¿Cómo consiguen los osciloscopios digitales una frecuencia de muestreo tan alta?

Question

Desde el punto de vista de la captación de datos, ¿cómo se consigue esto? Si quisiera implementar un dispositivo digital casero para capturar señales analógicas de alta frecuencia, ¿cuáles son mis opciones? Hasta ahora, sólo se me han ocurrido algunas ideas de diseño bastante inútiles.

Utilizando un microprocesador PIC, la velocidad de muestreo A/D en una serie 18f creo que es del orden de 1Mhz con una precisión de 10 bits si no me equivoco (?) Y no puedo imaginar que los chips A/D dedicados sean mucho mejores, ¿cómo consiguen los visores modernos frecuencias en los GHz?

Answer 1

Supongo que utilizan ADCs Flash . Estos tienen la ventaja de que la conversión es inmediata, mientras que los ADC de aproximación sucesiva (SA), como los utilizados en la mayoría de los microcontroladores, realizan un algoritmo que requiere una serie de pasos. Una desventaja de los ADCs Flash es que son bastante pesados en hardware (un ADC de 8 bits tiene 255 comparadores), pero la mayoría de los osciloscopios no tienen una resolución muy alta. (Los osciloscopios analógicos suelen tener una precisión del 3%, lo que se traduce en 5 bits).

Answer 2

El DSO de nivel básico Rigol 1052E (el que yo tengo y con capacidad de 100 MHz con cambio de software) utiliza un AD9288 de Analog Devices. Este es un ADC de doble canal con salidas paralelas de 8 bits y muestras a 40 o 100 millones de muestras por segundo (dependiendo del grado de velocidad del chip). Aunque el Rigol es un 1 Gigamuestra por segundo, así que no estoy seguro de si están multiplexando estos o qué es exactamente lo que les da 10 veces las muestras del chip único.

El AD9288 tiene un convertidor de tipo pipeline de bit por etapa para los 5 bits MSB y utiliza un flash de 3 bits para los 3 LSB finales. Esto tiene sentido, ya que la magnitud más alta debería ser más fácil de convertir rápidamente con las tuberías. A medida que la velocidad de su ADC aumenta, el número de bits muestreados a través de la conversión flash aumentará, como dijo steven.

Answer 3

Los fabricantes de osciloscopios se anuncian con una "frecuencia de muestreo equivalente". Esto NO es una tasa de muestreo en vivo. Se trata de una tasa de muestreo realizada mediante el uso de muestras de múltiples períodos, y tomando muestras en diferentes momentos de la señal. Combinando esto, se obtiene una "tasa de muestreo equivalente" más alta. Así que si tienes ADCs de 100MSPS y haces esto 10 veces (¡muy mal!) , obtienes 1GSPS.

Esto es malo porque asume que su señal es periódica, lo que no es todo el tiempo.

Lo importante de un osciloscopio es la frecuencia de muestreo de "disparo único". También es una funcionalidad que probablemente utilizará (capturar una respuesta escalonada, por ejemplo), o echar un vistazo de cerca a una forma de onda que no baila. Da una indicación de lo que es capaz el hardware, no 'pulido' por el software. El hardware puede intercalarse, es decir, utilizar varios ADC de alta velocidad y programar las señales de "inicio de conversión" en el momento adecuado. Esta es también la razón por la que algunos osciloscopios tendrán una mayor velocidad de muestreo en modo de un solo canal que en el de dos. La típica serie PIC18 sólo tiene un convertidor ADC, pero múltiples canales (realizados con un MUX analógico).

Además, los chips ADC dedicados pueden ser mucho, mucho más rápido. 100MSPS no es demasiado difícil de encontrar. Echa un vistazo aquí, National los anuncia como de ultra alta velocidad. No sé cómo funcionan exactamente, veo que los de 3GSPS ya usan intercalación interna.

http://www.national.com/en/adc/ultra_high_speed_adc.html

Answer 4

Jodes, tu comentario dice que tienes la respuesta, pero hay mucho más en la solución que los ADCs Flash. Echa un vistazo a la nota de aplicación de Agilent, " Técnicas para conseguir anchos de banda de osciloscopio superiores a 16 GHz ." Yo solía trabajar en ese campus (pero no pretendo tener una experiencia detallada del alcance). Agilent, en Colorado Springs, es el centro mundial de conocimientos relacionados con el procesamiento de señales a varios gigahercios. Trabajaron en una solución de 32GHz para años y que acaba de empezar a distribuirse el año pasado. Las sondas activas y la microelectrónica que realiza el procesamiento de la señal son extremadamente sofisticadas. Consulte toda la biblioteca de documentos relacionados con el osciloscopio de alto rendimiento Infiniium 90000 X-Series de Agilent. Búscalo en Google -- la URL es fea y no estoy seguro de que ofrezcan un enlace permanente a la página de la biblioteca. También puedes echar un vistazo a las patentes relacionadas.

Answer 5

El Rigol 1052E mencionado por Joe es un gran ejemplo de cómo hacer esto de manera eficiente y barata. Utiliza un montón de ADCs independientes, todos ellos con una tasa de muestreo más lenta, y los sincroniza fuera de fase entre sí. De esta manera, las muestras se extraen de cada ADC por turnos al estilo round-robin.

Obviamente, la sincronización tiene que ser extraordinariamente precisa para hacerlo de esta manera, y parece que el 1025E utiliza un PLD para hacer precisamente eso - y dado que la misma placa también tiene una FPGA asociada al procesamiento de la señal entrante, parece que el PLD (que es mucho menos potente pero con un enrutamiento interno más predecible) se añadió por su capacidad de generar y procesar señales con una temporización muy precisa.