Largura de banda do osciloscópio, o que é isso tudo?

Esta pergunta apareceu para mim alguns momentos atrás. Eu estava medindo o que se pretende ser uma onda quadrada de 50Mhz do nível 0 a 2,5, no entanto, o que vi na tela é uma onda senoidal centrada em torno de 1,2V e nível de 0,5 a 2,0V, a frequência era de 4MHz.

Verifiquei minha folha de dados dos osciloscópios e ela mostrou que a largura de banda era de 10 MHz com uma taxa de amostragem de 50 MS / s.

Eu estou querendo saber o que são esses números.

• Eles são uma medida do limite de frequência superior que um osciloscópio pode medir?
• Este osciloscópio é capaz de medir 50Mhz?

A largura de banda do sistema é uma combinação de largura de banda da sonda e largura de banda de entrada do osciloscópio. Cada um pode ser aproximado por um circuito lowpass RC, o que significa atrasos adicionados geometricamente:

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

Isso significa que um osciloscópio de 10MHz com sondas de 60MHz pode medir sinusóides de frequência 9,86MHz com atenuação de -3dB (100 * 10 ^ {- 3/20}%).

Ao medir trens de pulso digitais, não é tanto a periodicidade que importa, mas os tempos de subida e descida, pois eles contêm informações de alta frequência. Os tempos de subida podem ser aproximados matematicamente por um aumento de RC ou um aumento de Gauss e são definidos como o tempo para o sinal passar de 10% da diferença entre baixa tensão (lógica 0) e alta tensão (lógica 1) , para 90% da diferença. Por exemplo, em um sistema 5V / 0V, é definido como o tempo para ir de 0.1*5V=0.5Vpara 0.9*5V=4.5V. Com essas restrições e algumas matemáticas sofisticadas , pode-se concluir que cada tipo de tempo de subida característico tem um conteúdo de frequência de aproximadamente 0.34/t_risegaussiano e0.35/t_risepara RC. (Não uso 0.35/t_risepor uma boa razão e o farei pelo restante desta resposta.)

Essas informações também funcionam de outra maneira: uma largura de banda de sistema específica só pode medir tempos de subida de até 0.35/f_system; no seu caso, 35 a 40 nanossegundos. Você está vendo algo semelhante a uma onda senoidal, porque é isso que o front-end analógico está deixando passar.

O alias é um artefato de amostragem digital e também está em vigor na sua medição (você não tem sorte!). Aqui está uma imagem emprestada do WP:

Como o front-end analógico está deixando apenas os tempos de subida de 35ns a 40ns, a ponte de amostragem ADC vê algo como uma onda senoidal atenuada de 50MHz, mas é apenas amostragem a 50MS / s, então só pode ler sinusóides abaixo de 25MHz. Muitos escopos têm um filtro antialiasing (LPF) neste momento, o que atenuaria frequências acima de 0,5 vezes a taxa de amostragem (critérios de amostragem de Shannon-Nyquist). Seu escopo parece não ter esse filtro, no entanto, como a tensão pico a pico ainda é bastante alta. Que modelo é esse?

Após a ponte de amostragem, os dados são inseridos em alguns processos DSP, um dos quais é chamado de dizimação e extensões cardinais , o que reduz ainda mais a taxa de amostragem e as larguras de banda para melhor exibir e analisar (especialmente útil para o cálculo da FFT). Os dados são massageados ainda mais, a fim de não exibir frequências acima de ~ 0,4 vezes a taxa de amostragem, chamada banda de guarda . Eu esperava que você visse um senoide de ~ 20MHz - você tem a média (5 pontos) ativada?

Edição: Vou esticar o pescoço e acho que seu osciloscópio possui antialiasing digital, usando dizimação e vãos cardinais, o que basicamente significa um LPF digital e, em seguida, reamostragem de um caminho interpolado. O programa DSP vê um sinal de 20 MHz e dizima-o até ficar abaixo de 10 MHz. Por que 4MHz e não mais perto de 10MHz? "Extensão cardinal" significa reduzir pela metade a largura de banda, e a dizimação também costuma ser por uma potência de duas. Alguma potência inteira de 2 ou uma fração simples resultou em um sinusóide de 4MHz sendo cuspido em vez de ~ 20MHz. É por isso que digo que todo entusiasta precisa de um escopo analógico. :)

