Wybór pasma oscyloskopu
Wprowadzenie
Pasmo to specyfikacja, którą większość inżynierów bierze pod uwagę jako pierwszą przy wyborze oscyloskopu. W tej nocie aplikacyjnej podamy kilka pomocnych wskazówek, jak wybrać oscyloskop o odpowiedniej szerokości pasma zarówno do zastosowań cyfrowych, jak i analogowych. Najpierw jednak zdefiniujmy pasmo oscyloskopu.
Definiowanie szerokości pasma oscyloskopu
Wszystkie oscyloskopy wykazują dolnoprzepustową charakterystykę częstotliwościową, która odchyla się przy wyższych częstotliwościach, jak pokazano na rysunku 1. Większość oscyloskopów o specyfikacji szerokości pasma 1 GHz i niższej ma zwykle tak zwaną odpowiedź Gaussa, która wykazuje powolną charakterystykę przechodzenia zaczynając od około jednej trzeciej częstotliwości –3 dB. Oscyloskopy ze specyfikacjami szerokości pasma większymi niż 1 GHz mają zazwyczaj maksymalnie płaską charakterystykę częstotliwościową, jak pokazano na rysunku 2. Ten typ odpowiedzi zwykle wykazuje bardziej płaską odpowiedź w paśmie z ostrzejszą charakterystyką przechyłu w pobliżu częstotliwości –3 dB.
Każdy z tych typów odpowiedzi częstotliwościowych oscyloskopu ma zalety i wady. Oscyloskopy o maksymalnie płaskiej odpowiedzi tłumią sygnały w paśmie mniej niż oscyloskopy z odpowiedzią Gaussa, co oznacza, że oscyloskopy o maksymalnie płaskich odpowiedziach są w stanie dokonywać dokładniejszych pomiarów sygnałów w paśmie. Jednak oscyloskop z odpowiedzią Gaussa osłabia sygnały pozapasmowe w mniejszym stopniu niż oscyloskop z maksymalnie płaską odpowiedzią, co oznacza, że oscyloskop z odpowiedziami Gaussa ma zazwyczaj szybszy czas narastania niż oscyloskop z maksymalnie płaską odpowiedzią przy tym samym paśmie. Czasami jednak korzystne jest tłumienie sygnałów pozapasmowych w wyższym stopniu, aby pomóc wyeliminować składowe o wyższej częstotliwości, które mogą przyczyniać się do aliasingu, w celu spełnienia kryteriów Nyquista (fS> 2 x fMAX). Aby uzyskać głębsze zrozumienie teorii próbkowania Nyquista, patrz nota aplikacyjna Keysight Technologies, Inc., „Evaluating Oscilloscope Sample Rate vs. Sampling Fidelity”, wymienioną na końcu tego dokumentu.
Niezależnie od tego, czy Twój oscyloskop ma odpowiedź Gaussa, maksymalnie płaską odpowiedź, czy coś pomiędzy, najniższa częstotliwość, przy której sygnał wejściowy jest tłumiony o 3 dB, jest uważana za szerokość pasma oscyloskopu. Szerokość pasma oscyloskopu i odpowiedź częstotliwościową można testować z przemiataną częstotliwością za pomocą generatora sygnału sinusoidalnego. Tłumienie sygnału przy częstotliwości –3 db przekłada się na około –30% błąd amplitudy. Nie możesz więc oczekiwać dokładnych pomiarów sygnałów o znaczących częstotliwościach w pobliżu szerokości pasma oscyloskopu.
Ściśle powiązana ze specyfikacją szerokości pasma oscyloskopu jest specyfikacja czasu narastania. Oscyloskop z odpowiedzią typu Gaussa będą miały przybliżony czas narastania 0,35 / fBW w oparciu o kryterium 10% do 90%. Oscyloskopy o maksymalnie płaskiej odpowiedzi zwykle mają specyfikacje czasu narastania w zakresie do 0,4 / fBW, w zależności od ostrości charakterystyki spadku częstotliwości. Należy jednak pamiętać, że czas narastania oscyloskopu nie jest najmniejszym czasem narastania, którą oscyloskop może dokładnie zmierzyć. Jest to najmniejszy czas narastania jaki oscyloskop może osiągnąć, jeśli sygnał wejściowy ma teoretyczny nieskończenie szybki czas narastania (0 ps). Chociaż ta teoretyczna specyfikacja jest niemożliwa do przetestowania - ponieważ generatory impulsów nie mają nieskończenie szybkich krawędzi - z praktycznego punktu widzenia, możesz przetestować czas narastania oscyloskopu, wprowadzając impuls, który ma prędkości krawędziowe 3 do 5 razy większe niż oscyloskop specyfikacje czasu narastania.
