Oszilloskop-Bandbreite, worum geht es?

Diese Frage tauchte vor ein paar Augenblicken bei mir auf. Ich habe eine 50-MHz-Rechteckwelle mit einem Pegel von 0 bis 2,5 gemessen. Was ich jedoch auf dem Bildschirm sah, war eine Sinuswelle, die um 1,2 V und einen Pegel von 0,5 bis 2,0 V zentriert war. Die Frequenz betrug 4 MHz.

Ich habe mein Datenblatt für Oszilloskope überprüft und festgestellt, dass die Bandbreite 10 MHz bei einer Abtastrate von 50 MS / s beträgt.

Ich frage mich, worum es in diesen Zahlen geht.

• Sind sie ein Maß für die obere Frequenzgrenze, die ein Oszilloskop messen kann?
• Kann dieses Oszilloskop überhaupt 50 MHz messen?

Die Systembandbreite ist eine Kombination aus Prüfbandbreite und Oszilloskop-Eingangsbandbreite. Jedes kann durch eine RC-Tiefpassschaltung approximiert werden, was bedeutet, dass sich Verzögerungen geometrisch addieren:

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

Dies bedeutet, dass ein 10-MHz-Oszilloskop mit 60-MHz-Sonden Sinuskurven mit einer Frequenz von 9,86 MHz mit einer Dämpfung von -3 dB (100 * 10 ^ {- 3/20}%) messen kann.

Wenn digitale Pulszüge messen , es ist nicht so sehr die Periodizität , dass Angelegenheiten, aber die Anstiegs- und Abfallzeiten, wie sie enthalten die Hochfrequenzinformationen. Anstiegszeiten können mathematisch durch einen RC-Anstieg oder einen Gaußschen Anstieg angenähert werden und sind als die Zeit definiert, die das Signal benötigt, um von 10% der Differenz zwischen niedriger Spannung (logisch 0) und hoher Spannung (logisch 1) auf 90% zu gehen. des Unterschieds. In einem 5V / 0V-System ist dies beispielsweise die Zeit, die benötigt wird, um von 0.1*5V=0.5Vnach zu gelangen 0.9*5V=4.5V. Mit diesen Einschränkungen und einigen ausgefallenen Berechnungen kann man herausfinden, dass jede Art von charakteristischer Anstiegszeit einen Frequenzgehalt von bis zu ungefähr 0.34/t_risefür Gauß'sche und Gauß'sche hat0.35/t_risefür RC. (Ich benutze es 0.35/t_riseohne guten Grund und werde es für den Rest dieser Antwort tun.)

Diese Informationen funktionieren auch umgekehrt: Eine bestimmte Systembandbreite kann nur Anstiegszeiten bis zu messen 0.35/f_system. in Ihrem Fall 35 bis 40 Nanosekunden. Sie sehen etwas Ähnliches wie eine Sinuswelle, weil das analoge Front-End dies durchlässt.

Aliasing ist ein digitales Sampling-Artefakt und wirkt sich auch auf Ihre Messung aus (haben Sie nicht Glück!). Hier ist ein geliehenes Bild von WP:

Da das analoge Front-End nur Anstiegszeiten von 35 ns bis 40 ns durchlässt, sieht die ADC-Abtastbrücke so etwas wie eine gedämpfte 50-MHz-Sinuswelle, aber sie tastet nur mit 50 ms / s ab, sodass nur Sinuskurven unter 25 MHz gelesen werden können. Viele Oszilloskope verfügen an dieser Stelle über ein Antialiasing-Filter (LPF), das Frequenzen über dem 0,5-fachen der Abtastrate abschwächt (Shannon-Nyquist-Abtastkriterien). Ihr Oszilloskop scheint diesen Filter jedoch nicht zu haben, da die Spitze-Spitze-Spannung immer noch recht hoch ist. Um welches Modell handelt es sich?

Nach der Abtastbrücke werden die Daten in einige DSP-Prozesse verschoben, von denen einer als Dezimierungs- und Kardinalbereich bezeichnet wird. Dadurch werden Abtastrate und Bandbreite weiter reduziert, um sie besser anzuzeigen und zu analysieren (besonders hilfreich für die FFT-Berechnung). Die Daten werden weiter massiert, sodass keine Frequenzen über dem 0,4-fachen der Abtastrate angezeigt werden, die als Schutzband bezeichnet wird . Ich hätte erwartet, dass Sie eine Sinuskurve mit ~ 20 MHz sehen - haben Sie die Mittelwertbildung (5-Punkt) aktiviert?

EDIT: Ich werde meinen Hals rausstrecken und vermuten, dass Ihr Oszilloskop über digitales Antialiasing mit Dezimierung und Kardinalabständen verfügt, was im Grunde genommen bedeutet, dass ein digitaler LPF einen interpolierten Pfad neu abtastet. Das DSP-Programm sieht ein 20-MHz-Signal, so dass es es dezimiert, bis es unter 10 MHz liegt. Warum 4MHz und nicht näher an 10MHz? "Kardinalspanne" bedeutet die Halbierung der Bandbreite, und die Dezimierung erfolgt häufig auch durch eine Zweierpotenz. Eine ganzzahlige Potenz von 2 oder ein einfacher Bruchteil davon führte dazu, dass eine Sinuskurve von 4 MHz anstelle von ~ 20 MHz ausgespuckt wurde. Aus diesem Grund sage ich, dass jeder Enthusiast ein analoges Oszilloskop benötigt. :)

