Como os osciloscópios digitais atingem taxas de amostragem tão altas?

Do ponto de vista da captura de dados, como isso é alcançado? Se eu quisesse implementar um dispositivo digital caseiro para capturar sinais analógicos de alta frequência, quais são minhas opções? Até agora, eu só tive algumas idéias bastante inúteis para projetos!

Usando um microprocessador PIC, a taxa de amostragem A / D em uma série 18f, acredito que seja da ordem de 1Mhz com precisão de 10 bits, se eu estiver correta (?) E não consigo imaginar chips A / D dedicados sendo muito melhor, como os escopos modernos alcançam frequências em GHz?

O DSO Rigol 1052E de nível de entrada (o que eu possuo e com capacidade de 100 MHz com alteração de software) usa um Analog Devices AD9288. Este é um ADC de canal duplo com saídas paralelas de 8 bits e amostras com 40 ou 100 milhões de amostras por segundo (dependendo da velocidade do chip). Embora o Rigol seja uma amostra de 1 Gig por segundo, não tenho certeza se eles estão multiplexando-as ou o que exatamente está dando a elas 10x das amostras do chip único.

O AD9288 possui um conversor de tipo de pipeline bit por estágio para os 5 bits de MSB e usa um flash de 3 bits para os 3 LSB finais. Isso faz sentido, pois a magnitude mais alta deve ser mais fácil de converter rapidamente com pipelines. À medida que a velocidade do seu ADC aumenta, o número de bits amostrados via conversão flash aumenta, como disse Steven.

Presumo que eles usem ADCs em Flash . Eles têm a vantagem de que a conversão é imediata, enquanto os ADCs da SA (Aproximação Sucessiva), como os usados ​​na maioria dos microcontroladores, executam um algoritmo que requer várias etapas. Uma desvantagem dos Flash ADCs é que eles são bastante pesados ​​em hardware (um ADC de 8 bits possui 255 comparadores), mas a maioria dos escopos não possui uma resolução muito alta. (Os escopos analógicos costumavam ter 3% de precisão, o que significa 5 bits.)

Jodes, seu comentário diz que você recebeu sua resposta, mas há muito mais na solução do que os Flash ADCs. Veja a Nota de aplicação da Agilent, " Técnicas para obter larguras de banda de osciloscópio maiores que 16 GHz ". Eu trabalhava naquele campus (mas não pretendo ter uma experiência de escopo detalhada). A Agilent em Colorado Springs é o centro global de conhecimento relacionado ao processamento de sinais com vários gigahertz. Eles trabalharam em uma solução de 32GHz por anose comecei a enviar no ano passado. As sondas ativas e a microeletrônica que processam o sinal são extremamente sofisticadas. Confira toda a biblioteca de documentos relacionados ao osciloscópio DSO e DSA de alto desempenho Infiniium 90000 da série X da Agilent. Pesquise no Google - o URL é feio e não tenho certeza se eles oferecem um link permanente para a página da biblioteca. Você também pode querer dar uma olhada nas patentes relacionadas.

Fabricantes de osciloscópios anunciam com 'taxa de amostragem equivalente'. Esta NÃO é uma taxa de amostragem ao vivo. Essa é uma taxa de amostragem feita usando amostras de vários períodos e colhendo amostras em diferentes momentos do sinal. Combinando isso, você obtém uma 'taxa de amostragem equivalente' mais alta. Portanto, se você tiver ADCs de 100MSPS e fizer isso 10 vezes (muito ruim!), Receberá 1GSPS.

Isso é ruim porque pressupõe que seu sinal é periódico, o que nem sempre acontece.

O que é importante para um osciloscópio é a taxa de amostragem 'single shot'. Também é uma funcionalidade que você provavelmente usa (capture uma resposta de etapa, por exemplo) ou observe atentamente uma forma de onda que não dança. Ele fornece uma indicação do que o hardware é capaz, não 'polido' pelo software. O hardware pode ser intercalado, ou seja, usando vários ADCs de alta velocidade e cronometrando os sinais de 'iniciar conversão' no momento certo. Essa também é a razão pela qual alguns escopos terão taxas de amostragem mais altas no modo de canal único do que no canal duplo. Sua série PIC18 típica possui apenas um conversor ADC 1x, mas vários canais (feitos com um MUX analógico).

Além disso, os chips ADC dedicados podem ser muito, muito mais rápidos. 100MSPS não é muito estranho de encontrar. Dê uma olhada aqui, a National os anuncia como velocidade ultra-alta. Não sei exatamente como eles funcionam, vejo que os 3GSPS já usam intercalação interna.

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

O Rigol 1052E, como mencionado por Joe, é um ótimo exemplo de como fazer isso de maneira eficiente e barata. Ele usa uma pilha de ADCs independentes, todos com uma taxa de amostragem mais lenta, e os coloca fora de fase entre si. Dessa forma, as amostras são extraídas de cada ADC no estilo turn-robin.

Obviamente, seu tempo deve ser extraordinariamente preciso para fazê-lo dessa maneira, e parece que o 1025E usa um PLD para fazer exatamente isso - e dado que a mesma placa também possui um FPGA associado ao processamento do sinal recebido, parece que o PLD (que é muito menos poderoso, mas com roteamento interno mais previsível) foi adicionado devido à sua capacidade de gerar e processar sinais com tempo muito preciso.

Eles intercalam os vários adcs com relógios ligeiramente fora de fase, obtendo 5x a taxa de amostragem de um único chip. Além disso, para um sinal periódico, há um truque que muitos escopos modernos usam, que consiste em ter um relógio de amostragem que está fora de fase com o sinal sendo medido, de modo que em amostras sucessivas uma parte diferente da forma de onda está sendo amostrados, embora em um ciclo diferente dessa forma de onda. Depois que amostras suficientes são coletadas, elas podem reconstruir o sinal se puderem determinar a frequência fundamental da forma de onda que está sendo medida (muito mais fácil de fazer). Faz sentido?