Rysunek 1. Charakterystyka częstotliwościowa typu Gaussa Rysunek 2. Charakterystyka częstotliwościowa typu max-flat
Wymagane pasmo dla aplikacji cyfrowych
Z reguły pasmo twojego oscyloskopu powinna być co najmniej pięć razy większe niż najszybsza częstotliwość zegara cyfrowego w testowanym systemie. Jeśli Twój oscyloskop spełnia to kryterium, wychwyci do piątej harmonicznej z minimalnym tłumieniem sygnału. Ta składowa sygnału jest bardzo ważna przy określaniu ogólnego kształtu sygnałów cyfrowych. Ale jeśli potrzebujesz dokonać dokładnych pomiarów na szybkich krawędziach, ten prosty wzór nie uwzględnia rzeczywistych składowych o najwyższej częstotliwości osadzonych w szybko rosnących i opadających krawędziach.
Bardziej dokładną metodą określania wymaganej szerokości pasma oscyloskopu jest ustalenie maksymalnej częstotliwości obecnej w sygnałach cyfrowych, która nie jest maksymalną częstotliwością taktowania. Maksymalna częstotliwość będzie oparta na największych prędkościach krawędzi w twoich projektach. Więc pierwszą rzeczą, którą musisz zrobić, jest określenie czasu narastania i opadania najszybszych sygnałów. Informacje te można zwykle uzyskać z opublikowanych specyfikacji urządzeń używanych w projektach.
Następnie można użyć prostego wzoru do obliczenia maksymalnej „praktycznej” składowej częstotliwości. Dr Howard W. Johnson napisał książkę na ten temat „Szybkie projektowanie cyfrowe - Podręcznik czarnej magii” 1. Nazywa tę składową częstotliwości jako częstotliwość „kolana” (fknee). Wszystkie szybkie zbocza mają nieskończone spektrum składowych częstotliwości. Jednak istnieje przegięcie (lub „kolano”) w widmie częstotliwości szybkich zboczy, gdzie składowe częstotliwości wyższe niż fknee są nieistotne przy określaniu kształtu sygnału.
Dla sygnałów o charakterystyce czasu narastania opartej na progach od 10% do 90%, fknee jest równe 0,5 podzielone przez czas narastania sygnału. W przypadku sygnałów o charakterystyce czasu narastania opartej na progach od 20% do 80%, co jest bardzo powszechne w wielu dzisiejszych specyfikacjach urządzeń, fknee jest równe 0,4 podzielone przez czas narastania sygnału. Nie myl tych czasów narastania z określonym czasem narastania oscyloskopu. Mówimy o rzeczywistych prędkościach zboczy sygnału.
Trzecim krokiem jest określenie szerokości pasma oscyloskopu wymaganej do pomiaru tego sygnału, w oparciu o pożądany stopień dokładności podczas pomiaru czasów narastania i opadania. Tabela 1 przedstawia mnożniki dla różnych stopni dokładności dla oscyloskopów z gaussowską lub maksymalnie płaską charakterystyką częstotliwościową. Pamiętaj, że większość oscyloskopów ze specyfikacjami szerokości pasma 1 GHz i mniejszymi zwykle ma odpowiedź typu Gaussa, a większość oscyloskopów o szerokości pasma większej niż 1 GHz ma zwykle maksymalnie płaską odpowiedź.
Przejdźmy teraz przez ten prosty przykład:
Określmy minimalną wymaganą szerokość pasma oscyloskopu z charakterystyką Gaussa aby zmierzyć czas narastania (10-90%) 500 ps.
Jeśli sygnał ma przybliżony czas narastania / opadania 500 ps (w oparciu o kryteria od 10% do 90%), wówczas maksymalna praktyczna składowa częstotliwości (fknee) w sygnale będzie wynosić około 1 GHz.
Jeśli jesteś w stanie tolerować do 20% błędu podczas wykonywania pomiarów czasu narastania i opadania sygnałów, możesz użyć oscyloskopu o szerokości pasma 1 GHz do cyfrowych zastosowań pomiarowych. Ale jeśli potrzebujesz dokładności czasowej w zakresie 3%, lepszym wyborem będzie oscyloskop z pasmem 2 GHz.
