Полоса пропускания осциллографа, что это такое?

Этот вопрос возник у меня несколько минут назад. Я измерял прямоугольную волну 50 МГц с уровнем от 0 до 2,5, однако на экране я увидел синусоидальную волну с центром около 1,2 В и уровнем от 0,5 до 2,0 В, частота составляла 4 МГц.

Я проверил свою таблицу данных осциллографов, и она показала, что полоса пропускания была 10 МГц с частотой дискретизации 50 мс / с.

Мне интересно, что это за цифры.

• Являются ли они мерой верхнего предела частоты, которую может измерить осциллограф?
• Этот осциллограф способен измерять 50 МГц вообще?

Пропускная способность системы представляет собой комбинацию пропускной способности зонда и входной пропускной способности осциллографа. Каждый из них может быть аппроксимирован RC-цепью нижних частот, что означает геометрическую сложность задержек:

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

Это означает, что прицел 10 МГц с датчиками 60 МГц может измерять синусоиды с частотой 9,86 МГц с затуханием -3 дБ (100 * 10 ^ {- 3/20}%).

При измерении цифровых последовательностей импульсов важна не столько периодичность, сколько времена нарастания и спада, поскольку они содержат высокочастотную информацию. Время нарастания может быть математически аппроксимировано повышением RC или повышением по Гауссу и определяется как время прохождения сигнала от 10% разницы между низким напряжением (логический 0) и высоким напряжением (логический 1) до 90% разницы. Например, в системе 5 В / 0 В оно определяется как время, от которого можно добраться 0.1*5V=0.5Vдо 0.9*5V=4.5V. С этими ограничениями и некоторой причудливой математикой можно понять, что у каждого типа характерного времени нарастания есть частотное содержание до приблизительно 0.34/t_riseдля Гаусса и0.35/t_riseдля RC. (Я использую 0.35/t_riseбез уважительной причины и сделаю это до конца этого ответа.)

Эта информация работает и в другом направлении: конкретная полоса пропускания системы может измерять только время нарастания 0.35/f_system; в вашем случае от 35 до 40 наносекунд. Вы видите нечто похожее на синусоидальную волну, потому что это то, что пропускает аналоговый интерфейс.

Псевдоним - это артефакт цифровой выборки, который также влияет на ваши измерения (вам не повезло!). Вот заимствованное изображение из WP:

Поскольку аналоговый интерфейс пропускает только времена нарастания 35 нс до 40 нс, мост дискретизации АЦП видит что-то вроде ослабленной синусоидальной волны 50 МГц, но он производит выборку только на частоте 50 мс / с, поэтому он может считывать только синусоиды ниже 25 МГц. Многие области имеют фильтр сглаживания (LPF) в этой точке, который ослабляет частоты, превышающие частоту дискретизации более чем в 0,5 раза (критерии выборки Шеннона-Найквиста). В вашей области, похоже, нет этого фильтра, так как пиковое напряжение все еще довольно высокое. Какая это модель?

После моста выборки данные попадают в несколько процессов DSP, один из которых называется децимацией и кардинальными интервалами , что дополнительно уменьшает частоту дискретизации и пропускную способность для лучшего отображения и анализа (особенно полезно для вычисления FFT). Данные дополнительно обрабатываются так, что они не отображают частоты, превышающие ~ 0,4 частоты дискретизации, называемые защитной полосой . Я бы ожидал, что вы увидите синусоиду ~ 20 МГц - у вас включено усреднение (5 точек)?

РЕДАКТИРОВАТЬ: Я высуну свою шею и предположу, что ваш осциллограф имеет цифровое сглаживание с использованием децимации и кардинальных интервалов, что в основном означает цифровой ФНЧ, а затем повторную выборку интерполированного пути. Программа DSP видит сигнал с частотой 20 МГц, поэтому она уменьшает его до тех пор, пока не станет ниже 10 МГц. Почему 4 МГц, а не ближе к 10 МГц? «Кардинальный промежуток» означает вдвое меньшую пропускную способность, а прореживание часто также имеет степень двойки. Некоторая целочисленная мощность, равная 2, или простая ее доля привела к тому, что синусоида 4 МГц выплеснулась вместо ~ 20 МГц. Вот почему я говорю, что каждый энтузиаст нуждается в аналоговой области применения. :)

