Billiges Oszilloskop mit 16 MHz Rechteckwelle

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Ich besitze ein billiges Oszilloskop Hantek DSO4102C. Die Nennbandbreite beträgt 100 MHz und die Abtastrate 1 GSa / s. Einige Informationen über das Tool finden Sie hier: http://hantek.com/en/ProductDetail_3_4163.html
Jetzt habe ich eine Atmega328P-MCU, die von einem externen Quarz mit 16 MHz betrieben wird, ohne dass ein Code darauf vorhanden ist (Chip von usbasp gelöscht). Es ist nur das CKOUT-Sicherungsbit gesetzt. Ich sollte also eine Rechteckwelle am Pin PB0 sehen, aber mein Scope zeigt, dass sie ziemlich verzerrt ist:
Im Datenblatt der MCU ist keine Pin-Anstiegszeit angegeben, was für mich eine große Überraschung war, sodass ich nicht überprüfen kann, ob gemessene 9,5 ns gültig sind Wert. Aber wenn man von einer Pk-Pk-Spannung von mehr als 6 Volt ausgeht (und für gute 560 mV sogar unter Null geht), glaube ich, dass es ein Problem mit dem Oszilloskop gibt. Habe ich recht?

SPÄTER HINZUGEFÜGT, nachdem ich einige Ratschläge erhalten habe Ich habe alles auf einem Steckbrett zusammengebaut, anstatt Arduino Uno zu verwenden. Ich habe die Erdungsklemme vom Zielfernrohr mit einem Draht durch das Steckbrett mit dem Erdungsstift des ATMega verbunden. Ich messe direkt am Ausgangspin (siehe Foto meines Layouts unten). Jetzt bekomme ich bessere Ergebnisse, auch mit 20 MHz Oszillator. Offensichtlich sind die Pk-Pk-Werte sowohl der Realität als auch der Signalform näher. Also vielen Dank für die Hilfe!

oscilloscope

— Zhenek
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Sind Ihre Sonden richtig kompensiert? Können Sie es auch mit einer anderen Sonde versuchen?

— Steve G

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Könnten Sie ein Foto hinzufügen, wie Sie das Signal untersuchen? Das heißt, wie genau Ihre Sonde an den Stromkreis angeschlossen ist.

— Marcelm

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Vergewissern Sie sich, dass sich Ihre Sonde in der x10-Position befindet, die Kompensation vorgenommen wurde und die Erdungsleitung mit einer Ebene in unmittelbarer Nähe der MCU-Erde verbunden ist. Sie können auch Testassistenten- und Selbstkalibrierungsroutinen ausführen.

— Spehro Pefhany

Sie MÜSSEN tun, was Spehro sagt, bevor Sie sich fragen, was der Bereich mit den Signalen tut. 1. Schließen Sie die Erdungsklemmen von der Sonde an einen Systemerdungspunkt an, der dem Signalpunkt so nah wie möglich ist. 2. Ihre Sonden haben eine Einstellschraube. Normalerweise zugänglich durch ein Loch an der Seite der Sonde. Passen Sie dies an, bis die Wellenform "am quadratischsten" erscheint. Beachten Sie, dass dies möglicherweise nicht optimal ist, wenn die Wellenform nicht quadratisch ist. In diesem Fall ist dies jedoch ein guter Anfang. || Selbst angesichts der Punkte, die in den guten Ratschlägen anderer angesprochen wurden, wäre ich nicht überrascht, wenn Sie ein quadratischeres Ergebnis erzielen könnten, als Sie sehen.

— Russell McMahon

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Man kann niemals eine perfekte Rechteckwelle erzeugen, da die Drähte usw. immer einen (kleinen) Kondensator- und Induktoreffekt haben.

— Willem Van Onsem

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Ich glaube, es gibt ein Problem mit dem Anwendungsbereich. Habe ich recht?

Glaube nicht Überschwingen ist ein völlig normales Phänomen, wenn ein schnelles Flankensignal mit einer hochohmigen Sonde gemessen wird. (Außerdem sehen diese Signale ungefähr so scharf aus, wie ich es erwartet hätte.)

Es gibt viele Tutorials zum Erfassen von Hochgeschwindigkeitssignalen: Dies ist der perfekte Zeitpunkt, um eines zu lesen!

Oh, und es gibt Gibbs Phänomen, das besagt, dass jede bandbegrenzte Beobachtung einer theoretischen perfekten (oder weit weniger bandbegrenzten) Kante etwa 9% Überschwingen haben wird; Um das zu verstehen, würde ich empfehlen, die Cosinus-Reihen-Darstellung der Rechteckwelle zu betrachten und zu überlegen, was abgeschnitten wird, wenn Sie etwas über 5 × 16 MHz (= die Grundfrequenz Ihrer Rechteckwelle) entfernen.

— Marcus Müller
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Auf dem OP Maßnahme Funktion: Ich würde glauben , 16.00MHz Frequenz (diese ‚Bereiche mit einer Kristallzeitbasis verwenden). Aber 9.500 ns risetime ? Das ist verdächtig, vor allem bei 1ps Auflösung? Und 6,16 V Pk-Pk durchläuft oft den gesamten Probendatensatz, um das maximale Ausmaß zu ermitteln ... (nach dem Einschwingen sehe ich 5,2 V). So Marcus' Urteil angemessen ist - vorsichtiger Sondierung gibt wahrscheinlich unterschiedliche Ergebnisse - lernen einige vertrauen Maßnahme Funktionen, dis-Vertrauen andere.