Wykonajmy teraz pomiary na cyfrowym sygnale zegarowym o charakterystyce podobnej do tego przykładu, używając oscyloskopów o różnych szerokościach pasma.
Porównanie pomiarów zegara cyfrowego
Rysunek 3 przedstawia wyniki przebiegu przy pomiarze sygnału zegara cyfrowego 100 MHz z prędkością zbocza 500 ps (10 do 90%) przy użyciu oscyloskopu o szerokości pasma 100 MHz. Jak widać, oscyloskop przedstawia nasz sygnał zegarowy jako przybliżoną falę sinusoidalną. Oscyloskop 100 MHz może być dobrym rozwiązaniem dla wielu 8-bitowych konstrukcji opartych na MCU z częstotliwościami taktowania w zakresie od 10 MHz do 20 MHz, ale szerokość pasma 100 MHz jest wyraźnie niewystarczająca dla tego sygnału zegara 100 MHz.
Rysunek 3 Zegar 100 MHz na oscyloskopie z pasmem 100 MHz
Korzystając z oscyloskopu o szerokości pasma 500 MHz, rysunek 4 pokazuje, że ten oscyloskop jest w stanie wychwycić do piątej harmonicznej, co było naszą pierwszą zasadą. Ale kiedy mierzymy czas narastania, widzimy, że oscyloskop mierzy około 800 ps. W tym przypadku oscyloskop nie dokonuje bardzo dokładnych pomiarów czasu narastania tego sygnału. W rzeczywistości oscyloskop mierzy coś bliżej własnego czasu narastania (700 ps), a nie czasu narastania sygnału wejściowego, który jest bliższy 500 ps. Potrzebujemy oscyloskopu o wyższym paśmie dla tej cyfrowej aplikacji pomiarowej, jeśli pomiary czasu są ważne.
Rysunek 4 Zegar 100 MHz na oscyloskopie z pasmem 500 MHz
Przy oscyloskopie o szerokości pasma 1 GHz mamy znacznie dokładniejszy obraz tego sygnału, jak pokazano na rysunku 5. Kiedy wybierzemy pomiar czasu narastania, mierzymy około 600 ps. Ten pomiar zapewnia nam około 20% dokładność pomiaru i może być akceptowalnym rozwiązaniem pomiarowym - zwłaszcza jeśli budżety są napięte. Jednak nawet ten pomiar wykorzystujący szerokości pasma 1 GHz można uznać za graniczny. Jeśli chcemy dokonywać pomiarów czasu narastania z dokładnością większą niż 3% na tym sygnale przy czasie narastania zbocza 500 ps, naprawdę musimy użyć oscyloskopu o szerokości pasma 2 GHz lub większej, jak ustaliliśmy we wcześniejszym przykładzie.
Rysunek 5 Zegar 100 MHz na oscyloskopie z pasmem 1 GHz
Dzięki oscyloskopowi o szerokości pasma 2 GHz widzimy teraz dokładną reprezentację tego sygnału zegara wraz z bardzo dokładnym pomiarem czasu narastania około 520 ps, jak pokazano na rysunku 6.
Jedną fajną rzeczą w oscyloskopach InfiniiVision X-Series i Infiniium firmy Keysight jest to, że szerokości pasma tych oscyloskopów można rozszerzać.
Rysunek 6 Zegar 100 MHz na oscyloskopie z pasmem 2 GHz
Wymagane pasmo dla aplikacji analogowych
Wiele lat temu większość dostawców oscyloskopów zalecała, aby szerokość pasma oscyloskopu była co najmniej trzy razy większa niż maksymalna częstotliwość sygnału. Chociaż ten mnożnik „3X” nie miałby zastosowania do zastosowań cyfrowych, nadal ma zastosowanie do aplikacji analogowych, takich jak modulowane RF. Aby zrozumieć, skąd bierze się ten współczynnik mnożenia 3 do 1, przyjrzyjmy się rzeczywistej odpowiedzi częstotliwościowej oscyloskopu o paśmie 1 GHz.
Rysunek 7. Pomiar odpowiedzi częstotliwościowej oscyloskopu MSO7104B o paśmie 1 GHz
Rysunek 7 przedstawia test odpowiedzi częstotliwościowej (20 MHz do 2 GHz) na oscyloskopie Keysight o szerokości pasma 1 GHz. Jak widać, przy dokładnie 1 GHz sygnał wejściowy jest tłumiony o około 1,7 dB, co mieści się w granicach –3 dB definiujących szerokość pasma tego oscyloskopu. Aby jednak dokonać dokładnych pomiarów sygnałów analogowych, należy użyć oscyloskopu w tej części pasma, w której jest on nadal stosunkowo płaski z minimalnym tłumieniem. Przy około jednej trzeciej szerokości pasma 1 GHz oscyloskopu, praktycznie nie wykazuje tłumienia (0 dB). Jednak nie wszystkie oscyloskopy wykazują tego typu odpowiedź.
