ analogowy interfejs przepuszcza tylko czasy narastania od 35ns do 40ns, mostek próbkujący ADC widzi coś w rodzaju tłumionej fali sinusoidalnej 50 MHz, ale pobiera próbki tylko z częstotliwością 50MS / s, więc może czytać tylko sinusoidy poniżej 25 MHz. Wiele zakresów ma w tym momencie filtr antyaliasingu (LPF), który tłumiłby częstotliwości powyżej 0,5-krotności częstotliwości próbkowania (kryteria próbkowania Shannona-Nyquista). Twój zakres nie wydaje się mieć tego filtra, ponieważ napięcie między szczytami jest wciąż dość wysokie. Jaki to model?

Po pomoście do próbkowania dane są wpychane do kilku procesów DSP, z których jeden nazywa się decimation i kardynalnymi , co dodatkowo zmniejsza częstotliwość próbkowania i przepustowość w celu lepszego wyświetlania i analizy (szczególnie pomocne w obliczeniach FFT). Dane są dalej masowane, tak aby nie wyświetlały częstotliwości powyżej ~ 0,4 razy częstości próbkowania, zwanej pasmem ochronnym . Spodziewałbym się, że zobaczysz sinusoidę ~ 20 MHz - czy masz włączone uśrednianie (5 punktów)?

EDYTOWAĆ: Wysuwam szyję i domyślam się, że twój oscyloskop ma cyfrowe antyaliasing, używając decymacji i zakresów kardynalnych, co w zasadzie oznacza cyfrowy LPF, a następnie ponowne próbkowanie interpolowanej ścieżki. Program DSP widzi sygnał 20 MHz, więc dziesiątkuje go, dopóki nie spadnie poniżej 10 MHz. Dlaczego 4 MHz, a nie bliżej 10 MHz? „Rozpiętość kardynalna” oznacza zmniejszenie o połowę szerokości pasma, a dziesiątkowanie często odbywa się również za pomocą potęgi dwóch. Pewna liczba całkowita 2 lub zwykła jej część spowodowała, że ​​sinusoida 4 MHz została wypluta zamiast ~ 20 MHz. Dlatego mówię, że każdy entuzjasta potrzebuje analogowego zakresu. :)

_{EDYCJA 2: Ponieważ uzyskuje się tak wiele wyświetleń, lepiej poprawię powyższy zawstydzająco cienki wniosek.}
EDYCJA 2: Konkretne narzędzie, które lubisz, może korzystać z pod-próbkowania, dla którego wymagane jest okienkowanie analogowego wejścia BPF do antyaliasingu, którego to narzędzie nie wydaje się mieć, więc musi mieć tylko LPF, ograniczając je do sinusoid o częstotliwości mniejszej niż 25 MHz nawet przy użyciu ekwiwalentu. próbkowanie czasu . Chociaż podejrzewam również jakość strony analogowej, strona cyfrowa prawdopodobnie nie wykonuje wyżej wspomnianych algorytmów DSP, zamiast tego przesyła strumieniowo dane lub przesyła jeden obraz w momencie, gdy na komputerze PC pojawia się numer brutalnej siły. 50MS / si 8-bitowe długości słów oznaczają, że generuje ~ 48 MB / s surowych danych - zdecydowanie za dużo, aby przesyłać je strumieniowo przez USB, pomimo teoretycznego limitu 60 MB / s (praktyczny limit to 30 MB / s-40 MB / s), nieważne narzut związany z pakowaniem, więc po wyjęciu z pudełka jest pewna dziesiątka, aby to zmniejszyć. Praca z 35 MB / s daje częstotliwość próbkowania ~ 37MS / s, wskazując na teoretyczny limit pomiaru 18 MHz lub czas narastania 20 ns podczas przesyłania strumieniowego, chociaż prawdopodobnie jest niższy, ponieważ 35 MB / s jest niesamowite (ale możliwe!). Instrukcja wskazuje, że istnieje tryb blokowania do przechwytywania danych z prędkością 50 MB / s do wewnętrznej pamięci 8k (kaszel)jest pełny (160us), a następnie wysyłany do komputera w spokojnym tempie. Zakładam, że trudności napotkane przy projektowaniu jakościowego wejścia analogowego zostały częściowo rozwiązane przez nadpróbkowanie 2X (dodatkowa dokładność półbita), co daje efektywną częstotliwość próbkowania 25MS / s, maksymalną częstotliwość 12,5 MHz i 10% pasmo ochronne ( (0.5*25-10)/25), które można zmniejszyć w samym narzędziu ręcznym. Podsumowując, nie jestem pewien, dlaczego widzisz sinusoidę 4 MHz, ponieważ istnieją na to sposoby, ale chciałbym wykonać ten sam pomiar w trybie bloku, a następnie przeanalizować dane za pomocą programu innej firmy. _{Zawsze byłem twardy w oscyloskopach na PC, ale ten wydaje się mieć przyzwoite dane wejściowe ...}

