Ancho de banda del osciloscopio, ¿de qué se trata?

Esta pregunta me surgió hace unos momentos. Estaba midiendo lo que pretende ser una onda cuadrada de 50Mhz de nivel 0 a 2.5, sin embargo, lo que vi en la pantalla es una onda sinusoidal centrada alrededor de 1.2V y un nivel de 0.5 a 2.0V, la frecuencia era de 4MHz.

Revisé la hoja de datos de mis osciloscopios y mostró que el ancho de banda era de 10MHz con una frecuencia de muestreo de 50 MS / s.

Me pregunto de qué se tratan estas cifras.

• ¿Son una medida del límite de frecuencia superior que puede medir un osciloscopio?
• ¿Es este osciloscopio capaz de medir 50Mhz?

El ancho de banda del sistema es una combinación de ancho de banda de sonda y ancho de banda de entrada del osciloscopio. Cada uno puede ser aproximado por un circuito RC de paso bajo, lo que significa que los retrasos se suman geométricamente:

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

Esto significa que un alcance de 10MHz con sondas de 60MHz puede medir sinusoides de frecuencia 9.86MHz con atenuación de -3dB (100 * 10 ^ {- 3/20}%).

Al medir trenes de pulso digital no es tanto la periodicidad lo que importa, sino los tiempos de subida y bajada, ya que contienen la información de alta frecuencia. Los tiempos de subida se pueden aproximar matemáticamente por un aumento de RC o un aumento de Gauss, y se definen como el tiempo para que la señal pase del 10% de la diferencia entre bajo voltaje (0 lógico) y alto voltaje (1 lógico) , al 90% de la diferencia Por ejemplo, en un sistema de 5V / 0V, se define como el tiempo para llegar 0.1*5V=0.5Va 0.9*5V=4.5V. Con estas restricciones y algunas matemáticas sofisticadas , se puede deducir que cada tipo de tiempo de subida característico tiene un contenido de frecuencia de hasta aproximadamente 0.34/t_risepara Gauss y0.35/t_risepara RC. (Lo uso 0.35/t_risesin una buena razón y lo haré por el resto de esta respuesta).

Esta información también funciona a la inversa: un ancho de banda particular del sistema solo puede medir los tiempos de subida hasta 0.35/f_system; en su caso, de 35 a 40 nanosegundos. Estás viendo algo similar a una onda sinusoidal porque eso es lo que el front-end analógico está dejando pasar.

El aliasing es un artefacto de muestreo digital, y también está vigente en su medición (¡no tiene suerte!). Aquí hay una imagen prestada de WP:

Como el front-end analógico solo permite tiempos de subida de 35ns a 40ns, el puente de muestreo ADC ve algo así como una onda sinusoidal atenuada de 50MHz, pero solo muestra a 50MS / s, por lo que solo puede leer sinusoides por debajo de 25MHz. Muchos ámbitos tienen un filtro antialiasing (LPF) en este punto, que atenuaría las frecuencias superiores a 0,5 veces la frecuencia de muestreo (criterios de muestreo de Shannon-Nyquist). Sin embargo, su alcance no parece tener este filtro, ya que el voltaje pico a pico todavía es bastante alto. Que modelo es

Después del puente de muestreo, los datos se introducen en algunos procesos DSP, uno de los cuales se denomina diezmado y tramos cardinales , lo que reduce aún más la frecuencia de muestreo y los anchos de banda para poder visualizarlos y analizarlos mejor (especialmente útil para el cálculo de FFT). Los datos se complementan de tal manera que no muestran frecuencias superiores a ~ 0.4 veces la frecuencia de muestreo, llamada banda de protección . Esperaba que vieras una sinusoide de ~ 20MHz: ¿tienes activado el promedio (5 puntos)?

EDITAR: Sacaré el cuello y supongo que su osciloscopio tiene antialiasing digital, usando decimación y tramos cardinales, lo que básicamente significa un LPF digital y luego remuestreo de una ruta interpolada. El programa DSP ve una señal de 20MHz, por lo que la diezma hasta que está por debajo de 10MHz. ¿Por qué 4MHz y no más cerca de 10MHz? El "intervalo cardinal" significa reducir a la mitad el ancho de banda, y la aniquilación a menudo también es por una potencia de dos. Una potencia entera de 2 o una fracción simple de la misma resultó en una escisión sinusoide de 4MHz en lugar de ~ 20MHz. Por eso digo que todo entusiasta necesita un alcance analógico. :)