Charakterystyka odpowiedzi częstotliwościowej pokazana na rysunku 8 została przeprowadzona dla oscyloskopu o szerokości pasma 1,5 GHz od innego dostawcy oscyloskopu. To jest przykład bardzo niepłaskiej odpowiedzi częstotliwościowej. Charakterystyka tej odpowiedzi nie jest ani gaussowska, ani maksymalnie płaska. Wydaje się, że jest „maksymalnie nierówna” z wieloma szczytami, co może skutkować poważnymi zniekształceniami sygnału- zarówno w przypadku sygnałów analogowych, jak i cyfrowych. Niestety, specyfikacja szerokości pasma oscyloskopu, czyli częstotliwość tłumienia 3 dB, nie mówi nic o tłumieniu lub wzmocnieniu przy innych częstotliwościach.
Rysunek 8. Pomiar odpowiedzi częstotliwościowej oscyloskopu innego producenta o paśmie 1,5 GHz
Nawet przy jednej piątej szerokości pasma tego oscyloskopu sygnały są tłumione o około 1 dB (10%).
Zatem w tym przypadku przestrzeganie praktycznej zasady 3X nie byłoby mądre. Wybierając oscyloskop, warto wybrać renomowanego dostawcę oscyloskopu i zwrócić szczególną uwagę na względną płaskość odpowiedzi częstotliwościowej oscyloskopu.
Podsumowanie
W przypadku zastosowań cyfrowych należy wybrać oscyloskop, którego pasmo jest co najmniej pięć razy większa niż najszybsza częstotliwość zegara w projekcie. Ale jeśli potrzebujesz dokładnych pomiarów prędkości zbocza na swoich sygnałach, będziesz musiał określić maksymalną praktyczną częstotliwość obecną w twoim sygnale. W przypadku aplikacji analogowych wybierz oscyloskop, którego szerokość pasma jest co najmniej trzykrotnie wyższa niż najwyższa częstotliwość analogowa w Twoich projektach. Ale ta praktyczna zasada dotyczy tylko oscyloskopów o stosunkowo płaskiej odpowiedzi w ich dolnym paśmie częstotliwości. W przypadku oscyloskopów Keysight nie musisz się o to martwić. A kiedy rozważasz oscyloskop dla dzisiejszych aplikacji, nie zapomnij o aplikacjach jutra. Jeśli Twój budżet jest elastyczny, zakup z niewielkim zapasem dzisiaj, może zaoszczędzisz pieniądze w przyszłości. Jeśli jednak w przyszłości będziesz potrzebować większego pasma, w większości oscyloskopów Keysight można je zwiększyć.
Słownik
Pasmo to specyfikacja, którą większość inżynierów bierze pod uwagę jako pierwszą przy wyborze oscyloskopu. W tej nocie aplikacyjnej podamy kilka pomocnych wskazówek, jak wybrać oscyloskop o odpowiedniej szerokości pasma zarówno do zastosowań cyfrowych, jak i analogowych. Najpierw jednak zdefiniujmy pasmo oscyloskopu.
Definiowanie szerokości pasma oscyloskopu
Wszystkie oscyloskopy wykazują dolnoprzepustową charakterystykę częstotliwościową, która odchyla się przy wyższych częstotliwościach, jak pokazano na rysunku 1. Większość oscyloskopów o specyfikacji szerokości pasma 1 GHz i niższej ma zwykle tak zwaną odpowiedź Gaussa, która wykazuje powolną charakterystykę przechodzenia zaczynając od około jednej trzeciej częstotliwości –3 dB. Oscyloskopy ze specyfikacjami szerokości pasma większymi niż 1 GHz mają zazwyczaj maksymalnie płaską charakterystykę częstotliwościową, jak pokazano na rysunku 2. Ten typ odpowiedzi zwykle wykazuje bardziej płaską odpowiedź w paśmie z ostrzejszą charakterystyką przechyłu w pobliżu częstotliwości –3 dB.
