Влияние разных частот дискретизации на формы сигналов, отображаемые осциллографами. Тесты в реальных условиях. Теория и практика. Часть 1

Частота дискретизации, как один из ключевых показателей производительности осциллографа, напрямую влияет на точность и полноту отображения сигналов. В данной статье рассмотрено влияние частоты дискретизации осциллографа на различные формы сигналов и приведены практические рекомендации по её выбору.

Важность частоты дискретизации осциллографа

Принцип работы осциллографа показан на рисунке ниже.

Принцип работы цифрового осциллографа и процесс дискретизации сигнала

Мы подаём сигнал на осциллограф через щуп. Тестируемый сигнал проходит через усилитель, аттенюатор и другие схемы обработки, после чего высокоскоростной АЦП (аналого-цифровой преобразователь) выполняет выборку и оцифровку сигнала.

Частота дискретизации осциллографа - это частота тактового сигнала, с которой выполняется аналого-цифровое преобразование входного сигнала. Проще говоря, это количество точек выборки, собираемых прибором за единицу времени.

Например, частота дискретизации 1 Гвыб/с означает, что осциллограф способен собирать 1 миллиард точек выборки в секунду, а интервал между выборками составляет 1 наносекунду.

Для осциллографов реального времени обычно используется дискретизация в реальном времени. Это непрерывный процесс высокоскоростного сбора данных через равные интервалы времени с последующим восстановлением формы сигнала на основе полученных выборок.

В процессе дискретизации крайне важно, чтобы частота дискретизации была значительно выше частоты изменения сигнала.

Согласно теореме Найквиста, если полоса пропускания сигнала ограничена, то для полного восстановления информации без наложения спектров частота дискретизации должна как минимум в два раза превышать полосу пропускания сигнала.

На рисунке ниже показан эффект наложения спектров, вызванный недостаточной частотой дискретизации.

Эффект наложения спектров при недостаточной частоте дискретизации осциллографа

Проверка влияния различных частот дискретизации на различные формы сигналов

Для практического тестирования использовались:

синусоидальный сигнал 1,5 МГц;
прямоугольный сигнал 1,5 МГц;
пилообразный сигнал 150 кГц;
треугольный сигнал 150 кГц.

Для испытаний использовался высокоразрешающий осциллограф MICSIG MHO3-5004 со полосой пропускания 500 МГц, вертикальным разрешением 12 бит, частотой дискретизации до 3 Гвыб/с, четырьмя аналоговыми каналами и глубиной памяти 360 Мточек.

Прибор оснащён 14-дюймовым сенсорным экраном с разрешением 1920×1200 и профессиональной системой управления SigtestUI.

Осциллограф MICSIG MHO3-5004 для тестирования частоты дискретизации

1. Синусоидальная волна

Сначала был сформирован синусоидальный сигнал амплитудой 10 В и частотой 1,5 МГц с помощью генератора сигналов.

Регулируя глубину памяти и временную базу, частоту дискретизации снизили до 1,5 Мвыб/с.

Синусоидальный сигнал 1,5 МГц при частоте дискретизации 1,5 Мвыб за секунду

Когда частота дискретизации равна частоте сигнала, осциллограф уже не способен корректно отображать синусоиду. Форма сигнала становится искажённой.

После дальнейшего уменьшения частоты дискретизации до 150 кГц возникает эффект наложения спектров, и отображаемая частота изменяется до 9,204 Гц.

Наложение спектров для синусоидального сигнала 1,5 МГц

Далее частота дискретизации была увеличена до 6 Мвыб/с и 15 Мвыб/с.

Сравнение синусоидального сигнала при частотах дискретизации 6 и 15 Мвыб за секунду

При 6 Мвыб/с частота уже определяется правильно, однако форма сигнала напоминает треугольную волну. При 15 Мвыб/с синусоида становится значительно точнее.

При частоте дискретизации 30 Мвыб/с, что в 20 раз выше частоты сигнала, форма синусоиды практически соответствует реальному сигналу.

Синусоидальный сигнал при частоте дискретизации 30 Мвыб за секунду