Как понять полосу пропускания осциллографа?

Когда пользователь выбирает осциллограф для важных измерений, ключевые характеристики осциллографа часто являются единственным критерием, используемым для определения того, какой осциллограф использовать. Наиболее важными индексными параметрами осциллографа являются: полоса пропускания, частота дискретизации, длина записи.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Пропускная способность — о чем нам может рассказать этот показатель?

Ⅱ. Пропускная способность - чего не можете нам сказать?

Ⅲ. Какая связь между пропускной способностью и временем нарастания?

Ⅳ. Полоса пропускания пробника и время нарастания

Ⅰ. Пропускная способность — о чем нам может рассказать этот показатель?

Аналоговая полоса пропускания — это показатель, который можно использовать для определения качества сигнала. Когда амплитуда реального синусоидального сигнала составляет 3 дБ, амплитуда синусоидального сигнала, измеренная осциллографом, не ниже самой высокой частоты (см. IEEE-1057). Идеальная полоса пропускания осциллографа и кривая погрешности измерения амплитуды показаны на рисунке 1. Ошибка измерения амплитуды составляет примерно 30 %, когда частота тестируемой синусоидальной волны равна полосе пропускания осциллографа (отклик усилителя осциллографа является первым -порядка Гаусса), как показано на рисунке 1.

Частота измеряемой синусоидальной волны должна быть существенно ниже полосы пропускания осциллографа, если вы хотите измерить погрешность амплитуды синусоидальной волны, составляющую всего 3%. (примерно в 0,3 раза больше полосы пропускания осциллографа). Основное правило измерения сигналов с помощью осциллографа заключается в том, что полоса пропускания осциллографа в 5 раз превышает частоту исследуемого сигнала, поскольку большинство сигналов гораздо сложнее синусоидальных волн.

Ⅱ. Пропускная способность - чего не можете нам сказать?

Осциллограф обычно используется для отображения и количественной оценки сложных электрических и оптических сигналов, а также для просмотра зависимости амплитуды осциллографа от времени. Для описания аналоговой полосы пропускания, которая является ключевым показателем осциллографа, следует использовать частотную область, а не временную область.

Сложный сигнал, согласно теории дискретизации, имеет множество компонентов спектра в частотной области (включая гармонические компоненты нескольких синусоидальных волн), как показано на рисунке 2. Частотные компоненты дискретизированного сигнала можно увидеть с помощью спектрального анализа. Однако если вы хотите сделать все возможное, важно иметь точную информацию об амплитуде и фазе каждого компонента комплексного сигнала, чтобы определить характеристики этих частотных компонентов.

В этом случае пропускная способность может только помочь нам выяснить, как получить эти подробности. Что касается измерения полосы пропускания, мы знаем только то, что если на вход подается синусоидальный сигнал той же частоты и полосы пропускания, погрешность измерения амплитуды осциллографа составляет 30%.

Ⅲ. Какая связь между пропускной способностью и временем нарастания?

Большинство инженеров интересуются измерением времени, например временем нарастания и спада прямоугольной волны, в дополнение к базовому анализу сигналов. В результате мы можем использовать следующую формулу для расчета времени нарастания системы осциллографа в зависимости от выбранной полосы пропускания: tr = 0,35/BW (или 0,42/BW); более конкретно:

BW =0,35/tr (или 0,42/tr)=5*Fтакт (для обычных сигналов tr=7% *T, где T=1/Fтакт). Фактическая полоса пропускания сигнала определяется как частота гармоники, при которой амплитуда гармоники сигнала составляет 70% от нулевой волны (основной волны) (то есть падение на 3 дБ).

Масштабный коэффициент между полосой пропускания осциллографа и временем нарастания составляет 0,35. (время нарастания 10–90 процентов в гауссовой модели первого порядка). Модель отклика гауссовского RC-фильтра нижних частот первого порядка используется в большинстве усилителей осциллографов. Хотя использовать этот метод для расчета времени нарастания tr просто, на практике это не всегда так.

В таблице на рисунке 3 показано, как определить полосу пропускания системы, требуемую различными стандартами сигналов. Рекомендуемая полоса пропускания системы может обеспечить адекватное время нарастания или другую точность измерений. На точность результатов времени нарастания при тестировании осциллографом будет влиять ряд параметров в системе прибора. В число этих элементов входят источник сигнала, пробник и осциллограф.

Из таблицы на рисунке 3 следует, что сигнал и испытательное оборудование осциллографа имеют характеристики отклика первого порядка, но в действительности это далеко не так, особенно при современных высокоскоростных последовательных передачах. Коэффициент корреляции между полосой пропускания осциллографа и временем нарастания близок к 0,45 для максимальной характеристики задержки с плоской огибающей. Коэффициенты времени нарастания и коэффициента полосы пропускания на рисунке 3 изменились, как и модель амплитудно-частотной характеристики 20 ГГц, которая перешла от базовой характеристики первого порядка к характеристике 32-го порядка. Характеристики отклика современных высокопроизводительных осциллографов аналогичны ответам 16-го и 32-го порядка. Этот тип высокопроизводительного осциллографа имеет масштабный коэффициент tr/BW около 0,4 или 0,45. Амплитудно-частотная характеристика осциллографа очень ровная от низкой частоты до частоты среза полосы пропускания осциллографа для такого масштабного коэффициента.

