Вплив різних частот дискретизації на форми сигналів, що відображаються осцилографами. Тести у реальних умовах. Теорія та практика. Частина 1

Частота дискретизації, як один із ключових показників продуктивності осцилографа, безпосередньо впливає на точність та повноту сигналів. У цій статті буде розглянуто вплив частоти дискретизації осцилографа на різні форми сигналів та запропоновано практичні рекомендації щодо вибору.

Важливість частоти дискретизації осцилографа

Принцип роботи осцилографа показаний нижче.

Ми подаємо сигнал на осцилограф через щуп. Тестований сигнал проходить через підсилювач, атенюатор та інші схеми обробки сигналу осцилографа, а потім високошвидкісний АЦП (аналого-цифровий перетворювач) здійснює вибірку та оцифрування сигналу. Частота дискретизації осцилографа це частота тактового сигналу дискретизації при виконанні аналого-цифрового перетворення вхідного сигналу. Простіше кажучи, це інтервал дискретизації, у своїй кожному інтервалі дискретизації збирається одна точка вибірки. Наприклад, частота дискретизації 1 Гвиб/с означає, що осцилограф здатний збирати 10 мільярдів точок вибірки за секунду, яке інтервал дискретизації становить 1 наносекунду.

Для осцилографів реального часу зазвичай використовується дискретизація реального часу. Так звана дискретизація в реальному часі - це безперервна високошвидкісна дискретизація сигналу з рівними інтервалами, а потім форма відновлюється на основі цих безперервних вибірок. У процесі дискретизації в реальному часі вкрай важливо забезпечити, щоб частота дискретизації осцилографа була значно вищою, ніж зміни в сигналі.

То наскільки вищою вона має бути? Відповідно до закону Найквіста в цифровій обробці сигналів, якщо смуга пропускання сигналу, що тестується, обмежена, то, якщо частота дискретизації більш ніж в два рази перевищує смугу пропускання сигналу, можна повністю відновити інформацію, що міститься в сигналі, без ефекту накладання спектрів.

На наступному малюнку показано накладання спектрів сигналу, спричинене недостатньою частотою дискретизації. Видно, що зібраний сигнал має набагато нижчу частоту порівняно з вихідним сигналом.

Перевірка впливу різних частот дискретизації на різні форми сигналів

У цій статті теорія поєднується з практикою, і для спостереження за результатами використовуються різні частоти дискретизації: синусоїдальний сигнал 1,5 МГц, прямокутний сигнал 1,5 МГц, сигнал пилкоподібний 150 кГц і трикутний сигнал 150 кГц.

Для тестування ми використовували високороздільний осцилограф MICSIG MHO3-5004; MHO3-5004 має смугу пропускання 500 МГц, 12-бітну вертикальну роздільну здатність, частоту дискретизації в реальному часі 3 Гвиб/с, 4 аналогових канали і глибину пам'яті 360 Мт. Він також відрізняється тонким корпусом (3,58 см), що дозволяє значно заощадити місце на робочому столі, та оснащений 14-дюймовим сенсорним екраном з роздільною здатністю 1920*1200, що забезпечує дуже чітке відображення сигналів. До комплекту також входить професійна система тестування SigtestUI; інтерфейс керування простий і зрозумілий, а робота з ним плавна та стабільна.

1、 Синусоїдальна хвиля

Спочатку ми згенерували синусоїдальний сигнал з амплітудою 10 і частотою 1,5 МГц за допомогою генератора сигналів і подали його на осцилограф. Регулюючи глибину пам'яті та часову різницю, ми зменшили частоту дискретизації до бажаного значення. Як показано на малюнку нижче, часова різниця осцилографа становить 2 мс, а глибина пам'яті – 36 Кб. Частота дискретизації = глибина пам'яті / (тимчасова різниця * 12), і частота дискретизації складає рівно 1,5 Мвиб/с.

Видно, коли частота дискретизації дорівнює частоті сигналу, осцилограф неспроможна відобразити нормальну синусоїдальну хвилю, і форма сигналу спотворена. Однак апаратний частотомір у верхньому лівому куті, як і раніше, вимірює частоту вхідного сигналу на рівні 1,5 МГц. Ми продовжуємо збільшувати тимчасову базу, зберігаючи глибину постійної пам'яті, і в цей час частота дискретизації падає до 150 кГц. На екрані осцилографа видно, що сигнал є синусоїдальною хвилею, але частота сигналу впала з реальних 1,5 МГц до 9,204 Гц, що є вищезгаданим ефектом накладання спектрів сигналу, викликаним недостатньою частотою дискретизації.

Далі ми зменшуємо тимчасову базу, що збільшує частоту дискретизації, і спостерігаємо зміни сигналу при частоті дискретизації в 4 і 10 разів, що перевищує частоту сигналу, тобто 6 МГц/с та 15 МГц/с. Сигнал зліва малюнку нижче показаний при частоті дискретизації 6 МГц/с, і видно, що частота сигналу повернулася до 1,5 МГц, що є правильним значенням частоти. Однак вихідна синусоїда перетворилася на трикутну хвилю, і форма сигналу спотворена. Коли частота дискретизації стає 15 МГц/с, сигнал праворуч малюнку нижче, мабуть, наближається до форми синусоїди, але все ще дуже гарний.

Ми продовжуємо зменшувати тимчасову базу, збільшуючи частоту дискретизації у 20 разів у порівнянні з частотою сигналу, що становить 30 Мвиб/с. У цей момент можна спостерігати відносно гарну синусоїдальну хвилю. Можна зробити висновок, що для спостереження синусоїдальної хвилі з частотою 1 МГц частота дискретизації повинна бути не менше ніж у 20 разів вищою, щоб краще відновити істинний вид сигналу.

2、 Квадратна хвиля

Аналогічно ми виміряли прямокутний сигнал частотою 1,5 МГц тим самим методом. При частоті дискретизації 1,5 Мвиб/с виміряний сигнал перетворився на пряму лінію, як показано нижче.

При вимірюванні прямокутного сигналу частотою 1 МГц із частотою дискретизації 60 кГц виміряна частота сигналу змінилася на 9,222 Гц, і відбулося накладення спектрів, як показано на малюнку нижче:

При вимірюванні прямокутного сигналу частотою 1,5 МГц з частотою дискретизації 3 Мвиб/с виміряний прямокутний сигнал перетворився на пилкоподібний, як показано нижче

ПРОДОВЖЕННЯ СЛІД

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy

Постачання зі складу та на замовлення:

GW Instek, RIGOL, SIGLENT, OWON, Tektronix, Iwatsu, LeCroy, HANTEK