_{EDIT2: Dado que esto está obteniendo tantas vistas, es mejor que corrija la conclusión vergonzosamente delgada anterior.}
EDIT2: La herramienta particular que le gustaba puede usar el submuestreo, para lo cual se requiere una entrada BPF analógica de ventanas para el antialiasing, que esta herramienta no parece tener, por lo que solo debe tener un LPF, restringiéndolo a sinusoides de menos de 25MHz incluso cuando se usa equiv. muestreo de tiempo . Aunque también sospecho de la calidad del lado analógico, es probable que el lado digital no haga los algoritmos DSP mencionados anteriormente, sino que transmita datos o transfiera una capturaa la vez para el crujido del número de fuerza bruta en una PC. 50MS / sy una longitud de palabra de 8 bits significa que esto está generando ~ 48MB / s de datos sin procesar, demasiado para transmitir a través de USB a pesar de su límite teórico de 60MB / s (el límite práctico es 30MB / s-40MB / s), no importa la sobrecarga de empaquetamiento, por lo que hay un poco de destrucción directamente de la caja para reducir esto. Trabajar con 35 MB / s proporciona una frecuencia de muestreo de ~ 37MS / s, apuntando a un límite de medición teórico de 18MHz, o 20 n de tiempo de subida, cuando se transmite, aunque es probable que sea menor ya que 35 MB / s es increíble (¡pero posible!). El manual indica que existe un modo de bloqueo para capturar datos a 50 MB / s hasta la memoria interna de 8k (tos)está lleno (160us), luego lo envía a la computadora a un ritmo pausado. Supongo que las dificultades encontradas en el diseño de una entrada analógica de calidad se superaron parcialmente mediante el sobremuestreo de 2X (precisión de medio bit adicional), lo que proporciona una frecuencia de muestreo efectiva de 25MS / s, frecuencia máxima de 12.5MHz y una banda de protección del 10% ( (0.5*25-10)/25), todo lo cual podría reducirse en la herramienta de mano. En conclusión, no estoy seguro de por qué está viendo una sinusoide de 4MHz, ya que hay formas de que esto suceda, pero me gustaría hacer la misma medición en modo de bloqueo y luego analizar los datos con un programa de terceros. _{Siempre he sido difícil con los osciloscopios basados ​​en PC, pero este parece tener entradas decentes ...}

El ancho de banda analógico de 10 MHz significa que una señal de 10 MHz a 10 V se verá como 5 V, en otras palabras, su amplitud se reducirá a la mitad a 10 MHz.

El ancho de banda de 10 MHz significa que su señal de 50 MHz se atenuará bastante, pero cuánto es difícil especular.

Los 50 MS / s significan que no puede trabajar de manera realista con señales de más de 5 MHz si espera capturar la señal en un solo disparo, que es realmente la única razón para tener un DSO en primer lugar.

Ignorando el problema del ancho de banda durante un minuto, es posible que pueda poner el osciloscopio en modo de muestreo repetitivo y capturar una señal repetitiva de esa manera, tal como lo hace un osciloscopio analógico.

Obtendría un DSO adecuado (el Rigol ds1052e modificado a un ancho de banda analógico de 100 MHz recibe mis recomendaciones), en caso de que un alcance analógico Tektronix usado sea una buena opción (uso los modelos 2236, 2246 y 2247A de vez en cuando y todos son buenos ámbitos analógicos)

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

Sí para medición directa.

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

Sí, usando algunas formas difíciles: 1) detección de picos (útil cuando necesita ver la señal modulada por AM) 2) Cambio de frecuencia (nuevamente, útil cuando la señal está modulada) - Si mezcla una señal de 50Mhz con una onda sinusoidal de 49Mhz, obtendrá Señal de 1Mhz cerca de la frecuencia que desea.

El ancho de banda y la frecuencia de muestreo normalmente deben ser de 4 a 5 veces la frecuencia máxima que desea medir. Pero tenga en cuenta que si su señal de entrada no es una onda sinusoidal pura, como en su caso la onda cuadrada, también contiene armónicos con frecuencias mucho más altas. Para una medición precisa, debe cubrir al menos el primero de estos armónicos.

A la frecuencia del ancho de banda máximo (aquí 10 MHz) una onda sinusoidal de esta frecuencia es atenuada por 3dB por la interfaz analógica del osciloscopio. Esto significa que se mide solo al 70% de su valor real. La frecuencia de muestreo especifica cuántas mediciones realiza el alcance por segundo, es decir, qué tan precisa se adquiere la forma de la señal (50 MS / s equivalen a 5 mediciones por ciclo en una señal de 10 MHz).

Ahora piense en lo que está viendo su osciloscopio con la señal de entrada muy atenuada (debido al ancho de banda demasiado bajo) y con solo 5 muestras por ciclo (debido a la frecuencia de muestreo).