Larghezza di banda dell'oscilloscopio, di cosa si tratta?

Questa domanda mi è venuta in mente qualche istante fa. Stavo misurando quello che si intende essere un'onda quadrata da 50 MHz di livello da 0 a 2,5, tuttavia ciò che ho visto sullo schermo è un'onda sinusoidale che era centrata intorno a 1,2 V e livello da 0,5 a 2,0 V, la frequenza era di 4 MHz.

Ho controllato la mia scheda tecnica degli oscilloscopi e ha dimostrato che la larghezza di banda era di 10 MHz con una frequenza di campionamento di 50 MS / s.

Mi chiedo di cosa siano queste cifre.

• Sono una misura del limite di frequenza superiore che un oscilloscopio può misurare?
• Questo oscilloscopio è in grado di misurare 50 Mhz?

La larghezza di banda del sistema è una combinazione di larghezza di banda della sonda e larghezza di banda di ingresso dell'oscilloscopio. Ciascuno può essere approssimato da un circuito passa-basso RC, il che significa che i ritardi si sommano geometricamente:

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

Ciò significa che un oscilloscopio da 10 MHz con sonde da 60 MHz può misurare sinusoidi di frequenza 9,86 MHz con attenuazione di -3 dB (100 * 10 ^ {- 3/20}%).

Quando si misurano i treni di impulsi digitali non è tanto la periodicità che conta, ma i tempi di salita e discesa, poiché contengono le informazioni ad alta frequenza. I tempi di salita possono essere approssimati matematicamente da un aumento RC o un aumento gaussiano e sono definiti come il tempo per il segnale che passa dal 10% della differenza tra bassa tensione (0 logico) e alta tensione (1 logico) , al 90% della differenza. Ad esempio, in un sistema a 5 V / 0 V, è definito come il tempo per andare da 0.1*5V=0.5Va 0.9*5V=4.5V. Con questi vincoli e un po 'di matematica elaborata , si può capire che ogni tipo di tempo di salita caratteristico ha un contenuto di frequenza fino a circa 0.34/t_riseper gaussiano e0.35/t_riseper RC. (Uso 0.35/t_risesenza motivo e lo farò per il resto di questa risposta.)

Anche queste informazioni funzionano diversamente: una particolare larghezza di banda del sistema è in grado di misurare solo i tempi di salita 0.35/f_system; nel tuo caso, da 35 a 40 nanosecondi. Stai vedendo qualcosa di simile a un'onda sinusoidale perché è quello che il front-end analogico sta lasciando passare.

L'aliasing è un artefatto di campionamento digitale ed è efficace anche nella misurazione (non sei fortunato!). Ecco un'immagine presa in prestito da WP:

Dato che il front-end analogico sta facendo aumentare i tempi solo da 35ns a 40ns, il ponte di campionamento ADC vede qualcosa come un'onda sinusoidale attenuata a 50 MHz, ma sta solo campionando a 50MS / s, quindi può leggere solo sinusoidi al di sotto di 25 MHz. Molti ambiti hanno un filtro antialiasing (LPF) a questo punto, che attenuerebbe le frequenze sopra 0,5 volte la frequenza di campionamento (criteri di campionamento di Shannon-Nyquist). Il tuo ambito non sembra avere questo filtro, tuttavia, poiché la tensione picco-picco è ancora abbastanza alta. Che modello è?

Dopo il ponte di campionamento i dati vengono trasferiti in alcuni processi DSP, uno dei quali è chiamato decimazione e intervalli cardinali , che riduce ulteriormente la frequenza di campionamento e le larghezze di banda al fine di visualizzarli e analizzarli meglio (particolarmente utile per il calcolo FFT). I dati vengono ulteriormente massaggiati in modo tale da non visualizzare frequenze superiori a ~ 0,4 volte la frequenza di campionamento, chiamata banda di guardia . Mi sarei aspettato che vedessi una sinusoide di ~ 20MHz - hai attivato la media (5 punti)?

EDIT: tirerò fuori il collo e immagino che il tuo oscilloscopio abbia un antialiasing digitale, usando decimazione e span cardinali, che sostanzialmente significa un LPF digitale quindi ricampionamento di un percorso interpolato. Il programma DSP vede un segnale a 20 MHz, quindi lo decima fino a quando non è inferiore a 10 MHz. Perché 4MHz e non più vicino a 10MHz? "Span cardinale" significa dimezzare la larghezza di banda e la decimazione è spesso anche con un potere di due. Una potenza intera di 2 o una frazione di essa ha provocato la fuoriuscita di una sinusoide da 4 MHz invece di ~ 20 MHz. Ecco perché dico che ogni appassionato ha bisogno di un ambito analogico. :)