Każdy z tych typów odpowiedzi częstotliwościowych oscyloskopu ma zalety i wady. Oscyloskopy o maksymalnie płaskiej odpowiedzi tłumią sygnały w paśmie mniej niż oscyloskopy z odpowiedzią Gaussa, co oznacza, że oscyloskopy o maksymalnie płaskich odpowiedziach są w stanie dokonywać dokładniejszych pomiarów sygnałów w paśmie. Jednak oscyloskop z odpowiedzią Gaussa osłabia sygnały pozapasmowe w mniejszym stopniu niż oscyloskop z maksymalnie płaską odpowiedzią, co oznacza, że oscyloskop z odpowiedziami Gaussa ma zazwyczaj szybszy czas narastania niż oscyloskop z maksymalnie płaską odpowiedzią przy tym samym paśmie. Czasami jednak korzystne jest tłumienie sygnałów pozapasmowych w wyższym stopniu, aby pomóc wyeliminować składowe o wyższej częstotliwości, które mogą przyczyniać się do aliasingu, w celu spełnienia kryteriów Nyquista (fS> 2 x fMAX). Aby uzyskać głębsze zrozumienie teorii próbkowania Nyquista, patrz nota aplikacyjna Keysight Technologies, Inc., „Evaluating Oscilloscope Sample Rate vs. Sampling Fidelity”, wymienioną na końcu tego dokumentu.
Niezależnie od tego, czy Twój oscyloskop ma odpowiedź Gaussa, maksymalnie płaską odpowiedź, czy coś pomiędzy, najniższa częstotliwość, przy której sygnał wejściowy jest tłumiony o 3 dB, jest uważana za szerokość pasma oscyloskopu. Szerokość pasma oscyloskopu i odpowiedź częstotliwościową można testować z przemiataną częstotliwością za pomocą generatora sygnału sinusoidalnego. Tłumienie sygnału przy częstotliwości –3 db przekłada się na około –30% błąd amplitudy. Nie możesz więc oczekiwać dokładnych pomiarów sygnałów o znaczących częstotliwościach w pobliżu szerokości pasma oscyloskopu.
Ściśle powiązana ze specyfikacją szerokości pasma oscyloskopu jest specyfikacja czasu narastania. Oscyloskop z odpowiedzią typu Gaussa będą miały przybliżony czas narastania 0,35 / fBW w oparciu o kryterium 10% do 90%. Oscyloskopy o maksymalnie płaskiej odpowiedzi zwykle mają specyfikacje czasu narastania w zakresie do 0,4 / fBW, w zależności od ostrości charakterystyki spadku częstotliwości. Należy jednak pamiętać, że czas narastania oscyloskopu nie jest najmniejszym czasem narastania, którą oscyloskop może dokładnie zmierzyć. Jest to najmniejszy czas narastania jaki oscyloskop może osiągnąć, jeśli sygnał wejściowy ma teoretyczny nieskończenie szybki czas narastania (0 ps). Chociaż ta teoretyczna specyfikacja jest niemożliwa do przetestowania - ponieważ generatory impulsów nie mają nieskończenie szybkich krawędzi - z praktycznego punktu widzenia, możesz przetestować czas narastania oscyloskopu, wprowadzając impuls, który ma prędkości krawędziowe 3 do 5 razy większe niż oscyloskop specyfikacje czasu narastania.
Rysunek 1. Charakterystyka częstotliwościowa typu Gaussa Rysunek 2. Charakterystyka częstotliwościowa typu max-flat
Wymagane pasmo dla aplikacji cyfrowych
Z reguły pasmo twojego oscyloskopu powinna być co najmniej pięć razy większe niż najszybsza częstotliwość zegara cyfrowego w testowanym systemie. Jeśli Twój oscyloskop spełnia to kryterium, wychwyci do piątej harmonicznej z minimalnym tłumieniem sygnału. Ta składowa sygnału jest bardzo ważna przy określaniu ogólnego kształtu sygnałów cyfrowych. Ale jeśli potrzebujesz dokonać dokładnych pomiarów na szybkich krawędziach, ten prosty wzór nie uwzględnia rzeczywistych składowych o najwyższej częstotliwości osadzonych w szybko rosnących i opadających krawędziach.
Bardziej dokładną metodą określania wymaganej szerokości pasma oscyloskopu jest ustalenie maksymalnej częstotliwości obecnej w sygnałach cyfrowych, która nie jest maksymalną częstotliwością taktowania. Maksymalna częstotliwość będzie oparta na największych prędkościach krawędzi w twoich projektach. Więc pierwszą rzeczą, którą musisz zrobić, jest określenie czasu narastania i opadania najszybszych sygnałów. Informacje te można zwykle uzyskać z opublikowanych specyfikacji urządzeń używanych w projektach.
