Osciloscopio barato que muestra una onda cuadrada de 16 MHz

Question

Tengo un osciloscopio barato Hantek DSO4102C. Su ancho de banda nominal es de 100 MHz, y la velocidad de muestreo es de 1 GSa/s. Se puede encontrar algo de información sobre la herramienta aquí: http://hantek.com/en/ProductDetail_3_4163.html
Ahora tengo una MCU Atmega328P funcionando desde un cuarzo externo a 16 MHz, sin ningún tipo de código en ella (chip borrado por usbasp), sólo el bit fusible CKOUT está activado. Así que se supone que ver una onda cuadrada en el pin PB0, pero mi alcance muestra bastante distorsionada:
La hoja de datos de la MCU no menciona el tiempo de subida del pin, lo que me sorprendió mucho, así que no puedo comprobar si los 9,5 ns medidos son un valor válido. Pero a juzgar por la tensión Pk-Pk que supera los 6 voltios (e incluso va por debajo de cero durante unos buenos 560 mV), creo que hay un problema con el osciloscopio. ¿Estoy en lo cierto?

AÑADIDOS MÁS TARDE, DESPUÉS DE RECIBIR ALGUNOS CONSEJOS He montado todo en una protoboard, en lugar de utilizar el Arduino Uno. He conectado el clip de tierra del osciloscopio al pin de tierra del ATMega con un cable a través de la protoboard. Estoy midiendo directamente en el pin de salida (ver la foto de mi diseño a continuación). Ahora estoy obteniendo mejores resultados, también con el oscilador de 20 MHz. Obviamente, los valores Pk-Pk son ahora más cercanos a la realidad, así como la forma de la señal. ¡Así que gracias a todos por la ayuda!

Answer 1

Creo que hay un problema con el alcance. ¿Estoy en lo cierto?

No lo creo. El rebasamiento es un fenómeno perfectamente normal cuando se mide una señal de borde rápido con una sonda de alta impedancia. (Además, estas señales se ven tan nítidas como yo esperaría que fueran).

Hay muchos tutoriales sobre la detección de señales de alta velocidad: ¡es el momento perfecto para leer uno!

Ah, y está el fenómeno de Gibb, que dice que cualquier observación de banda limitada de un borde teóricamente perfecto (o mucho menos limitado por la banda) tendrá un 9% de rebasamiento; para entenderlo, recomendaría mirar la representación en serie del coseno de la onda cuadrada y considerar lo que se cortará cuando se elimine todo lo que esté por encima de 5× 16 MHz (=la frecuencia fundamental de su onda cuadrada).

Answer 2

Ten en cuenta que si tienes un filtro de pared de ladrillo de 100MHz (caso ideal) con una onda cuadrada perfecta de 16MHz dentro, los únicos armónicos que verás son 1 (16MHz), 3 (48MHz) y 5 (80MHz). Ese es un caso ideal, pero si haces los cálculos, verás que el resultado no está muy lejos de lo que estás viendo.

En el caso no ideal, por supuesto, la carga de la sonda y la compensación tendrán más efectos de distorsión, y la forma de onda no va a ser perfectamente cuadrada para empezar.

Answer 3

Marcus Müller menciona El fenómeno de Gibbs que produce artefactos de timbre en una señal de ancho de banda limitado, y Cristobol Polychronopolis menciona que su ancho de banda de 100 MHz estará reduciendo la amplitud de los armónicos más allá del tercero en su señal de 16 MHz.

Para simplificar y sólo para tener una idea de lo que sucede con las formas de onda, podemos graficar el caso ideal de Cristobol de sólo los tres primeros armónicos :

Tenga en cuenta que esto es lo que un perfecto con un filtro perfecto de 100 MHz mostraría, si se le diera una onda cuadrada. Así que no, tu osciloscopio no está estropeado cuando ves anillos en las formas de onda: está mostrando lo que ve después de la distorsión introducida por las sondas y el extremo frontal analógico y el filtrado imperfecto antes de la digitalización.

Esto es algo con lo que hay que aprender a lidiar: cada vez que se examina un circuito con un osciloscopio cambian (esperemos que no demasiado) las formas de onda en ese punto del circuito y entonces se producen más distorsiones entre la punta de la sonda y la pantalla del osciloscopio. Como no se puede evitar esto, es esencial entender bien qué distorsiones pueden producirse cuando se utiliza un osciloscopio, especialmente en circuitos de frecuencia relativamente alta.

Answer 4

Además de lo que se ha dicho sobre la compensación de la sonda y la elección de la sonda, una señal de 16MHz de un CI que funciona a la velocidad nominal no siempre será tan rápida en el tiempo de subida como para aparecer como una onda cuadrada perfecta. Para conseguirlo, habría que utilizar etapas de salida que fueran perfectamente capaces de manejar señales en el rango de los 100MHz. Diseñar un CI como una MCU para que tenga un tiempo de subida tan rápido como sea posible sólo desperdiciaría energía y crearía problemas de EMC.