Полоса пропускания осциллографа, что это такое?

Полоса пропускания системы представляет собой комбинацию полосы пропускания пробника и входной полосы пропускания осциллографа. Каждая из них может быть аппроксимирована RC-схемой нижних частот, что означает, что задержки складываются геометрически:

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

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

При измерении последовательностей цифровых импульсов важна не столько периодичность, сколько время нарастания и спада, поскольку они содержат высокочастотную информацию. Время нарастания может быть математически аппроксимировано нарастанием RC или гауссовым нарастанием и определяется как время, за которое сигнал переходит от 10% разницы между низким напряжением (логический 0) и высоким напряжением (логическая 1) до 90% разницы. Например, в системе 5 В/0 В оно определяется как время перехода от 0.1*5V=0.5Vк 0.9*5V=4.5V. С этими ограничениями и некоторой причудливой математикой можно определить, что каждый тип характеристического времени нарастания имеет частотный состав примерно 0.34/t_riseдо гауссова и0.35/t_riseдля РК. (Я использую 0.35/t_riseбез уважительной причины и буду делать это до конца этого ответа.)

Эта информация работает и в обратную сторону: конкретная полоса пропускания системы способна измерять время нарастания только до 0.35/f_system; в вашем случае от 35 до 40 наносекунд. Вы видите что-то похожее на синусоиду, потому что именно ее пропускает аналоговый интерфейс.

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

Поскольку аналоговый входной каскад пропускает только время нарастания от 35 нс до 40 нс, мост выборки АЦП видит что- то вроде затухающей синусоиды 50 МГц, но это только выборка со скоростью 50 МС/с, поэтому он может считывать только синусоидальные сигналы ниже 25 МГц. Многие осциллографы имеют в этой точке сглаживающий фильтр (ФНЧ), который ослабляет частоты, превышающие в 0,5 раза частоту дискретизации (критерий выборки Шеннона-Найквиста). Однако в вашем прицеле, похоже, нет этого фильтра, поскольку размах напряжения все еще довольно высок. Какая это модель?

После моста выборки данные попадают в несколько процессов DSP, один из которых называется прореживанием и кардинальными интервалами , что еще больше снижает частоту дискретизации и пропускную способность, чтобы лучше отображать и анализировать их (особенно полезно для расчета БПФ). Данные дополнительно обрабатываются таким образом, что они не отображают частоты, превышающие частоту дискретизации примерно в 0,4 раза, что называется защитной полосой . Я ожидал, что вы увидите синусоиду ~ 20 МГц - у вас включено усреднение (5-точечное)?

РЕДАКТИРОВАТЬ: я высуну свою шею и предположу, что ваш осциллограф имеет цифровое сглаживание, используя децимацию и кардинальные диапазоны, что в основном означает цифровой LPF, а затем передискретизацию интерполированного пути. Программа DSP видит сигнал с частотой 20 МГц, поэтому она уничтожает его до тех пор, пока частота не станет ниже 10 МГц. Почему 4МГц, а не ближе к 10МГц? «Кардинальный диапазон» означает уменьшение полосы пропускания вдвое, и прореживание часто также выполняется в степени двойки. Некоторая целая степень числа 2 или его простая часть приводила к тому, что выплевывалась синусоида 4 МГц вместо ~ 20 МГц. Вот почему я говорю, что каждому энтузиасту нужен аналоговый прицел. :)

_{EDIT2: поскольку это получает так много просмотров, мне лучше исправить приведенный выше смущающе тонкий вывод.}
РЕДАКТИРОВАТЬ 2: Конкретный инструмент , который вам понравился, может использовать недостаточную выборку, для которой для сглаживания требуется оконный аналоговый вход BPF, которого, похоже, нет в этом инструменте, поэтому он должен иметь только LPF, ограничивая его синусоидами менее 25 МГц. даже при использовании экв. временная выборка . Хотя я также сомневаюсь в качестве аналоговой стороны, цифровая сторона, скорее всего, не использует вышеупомянутые алгоритмы DSP, а вместо этого выполняет потоковую передачу данных или передачу одного захвата .одновременно для перебора чисел на ПК. 50 МБ/с и 8-битная длина слова означают, что он генерирует ~48 МБ/с необработанных данных — слишком много для потоковой передачи через USB, несмотря на его теоретический предел в 60 МБ/с (практический предел составляет 30–40 МБ/с), неважно. накладные расходы на пакетирование, поэтому прямо из коробки есть некоторое прореживание, чтобы уменьшить это. Работа с 35 МБ/с дает частоту дискретизации ~37 МС/с, что указывает на теоретический предел измерения 18 МГц или время нарастания 20 нс при потоковой передаче, хотя, вероятно, оно ниже, поскольку 35 МБ/с — это потрясающе (но возможно!). В руководстве указано, что существует блочный режим для захвата данных со скоростью 50 МБ / с до внутренней памяти 8 КБ (кашель)заполняется (160 мкс), затем в неторопливом темпе отправляет его на компьютер. Я бы предположил, что трудности, возникшие при проектировании качественного аналогового входа, были частично преодолены за счет 2-кратной передискретизации (дополнительная точность в полбита), что дало эффективную частоту дискретизации 25 МС/с, максимальную частоту 12,5 МГц и 10% защитную полосу ( (0.5*25-10)/25), все из которых можно уменьшить в самом ручном инструменте. В заключение, я не уверен, почему вы видите синусоиду 4 МГц, поскольку есть способы, чтобы это произошло, но я хотел бы сделать то же измерение в блочном режиме, а затем проанализировать данные с помощью сторонней программы. _{Я всегда плохо относился к осциллографам на базе ПК, но у этого, похоже, неплохие входы...}

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

Полоса пропускания 10 МГц означает, что ваш 50-мегагерцовый сигнал будет немного ослаблен, но трудно предположить, насколько сильно.

Скорость 50 Мвыб/с означает, что вы не можете реально работать с сигналами, намного превышающими 5 МГц, если вы надеетесь выполнить однократный захват сигнала, что на самом деле является единственной причиной наличия DSO в первую очередь.

Если на минуту забыть о проблеме с полосой пропускания, можно перевести осциллограф в режим повторяющейся выборки и таким образом захватить повторяющийся сигнал, как это делает аналоговый осциллограф.

Я бы купил надлежащий DSO (мои рекомендации получают Rigol ds1052e, модифицированный для аналоговой полосы пропускания 100 МГц), если не использовать подержанный аналоговый осциллограф Tektronix (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 прямого измерения.

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

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

Полоса пропускания и частота дискретизации обычно должны быть в 4-5 раз больше максимальной частоты, которую вы хотите измерить. Но имейте в виду, что если ваш входной сигнал не является чистой синусоидой, как в вашем случае прямоугольная волна, он также содержит гармоники с гораздо более высокими частотами. Для точного измерения необходимо охватить хотя бы первую из этих гармоник.

На частоте максимальной полосы пропускания (здесь 10 МГц) синусоида этой частоты ослабляется на 3 дБ аналоговым интерфейсом прицела. Это означает, что он измеряется только на 70% от его реального значения. Частота дискретизации определяет количество измерений, выполняемых осциллографом в секунду, т. е. насколько точна форма сигнала (50 Мвыб/с соответствует 5 измерениям за цикл для сигнала 10 МГц).

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