_{EDIT2: Como isso está recebendo tantas visualizações, é melhor corrigir a conclusão embaraçosamente fina acima.}
EDIT2: A ferramenta específica que você gostou pode usar subamostragem, para a qual é necessária uma entrada BPF analógica de janela para antialiasing, que essa ferramenta parece não ter, portanto, ela deve ter apenas um LPF, restringindo-o a sinusóides inferiores a 25 MHz mesmo ao usar o equiv. amostragem de tempo . Embora eu também suspeite da qualidade do lado analógico, o lado digital provavelmente não executa os algoritmos DSP acima mencionados, em vez de transmitir dados ou transferir uma capturade cada vez para trituração de número de força bruta em um PC. 50MS / se comprimentos de palavras de 8 bits significa que isso está gerando ~ 48 MB / s de dados brutos - muito para transmitir via USB, apesar do limite teórico de 60 MB / s (o limite prático é de 30 MB / s-40 MB / s), deixa pra lá a sobrecarga de empacotamento, para que haja alguma dizimação imediata para reduzir isso. Trabalhar com 35MB / s fornece uma taxa de amostragem de ~ 37MS / s, apontando para um limite teórico de medição de 18MHz ou 20ns de tempo de subida durante o streaming, embora seja provavelmente mais baixo, já que 35MB / s é incrível (mas possível!). O manual indica que existe um modo de bloqueio para capturar dados a 50 MB / s até a memória interna de 8k (tosse)está cheio (160us), enviando-o para o computador em ritmo lento. Eu diria que as dificuldades encontradas no projeto de uma entrada analógica qualidade foram parcialmente superados por oversampling por 2X (precisão meia-bit extra), dando uma taxa de amostragem efetiva de 25ms / s, freqüência máxima 12.5MHz, e uma banda de guarda de 10% ( (0.5*25-10)/25), os quais podem ser reduzidos na própria ferramenta manual. Em conclusão, não sei por que você está vendo um sinusóide de 4MHz, pois há maneiras de isso acontecer, mas gostaria de fazer a mesma medição no modo de bloco e depois analisar os dados com um programa de terceiros. _{Eu sempre fui duro com os osciloscópios baseados em PC, mas este parece ter entradas decentes ...}

A largura de banda analógica de 10 MHz significa que um sinal de 10 MHz a 10 V se parecerá com 5 V; em outras palavras, sua amplitude será reduzida pela metade a 10 MHz.

A largura de banda de 10 MHz significa que o sinal de 50 MHz será um pouco reduzido, mas quanto é difícil especular.

Os 50 MS / s significam que você não pode trabalhar realisticamente com sinais acima de 5 MHz se você espera capturar o sinal de uma só vez, o que é realmente o único motivo para ter um DSO em primeiro lugar.

Ignorando o problema da largura de banda por um minuto, você poderá colocar o escopo no modo de amostragem repetitiva e capturar um sinal repetitivo dessa maneira, como faz um escopo analógico.

Eu recebia um DSO adequado (a largura de banda analógica Rigol ds1052e modificada para 100 MHz recebe minhas recomendações), na falta de um escopo analógico Tektronix usado ser um bom caminho a percorrer (eu uso os modelos 2236, 2246 e 2247A de tempos em tempos e todos eles são escopos analógicos)

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

Sim para medição direta.

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

Sim, usando algumas maneiras complicadas: 1) detecção de pico (útil quando você precisa ver o sinal modulado AM) 2) Mudança de frequência (novamente, útil quando o sinal é modulado) - Se você misturar sinal de 50Mhz com onda senoidal de 49Mhz, obterá Sinal de 1Mhz perto da frequência desejada.

A largura de banda e a taxa de amostragem normalmente devem ser de 4 a 5 vezes a frequência máxima que você deseja medir. Mas lembre-se de que, se o seu sinal de entrada não for uma onda senoidal pura, como no caso a onda quadrada, ela também contém harmônicos com frequências muito mais altas. Para uma medição precisa, você deve cobrir pelo menos o primeiro desses harmônicos.

Na frequência da largura de banda máxima (aqui 10 MHz), uma onda senoidal dessa frequência é atenuada por 3dB pela interface analógica do osciloscópio. Isso significa que é medido em apenas 70% do seu valor real. A taxa de amostragem especifica quantas medições são feitas pelo escopo por segundo, ou seja, quão precisa é a forma de aquisição do sinal (50 MS / s é igual a 5 medições por ciclo em um sinal de 10 MHz).

Agora pense no que seu osciloscópio está vendo com o sinal de entrada pesado atenuado (devido à largura de banda muito baixa) e com apenas 5 amostras por ciclo (devido à taxa de amostragem).