Oszilloskop: Wie hängen Bandbreitenspezifikation und Abtastrate zusammen?

Die Bandbreite bezieht sich auf den analogen Teil eines Oszilloskops; die Dämpfungs-, Verstärker- und Triggermodule. Er gibt die Frequenz an, bei der das Signal um 3dB gedämpft wird.

Einfach ausgedrückt bestimmt die Abtastrate, wie "schnell" der ADC das analoge Signal sondiert, um diskrete Messwerte zu sammeln. Nach dem Nyquist-Theorem sollte sie mindestens das Doppelte der maximalen Signalfrequenz (Bandbreite) betragen. Wenn die Bandbreite nur halb so hoch wäre wie die Abtastrate, wäre der resultierende Messwert niedriger als er tatsächlich ist.

Andererseits können Frequenzen, die höher sind als die Abtastrate (bei doppelter oder dreifacher verfügbarer Bandbreite), nicht gelesen werden, ohne "Informationen zu verlieren" (das nennt man Aliasing).

Siehe dieses Keysight-Dokument zu Scope-Grundlagen für EE-Studenten . Auf Seite 17 finden Sie ein typisches Blockschaltbild eines Oszilloskops, auf den Seiten 18 und 19 wird der Zusammenhang zwischen Bandbreite und Abtastrate erwähnt.

Ab Seite 17, Teil des Blockdiagramms (der bläuliche Teil bestimmt die analoge Bandbreite):

Ab Seite 18:

• Alle Oszilloskope weisen einen Tiefpass-Frequenzgang auf.
• Die Frequenz, bei der eine Eingangssinuswelle um 3 dB gedämpft wird, definiert die Bandbreite des Oszilloskops.

Ab Seite 19:

• Erforderliche BW für analoge Anwendungen: ≥ 3X höchste Sinuswellenfrequenz.
• Erforderliche Bandbreite für digitale Anwendungen: ≥ 5x höchste digitale Taktrate.
• Genauere BW-Bestimmung basierend auf Signalflankengeschwindigkeiten (siehe Anwendungshinweis „Bandbreite“ am Ende der Präsentation)

Meiner Erfahrung nach beträgt die spezifizierte analoge Bandbreite tendenziell 20 bis 30 % der Echtzeit-Abtastrate (die Nyquist-Grenze liegt bei 50 %).

Um Aliasing während des Samplings zu vermeiden, sollte die Signalkette besser einen analogen Tiefpassfilter enthalten, der verhindert, dass ein Eingang die Nyquist-Grenze erreicht ... ich bin mir nicht sicher, ob die Oszilloskope dies tatsächlich tun :-), da dies das wiederholte Sampling behindern würde.

Ein möglicher anderer Blickwinkel: An der Nyquist-Grenze ist die digitale Näherung des ursprünglichen analogen Signals bereits ziemlich grob, sodass es nicht viel Sinn macht, es zu dehnen. Und schnelle analoge Schaltungen sind teuer und leistungshungrig. Wenn Sie also auf das wiederholte Abtasten verzichten, müssen Sie nicht einmal die Nyquist-Grenze erreichen.

Weiter: Vorsicht vor den Sonden! Die billige Variante mit nur einem passiven 1:10-Teiler schafft es nur auf etwa 200 MHz. Alles, was schneller ist, kostet einen Arm und ein Bein.

Was die ADCs allein betrifft, habe ich festgestellt, dass TI integrierte ADCs mit Abtastraten im unteren GSps-Bereich herstellt. Sie können höhere Abtastraten erreichen, indem Sie mehrere ADC-Kanäle (einschließlich ihrer Sample-and-Hold-Frontends) verschachteln.

Wie bereits erwähnt, ist es in Ordnung, 20 bis 30 Prozent der analogen Bandbreite der Echtzeit-Abtastrate zu haben. Dies geschieht, um das Signal so abzutasten, dass Interpolation oder andere Techniken das Signal besser wiederherstellen können. Und ich bin mir ziemlich sicher, dass die gesamte Elektronik einen Anti-Aliasing-Tiefpassfilter haben sollte.

Sie können jedoch manchmal Oszilloskope sehen, bei denen die Abtastrate relativ niedrig ist, aber die maximale Frequenz hoch ist, höher als die von Nyquist behaupteten Einschränkungen. Nun, es gibt wirklich keine Magie - das Signal wird zuerst in einem analogen Speicher gespeichert und später verarbeitet. Das bedeutet, dass es eine gute Möglichkeit gibt, die Spannung eines Signals mit wirklich hoher Geschwindigkeit zu sehen, wenn Sie dasselbe Signal betrachten und nur die Phase ändern. Was ist der Nachteil davon? Sie müssen Ihr Signal speichern und eine Präzisionselektronik verwenden, um dies zu erreichen

DSOs erfüllen viele Funktionen als Messgeräte sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich. Faktoren, die die Qualität der Signalerfassung beeinflussen, sind nicht nur grundlegend, sondern selbst für eine reine Sinuswelle ist das spektrale SNR für viele Anwendungen wichtig.

Eine Methode zur Definition eines Signals ist die durch Span und Auflösung definierte FFT. Hier ist ein hohes Verhältnis von Abtastrate zu Signalbandbreite sinnvoll. Dieses höhere Verhältnis reduziert die Auflösungsbandbreite in einer FFT.

Auswirkungen einer höheren Abtastrate und einer geringeren Auflösungsbandbreite Die verbesserte Auflösung ist ein geringeres Rauschen pro Wurzel-Hz-Bandbreite. Je mehr Samples pro Bin, desto niedriger ist das Grundrauschen, wie unten gezeigt.