Ancho de banda del osciloscopio, ¿de qué se trata?

Question

Esta pregunta me ha surgido hace un momento. Estaba midiendo lo que pretende ser una onda cuadrada de 50Mhz de nivel 0 a 2.5, sin embargo lo que vi en la pantalla es una onda sinusoidal que estaba centrada alrededor de 1.2V y nivel de 0.5 a 2.0V, la frecuencia era de 4MHz.

Revisé la hoja de datos de mi osciloscopio y mostraba que el ancho de banda era de 10 MHz con una frecuencia de muestreo de 50 MS/s.

Me pregunto a qué se deben estas cifras.

• ¿Son una medida de la un osciloscopio puede medir? medir?
• ¿Es capaz este osciloscopio de medir 50Mhz?

Answer 1

El ancho de banda del sistema es una combinación del ancho de banda de la sonda y el ancho de banda de entrada del osciloscopio. Cada uno de ellos puede aproximarse mediante un circuito RC de paso bajo, lo que significa que los retardos se suman geométricamente:

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

Esto significa que un 'scope' de 10MHz con sondas de 60MHz puede medir sinusoides de frecuencia 9.86MHz con una atenuación de -3dB (100*10^{-3/20}%).

Cuando se miden trenes de impulsos digitales, lo que importa no es tanto la periodicidad, sino los tiempos de subida y bajada, ya que contienen la información de alta frecuencia. Los tiempos de subida pueden aproximarse matemáticamente mediante una subida RC o una subida gaussiana, y se definen como el tiempo que tarda la señal en pasar del 10% de la diferencia entre bajo tensión (lógico 0) y alta tensión (lógico 1) hasta el 90% de la diferencia. Por ejemplo, en un sistema de 5V/0V, se define como el tiempo para pasar de 0.1*5V=0.5V a 0.9*5V=4.5V . Con estas limitaciones y algunas matemáticas avanzadas se puede calcular que cada tipo de tiempo de subida característico tiene un contenido frecuencial hasta aproximadamente 0.34/t_rise para Gauss y 0.35/t_rise para RC. (Yo uso 0.35/t_rise sin una buena razón y lo hará durante el resto de esta respuesta).

Esta información también funciona en sentido inverso: un ancho de banda de sistema determinado sólo es capaz de medir tiempos de subida hasta 0.35/f_system en tu caso, de 35 a 40 nanosegundos. Estás viendo algo similar a una onda sinusoidal porque eso es lo que el front-end analógico está dejando pasar.

Aliasing es un artefacto de muestreo digital, y también está vigente en tu medición (¡qué suerte tienes!). He aquí una imagen prestada de WP:

Como el front-end analógico sólo deja pasar tiempos de subida de 35ns a 40ns, el puente de muestreo del ADC ve algo así como una onda sinusoidal atenuada de 50MHz, pero sólo está muestreando a 50MS/s, por lo que sólo puede leer sinusoides por debajo de 25 MHz. Muchos 'scopes tienen un filtro antialiasing (LPF) en este punto, que atenuaría las frecuencias superiores a 0,5 veces la frecuencia de muestreo (criterio de muestreo de Shannon-Nyquist). Sin embargo, tu osciloscopio no parece tener este filtro, ya que la tensión pico a pico sigue siendo bastante alta. ¿De qué modelo se trata?

Tras el puente de muestreo, los datos se introducen en varios procesos DSP, uno de los cuales se denomina decimación y vanos cardinales que reduce aún más la frecuencia de muestreo y los anchos de banda para poder visualizarla y analizarla mejor (especialmente útil para el cálculo de la FFT). Los datos se manipulan aún más para que no muestren frecuencias superiores a ~0,4 veces la frecuencia de muestreo, lo que se denomina un banda de guarda . Habría esperado ver una sinusoide de ~20MHz -- ¿tiene activado el promediado (5 puntos)?

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EDITAR: Me arriesgaré y supondré que tu osciloscopio tiene antialiasing digital, usando decimación y tramos cardinales, lo que básicamente significa un LPF digital y luego remuestreo de una ruta interpolada. El programa DSP ve una señal de 20 MHz, por lo que la diezma hasta que queda por debajo de 10 MHz. ¿Por qué 4MHz y no más cerca de 10MHz? "Cardinal span" significa reducir a la mitad el ancho de banda, y la decimación también suele ser por una potencia de dos. Alguna potencia entera de 2 o una simple fracción de ella daría lugar a que se escupiera una sinusoide de 4MHz en lugar de ~20MHz. Por eso digo que todo aficionado necesita un osciloscopio analógico :)

