Oszilloskop-Bandbreite, worum geht es?

Die Systembandbreite ist eine Kombination aus Tastkopfbandbreite und Eingangsbandbreite des Oszilloskops. Jeder kann durch eine RC-Tiefpassschaltung angenähert 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 der Frequenz 9,86 MHz mit einer Dämpfung von -3 dB (100 * 10 ^ {-3/20} %) messen kann.

Bei der Messung digitaler Impulsfolgen kommt es nicht so sehr auf die Periodizität an, sondern auf die Anstiegs- und Abfallzeiten, da sie die hochfrequenten Informationen enthalten . Anstiegszeiten können mathematisch durch einen RC-Anstieg oder einen Gaußschen Anstieg angenähert werden und sind definiert als die Zeit, die das Signal benötigt, um von 10 % der Differenz zwischen Niederspannung ( logisch 0) und Hochspannung (logisch 1) auf 90 % zu gehen. des Unterschieds. In einem 5V/0V-System ist sie beispielsweise als Zeit von bis definiert . Mit diesen Beschränkungen und etwas ausgefallener Mathematik kann man ausrechnen, dass jede Art von charakteristischer Anstiegszeit einen Frequenzinhalt von bis zu etwa Gauß und hat0.1*5V=0.5V0.9*5V=4.5V0.34/t_rise0.35/t_risefür RC. (Ich verwende 0.35/t_riseohne guten Grund und werde dies für den Rest dieser Antwort tun.)

Diese Information funktioniert 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, denn das ist es, was das analoge Front-End durchlässt.

Aliasing ist ein digitales Sampling-Artefakt und wirkt sich auch auf Ihre Messung aus (haben Sie kein 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 sie nur Sinuskurven unter 25 MHz lesen kann. Viele Oszilloskope haben an dieser Stelle einen Antialiasing-Filter (LPF), der Frequenzen über dem 0,5-fachen der Abtastrate dämpfen würde (Shannon-Nyquist-Abtastkriterien). Ihr Oszilloskop scheint diesen Filter jedoch nicht zu haben, da die Spitze-zu-Spitze-Spannung immer noch ziemlich hoch ist. Welches Modell ist es?

Nach der Abtastbrücke werden die Daten in einige DSP-Prozesse geschoben, von denen einer als Decimation and Cardinal Spans bezeichnet wird, wodurch die Abtastrate und die Bandbreiten weiter reduziert werden, um sie besser anzuzeigen und zu analysieren (besonders hilfreich für die FFT-Berechnung). Die Daten werden weiter massiert, sodass sie keine Frequenzen über dem ~0,4-fachen der Abtastrate anzeigen, die als Schutzband bezeichnet werden . Ich hätte erwartet, dass Sie eine Sinuskurve von ~ 20 MHz sehen - haben Sie die Mittelung (5-Punkt) eingeschaltet?

BEARBEITEN: Ich strecke meinen Hals aus und vermute, dass Ihr Oszilloskop über digitales Antialiasing verfügt, das Dezimierung und Kardinalspannen verwendet, was im Grunde genommen ein digitales LPF und dann ein Resampling eines interpolierten Pfads bedeutet. Das DSP-Programm sieht ein 20-MHz-Signal und dezimiert es, bis es unter 10 MHz liegt. Warum 4 MHz und nicht näher an 10 MHz? "Kardinalspanne" bedeutet Halbierung der Bandbreite, und die Dezimierung erfolgt oft auch um eine Zweierpotenz. Eine ganzzahlige Potenz von 2 oder ein einfacher Bruchteil davon führte dazu, dass eine 4-MHz-Sinuskurve anstelle von ~ 20 MHz ausgespuckt wurde. Deshalb sage ich, dass jeder Enthusiast ein analoges Oszilloskop braucht. :)

