Bandwidth Oscilloscope, ada apa?

Pertanyaan ini muncul pada saya beberapa saat yang lalu. Saya mengukur apa yang dimaksudkan sebagai gelombang persegi 50Mhz level 0 hingga 2.5, namun yang saya lihat di layar adalah gelombang sinus yang berpusat di sekitar 1.2V dan level 0.5 hingga 2.0V, frekuensinya 4MHz.

Saya memeriksa lembar data osiloskop saya dan itu menunjukkan bahwa bandwidth adalah 10MHz dengan tingkat pengambilan sampel 50 MS / s.

Saya bertanya-tanya tentang apa angka-angka ini.

• Apakah mereka mengukur batas frekuensi atas yang dapat diukur oleh osiloskop?
• Apakah osiloskop ini mampu mengukur 50Mhz?

Bandwidth sistem adalah kombinasi dari bandwidth probe dan bandwidth input osiloskop. Masing-masing dapat didekati dengan sirkuit lowpass RC, yang berarti penundaan menambah geometris:

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

Ini berarti bahwa ruang lingkup 10MHz 'dengan probe 60MHz dapat mengukur sinusoid frekuensi 9.86MHz dengan -3dB (100 * 10 ^ {- 3/20}%) pelemahan.

Ketika mengukur kereta nadi digital, bukan hanya periodisitas yang penting, tetapi naik turunnya waktu, karena mengandung informasi frekuensi tinggi. Waktu naik dapat diperkirakan secara matematis dengan kenaikan RC atau kenaikan Gaussian, dan didefinisikan sebagai waktu untuk sinyal berubah dari 10% perbedaan antara tegangan rendah (logis 0) dan tegangan tinggi (logis 1) , hingga 90% perbedaannya. Sebagai contoh, dalam sistem 5V / 0V, itu didefinisikan sebagai waktu untuk mendapatkan dari 0.1*5V=0.5Vke 0.9*5V=4.5V. Dengan kendala-kendala ini dan beberapa matematika mewah , seseorang dapat mengetahui bahwa setiap jenis waktu kenaikan karakteristik memiliki konten frekuensi hingga sekitar 0.34/t_riseuntuk Gaussian dan0.35/t_riseuntuk RC. (Saya menggunakan 0.35/t_risetanpa alasan yang baik dan akan melakukannya untuk sisa jawaban ini.)

Informasi ini juga bekerja sebaliknya: bandwidth sistem tertentu hanya dapat mengukur kenaikan waktu hingga 0.35/f_system; dalam kasus Anda, 35 hingga 40 nanodetik. Anda melihat sesuatu yang mirip dengan gelombang sinus karena itulah yang front-end analog biarkan lewat.

Aliasing adalah artefak pengambilan sampel digital, dan juga berlaku dalam pengukuran Anda (bukankah Anda beruntung!). Berikut gambar yang dipinjam dari WP:

Karena front-end analog hanya membiarkan waktu naik 35ns hingga 40ns melalui, jembatan pengambilan sampel ADC melihat sesuatu seperti gelombang sinus 50MHz yang dilemahkan, tetapi hanya pengambilan sampel pada 50MS / s, sehingga hanya dapat membaca sinusoid di bawah 25MHz. Banyak lingkup memiliki filter antialiasing (LPF) pada titik ini, yang akan menipiskan frekuensi di atas 0,5 kali laju sampel (kriteria pengambilan sampel Shannon-Nyquist). Lingkup Anda tampaknya tidak memiliki filter ini, karena tegangan puncak ke puncak masih cukup tinggi. Model apa itu?

Setelah jembatan pengambilan sampel, data dimasukkan ke dalam beberapa proses DSP, salah satunya disebut decimation dan cardinal span , yang selanjutnya mengurangi laju sampel dan bandwidth agar lebih baik menampilkan dan menganalisanya (terutama membantu untuk perhitungan FFT). Data selanjutnya dipijat sedemikian rupa sehingga tidak menampilkan frekuensi di atas ~ 0,4 kali laju sampel, yang disebut pita pengaman . Saya berharap Anda melihat ~ 20MHz sinusoid - apakah Anda telah rata-rata (5-point) dihidupkan?

EDIT: Saya akan menjulurkan leher dan menebak bahwa osiloskop Anda memiliki antialiasing digital, menggunakan penipisan dan rentang kardinal, yang pada dasarnya berarti LPF digital kemudian resampling dari jalur interpolasi. Program DSP melihat sinyal 20MHz, sehingga menipisnya hingga di bawah 10MHz. Mengapa 4MHz dan tidak lebih dekat ke 10MHz? "Cardinal span" berarti membagi dua bandwidth, dan penipisan seringkali dengan kekuatan dua juga. Beberapa kekuatan integer 2 atau sebagian kecil dari itu menghasilkan sinusoid 4MHz yang dimuntahkan bukannya ~ 20MHz. Inilah sebabnya saya mengatakan setiap penggemar membutuhkan ruang lingkup analog. :)