_{EDIT2: Da dies so viele Ansichten bekommt, korrigiere ich besser die obige peinlich dünne Schlussfolgerung.}
EDIT2: Das spezielle Tool, das Sie verwenden möchten, kann Unterabtastung verwenden, für die ein Fensterbild-Analog-BPF-Eingang für das Antialiasing erforderlich ist, was dieses Tool anscheinend nicht hat. Daher muss es nur über ein LPF verfügen und auf Sinuskurven von weniger als 25 MHz beschränkt sein auch bei Verwendung von Äquiv. zeitliche Abtastung . Obwohl ich auch die Qualität der analogen Seite vermute, führt die digitale Seite wahrscheinlich nicht die oben genannten DSP-Algorithmen aus, sondern streamt Daten oder überträgt eine Aufnahmezu einer Zeit für Brute-Force-Nummer auf einem PC knirschen. 50 MB / s und 8-Bit-Wortlängen bedeuten, dass dadurch ~ 48 MB / s Rohdaten generiert werden - viel zu viel, um über USB gestreamt zu werden, trotz der theoretischen Grenze von 60 MB / s (praktisch 30 MB / s - 40 MB / s), egal der Paketierungsaufwand, sodass sofort eine gewisse Dezimierung erforderlich ist, um dies zu reduzieren. Die Arbeit mit 35MB / s ergibt eine Abtastrate von ~ 37MS / s, was auf eine theoretische Messgrenze von 18 MHz oder eine Anstiegszeit von 20 ns beim Streaming hinweist, obwohl diese wahrscheinlich niedriger ist, da 35MB / s erstaunlich ist (aber möglich!). Das Handbuch zeigt an, dass ein Block-Modus für die Erfassung von Daten mit 50 MB / s bis zum internen 8-KB-Speicher (Husten) vorhanden ist.ist voll (160us) und sendet es dann in gemächlichem Tempo an den Computer. Ich würde annehmen, dass die Schwierigkeiten, die beim Entwerfen eines hochwertigen Analogeingangs aufgetreten sind, teilweise durch Überabtastung um das Zweifache (zusätzliche Halbbitgenauigkeit) überwunden wurden , was eine effektive Abtastrate von 25 MS / s, eine maximale Frequenz von 12,5 MHz und ein Schutzband von 10% ergab ( (0.5*25-10)/25), die alle im Handwerkzeug selbst reduziert werden könnten. Zusammenfassend kann ich sagen, dass ich nicht sicher bin, warum Sie eine 4-MHz-Sinuskurve sehen, da es hierfür verschiedene Möglichkeiten gibt. Ich möchte jedoch die gleiche Messung im Blockmodus durchführen und dann die Daten mit einem Programm eines Drittanbieters analysieren. _{Ich habe mich schon immer mit PC-basierten Oszilloskopen beschäftigt, aber dieses scheint anständige Eingaben zu haben ...}

10 MHz analoge Bandbreite bedeutet, dass ein 10 MHz-Signal bei 10 V wie 5 V aussieht, dh Ihre Amplitude wird bei 10 MHz halbiert.

Die 10-MHz-Bandbreite bedeutet, dass Ihr 50-MHz-Signal ziemlich gedämpft wird, aber wie viel ist schwer zu spekulieren.

Die 50 MS / s bedeuten, dass Sie mit Signalen über 5 MHz nicht realistisch arbeiten können, wenn Sie hoffen, das Signal einmalig zu erfassen, was eigentlich der einzige Grund ist, überhaupt einen DSO zu haben.

Wenn Sie das Bandbreitenproblem eine Minute lang ignorieren, können Sie das Oszilloskop möglicherweise in den Wiederholungsabtastmodus versetzen und auf diese Weise ein Wiederholungssignal erfassen, wie dies bei einem analogen Oszilloskop der Fall ist.

Ich würde ein ordentliches DSO bekommen (das Rigol ds1052e, das auf 100 MHz analoge Bandbreite modifiziert ist, entspricht meinen Empfehlungen), da ein gebrauchtes analoges Tektronix-Oszilloskop von Zeit zu Zeit ein guter Weg ist (ich verwende die Modelle 2236, 2246 und 2247A) und sie sind alle feine analoge Bereiche)

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

Ja zur direkten Messung.

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

Ja, mithilfe einiger kniffliger Methoden: 1) Spitzenwerterkennung (nützlich, wenn Sie ein AM-moduliertes Signal sehen müssen) 2) Frequenzverschiebung (ebenfalls nützlich, wenn das Signal moduliert ist) - Wenn Sie ein 50-MHz-Signal mit einer 49-MHz-Sinuswelle mischen, erhalten Sie 1 MHz-Signal in der Nähe der gewünschten Frequenz.

Die Bandbreite und die Abtastrate sollten normalerweise das 4- bis 5-fache der zu messenden Maximalfrequenz betragen. Beachten Sie jedoch, dass Ihr Eingangssignal, wenn es sich nicht um eine reine Sinuswelle handelt, wie in Ihrem Fall die Rechteckwelle, auch Harmonische mit viel höheren Frequenzen enthält. Für eine genaue Messung müssen Sie mindestens die erste dieser Harmonischen abdecken.

Bei der Frequenz der maximalen Bandbreite (hier 10 MHz) wird eine Sinuswelle dieser Frequenz durch das analoge Frontend des Oszilloskops um 3 dB gedämpft. Dies bedeutet, dass nur 70% des tatsächlichen Wertes gemessen werden. Die Abtastrate gibt an, wie viele Messungen vom Oszilloskop pro Sekunde durchgeführt werden, dh wie genau die Form des Signals erfasst wird (50 MS / s entsprechen 5 Messungen pro Zyklus bei einem 10-MHz-Signal).

Überlegen Sie nun, was Ihr Oszilloskop sieht, wenn das Eingangssignal stark gedämpft ist (aufgrund der zu geringen Bandbreite) und nur 5 Abtastungen pro Zyklus (aufgrund der Abtastrate).