_{РЕДАКТИРОВАТЬ 2: Поскольку это получает так много взглядов, я бы лучше исправить вышеупомянутый смущающе тонкий вывод.}
РЕДАКТИРОВАТЬ 2: Конкретный инструмент, который вам понравился, может использовать низкую дискретизацию, для которой для сглаживания необходим аналоговый вход BPF для окон, чего у этого инструмента, похоже, нет, поэтому он должен иметь только ФНЧ, ограничив его синусоидами менее 25 МГц. даже при использовании экв. время выборки . Хотя я также подозреваю, что качество аналоговой стороны, цифровая сторона, скорее всего, не выполняет вышеупомянутые алгоритмы DSP, вместо этого потоковая передача данных или передача одного захватав то время для грубого перебора чисел на ПК. 50 мс / с и 8-битная длина слова означают, что он генерирует ~ 48 МБ / с необработанных данных - это слишком много для потоковой передачи через USB, несмотря на теоретический предел 60 МБ / с (практический предел составляет 30 МБ / с-40 МБ / с), не важно накладные расходы, так что есть некоторая прореживание прямо из коробки, чтобы уменьшить это. Работа с 35 МБ / с дает частоту дискретизации ~ 37 мс / с, указывая на теоретический предел измерения 18 МГц или 20 нс времени нарастания при потоковой передаче, хотя, вероятно, он ниже, так как 35 МБ / с удивительно (но возможно!). В руководстве указано, что существует режим блокировки для сбора данных со скоростью 50 МБ / с до внутренней памяти 8 КБ (кашель)заполнен (160 мкс), а затем отправляет его на компьютер в неторопливом темпе. Я бы предположил, что трудности, с которыми столкнулись при проектировании качественного аналогового входа, были частично преодолены с помощью передискретизации в 2 раза (дополнительная точность полубита), что дало эффективную частоту дискретизации 25 мс / с, максимальную частоту 12,5 МГц и защитную полосу 10% ( (0.5*25-10)/25), все это можно уменьшить в самом ручном инструменте. В заключение, я не уверен, почему вы видите синусоиду 4 МГц, поскольку есть способы для этого, но хотел бы выполнить то же измерение в блочном режиме, а затем проанализировать данные с помощью сторонней программы. _{Я всегда усердно работал с осциллографами на базе ПК, но этот, похоже, имеет приличный вклад ...}

Аналоговая полоса пропускания 10 МГц означает, что сигнал 10 МГц при 10 В будет выглядеть как 5 В, другими словами, ваша амплитуда будет уменьшена вдвое при 10 МГц.

Пропускная способность 10 МГц означает, что ваш сигнал 50 МГц будет немного ослаблен, но о том, насколько сложно спекулировать.

50 мс / с означает, что вы не можете реально работать с сигналами, превышающими 5 МГц, если вы надеетесь сделать захват сигнала одним выстрелом, что действительно является единственной причиной, по которой DSO стоит в первую очередь.

Игнорируя проблему пропускной способности в течение минуты, вы можете перевести прицел в режим повторяющейся выборки и таким образом захватить повторяющийся сигнал, как это делает аналоговый прицел.

Я получил бы правильный DSO (Rigol ds1052e, модифицированный до 100 МГц аналоговой полосы пропускания, получил мои рекомендации), если бы не использовать хороший аналоговый прицел Tektronix, чтобы быть хорошим способом (время от времени я использую модели 2236, 2246 и 2247A) и все они прекрасные аналоговые прицелы)

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

Да, для прямых измерений.

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

Да, используя несколько хитрых способов: 1) обнаружение пиков (полезно, когда вам нужно увидеть AM-модулированный сигнал) 2) сдвиг частоты (опять же, полезно, когда сигнал модулируется) - если вы смешаете сигнал 50 МГц с синусоидальной волной 49 МГц, вы получите 1 МГц сигнал рядом с частотой, которую вы хотите.

Пропускная способность и частота дискретизации обычно должны в 4-5 раз превышать максимальную частоту, которую вы хотите измерить. Но учтите, что если ваш входной сигнал не является чистой синусоидальной волной, как в вашем случае прямоугольной волной, он также содержит гармоники с гораздо более высокими частотами. Для точного измерения вы должны покрыть хотя бы первую из этих гармоник.

На частоте максимальной ширины полосы (здесь 10 МГц) синусоида этой частоты ослабляется на 3 дБ аналоговым внешним интерфейсом прицела. Это означает, что он измеряется только на 70% от его реальной стоимости. Частота дискретизации определяет, сколько измерений выполняется с помощью объема в секунду, т. Е. Насколько точна форма сигнала (50 мс / с равняется 5 измерениям за такт на сигнале 10 МГц).

Теперь подумайте о том, что видит ваш прицел с сильно ослабленным входным сигналом (из-за слишком низкой полосы пропускания) и только с 5 выборками за такт (из-за частоты дискретизации).