Następnie można użyć prostego wzoru do obliczenia maksymalnej „praktycznej” składowej częstotliwości. Dr Howard W. Johnson napisał książkę na ten temat „Szybkie projektowanie cyfrowe - Podręcznik czarnej magii” 1. Nazywa tę składową częstotliwości jako częstotliwość „kolana” (fknee). Wszystkie szybkie zbocza mają nieskończone spektrum składowych częstotliwości. Jednak istnieje przegięcie (lub „kolano”) w widmie częstotliwości szybkich zboczy, gdzie składowe częstotliwości wyższe niż fknee są nieistotne przy określaniu kształtu sygnału.
Dla sygnałów o charakterystyce czasu narastania opartej na progach od 10% do 90%, fknee jest równe 0,5 podzielone przez czas narastania sygnału. W przypadku sygnałów o charakterystyce czasu narastania opartej na progach od 20% do 80%, co jest bardzo powszechne w wielu dzisiejszych specyfikacjach urządzeń, fknee jest równe 0,4 podzielone przez czas narastania sygnału. Nie myl tych czasów narastania z określonym czasem narastania oscyloskopu. Mówimy o rzeczywistych prędkościach zboczy sygnału.
Trzecim krokiem jest określenie szerokości pasma oscyloskopu wymaganej do pomiaru tego sygnału, w oparciu o pożądany stopień dokładności podczas pomiaru czasów narastania i opadania. Tabela 1 przedstawia mnożniki dla różnych stopni dokładności dla oscyloskopów z gaussowską lub maksymalnie płaską charakterystyką częstotliwościową. Pamiętaj, że większość oscyloskopów ze specyfikacjami szerokości pasma 1 GHz i mniejszymi zwykle ma odpowiedź typu Gaussa, a większość oscyloskopów o szerokości pasma większej niż 1 GHz ma zwykle maksymalnie płaską odpowiedź.
Przejdźmy teraz przez ten prosty przykład:
Określmy minimalną wymaganą szerokość pasma oscyloskopu z charakterystyką Gaussa aby zmierzyć czas narastania (10-90%) 500 ps.
Jeśli sygnał ma przybliżony czas narastania / opadania 500 ps (w oparciu o kryteria od 10% do 90%), wówczas maksymalna praktyczna składowa częstotliwości (fknee) w sygnale będzie wynosić około 1 GHz.
Jeśli jesteś w stanie tolerować do 20% błędu podczas wykonywania pomiarów czasu narastania i opadania sygnałów, możesz użyć oscyloskopu o szerokości pasma 1 GHz do cyfrowych zastosowań pomiarowych. Ale jeśli potrzebujesz dokładności czasowej w zakresie 3%, lepszym wyborem będzie oscyloskop z pasmem 2 GHz.
Wykonajmy teraz pomiary na cyfrowym sygnale zegarowym o charakterystyce podobnej do tego przykładu, używając oscyloskopów o różnych szerokościach pasma.
Porównanie pomiarów zegara cyfrowego
Rysunek 3 przedstawia wyniki przebiegu przy pomiarze sygnału zegara cyfrowego 100 MHz z prędkością zbocza 500 ps (10 do 90%) przy użyciu oscyloskopu o szerokości pasma 100 MHz. Jak widać, oscyloskop przedstawia nasz sygnał zegarowy jako przybliżoną falę sinusoidalną. Oscyloskop 100 MHz może być dobrym rozwiązaniem dla wielu 8-bitowych konstrukcji opartych na MCU z częstotliwościami taktowania w zakresie od 10 MHz do 20 MHz, ale szerokość pasma 100 MHz jest wyraźnie niewystarczająca dla tego sygnału zegara 100 MHz.
Rysunek 3 Zegar 100 MHz na oscyloskopie z pasmem 100 MHz
Korzystając z oscyloskopu o szerokości pasma 500 MHz, rysunek 4 pokazuje, że ten oscyloskop jest w stanie wychwycić do piątej harmonicznej, co było naszą pierwszą zasadą. Ale kiedy mierzymy czas narastania, widzimy, że oscyloskop mierzy około 800 ps. W tym przypadku oscyloskop nie dokonuje bardzo dokładnych pomiarów czasu narastania tego sygnału. W rzeczywistości oscyloskop mierzy coś bliżej własnego czasu narastania (700 ps), a nie czasu narastania sygnału wejściowego, który jest bliższy 500 ps. Potrzebujemy oscyloskopu o wyższym paśmie dla tej cyfrowej aplikacji pomiarowej, jeśli pomiary czasu są ważne.
