In che modo gli oscilloscopi digitali raggiungono frequenze di campionamento così elevate?

Dal punto di vista dell'acquisizione dei dati, come si ottiene questo risultato? Se volessi implementare un dispositivo digitale fatto in casa per catturare segnali analogici ad alta frequenza, quali sono le mie opzioni? Finora, ho solo avuto alcune idee abbastanza inutili per i disegni!

Usando un microprocessore PIC, la frequenza di campionamento A / D su una serie 18f credo che sia corretta nell'ordine di 1 Mhz con una precisione di 10 bit se sono corretta (?) E non riesco a immaginare che i chip A / D dedicati siano molto meglio, in che modo gli ambiti moderni raggiungono le frequenze in GHz?

Il entry level DSO Rigol 1052E (quello che possiedo e 100 MHz in grado di cambiare software) utilizza un Analog Devices AD9288. Questo è un ADC a doppio canale con uscite parallele a 8 bit e campioni a 40 o 100 milioni di campioni al secondo (a seconda della velocità del chip). Anche se il Rigol è un campione da 1 Gig al secondo, quindi non sono sicuro se li sta multiplexando o cosa stia dando loro esattamente 10 volte i campioni del singolo chip.

L'AD9288 ha un convertitore di tipo pipeline bit-stage per i 5 bit MSB e utilizza un flash a 3 bit per i 3 LSB finali. Ciò ha senso, poiché la magnitudine più elevata dovrebbe essere più facile da convertire rapidamente con le condutture. Man mano che la velocità dell'ADC aumenta, il numero di bit campionati tramite la conversione flash aumenterà, come diceva Steven.

Presumo che utilizzino Flash ADC . Questi hanno il vantaggio che la conversione è immediata, mentre gli ADC SA (Successive Approximation) come quelli utilizzati nella maggior parte dei microcontrollori eseguono un algoritmo che richiede una serie di passaggi. Uno svantaggio degli ADC Flash è che sono piuttosto pesanti sull'hardware (un ADC a 8 bit ha 255 comparatori), ma la maggior parte degli ambiti non ha una risoluzione molto elevata. (Gli ambiti analogici erano spesso precisi al 3%, il che si traduce in 5 bit.)

Jodes, il tuo commento dice che hai ottenuto la tua risposta, ma c'è molto di più nella soluzione rispetto agli ADC Flash. Dai un'occhiata alla nota applicativa di Agilent, " Tecniche per ottenere larghezze di banda dell'oscilloscopio superiori a 16 GHz ". Lavoravo in quel campus (ma non pretendo di avere un'esperienza di ambito dettagliata). Agilent a Colorado Springs è l'hub globale delle conoscenze relative all'elaborazione del segnale multi-gigahertz. Hanno lavorato su una soluzione a 32 GHz per annie appena iniziato a spedire l'anno scorso. Le sonde attive e la microelettronica che eseguono l'elaborazione del segnale sono estremamente sofisticate. Scopri l'intera libreria di documenti relativi all'oscilloscopio DSO e DSA ad alte prestazioni Infiniium 90000 serie X. Google it - l'URL è brutto e non sono sicuro che offra un link permanente alla pagina della libreria. Potresti anche voler dare un'occhiata ai brevetti correlati.

I produttori di oscilloscopi pubblicizzano con "frequenza di campionamento equivalente". Questa NON è una frequenza di campionamento dal vivo. Questa è una frequenza di campionamento eseguita utilizzando campioni di più periodi e prelevando campioni in momenti diversi del segnale. Combinando questi e otterrai una "frequenza di campionamento equivalente" più alta. Quindi, se avessi ADC 100MSPS e lo facessi 10 volte (davvero male!), Otterrai 1GSPS.

Questo è male perché presume che il tuo segnale sia periodico, cosa che non è sempre.

Ciò che è importante di un oscilloscopio è la frequenza di campionamento 'single shot'. È anche una funzionalità che è probabile che utilizzi (ad esempio, acquisisci una risposta al gradino) o dai un'occhiata da vicino a una forma d'onda non danzante. Fornisce un'indicazione di cosa è capace l'hardware, non "perfezionato" dal software. L'hardware può essere intercalato, ovvero utilizzando più ADC ad alta velocità e temporizzando i segnali di "avvio della conversione" al momento giusto. Questo è anche il motivo per cui alcuni ambiti avranno frequenze di campionamento più elevate in modalità a canale singolo rispetto a doppio canale. La tua tipica serie PIC18 ha solo un convertitore ADC 1x, ma più canali (fatto con un MUX analogico).

Inoltre, i chip ADC dedicati possono essere molto, molto più veloci. 100MSPS non è troppo imbarazzante da trovare. Dai un'occhiata qui, National pubblicizza questi come altissima velocità. Non so come funzionano esattamente, vedo che quelli 3GSPS usano già l'interlacciatura interna.

http://www.national.com/en/adc/ultra_high_speed_adc.html

Il Rigol 1052E, come menzionato da Joe, è un ottimo esempio di come farlo in modo efficiente ed economico. Utilizza una pila di ADC indipendenti, tutti con una frequenza di campionamento più lenta e li mette fuori fase tra loro. In questo modo, i campioni vengono estratti da ciascun ADC a turno in stile round robin.

Ovviamente il tuo tempismo deve essere straordinariamente preciso per farlo in questo modo, e sembra che il 1025E usi un PLD per fare proprio questo - e dato che la stessa scheda ha anche un FPGA associato all'elaborazione del segnale in entrata, sembra che il PLD (che è molto meno potente ma con un routing interno più prevedibile) è stato aggiunto a causa della sua capacità di generare ed elaborare segnali con tempistica molto precisa.

Interlacciano gli adc multipli con orologi leggermente sfasati l'uno con l'altro, ottenendo una frequenza di campionamento di 5 volte superiore a un singolo chip. Inoltre, per un segnale periodico, esiste un trucco utilizzato da molti ambiti moderni che consiste nell'avere un clock di campionamento sfasato rispetto al segnale misurato, in modo che su campioni successivi, una parte diversa della forma d'onda venga campionato, sebbene in un ciclo diverso di quella forma d'onda. Quindi, dopo aver prelevato un numero sufficiente di campioni, possono quindi ricostruire il segnale se sono in grado di determinare la frequenza fondamentale della forma d'onda misurata (molto più facile da fare). Ha senso?