Pasmo analogowe 10 MHz oznacza, że ​​sygnał 10 MHz przy 10 V będzie wyglądał jak 5 V, innymi słowy twoja amplituda zostanie zmniejszona o połowę przy 10 MHz.

Pasmo 10 MHz oznacza, że ​​sygnał 50 MHz zostanie dość mocno wytłumiony, ale o ile trudno spekulować.

50 MS / s oznacza, że ​​nie możesz realistycznie pracować z sygnałami znacznie przekraczającymi 5 MHz, jeśli masz nadzieję na przechwytywanie sygnału jednym strzałem, co jest naprawdę jedynym powodem, dla którego DSO jest na pierwszym miejscu.

Ignorując problem przepustowości przez minutę, możesz być w stanie wprowadzić zakres w tryb powtarzalnego próbkowania i przechwycić w ten sposób powtarzalny sygnał, tak jak robi to zakres analogowy.

Dostałbym właściwe DSO (moje rekomendacje to Rigol ds1052e zmodyfikowany do pasma analogowego 100 MHz), w przeciwnym razie dobry zakres Tektronix może być dobrym rozwiązaniem (od czasu do czasu używam modeli 2236, 2246 i 2247A) i wszystkie są świetnymi zakresami analogowymi)

* Are they a measure of the upper frequency limit an oscilloscope can measure?

Tak w przypadku pomiaru bezpośredniego.

* Is this oscilloscope capable of measuring 50Mhz at all?

Tak, używając kilku trudnych sposobów: 1) wykrywanie pików (przydatne, gdy trzeba zobaczyć sygnał modulowany AM) 2) Przesunięcie częstotliwości (ponownie, przydatne, gdy sygnał jest modulowany) - Jeśli zmiksujesz sygnał 50 MHz z falą sinusoidalną 49 MHz, otrzymasz Sygnał 1 MHz w pobliżu żądanej częstotliwości.

Szerokość pasma i częstotliwość próbkowania zwykle powinny być od 4 do 5 razy większa niż maksymalna częstotliwość, którą chcesz zmierzyć. Należy jednak pamiętać, że jeśli sygnał wejściowy nie jest czystą falą sinusoidalną, tak jak w twoim przypadku, fala prostokątna, zawiera ona również harmoniczne o znacznie wyższych częstotliwościach. Aby uzyskać dokładny pomiar, musisz pokryć przynajmniej pierwszą z tych harmonicznych.

Przy częstotliwości maksymalnej szerokości pasma (tutaj 10 MHz) fala sinusoidalna tej częstotliwości jest tłumiona przez 3dB przez analogową nakładkę zakresu. Oznacza to, że jest mierzony tylko w 70% jego rzeczywistej wartości. Częstotliwość próbkowania określa, ile pomiarów wykonuje się w zakresie na sekundę, tj. Jak dokładna jest forma sygnału (50 MS / s to 5 pomiarów na cykl dla sygnału 10 MHz).

Pomyśl teraz o tym, co widzi Twój luneta z silnie osłabionym sygnałem wejściowym (z powodu zbyt niskiego pasma) i tylko z 5 próbkami na cykl (z powodu częstotliwości próbkowania).