Полоса пропускания осциллографа
На осциллографе написано «100 МГц», но это не значит, что сигнал 100 МГц он покажет правильно. На этой частоте амплитуда уже занижена почти на треть, а фронты импульсов выглядят медленнее настоящих. Разбираем, что означает полоса пропускания и какую выбирать.
Обновлено Редакция GAW
Полоса пропускания осциллографа (oscilloscope bandwidth) — частота синусоидального сигнала, на которой амплитуда на экране падает до 70,7 % от настоящей, то есть на 3 дБ. Так определяют полосу и осциллографа, и щупа: прибор на 100 МГц рассчитан на измерения по спецификации на частотах до 100 МГц, а выше результаты становятся непредсказуемыми (Tektronix, ABCs of Probes). Уровень −3 дБ тот же, что у частоты среза фильтра; перевод децибел в разы — в термине «Децибел».
Правило пяти
На границе полосы синус измеряется на 29 % меньше настоящего. Поэтому Tektronix советует брать полосу в 3–5 раз выше наибольшей частоты сигнала, чтобы ошибка амплитуды не превышала 3 % (у осциллографа на 100 МГц это до 30 МГц), а как простое правило даёт запас в пять раз. Запас нужен ещё и потому, что прямоугольные импульсы содержат гармоники намного выше основной частоты.
Время нарастания
Для фронтов удобнее мерить не полосой, а временем нарастания. Если производитель его не указал, Tektronix предлагает оценку:
| Полоса | Время нарастания (наш расчёт) |
|---|---|
| 20 МГц | 17,5 нс |
| 100 МГц | 3,5 нс |
| 200 МГц | 1,75 нс |
Время нарастания всей системы должно быть в 3–5 раз меньше измеряемого фронта. По графику Tektronix при отношении 3:1 ошибка измерения фронта — около 5 %, при 5:1 — около 2 %. Как считают сам фронт — по уровням 10–90 % или по порогам логики, — объясняет термин «Время нарастания».
Осциллограф и щуп — одна система
К входу подключён щуп, и у него своя полоса. Сложить их просто так нельзя: связь полосы системы с полосами частей сложная, поэтому производители задают полосу на кончике рекомендованного щупа. Ёмкость наконечника и длинный провод земли тоже сужают полосу. У переключаемого щупа положения 1X и 10X — по сути два разных щупа: в положении 1X полоса в разы уже.
Не путать с частотой дискретизации цифрового осциллографа — это отдельный параметр: сколько выборок в секунду записывает его АЦП. Высокая частота выборки не расширяет полосу входного тракта.
Частые вопросы
Какая полоса осциллографа нужна для моего сигнала?
Tektronix советует брать полосу в 3–5 раз выше наибольшей частоты сигнала (ошибка амплитуды до 3 %), а как простое правило — в пять раз: тогда хватает места и для высших гармоник прямоугольных импульсов. Для фронтов считают по времени нарастания: время нарастания системы должно быть в 3–5 раз меньше измеряемого. Например, чтобы увидеть фронт I²C на 300 нс с ошибкой около 2 %, нужно время нарастания не больше 60 нс, то есть полоса от 0,35 / 60 нс ≈ 6 МГц (наш расчёт).
Почему на экране фронт медленнее, чем на самом деле?
Осциллограф и щуп сами имеют конечное время нарастания и сглаживают быстрые перепады. Если полоса не указана вместе с временем нарастания, его оценивают по формуле Tektronix Tr = 0,35 / полоса: у осциллографа 100 МГц это 3,5 нс, у 20 МГц — 17,5 нс (наш расчёт). Фронт короче этого прибор честно не покажет.
Влияет ли щуп на полосу осциллографа?
Да. Работает система «осциллограф + щуп», и её полоса ниже полосы каждой части: по Tektronix, универсальный щуп 100 МГц на осциллографе 100 МГц даёт систему уже меньше 100 МГц. Поэтому полосу задают на кончике рекомендованного щупа. Переключаемый щуп в положении 1X сужает полосу в разы — у Multicomp Pro MP770208 6 МГц против 60 МГц в положении 10X.
Источники
- Tektronix. ABCs of Probes, Primer, 60W-6053-15 (03/2021) — с. 8: полоса — диапазон частот, на который рассчитан прибор, рис. 1.5 — выше точки −3 дБ сигнал чрезмерно ослаблен; правило пяти — полоса в 5 раз выше частоты сигнала для измерения амплитуды; с. 35: для ошибки амплитуды не больше 3 % полоса в 3–5 раз выше наибольшей частоты сигнала, осциллограф на 100 МГц — до 30 МГц; Tr = 0,35/BW; время нарастания системы в 3–5 раз меньше измеряемого, рис. 1.6 — отношение 3:1 даёт ошибку около 5 %, 5:1 — около 2 %; полоса системы «осциллограф + щуп» связана с полосами частей непросто, поэтому производитель задаёт её на кончике щупа; с. 16: в положении 1X у переключаемого щупа другие полоса и время нарастания; с. 42–43: полоса — частота, где амплитуда падает до 70,7 % (−3 дБ), на границе полосы синус измеряется как 70,7 % своей амплитуды; универсальный щуп 100 МГц на осциллографе 100 МГц даёт систему с полосой меньше 100 МГц; время нарастания системы в 4–5 раз меньше измеряемого
- NXP Semiconductors. UM10204: I2C-bus specification and user manual (Rev. 7.0, 1 October 2021) — табл. 11: время нарастания tr для SDA и SCL в режиме Fast-mode — не больше 300 нс (пример измерения фронтов шины)
- Multicomp Pro. MP770208 Voltage Probe, Passive, 60MHz, 600V, 10:1 — datasheet V1.0 (13/05/22) — полоса системы 6 МГц в положении 1× и 60 МГц в положении 10×
Нашли ошибку?