Rysunek 4 Zegar 100 MHz na oscyloskopie z pasmem 500 MHz
Przy oscyloskopie o szerokości pasma 1 GHz mamy znacznie dokładniejszy obraz tego sygnału, jak pokazano na rysunku 5. Kiedy wybierzemy pomiar czasu narastania, mierzymy około 600 ps. Ten pomiar zapewnia nam około 20% dokładność pomiaru i może być akceptowalnym rozwiązaniem pomiarowym - zwłaszcza jeśli budżety są napięte. Jednak nawet ten pomiar wykorzystujący szerokości pasma 1 GHz można uznać za graniczny. Jeśli chcemy dokonywać pomiarów czasu narastania z dokładnością większą niż 3% na tym sygnale przy czasie narastania zbocza 500 ps, naprawdę musimy użyć oscyloskopu o szerokości pasma 2 GHz lub większej, jak ustaliliśmy we wcześniejszym przykładzie.
Rysunek 5 Zegar 100 MHz na oscyloskopie z pasmem 1 GHz
Dzięki oscyloskopowi o szerokości pasma 2 GHz widzimy teraz dokładną reprezentację tego sygnału zegara wraz z bardzo dokładnym pomiarem czasu narastania około 520 ps, jak pokazano na rysunku 6.
Jedną fajną rzeczą w oscyloskopach InfiniiVision X-Series i Infiniium firmy Keysight jest to, że szerokości pasma tych oscyloskopów można rozszerzać.
Rysunek 6 Zegar 100 MHz na oscyloskopie z pasmem 2 GHz
Wymagane pasmo dla aplikacji analogowych
Wiele lat temu większość dostawców oscyloskopów zalecała, aby szerokość pasma oscyloskopu była co najmniej trzy razy większa niż maksymalna częstotliwość sygnału. Chociaż ten mnożnik „3X” nie miałby zastosowania do zastosowań cyfrowych, nadal ma zastosowanie do aplikacji analogowych, takich jak modulowane RF. Aby zrozumieć, skąd bierze się ten współczynnik mnożenia 3 do 1, przyjrzyjmy się rzeczywistej odpowiedzi częstotliwościowej oscyloskopu o paśmie 1 GHz.
Rysunek 7. Pomiar odpowiedzi częstotliwościowej oscyloskopu MSO7104B o paśmie 1 GHz
Rysunek 7 przedstawia test odpowiedzi częstotliwościowej (20 MHz do 2 GHz) na oscyloskopie Keysight o szerokości pasma 1 GHz. Jak widać, przy dokładnie 1 GHz sygnał wejściowy jest tłumiony o około 1,7 dB, co mieści się w granicach –3 dB definiujących szerokość pasma tego oscyloskopu. Aby jednak dokonać dokładnych pomiarów sygnałów analogowych, należy użyć oscyloskopu w tej części pasma, w której jest on nadal stosunkowo płaski z minimalnym tłumieniem. Przy około jednej trzeciej szerokości pasma 1 GHz oscyloskopu, praktycznie nie wykazuje tłumienia (0 dB). Jednak nie wszystkie oscyloskopy wykazują tego typu odpowiedź.
Charakterystyka odpowiedzi częstotliwościowej pokazana na rysunku 8 została przeprowadzona dla oscyloskopu o szerokości pasma 1,5 GHz od innego dostawcy oscyloskopu. To jest przykład bardzo niepłaskiej odpowiedzi częstotliwościowej. Charakterystyka tej odpowiedzi nie jest ani gaussowska, ani maksymalnie płaska. Wydaje się, że jest „maksymalnie nierówna” z wieloma szczytami, co może skutkować poważnymi zniekształceniami sygnału- zarówno w przypadku sygnałów analogowych, jak i cyfrowych. Niestety, specyfikacja szerokości pasma oscyloskopu, czyli częstotliwość tłumienia 3 dB, nie mówi nic o tłumieniu lub wzmocnieniu przy innych częstotliwościach.
Rysunek 8. Pomiar odpowiedzi częstotliwościowej oscyloskopu innego producenta o paśmie 1,5 GHz
Nawet przy jednej piątej szerokości pasma tego oscyloskopu sygnały są tłumione o około 1 dB (10%).
