Ancho de banda del osciloscopio, ¿de qué se trata?

El ancho de banda del sistema es una combinación del ancho de banda de la sonda y el ancho de banda de entrada del osciloscopio. Cada uno se puede aproximar mediante un circuito de paso bajo RC, lo que significa que los retrasos se suman geométricamente:

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

Esto significa que un osciloscopio de 10MHz con sondas de 60MHz puede medir sinusoides de frecuencia 9,86MHz con una atenuación de -3dB (100*10^{-3/20}%).

Cuando se miden trenes de pulsos digitales, lo que importa no es tanto la periodicidad, sino los tiempos de subida y bajada, ya que contienen la información de alta frecuencia. Los tiempos de subida se pueden aproximar matemáticamente mediante una subida RC o una subida gaussiana, y se definen como el tiempo que tarda la señal en pasar del 10 % de la diferencia entre la tensión baja (0 lógico) y la tensión alta (1 lógico) al 90 %. de la diferencia Por ejemplo, en un sistema de 5V/0V, se define como el tiempo para llegar de 0.1*5V=0.5Va 0.9*5V=4.5V. Con estas restricciones y algunas matemáticas sofisticadas , se puede calcular que cada tipo de tiempo de subida característico tiene un contenido de frecuencia de hasta aproximadamente 0.34/t_risepara gaussiana y0.35/t_risepara RC. (Lo uso 0.35/t_risesin una buena razón y lo haré durante el resto de esta respuesta).

Esta información también funciona a la inversa: un ancho de banda de sistema en particular solo puede medir tiempos de subida hasta 0.35/f_system; en su caso, de 35 a 40 nanosegundos. Estás viendo algo similar a una onda sinusoidal porque eso es lo que deja pasar la interfaz analógica.

El aliasing es un artefacto de muestreo digital y también tiene efecto en su medición (¡qué suerte!). Aquí hay una imagen prestada de WP:

Como el front-end analógico solo permite tiempos de subida de 35 ns a 40 ns, el puente de muestreo ADC ve algo así como una onda sinusoidal atenuada de 50 MHz, pero solo muestrea a 50 MS/s, por lo que solo puede leer sinusoides por debajo de 25 MHz. Muchos osciloscopios tienen un filtro antialiasing (LPF) en este punto, que atenuaría las frecuencias por encima de 0,5 veces la frecuencia de muestreo (criterios de muestreo de Shannon-Nyquist). Sin embargo, su alcance no parece tener este filtro, ya que el voltaje de pico a pico sigue siendo bastante alto. ¿Qué modelo es?

Después del puente de muestreo, los datos se introducen en algunos procesos DSP, uno de los cuales se llama diezmado y intervalos cardinales , lo que reduce aún más la frecuencia de muestreo y los anchos de banda para visualizarlos y analizarlos mejor (especialmente útil para el cálculo de FFT). Los datos se modifican aún más para que no muestren frecuencias superiores a ~0,4 veces la frecuencia de muestreo, lo que se denomina banda de protección . Habría esperado que vieras una sinusoide de ~20 MHz. ¿Tienes activado el promedio (5 puntos)?

EDITAR: me arriesgaré y adivinaré que su osciloscopio tiene antialiasing digital, que usa diezmado y tramos cardinales, lo que básicamente significa un LPF digital y luego un nuevo muestreo de una ruta interpolada. El programa DSP ve una señal de 20 MHz, por lo que la diezma hasta que está por debajo de 10 MHz. ¿Por qué 4MHz y no más cerca de 10MHz? "Lapso cardinal" significa reducir a la mitad el ancho de banda, y la aniquilación también suele ser por una potencia de dos. Alguna potencia entera de 2 o una simple fracción de ella resultó en una sinusoide de 4 MHz que se escupió en lugar de ~ 20 MHz. Es por eso que digo que todo entusiasta necesita un 'visor analógico'. :)