_{EDIT2: Karena ini mendapatkan begitu banyak pandangan, saya lebih baik memperbaiki kesimpulan yang memalukan di atas.}
EDIT2: Alat khusus yang Anda suka dapat menggunakan undersampling, yang memerlukan input BPF analog untuk antialiasing, yang tampaknya tidak dimiliki alat ini, jadi alat ini harus hanya memiliki LPF, yang membatasinya menjadi sinusoid kurang dari 25MHz bahkan saat menggunakan equiv. sampling waktu . Meskipun saya juga mencurigai kualitas sisi analog, sisi digital kemungkinan tidak melakukan algoritma DSP tersebut, melainkan mengalirkan data atau mentransfer satu tangkapan.pada waktu untuk nomor kasar yang berderak pada PC. Panjang kata 50MS / dtk dan 8-bit berarti ini menghasilkan ~ 48MB / dt data mentah - terlalu banyak untuk streaming melalui USB meskipun batas teorinya 60MB / dt (batas praktis 30MB / dt-40MB / dt), tidak masalah paket overhead, jadi ada beberapa penipisan langsung keluar dari kotak untuk mengurangi ini. Bekerja dengan 35MB / s memberikan ~ 37MS / s sample rate, menunjuk ke batas pengukuran teoritis 18MHz, atau waktu naik 20ns, saat streaming, meskipun kemungkinan lebih rendah karena 35MB / s luar biasa (tetapi mungkin!). Manual menunjukkan ada Block Mode untuk mengambil data pada 50MB / s 'hingga 8k memori internal (batuk)penuh (160us), lalu mengirimkannya ke komputer dengan santai. Saya akan berasumsi bahwa kesulitan yang dihadapi dalam mendesain input analog yang berkualitas sebagian diatasi dengan oversampling oleh 2X (akurasi setengah-bit ekstra), memberikan tingkat sampel efektif 25MS / s, frekuensi maksimum 12,5MHz, dan band penjaga 10% ( (0.5*25-10)/25), yang semuanya dapat direduksi dalam alat tangan itu sendiri. Kesimpulannya, saya tidak yakin mengapa Anda melihat sinusoid 4MHz karena ada cara untuk ini terjadi, tetapi ingin melakukan pengukuran yang sama dalam Block Mode kemudian menganalisis data dengan program pihak ketiga. _{Saya selalu keras pada osiloskop berbasis PC, tetapi yang satu ini tampaknya memiliki input yang layak ...}

Bandwidth analog 10 MHz berarti bahwa sinyal 10 MHz pada 10 V akan terlihat seperti 5 V, dengan kata lain amplitudo Anda akan dibelah dua pada 10 MHz.

Bandwidth 10 MHz berarti bahwa sinyal 50 MHz Anda akan sedikit berkurang, tetapi seberapa sulit untuk berspekulasi.

50 MS / s berarti bahwa Anda tidak dapat bekerja secara realistis dengan sinyal lebih dari 5 MHz jika Anda berharap dapat menangkap sinyal satu-shot, yang merupakan satu-satunya alasan untuk memiliki DSO di tempat pertama.

Mengabaikan masalah bandwidth selama satu menit, Anda mungkin dapat menempatkan lingkup ke mode pengambilan sampel berulang dan menangkap sinyal berulang seperti itu, seperti halnya lingkup analog.

Saya akan mendapatkan DSO yang tepat (Rigol ds1052e yang dimodifikasi untuk bandwidth analog 100 MHz mendapatkan rekomendasi saya), gagal bahwa lingkup analog Tektronix yang digunakan mungkin cara yang baik untuk pergi (saya menggunakan model 2236, 2246 dan 2247A dari waktu ke waktu dan mereka semua cakupan analog baik-baik saja)

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

Ya untuk pengukuran langsung.

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

Ya, dengan menggunakan beberapa cara rumit: 1) deteksi puncak (berguna ketika Anda perlu melihat sinyal modulasi AM) 2) Pergeseran freq (sekali lagi, berguna ketika sinyal dimodulasi) - Jika Anda mencampur sinyal 50Mhz dengan gelombang sinus 49Mhz, Anda akan mendapatkan Sinyal 1Mhz dekat frekuensi yang Anda inginkan.

Bandwidth dan laju sampel biasanya harus 4 hingga 5 kali frekuensi maksimum yang ingin Anda ukur. Tetapi perlu diketahui bahwa jika sinyal input Anda bukan gelombang sinus murni, seperti dalam kasus Anda gelombang persegi, itu juga mengandung harmonik dengan frekuensi yang jauh lebih tinggi. Untuk pengukuran yang akurat, Anda harus membahas paling tidak harmonik pertama.

Pada frekuensi bandwidth maksimum (di sini 10 MHz) gelombang sinus frekuensi ini dilemahkan oleh 3dB oleh frontend analog dari ruang lingkup. Ini berarti diukur hanya 70% dari nilai sebenarnya. Laju sampel menentukan berapa banyak pengukuran yang dilakukan oleh lingkup per detik yaitu seberapa akurat bentuk sinyal diperoleh (50 MS / s sama dengan 5 pengukuran per siklus pada sinyal 10 MHz).

Sekarang pikirkan tentang apa yang dilihat ruang lingkup Anda dengan sinyal input yang dilemahkan berat (karena bandwidth yang terlalu rendah) dan dengan hanya 5 sampel per siklus (karena laju sampling).