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 відображення сигналів. У цій статті розглянуто вплив частоти дискретизації осцилографа на різні форми сигналів та наведено практичні рекомендації щодо її вибору.

Важливість частоти дискретизації осцилографа

Принцип роботи осцилографа показаний нижче.

Сигнал подається на осцилограф через щуп. Далі він проходить через підсилювач, атенюатор та інші схеми обробки, після чого високошвидкісний АЦП (аналого-цифровий перетворювач) виконує дискретизацію та оцифрування сигналу.

Частота дискретизації осцилографа - це частота тактового сигналу, з якою виконується аналого-цифрове перетворення вхідного сигналу. Простими словами, це кількість точок вибірки, які осцилограф збирає за одиницю часу.

Наприклад, частота дискретизації 1 Гвиб/с означає, що осцилограф здатний збирати 1 мільярд точок вибірки за секунду, а інтервал між вибірками становить 1 наносекунду.

Для осцилографів реального часу зазвичай використовується дискретизація в реальному часі. Це безперервний процес високошвидкісного збору даних через однакові часові інтервали з подальшим відновленням форми сигналу на основі отриманих вибірок.

У процесі дискретизації надзвичайно важливо, щоб частота дискретизації була значно вищою за частоту зміни сигналу.

Відповідно до теореми Найквіста, якщо смуга пропускання сигналу обмежена, то для повного відновлення інформації без накладання спектрів частота дискретизації повинна щонайменше удвічі перевищувати смугу пропускання сигналу.

На рисунку нижче показано ефект накладання спектрів, спричинений недостатньою частотою дискретизації.

Перевірка впливу різних частот дискретизації на різні форми сигналів

Для практичного тестування використовувалися такі сигнали:

• синусоїдальний сигнал 1,5 МГц;
• прямокутний сигнал 1,5 МГц;
• трикутний сигнал 150 кГц;
• пилкоподібний сигнал 150 кГц.

Для випробувань використовувався високороздільний осцилограф MICSIG MHO3-5004 зі смугою пропускання 500 МГц, вертикальною роздільною здатністю 12 біт, частотою дискретизації до 3 Гвиб/с, чотирма аналоговими каналами та глибиною пам’яті 360 Мт.

Прилад оснащений 14-дюймовим сенсорним дисплеєм із роздільною здатністю 1920×1200 та професійною системою керування SigtestUI.

Синусоїдальна хвиля

Спочатку було сформовано синусоїдальний сигнал амплітудою 10 В та частотою 1,5 МГц за допомогою генератора сигналів.

Регулюючи часову базу та глибину пам’яті, частоту дискретизації було знижено до 1,5 Мвиб/с.

При рівності частоти дискретизації та частоти сигналу осцилограф вже не здатний коректно відобразити синусоїду. Форма сигналу стає спотвореною.

Після подальшого зменшення частоти дискретизації до 150 кГц виникає ефект накладання спектрів, і відображувана частота змінюється до 9,204 Гц.

Далі частоту дискретизації було збільшено до 6 Мвиб/с та 15 Мвиб/с.

При 6 Мвиб/с частота вже визначається правильно, але форма сигналу нагадує трикутну хвилю. При 15 Мвиб/с синусоїда стає значно точнішою.

При частоті дискретизації 30 Мвиб/с (у 20 разів вищій за частоту сигналу) форма синусоїди практично відповідає реальному сигналу.

Прямокутна хвиля

Аналогічним методом було протестовано прямокутний сигнал частотою 1,5 МГц.

При частоті дискретизації 1,5 Мвиб/с сигнал перетворився на пряму лінію.

При частоті дискретизації 60 кГц виникає накладання спектрів і відображувана частота змінюється до 9,222 Гц.

При частоті дискретизації 3 Мвиб/с прямокутний сигнал відображається як пилкоподібний.

Продовження слідує…

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україні:
купити осцилограф в Україні

Постачання зі складу та на замовлення:

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