_{EDIT2: Da dies so viele Aufrufe erhält, sollte ich die obige peinlich dünne Schlussfolgerung besser korrigieren.}
EDIT2: Das spezielle Tool , das Sie verwenden möchten, kann Undersampling verwenden, für das ein analoger BPF-Eingang mit Fenstern für Antialiasing erforderlich ist, den dieses Tool anscheinend nicht hat. Daher muss es nur einen LPF haben, der es auf Sinuskurven von weniger als 25 MHz beschränkt auch bei Verwendung von Äquiv. Zeitabtastung . Obwohl ich auch die Qualität der analogen Seite vermute, macht die digitale Seite wahrscheinlich nicht die oben genannten DSP-Algorithmen, sondern streamt Daten oder überträgt eine Aufnahmegleichzeitig für Brute-Force-Zahlenknacken auf einem PC. 50 MS/s und 8-Bit-Wortlängen bedeuten, dass dies ~48 MB/s an Rohdaten erzeugt – viel zu viel, um über USB zu streamen, trotz der theoretischen Grenze von 60 MB/s (die praktische Grenze liegt bei 30 MB/s-40 MB/s), egal den Paketierungs-Overhead, also gibt es direkt eine Dezimierung, um dies zu reduzieren. Das Arbeiten mit 35 MB/s ergibt eine Abtastrate von ~37 MS/s, was auf eine theoretische Messgrenze von 18 MHz oder 20 ns Anstiegszeit beim Streaming hinweist, obwohl sie wahrscheinlich niedriger ist, da 35 MB/s erstaunlich (aber möglich!) sind. Das Handbuch gibt an, dass ein Blockmodus zum Erfassen von Daten mit 50 MB / s bis zum internen 8-KB-Speicher vorhanden ist (hust ) .voll ist (160us), dann in gemächlichem Tempo an den Computer schicken. Ich würde davon ausgehen, dass die Schwierigkeiten beim Entwerfen eines hochwertigen analogen Eingangs teilweise durch 2- faches Oversampling (zusätzliche Genauigkeit von einem halben Bit) überwunden wurden, was eine effektive Abtastrate von 25 MS/s, eine maximale Frequenz von 12,5 MHz und ein 10 % Schutzband ( (0.5*25-10)/25), die alle im Handwerkzeug selbst reduziert werden könnten. Abschließend bin ich mir nicht sicher, warum Sie eine 4-MHz-Sinuskurve sehen, da dies möglich ist, aber ich möchte dieselbe Messung im Blockmodus durchführen und dann die Daten mit einem Drittanbieterprogramm analysieren. _{Ich war schon immer hart an PC-basierten Oszilloskopen, aber dieses scheint anständige Eingänge zu haben ...}

10 MHz analoge Bandbreite bedeutet, dass ein 10-MHz-Signal bei 10 V wie ein 5-V-Signal aussieht, mit anderen Worten, 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 realistischerweise nicht mit Signalen weit über 5 MHz arbeiten können, wenn Sie hoffen, das Signal in einer Einzelaufnahme zu erfassen, was wirklich der einzige Grund ist, überhaupt ein DSO zu haben.

Wenn Sie das Bandbreitenproblem für eine Minute ignorieren, können Sie das Oszilloskop möglicherweise in den Modus für wiederholte Abtastung versetzen und auf diese Weise ein sich wiederholendes Signal erfassen, genau wie bei einem analogen Oszilloskop.

Ich würde mir ein richtiges DSO besorgen (das auf 100 MHz analoge Bandbreite modifizierte Rigol ds1052e erhält meine Empfehlungen), da ein gebrauchtes analoges Tektronix-Oszilloskop möglicherweise ein guter Weg ist (ich verwende von Zeit zu Zeit die Modelle 2236, 2246 und 2247A). und sie sind alle feine analoge Zielfernrohre)

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

Ja für direkte Messung.

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

Ja, mit einigen kniffligen Methoden: 1) Spitzenerkennung (nützlich, wenn Sie ein AM-moduliertes Signal sehen müssen) 2) Frequenzverschiebung (wieder 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 maximalen zu messenden Frequenz betragen. Beachten Sie jedoch, dass Ihr Eingangssignal, wenn es sich nicht um eine reine Sinuswelle handelt, wie in Ihrem Fall die Rechteckwelle, auch Oberwellen 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 3dB gedämpft. Das heißt, es wird nur mit 70 % seines realen Wertes gemessen. Die Abtastrate gibt an, wie viele Messungen das Oszilloskop pro Sekunde durchführt, 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 mit stark gedämpftem Eingangssignal (aufgrund der zu geringen Bandbreite) und mit nur 5 Abtastungen pro Zyklus (aufgrund der Abtastrate) sieht.