_{EDIT2: Dado que esto está recibiendo tantas visitas, será mejor que corrija la conclusión vergonzosamente delgada anterior.}
EDIT2: la herramienta particular que le gustó puede usar submuestreo, para lo cual se requiere una entrada BPF analógica de ventana para antialiasing, que esta herramienta no parece tener, por lo que solo debe tener un LPF, restringiéndolo a sinusoides de menos de 25MHz incluso cuando se usa equiv. muestreo de tiempo . Aunque también sospecho de la calidad del lado analógico, es probable que el lado digital no haga los algoritmos DSP mencionados anteriormente, sino que transmita datos o transfiera una captura .a la vez para el procesamiento de números de fuerza bruta en una PC. 50 MS/s y longitudes de palabra de 8 bits significa que esto está generando ~48 MB/s de datos sin procesar, demasiado para transmitir a través de USB a pesar de su límite teórico de 60 MB/s (el límite práctico es de 30 MB/s-40 MB/s), no importa la sobrecarga de empaquetamiento, por lo que hay algo de aniquilación desde el primer momento para reducir esto. Trabajar con 35 MB/s proporciona una frecuencia de muestreo de ~37 MS/s, lo que apunta a un límite de medición teórico de 18 MHz, o un tiempo de subida de 20 ns, durante la transmisión, aunque es probable que sea más bajo, ya que 35 MB/s es asombroso (¡pero posible!). El manual indica que existe un modo de bloque para capturar datos a 50 MB/s hasta la memoria interna de 8k (tos)está lleno (160us), luego enviándolo a la computadora a un ritmo pausado. Asumiría que las dificultades encontradas en el diseño de una entrada analógica de calidad se superaron parcialmente con un sobremuestreo de 2X (precisión adicional de medio bit), dando una frecuencia de muestreo efectiva de 25 MS/s, una frecuencia máxima de 12,5 MHz y una banda de protección del 10 % ( (0.5*25-10)/25), todo lo cual podría reducirse en la propia herramienta manual. En conclusión, no estoy seguro de por qué está viendo una sinusoide de 4 MHz, ya que hay formas de que esto suceda, pero me gustaría hacer la misma medición en modo de bloque y luego analizar los datos con un programa de terceros. _{Siempre he sido duro con los osciloscopios basados ​​en PC, pero este parece tener entradas decentes...}

El ancho de banda analógico de 10 MHz significa que una señal de 10 MHz a 10 V se verá como una de 5 V, en otras palabras, su amplitud se reducirá a la mitad a 10 MHz.

El ancho de banda de 10 MHz significa que su señal de 50 MHz se amortiguará un poco, pero es difícil especular sobre cuánto.

Los 50 MS/s significa que no puede trabajar de manera realista con señales mucho más de 5 MHz si espera hacer una captura de la señal de un solo disparo, que es realmente la única razón para tener un DSO en primer lugar.

Ignorando el problema del ancho de banda por un minuto, es posible que pueda poner el osciloscopio en modo de muestreo repetitivo y capturar una señal repetitiva de esa manera, tal como lo hace un osciloscopio analógico.

Obtendría un DSO adecuado (el Rigol ds1052e modificado a un ancho de banda analógico de 100 MHz recibe mis recomendaciones), en su defecto, un osciloscopio analógico Tektronix usado podría ser una buena opción (utilizo los modelos 2236, 2246 y 2247A de vez en cuando y todos son buenos osciloscopios analógicos)

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

Sí para medición directa.

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

Sí, usando algunas formas complicadas: 1) detección de picos (útil cuando necesita ver la señal modulada AM) 2) Cambio de frecuencia (nuevamente, útil cuando la señal está modulada) - Si mezcla una señal de 50Mhz con una onda sinusoidal de 49Mhz, obtendrá Señal de 1Mhz cerca de la frecuencia que desee.

El ancho de banda y la frecuencia de muestreo normalmente deben ser de 4 a 5 veces la frecuencia máxima que desea medir. Pero tenga en cuenta que si su señal de entrada no es una onda sinusoidal pura, como en su caso la onda cuadrada, también contiene armónicos con frecuencias mucho más altas. Para una medición precisa, debe cubrir al menos el primero de estos armónicos.

A la frecuencia del ancho de banda máximo (aquí 10 MHz), una onda sinusoidal de esta frecuencia es atenuada en 3dB por la parte frontal analógica del osciloscopio. Esto significa que se mide a sólo el 70% de su valor real. La frecuencia de muestreo especifica cuántas mediciones realiza el osciloscopio por segundo, es decir, con qué precisión se adquiere la forma de la señal (50 MS/s equivale a 5 mediciones por ciclo en una señal de 10 MHz).

Ahora piense en lo que ve su osciloscopio con la señal de entrada muy atenuada (debido al ancho de banda demasiado bajo) y con solo 5 muestras por ciclo (debido a la frecuencia de muestreo).