Осциллограф: как связаны характеристики полосы пропускания и частота дискретизации?

Полоса пропускания связана с аналоговой частью осциллографа; модули аттенюатора, усилителя и триггера. Он определяет частоту, на которой сигнал ослабляется на 3 дБ.

Проще говоря, частота дискретизации определяет, насколько «быстро» АЦП исследует аналоговый сигнал для сбора дискретных показаний. По теореме Найквиста она должна быть как минимум в два раза больше максимальной частоты сигнала (полосы пропускания). Если бы полоса пропускания составляла только половину частоты дискретизации, результирующее показание было бы ниже, чем оно есть на самом деле.

С другой стороны, частоты выше частоты дискретизации (учитывая вдвое или втрое доступную полосу пропускания) не могут быть прочитаны без «потери информации» (это называется алиасингом).

См. этот документ Keysight, посвященный основам Scope для студентов EE . На странице 17 вы найдете типичную блок-схему осциллографа, на страницах 18 и 19 упоминается взаимосвязь между полосой пропускания и частотой дискретизации.

Со страницы 17, часть блок-схемы (голубоватая часть определяет аналоговую полосу пропускания):

Со страницы 18:

• Все осциллографы имеют низкочастотную характеристику.
• Частота, на которой входная синусоидальная волна ослабляется на 3 дБ, определяет полосу пропускания осциллографа.

Со страницы 19:

• Требуемая полоса пропускания для аналоговых приложений: ≥ 3-кратная максимальная частота синусоидального сигнала.
• Требуемая полоса пропускания для цифровых приложений: ≥ 5-кратная максимальная цифровая тактовая частота.
• Более точное определение полосы пропускания на основе скорости фронта сигнала (см. примечания по применению «Полоса пропускания», приведенные в конце презентации)

По моему опыту, заявленная аналоговая полоса пропускания обычно составляет от 20 до 30 % частоты дискретизации в реальном времени (предел Найквиста составляет 50 %).

Чтобы избежать наложения во время дискретизации, сигнальная цепочка должна содержать аналоговый фильтр нижних частот, предотвращающий достижение любым входным сигналом предела Найквиста... не уверен, что это то, что на самом деле делают осциллографы :-), поскольку это будет препятствовать повторной выборке.

Возможен другой ракурс: на пределе Найквиста цифровая аппроксимация исходного аналогового сигнала уже довольно грубая, поэтому растягивать ее особого смысла нет. А быстрые аналоговые схемы дороги и энергоемки. Таким образом, если вы откажетесь от повторной выборки, вам даже не нужно будет достигать предела Найквиста.

Далее: остерегайтесь зондов! Дешёвый вариант с пассивным делителем 1:10 работает только на частоте около 200 МГц. Все, что быстрее, стоит руки и ноги.

Что касается одних только АЦП, я заметил, что TI производит интегрированные АЦП с частотой дискретизации в более низком диапазоне GSps. Вы можете достичь более высоких частот дискретизации, чередуя несколько каналов АЦП (включая их входные каскады Sample and Hold).

Как уже упоминалось, наличие 20–30 процентов аналоговой полосы пропускания от частоты дискретизации в реальном времени — это нормально. Это делается для выборки сигнала таким образом, чтобы интерполяция или другие методы могли лучше воссоздать сигнал. И я почти уверен, что вся электроника должна иметь сглаживающий фильтр нижних частот.

Однако иногда вы могли видеть осциллографы, у которых частота дискретизации относительно низкая, но максимальная частота высока, выше ограничений, заявленных Найквистом. Ну, никакой магии на самом деле нет - сигнал сначала сохраняется в какой-то аналоговой памяти, а потом обрабатывается. Это означает, что, глядя на тот же сигнал, просто меняя фазу, есть хорошая возможность увидеть напряжение действительно высокоскоростного сигнала. В чем недостаток этого? Вы должны сохранить свой сигнал и использовать прецизионную электронику для достижения этой цели.

DSO выполняют множество функций в качестве измерительных устройств как во временной, так и в частотной области. Факторы, влияющие на качество захвата сигнала, являются не только основными, но даже для чистой синусоидальной волны спектральное отношение сигнал-шум важно для многих приложений.

Одним из методов определения сигнала является БПФ, определяемый полосой обзора и разрешением. Именно здесь полезно высокое отношение частоты дискретизации к полосе пропускания сигнала. Это более высокое отношение уменьшает полосу разрешения в БПФ.

Эффекты более высокой частоты дискретизации и более низкой ширины полосы разрешения Улучшенное разрешение означает более низкий уровень шума на полосу пропускания в герцах. Чем больше выборок на бин, тем ниже уровень шума, как показано ниже.