Пропускна здатність осцилографа, про що це?

Це запитання спливе до мене кілька моментів тому. Я вимірював квадратну хвилю 50 МГц рівня від 0 до 2,5, однак те, що я бачив на екрані, - це синусоїда, яка була зосереджена навколо 1,2 В і рівня від 0,5 до 2,0 В, частота - 4 МГц.

Я перевірив свій аркуш осцилоскопів, і він показав, що пропускна здатність була 10 МГц зі швидкістю вибірки 50 мс / с.

Мені цікаво, про що ці цифри.

• Чи є мірою верхньої межі частоти, яку може вимірювати осцилограф?
• Чи здатний цей осцилоскоп взагалі вимірювати 50 МГц?

Пропускна здатність системи - це комбінація пропускної здатності зонда та смуги вхідного сигналу осцилографа. Кожен може бути наближений за допомогою ланцюга низькочастотного сигналу RC, що означає, що затримки додаються геометрично:

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

Це означає, що діапазон 10 МГц із зондами 60 МГц може вимірювати синусоїди частотою 9,86 МГц із загасанням -3 дБ (100 * 10 ^ {- 3/20}%).

При вимірюванні цифрових імпульсних поїздів важлива не стільки періодичність, скільки часу підйому та падіння, оскільки вони містять інформацію про високу частоту. Часи підйому можна математично наблизити підйомом RC або Гауссовим підйомом і визначаються як час для переходу сигналу від 10% різниці між низькою напругою (логічна 0) і високою напругою (логічна 1) , до 90% різниці. Наприклад, у системі 5В / 0В вона визначається як час дістатися 0.1*5V=0.5Vдо 0.9*5V=4.5V. З урахуванням цих обмежень і деякої фантазії математики можна зрозуміти, що кожен тип характерного часу підйому має частотний зміст приблизно 0.34/t_riseдля Гаусса і0.35/t_riseдля RC. (Я використовую 0.35/t_riseбез поважних причин і буду робити це для решти цієї відповіді.)

Ця інформація також працює і іншим способом: певна пропускна здатність системи здатна вимірювати лише час підйому до 0.35/f_system; у вашому випадку від 35 до 40 наносекунд. Ви бачите щось подібне до синусоїди, оскільки саме це пропускає аналоговий фронт-енд.

Псевдонім - це артефакт цифрового відбору проб, який також діє у ваших вимірах (чи не щастить ви!). Ось запозичене зображення від WP:

Оскільки аналоговий фронт-модуль піднімає лише час від 35 до 40 нс, ADC-відбірний мост бачить щось на кшталт ослабленої синусоїди хвилі 50 МГц, але це лише вибірки при 50 МС / с, тому він може читати тільки синусоїди нижче 25 МГц. У багатьох областях застосування в цій точці є антиалійний фільтр (LPF), який би послаблював частоти, що перевищують 0,5 раза від швидкості вибірки (критерії вибірки Шеннона-Найквіста). Схоже, у вашому масштабі немає цього фільтра, оскільки напруга пік-пік все ще досить високе. Що це за модель?

Після мосту вибірки дані потрапляють у кілька процесів DSP, один з яких називається децимацією та кардинальними проміжками , що додатково зменшує швидкість вибірки та пропускну здатність для кращого відображення та аналізу (особливо корисно для обчислення FFT). Далі масажуються дані таким чином, що вони не відображають частоти, що перевищують ~ 0,4 рази швидкість вибірки, що називається охоронною смугою . Я б очікував, що ви побачите синусоїду ~ 20 МГц - у вас увімкнено усереднення (5-бальне)?

РЕДАКТИРУЙТЕ: Я висуну шию і здогадаюся, що ваш осцилоскоп має цифровий антиаліаз, використовуючи децимацію та кардинальні проміжки, що в основному означає цифровий LPF, а потім перекомпонування інтерпольованого шляху. Програма DSP бачить сигнал 20 МГц, тому зменшує його, поки він не стане нижче 10 МГц. Чому 4 МГц і не ближче до 10 МГц? "Кардинальний проміжок" означає вдвічі зменшити пропускну здатність, і децимація часто також потужністю дві. Деяка ціла потужність 2 або її проста частка призвела до того, що синусоїда 4 МГц виплюнулася замість ~ 20 МГц. Ось чому я кажу, що кожному ентузіасту потрібна аналогова область. :)