— Glen_geek

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Die Aussage über das Gibbs-Phänomen und Überschwinger ist nur dann richtig, wenn unabhängig von der Bandbreite frequenzabhängige Phasenverschiebungen sowie frequenzabhängige Verstärkungen auftreten. Es ist beispielsweise möglich, ein Überschwingen gegen die Anstiegszeit (oder Anstiegsgeschwindigkeit) abzuwägen.

— Alephzero

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@alephzero: Um dies in allgemeineren Konzepten auszudrücken, hängt die Form einer bandbegrenzten Welle im Vergleich zu ihrer unbegrenzten idealen Form genau davon ab, wie die bandbegrenzende Wirkung erzielt wird. Das "klassische" Gibbs-Phänomen ist nur bei einer Filtermethode mit perfektem Cutoff ("Brick Wall") der Fall, bei der alle Oberwellen oberhalb einer Schwellenfrequenz auf Null gesetzt werden, während die darunter liegenden Oberwellen perfekt beibehalten werden. Dies ist selbst eine Idealisierung von echten Filtern, und kein echter Filter verhält sich so.

— The_Sympathizer

@The_Sympathizer: In der Tat ist es möglich, Filter so zu gestalten, dass garantiert kein Überschwingen entsteht. Das wahrscheinlich einfachste Beispiel ist ein Serien-R-Parallel-C-Filter. In vielen Fällen wird es durch Tolerieren eines bestimmten Ausmaßes an Überschwingen möglich sein, eine Wellenform zu haben, die der Eingangswelle näher folgt, aber in einigen Anwendungen kann es wichtiger sein, ein Überschwingen zu vermeiden (z. B. weil die interessierenden Signale viel niedriger als sind) die Grenzfrequenz, und es ist notwendig, dass der Ausgang den vollen Bereich erreicht).

— Supercat

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Denken Sie daran, dass bei einem 100-MHz-Brick-Wall-Filter (idealer Fall) mit einer perfekten 16-MHz-Rechteckwelle nur die Harmonischen 1 (16MHz), 3 (48MHz) und 5 (80MHz) angezeigt werden. Das ist ein idealer Fall, aber wenn Sie die Berechnungen durchführen, werden Sie sehen, dass das Ergebnis nicht zu weit von dem entfernt ist, was Sie sehen.

Im nichtidealen Fall wirken sich das Laden und die Kompensation der Sonden natürlich weiter verzerrend aus, und die Wellenform wird anfangs nicht perfekt quadratisch sein.

— Cristobol Polychronopolis
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Ich simulierte dies in LTspice mit einer gewissen Phasenverzögerung und einer reduzierten Amplitude bei höheren Frequenzen und erzeugte eine Wellenform, die fast identisch mit der des Fragestellers war.

— Bruce Abbott

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Marcus Müller erwähnt das Gibbs-Phänomen , das in einem bandbreitenbegrenzten Signal klingelnde Artefakte erzeugt, und Cristobol Polychronopolis erwähnt, dass Ihre 100-MHz-Bandbreite die Amplitude der Harmonischen über die dritte Frequenz in Ihrem 16-MHz-Signal hinaus verringert.

Der Einfachheit halber und um einen Eindruck von den Wellenformen zu bekommen, können wir den Idealfall von Cristobol für die ersten drei Harmonischen grafisch darstellen :

Beachten Sie, dass dies ein perfektes Oszilloskop mit einem perfekten 100-MHz-Ziegelwandfilter ist, wenn eine Rechteckwelle gegeben ist. Nein, Ihr Oszilloskop ist nicht kaputt, wenn Sie in den Wellenformen ein Klingeln sehen: Es zeigt an, was nach der durch die Sonden und das analoge Front-End eingeführten Verzerrung und der unvollkommenen Filterung vor der Digitalisierung zu sehen ist.

Dies ist etwas, was Sie lernen müssen, um damit umzugehen: Jedes Mal, wenn Sie eine Schaltung mit einem Oszilloskop untersuchen, ändert sich (hoffentlich nicht zu sehr) die Wellenform an diesem Punkt in der Schaltung, und dann treten weitere Verzerrungen zwischen der Spitze der Sonde und dem Oszilloskop auf Anzeige. Da Sie dies nicht vermeiden können, ist es bei der Verwendung eines Oszilloskops, insbesondere bei relativ hochfrequenten Schaltkreisen, wichtig zu wissen, welche Verzerrungen wahrscheinlich auftreten.

— Curt J. Sampson
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Zusätzlich zu dem, was über Sondenkompensation und Sondenauswahl gesagt wurde, ist ein 16-MHz-Signal von einem IC, der mit Nenngeschwindigkeit läuft, in der Anstiegszeit nicht immer so schnell, dass es als perfekte Rechteckwelle erscheint. Um dies zu erreichen, müssten Ausgangsstufen verwendet werden, die Signale im 100-MHz-Bereich perfekt verarbeiten können. Ein IC wie eine MCU so schnell wie möglich zu entwickeln, würde nur Strom verschwenden und EMV-Probleme verursachen.

— Rackandboneman
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