_{EDIT2: Dal momento che sta ottenendo così tante visualizzazioni, è meglio correggere la conclusione in modo imbarazzante sopra.}
EDIT2: lo strumento particolare che ti è piaciuto è possibile utilizzare il sottocampionamento, per il quale è richiesto un input BPF analogico per finestre per l'antialiasing, che questo strumento non sembra avere, quindi deve avere solo un LPF, limitandolo a sinusoidi inferiori a 25MHz anche quando si utilizza equiv. campionamento temporale . Anche se sospetto anche la qualità del lato analogico, è probabile che il lato digitale non esegua i suddetti algoritmi DSP, invece trasmette i dati in streaming o trasferisce un'acquisizionealla volta per lo scricchiolio del numero di forza bruta su un PC. 50MS / se lunghezze di parole a 8 bit significano che ciò sta generando ~ 48 MB / s di dati non elaborati - troppo per lo streaming su USB nonostante il suo limite teorico di 60 MB / s (il limite pratico è 30 MB / s-40 MB / s), non importa il sovraccarico di pacchetti, quindi c'è una certa decimazione fuori dalla scatola per ridurlo. Lavorare con 35 MB / s fornisce una frequenza di campionamento di ~ 37 MS / s, indicando un limite di misurazione teorico di 18 MHz o 20 n di tempo di salita durante lo streaming, sebbene sia probabilmente inferiore poiché 35 MB / s è sorprendente (ma possibile!). Il manuale indica che esiste una modalità blocco per l'acquisizione di dati a 50 MB / s fino alla memoria interna 8k (tosse)è pieno (160us), quindi lo invia al computer ad un ritmo piacevole. Suppongo che le difficoltà incontrate nella progettazione di un ingresso analogico di qualità siano state parzialmente superate dal sovracampionamento di 2X (precisione extra del mezzo bit), fornendo una frequenza di campionamento effettiva di 25MS / s, una frequenza massima di 12,5 MHz e una banda di protezione del 10% ( (0.5*25-10)/25), che potrebbero essere ridotti nello stesso strumento manuale. In conclusione, non sono sicuro del motivo per cui stai vedendo una sinusoide a 4MHz in quanto esistono modi per farlo, ma vorrei fare la stessa misurazione in modalità Block, quindi analizzare i dati con un programma di terze parti. _{Sono sempre stato duro con gli oscilloscopi basati su PC, ma questo sembra avere input decenti ...}

La larghezza di banda analogica a 10 MHz significa che un segnale da 10 MHz a 10 V apparirà come un 5 V, in altre parole l'ampiezza sarà dimezzata a 10 MHz.

La larghezza di banda di 10 MHz significa che il segnale a 50 MHz verrà attenuato un po ', ma su quanto è difficile speculare.

I 50 MS / s significano che non è possibile lavorare realisticamente con segnali molto superiori a 5 MHz se si spera di fare l'acquisizione del segnale a colpo singolo, che è davvero l'unica ragione per avere un DSO in primo luogo.

Ignorando il problema della larghezza di banda per un minuto, potresti essere in grado di mettere l'oscilloscopio in modalità di campionamento ripetitivo e acquisire un segnale ripetitivo in quel modo, proprio come fa un ambito analogico.

Otterrei un DSO adeguato (Il Rigol ds1052e modificato a 100 MHz di larghezza di banda analogica ottiene i miei consigli), non riuscendo a utilizzare un ambito analogico Tektronix usato potrebbe essere un buon modo di andare (di tanto in tanto uso i modelli 2236, 2246 e 2247A e sono tutti ottimi scopi analogici)

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

Sì per la misurazione diretta.

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

Sì, usando alcuni modi complicati: 1) rilevamento di picco (utile quando è necessario vedere il segnale modulato AM) 2) Freq shift (di nuovo, utile quando il segnale è modulato) - Se si mescola il segnale 50Mhz con un'onda sinusoidale a 49Mhz, si otterrà Segnale 1Mhz vicino alla frequenza desiderata.

La larghezza di banda e la frequenza di campionamento dovrebbero normalmente essere da 4 a 5 volte la frequenza massima che si desidera misurare. Ma tieni presente che se il tuo segnale di input non è un'onda sinusoidale pura, come nel tuo caso l'onda quadra, contiene anche armoniche con frequenze molto più alte. Per una misurazione accurata devi coprire almeno la prima di queste armoniche.

Alla frequenza della larghezza di banda massima (qui 10 MHz) un'onda sinusoidale di questa frequenza è attenuata da 3dB dal frontend analogico dell'oscilloscopio. Ciò significa che viene misurato solo al 70% del suo valore reale. La frequenza di campionamento specifica il numero di misurazioni effettuate dall'oscilloscopio al secondo, ovvero la precisione con cui viene acquisita la forma del segnale (50 MS / s equivalgono a 5 misurazioni per ciclo su un segnale a 10 MHz).

Ora pensa a cosa sta vedendo il tuo oscilloscopio con il segnale in ingresso fortemente attenuato (a causa della banda troppo bassa) e con solo 5 campioni per ciclo (a causa della frequenza di campionamento).