_{EDIT2: Оскільки на це набуває дуже багато поглядів, я б краще виправити вище збентежуючи тонкий висновок.}
EDIT2: Конкретний інструмент, який вам сподобався, може використовувати підкреслений вигляд, для якого потрібен віконний аналоговий вхід BPF для антиаліанізації, який, схоже, не має цього інструмента, тому він повинен мати лише LPF, обмежуючи його синусоїдами менше 25 МГц навіть при використанні equiv. час вибірки . Хоча я також підозрюю якість аналогової сторони, цифрова сторона, ймовірно, не виконує згадані вище алгоритми DSP, натомість передає дані або передає одне захопленняза один раз, коли на ПК виникла велика кількість грубої сили. 50 Мс / с і 8-бітна довжина слів означає, що це генерує ~ 48 Мб / с необроблених даних - занадто багато для передачі через USB, незважаючи на теоретичний обмеження 60 Мб / с (практичний ліміт - 30 МБ / с-40 МБ / с), ніколи не має значення пакетизуючи накладні, тож із коробки є певна децимація, щоб зменшити це. Робота з 35 МБ / с дає швидкість вибірки ~ 37 МС / с, вказуючи на теоретичну межу вимірювання 18 МГц або 20с час підйому при потоковому потоці, хоча це, ймовірно, нижче, оскільки 35 МБ / с дивовижно (але можливо!). Посібник вказує, що існує режим блокування для збору даних при швидкості 50 Мб / с до внутрішньої пам'яті 8 К (кашель)повна (160us), потім неквапливим темпом надсилає її до комп'ютера. Я б припустив, що труднощі, що виникають при проектуванні якісного аналогового входу, були частково подолані пересимплінг на 2х (додаткова точність напівбіта), що дає ефективну швидкість вибірки 25Мс / с, максимальну частоту 12,5 МГц та 10% охоронну смугу ( (0.5*25-10)/25), що все можна зменшити в самому ручному інструменті. На закінчення я не впевнений, чому ви бачите синусоїду 4 МГц, оскільки є способи цього зробити, але хочете зробити те саме вимірювання в режимі блоку, а потім проаналізуйте дані за допомогою сторонньої програми. _{Мені завжди важко було осцилоскопів на базі ПК, але цей, здається, має гідний вклад ...}

Аналогова пропускна здатність 10 МГц означає, що сигнал 10 МГц на 10 В буде схожий на 5 В, інакше кажучи, ваша амплітуда зменшиться вдвічі на 10 МГц.

Пропускна здатність 10 МГц означає, що ваш сигнал на 50 МГц зменшиться досить сильно, але скільки важко спекулювати.

50 МС / с означає, що ви не можете реально працювати з сигналами, що перевищують 5 МГц, якщо ви сподіваєтеся зробити одноразовий захоплення сигналу, що справді є єдиною причиною, щоб DSO був в першу чергу.

Ігноруючи проблему з пропускною здатністю на хвилину, ви, можливо, зможете перевести область в режим повторної вибірки і таким чином зафіксувати повторюваний сигнал, як і аналоговий діапазон.

Я отримаю належний DSO (Rigol ds1052e, модифікований аналоговою пропускною здатністю 100 МГц, отримує мої рекомендації), тому що використаний аналоговий діапазон Tektronix може бути хорошим способом (я час від часу використовую моделі 2236, 2246 та 2247A і всі вони є чудовими аналогами)

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

Так, для прямого вимірювання.

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

Так, використовуючи деякі хитрі способи: 1) пікове виявлення (корисно, коли потрібно бачити сигнал модульованого АМ) 2) Частотний зсув (знову корисно, коли сигнал модулюється) - Якщо змішати сигнал 50 МГц з синусоїдою 49 МГц, ви отримаєте Сигнал 1 МГц поблизу потрібної частоти.

Ширина смуги пропускання та частота вибірки зазвичай повинні бути від 4 до 5 разів більше максимальної частоти, яку потрібно виміряти. Але майте на увазі, що якщо ваш вхідний сигнал не є чистою синусоїдою, як у вашому випадку квадратна хвиля, він також містить гармоніки зі значно більшими частотами. Для точного вимірювання вам слід охопити хоча б першу з цих гармонік.

На частоті максимальної смуги пропускання (тут 10 МГц) синусова хвиля цієї частоти ослаблена 3dB аналоговим фронтальним діапазоном області. Це означає, що вона вимірюється лише у 70% від її реальної вартості. Швидкість вибірки вказує, скільки вимірювань проводиться за масштабом в секунду, тобто наскільки точна форма сигналу набувається (50 мс / с дорівнює 5 вимірювань на цикл за сигналом 10 МГц).

Тепер подумайте, що ви бачите у вашій області застосування із сильним ослабленим вхідним сигналом (через занадто низьку смугу пропускання) та лише з 5 зразками на цикл (через швидкість вибірки).