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_{<strong>EDIT2: </strong>Ya que esto está recibiendo tantas visitas, será mejor que corrija la vergonzosa conclusión anterior.}
EDIT2: La herramienta concreta te gustaba puede utilizar el submuestreo, para lo cual se requiere una entrada BPF analógica de ventana para el antialiasing, que esta herramienta no parece tener, por lo que sólo debe tener un LPF, restringiéndolo a sinusoides de menos de 25MHz incluso cuando se utiliza equiv. tiempo muestreo . Aunque también sospecho de la calidad de la parte analógica, la parte digital probablemente no hace los algoritmos DSP antes mencionados, en lugar de streaming de datos o la transferencia de una captura a la vez para cálculos numéricos de fuerza bruta en un PC. 50 MS/s y una longitud de palabra de 8 bits significa que se están generando unos 48 MB/s de datos en bruto, demasiados para transmitirlos por USB a pesar de su límite teórico de 60 MB/s (en la práctica, el límite es de 30 MB/s-40 MB/s), sin tener en cuenta la sobrecarga de la paquetización. Trabajar con 35MB/s da una velocidad de muestreo de ~37MS/s, lo que apunta a un límite de medición teórico de 18MHz, o un tiempo de subida de 20ns, cuando se transmite, aunque es probable que sea inferior, ya que 35MB/s es increíble (¡pero posible!). El manual indica un Modo bloque existe para capturar datos a 50 MB/s hasta que la memoria interna de 8k (tos) está lleno (160us), enviándolo después al ordenador a un ritmo pausado. Supongo que las dificultades encontradas en el diseño de una entrada analógica de calidad fueron parcialmente superadas por sobremuestreo por 2X (precisión extra de medio bit), lo que da una frecuencia de muestreo efectiva de 25MS/s, una frecuencia máxima de 12,5MHz y una banda de guarda del 10% ( (0.5*25-10)/25 ), todo lo cual podría reducirse en la propia herramienta manual. En conclusión, no estoy seguro de por qué estás viendo una sinusoide de 4MHz, ya que hay maneras de que esto suceda, pero querría hacer la misma medición en Modo Bloque y luego analizar los datos con un programa de terceros. _{Siempre he sido duro con los osciloscopios basados en PC, pero este parece tener entradas decentes...}

Answer 2

Un ancho de banda analógico de 10 MHz significa que una señal de 10 MHz a 10 V se verá como una de 5 V, en otras palabras, su amplitud se reducirá a la mitad a 10 MHz.

El ancho de banda de 10 MHz significa que tu señal de 50 MHz se amortiguará bastante, pero es difícil especular cuánto.

Los 50 MS/s significan que no se puede trabajar de forma realista con señales muy por encima de los 5 MHz si se espera capturar la señal en una sola toma, que es realmente la única razón para tener un DSO en primer lugar.

Ignorando el problema del ancho de banda por un minuto, podrías poner el osciloscopio en modo de muestreo repetitivo y capturar una señal repetitiva de esa manera, tal como lo hace un osciloscopio analógico.

Yo me compraría un DSO adecuado (recomiendo el Rigol ds1052e modificado para un ancho de banda analógico de 100 MHz), o en su defecto un osciloscopio analógico Tektronix de segunda mano (utilizo los modelos 2236, 2246 y 2247A de vez en cuando y todos ellos son buenos osciloscopios analógicos).

Answer 3

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

Sí para medición directa.

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

Sí, utilizando algunas formas engañosas: 1) detección de picos (útil cuando necesitas ver señal modulada AM) 2) Desplazamiento de frecuencia (de nuevo, útil cuando la señal está modulada): si mezclas una señal de 50Mhz con una onda sinusoidal de 49Mhz, obtendrás una señal de 1Mhz cerca de la frecuencia que deseas.

Answer 4

Normalmente, el ancho de banda y la frecuencia de muestreo deben ser de 4 a 5 veces la frecuencia máxima que se desea medir. Pero ten en cuenta que si tu señal de entrada no es una onda sinusoidal pura, como en tu caso la onda cuadrada, también contiene armónicos con frecuencias mucho más altas. Para realizar una medición precisa, debe abarcar al menos el primero de estos armónicos.

A la frecuencia del ancho de banda máximo (aquí 10 MHz), una onda sinusoidal de esta frecuencia es atenuada en 3dB por el frontend analógico del osciloscopio. Esto significa que sólo se mide el 70% de su valor real. La frecuencia de muestreo especifica cuántas mediciones realiza el osciloscopio por segundo, es decir, la precisión con la que se adquiere la forma de la señal (50 MS/s equivalen a 5 mediciones por ciclo en una señal de 10 MHz).

Ahora piense en lo que ve su osciloscopio con la señal de entrada muy atenuada (debido al ancho de banda demasiado bajo) y con sólo 5 muestras por ciclo (debido a la frecuencia de muestreo).