¿Por qué está distorsionada la señal de reloj de 30MHz en el osciloscopio?

Question

Estoy tratando de sondear una señal de reloj de 30MHz, proveniente de un FPGA y rutado a un sensor CCD.

No hay otros componentes, aparte de conectores, entre la fuente/destino.

Cuando sondeo esta señal con mi osciloscopio, obtengo una forma de onda distorsionada que sobrepasa y cae por debajo. Las sondas que estoy usando son las sondas estándar de tektronics que vienen con el MSO2024B que tenemos. Han sido calibradas al punto de prueba de 5 kHz del osciloscopio y no muestran ningún sobrepaso.

La señal de reloj debería ser de 3.3V pico a pico.

El clip de tierra de la sonda del osciloscopio está conectado al punto de referencia de 0V cerca del regulador para el riel de 3v3.

Estoy investigando por qué estamos viendo ruido en nuestras fuentes de alimentación después de que el FPGA se ha encendido y comienza a proporcionar el reloj de 30MHz al CCD externo.

Answer 1

Hay dos problemas aquí: Ancho de banda y técnica de medición.

Ancho de banda: Tu señal medida está limitada por el ancho de banda. Una onda cuadrada de 30MHz tiene mucho contenido armónico y tu osciloscopio tiene un ancho de banda relativamente bajo (200MHz) por lo que las frecuencias más altas están atenuadas y solo ves la suma de los primeros armónicos de orden impar (30MHz, 90MHz, 150MHz, ...).

Aquí tienes una aproximación de onda cuadrada compuesta por los 1º, 3º y 5º armónicos (tomada de esta pregunta que se parece bastante a la traza que mostraste:

Tektronix tiene un Informe Técnico sobre este tema que podría ser de interés:

Entendiendo el Ancho de Banda del Osciloscopio, Tiempo de Subida y Fidelidad de la Señal

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Técnica de Medición:

Estás usando un clip de tierra bastante largo que contribuye al sobrepico. Esta respuesta a otra pregunta de E.SE ilustra las mejoras en el sobrepico medido al usar un clip de resorte en la punta de la sonda del osciloscopio en lugar del clip de tierra más largo.

Antes:

Después:

Este es el montaje de la medición:

Answer 2

Parece que no conoces las propiedades de la sonda, así como los filtros o la banda ancha. Espero que este pequeño tutorial sobre ellos te lo explique por mí.

La transformada de Fourier

Introducción breve: https://es.wikipedia.org/wiki/Onda_cuadrada#Análisis_de_Fourier

Una señal cuadrada de 30 Mhz contiene muchas señales sinusoidales de frecuencia más alta, ¡incluso la de 30 Mhz! - para crear la señal cuadrada original. Este es un ejemplo extraído de wikipedia:

La imagen representa una parte del espectro de la señal de entrada. Todo el espectro es infinito.

Bueno, tu señal no está en 1 KHz, pero puedes multiplicarla por 30000 veces y clavarla.

Filtros

Introducción breve en wikipedia Filtro_(procesamiento_de_señales)

Cuando seleccionas una parte del espectro de la señal, la estás filtrando. Incluso cuando no seleccionas ninguna parte del espectro de la señal, la estás filtrando.

La banda ancha de la sonda

Introducción breve en wikipedia Ancho_de_banda_(procesamiento_de_señales)

Tu sonda de medición tiene una banda ancha. La banda ancha significa que todas las frecuencias desde 0 Hz hasta los MHz de la banda ancha son medibles. Obviamente, las frecuencias más altas no lo son. Eso significa que estás seleccionando, de todas las frecuencias originales, solo una parte de ellas, porque la sonda es un filtro adecuado.

Si quieres ver una señal cuadrada completa de 30 MHz con una sonda de 150 MHz (asumiendo que tu sonda es así), simplemente no puedes y mostrarás 2 componentes de la señal cuadrada original.

Espero que te ayude.