Более того, если в приборе используется высококачественный фильтр, его амплитуда и фаза будут корректироваться лучше, что позволит ему собирать и анализировать сложные сигналы с высочайшим уровнем точности. В действительности, какой осциллограф лучший? Различное время нарастания, амплитудно-частотные и фазовые характеристики можно обнаружить в двух осциллографах с одинаковой полосой пропускания. В результате простое знание полосы пропускания осциллографа не обеспечит надежного определения его измерительных возможностей или способности эффективно записывать сложные сигналы (например, высокоскоростные потоки последовательных данных).

В то же время вопрос о том, согласуются ли реальное время нарастания осциллографа и результат времени нарастания, оцененный по полосе пропускания осциллографа, является дискуссионным. Единственный надежный способ определить истинное время нарастания и спада осциллографа — использовать идеальный ступенчатый сигнал с гораздо более быстрым временем нарастания, чем у осциллографа.

Ⅳ. Полоса пропускания пробника и время нарастания

1. Пропускная способность

Полоса пропускания пробника должна быть большой, чтобы соответствовать требованиям к конструкции пробников осциллографа. Например, для осциллографического пробника с частотой 100 МГц требуется, чтобы измеряемый диапазон частот приближался к 100 МГц, и пробник мог регистрировать изменения сигнала в этом диапазоне частот. Фактически, каждый производитель пробников считает, что при максимальной указанной полосе частотная характеристика пробника снижается на 3 дБ. Амплитуда сигнала будет существенно ослаблена, когда частота превысит отметку 3 дБ, и результаты испытаний могут быть неопределенными.

Полоса пропускания измерительного оборудования должна в 3–5 раз превышать частоту измеряемого сигнала в соответствии с принципом точного измерения амплитуды. Этот совет может гарантировать, что сигналы несинусоидальной формы, например прямоугольные, будут иметь достаточную полосу пропускания для улавливания высокочастотных составляющих. Например, прямоугольный сигнал частотой 100 МГц подходит для измерительной системы с полосой пропускания от 300 до 500 МГц.

На рисунке 1 показана полоса пропускания. Амплитуда сигнала уменьшается с ростом частоты. Аналогично, как уже говорилось ранее, на тестовый сигнал не влияет потеря амплитуды в пределах 3 дБ, определяемая производителем пробника. Значительные изменения происходят на нарастающих и спадающих фронтах прямоугольного сигнала за пределами 3 дБ из-за затухания высокочастотных составляющих. Разнообразие. При тестировании сигнала с помощью пробника полоса пропускания пробника должна в 3–5 раз или более превышать частоту тестируемого сигнала, а погрешность амплитуды снижается с 30 % на 3 дБ до примерно 3 %.

2. Время подъема

Характеристики частотной области описываются полосой пропускания, но это не дает четкого представления о том, как осциллограф воспроизводит сложную структуру сигнала с течением времени. Переходная характеристика необходима для получения характеристик во временной области, чтобы полностью понять процесс воспроизведения формы сигнала. Время нарастания зонда определяет характеристику временной области. Введите значительно более быстрый ступенчатый сигнал, чем тестовая система, чтобы оценить переходную реакцию системы, а затем вычислить время нарастания. В соответствии с критерием выбора пробника время нарастания пробника должно быть в 3–5 раз быстрее, чем время нарастания тестируемого сигнала.

3. Частота дискретизации осциллографа

Стандартная частота дискретизации цифрового запоминающего осциллографа составляет 1 Гвыб./с. Что это означает? Каждую секунду производится выборка 1G точек. С другой стороны, частота дискретизации цифрового осциллографа не является фиксированной. Поскольку разрешение экрана варьируется, меняется и количество выборок в секунду. Максимальное значение образца обозначается 1G.

4. Длина записи времени нарастания

Длина записи = частота дискретизации × скорость сканирования × 10.

Frequently Asked Questions

1. Как рассчитать полосу пропускания полосового фильтра?

Полоса пропускания представляет собой разницу между верхней и нижней частотой среза, BW=f2-f1.

2. Как увеличить пропускную способность схемы фильтра?

1. Может снизить добротность схемы фильтра, 2. Отрицательная обратная связь может быть введена для уменьшения усиления схемы фильтра; 3. Многоступенчатые фильтры можно использовать для формирования составной схемы фильтра.

3. Что означают полоса пропускания 3 дБ и полоса пропускания 6 дБ?

3 дБ — относится к ширине полосы спектра, которая на 3 дБ меньше пиковой мощности (т. е. 50 % от пикового значения); 6 дБ. Как и выше, 6 дБ соответствует 25 % пиковой мощности.