Zatem w tym przypadku przestrzeganie praktycznej zasady 3X nie byłoby mądre. Wybierając oscyloskop, warto wybrać renomowanego dostawcę oscyloskopu i zwrócić szczególną uwagę na względną płaskość odpowiedzi częstotliwościowej oscyloskopu.
Podsumowanie
W przypadku zastosowań cyfrowych należy wybrać oscyloskop, którego pasmo jest co najmniej pięć razy większa niż najszybsza częstotliwość zegara w projekcie. Ale jeśli potrzebujesz dokładnych pomiarów prędkości zbocza na swoich sygnałach, będziesz musiał określić maksymalną praktyczną częstotliwość obecną w twoim sygnale. W przypadku aplikacji analogowych wybierz oscyloskop, którego szerokość pasma jest co najmniej trzykrotnie wyższa niż najwyższa częstotliwość analogowa w Twoich projektach. Ale ta praktyczna zasada dotyczy tylko oscyloskopów o stosunkowo płaskiej odpowiedzi w ich dolnym paśmie częstotliwości. W przypadku oscyloskopów Keysight nie musisz się o to martwić. A kiedy rozważasz oscyloskop dla dzisiejszych aplikacji, nie zapomnij o aplikacjach jutra. Jeśli Twój budżet jest elastyczny, zakup z niewielkim zapasem dzisiaj, może zaoszczędzisz pieniądze w przyszłości. Jeśli jednak w przyszłości będziesz potrzebować większego pasma, w większości oscyloskopów Keysight można je zwiększyć.
Słownik
| Gaussowska charakterystyka częstotliwościowa | Pasmo przenoszenia dolnoprzepustowego charakteryzujące się powolnym przechylaniem, rozpoczynające się przy około 1/3 częstotliwości –3 dB (szerokość pasma). Oscyloskopy ze specyfikacjami szerokości pasma 1 GHz i mniejszymi zwykle wykazują przybliżoną odpowiedź Gaussa. |
| W paśmie | Składowe częstotliwości poniżej częstotliwości pasma, czyli punktu gdzie tłumienie wynosi -3 dB (szerokość pasma). |
| Częstotliwość kolana | Maksymalna „praktyczna” częstotliwość (fknee), która określa kształt impulsu cyfrowego, którą można obliczyć, jeśli znany jest przybliżony czas narastania sygnału wejściowego (zwykle uzyskiwany z podręczników specyfikacji urządzenia). |
| Maximally-flat response | Pasmo przenoszenia dolnoprzepustowego, które jest stosunkowo płaskie poniżej częstotliwości –3 dB, a następnie gwałtownie obniża się w pobliżu częstotliwości –3 dB (szerokość pasma). Oscyloskopy o specyfikacji szerokości pasma większej niż 1 GHz zazwyczaj wykazują maksymalnie płaską odpowiedź. |
| Twierdzenie o próbkowaniu Nyquista | Stwierdza, że dla sygnału o ograniczonej szerokości pasma (ograniczonego pasmowo) z maksymalną częstotliwością fMAX, równo rozłożona częstotliwość próbkowania fS musi być większa niż dwukrotność maksymalnej częstotliwości fMAX, aby sygnał był rekonstruowany w sposób niepowtarzalny bez aliasingu. |
| Szerokość pasma oscyloskopu | Najniższa częstotliwość, przy której sinusoidy sygnału wejściowego są tłumione o 3 dB (błąd amplitudy –30%). |
| Czas narastania oscyloskopu | Najszybsze zbocze, jakie może wytworzyć oscyloskop, jeśli sygnał wejściowy ma nieskończenie dużą prędkość zbocza. W przypadku oscyloskopów o przybliżonej odpowiedzi częstotliwościowej Gaussa, czas narastania oscyloskopu można obliczyć jako 0,35 / fBW. Oscyloskop z maksymalnie płaską charakterystyką częstotliwościową zwykle mają czas narastania w zakresie 0,4 / fBW. |
| Poza pasmem | Składowe częstotliwości powyżej –3 dB (szerokość pasma). |
| Charakterystyka/Test odpowiedzi częstotliwościowej | Test wykorzystujący generator sygnałowy, w którym częstotliwość wyjściowego sygnału sinusoidalnego jest powtarzalnie „przemiatana” od częstotliwości dolnej zdefiniowanej przez użytkownika do częstotliwości górnej zdefiniowanej przez użytkownika, w celu przetestowania odpowiedzi częstotliwościowej przyrządu lub urządzenia. |
