Hur fungerar digitala oscilloskop egentligen?

[janaf]

Har funderat en del på detta och tänkte fråga det kloka forumet.

Det gäller den digitala behandlingen av data. Hur fungerar det vanligtvis?

Jag tänker då främst på när man mäter kontinuerligt, inte single shot, hur behandlas då data?

Ta som exempel ett oscilloskop som samplar kontinuerligt? 10MHz, 100MHz, 1GHz, 10GHz, dvs miljoner eller miljarder mätpunkter per sekund. Det finns ju ingen chans i he... att visa all data på en skärm.

Om en skärm som uppdaterar med 100Hz och 1000 pixel skärmbredd (för enkelhetens skuill). Man får då alltså 1Msamples per 1/100s (skärmuppdatering), kan bara visa 1000 punkter, dvs 0.1% av kontinuerlig data. Vad händer med resterande 99.9%?

Fungerar triggning på 100% av data? Eller är den analog?
Min och Max och statistik, FFT, baseras dom på 100% av data eller delmängder?

Jag förmodar att all data från A/D:n existerar en tid i något minnesbuffert, längd naturligtvis beroende på minnets storlek.

Och vad händer när man ökar sveptiden? Dumpas en del av data, tex att bara 1/100 av punkterna används? Eller medelvärdesbildas ett antal punkter? Jag förmodar att A/D:n snurrar på med oförändrad frekvens? Rätt?

Någon som har några kloka funderingar? Går det säga något generellt? (Ja, det finns säkert en massa varianter).

[Icecap]

Det finns ju ett samplingsminne och som du säger ser man ju bara en liten del. Men på de oscilloskop jag använder finns det möjlighet att flytta den del som visas, t.ex. vid att visa tiden efter triggeren - och tiden kan varieras.

Då kan man bläddra en hel del fram och tillbaka, något som har hjälpt en hel del ibland.

Jag hade ett tillfälle där en kompis hade kommunikationsproblem med ett GPRS-modem. Jag gjorde så att jag ställde tidbasen så långsamt som möjligt men ändå med upplösning nog, sedan kollade vi på en Tx och gjorde som single-shot.

Efter detta tog jag kort (kunde inte exportera), rullade till nästa fönster, nytt kort osv. till slutet. Med detta i hand kunde vi klura ut vad som hände och det visade sig vara så enkelt att det inte skulle vara 8n1 (ingen paritet) men 7e1 (7 data + udda paritet).

I det läge är minnet ovärderligt.

[H.O]

Många frågor på en gång där och svaren kan skilja sig beroende på typ och modell av oscilloskop men klart är ju att skärmen inte uppdateras i realtid som på ett analogt skop.

Om en skärm som uppdaterar med 100Hz och 1000 pixel skärmbredd (för enkelhetens skuill). Man får då alltså 1Msamples per 1/100s (skärmuppdatering), kan bara visa 1000 punkter, dvs 0.1% av kontinuerlig data. Vad händer med resterande 99.9%?

Om kurvformen är repetitiv så triggar ju skopet mängder med gånger per skärmuppdatering. Varje gång skopet triggar så skriver den ju kurvformen till minnet. Varje "instans" av kurvformen läggs "ovanpå" den förra osv tills dess att det är dags att visa informationen på skärmen. På äldre digitala skop så plottades helt enkelt information i "svart/vitt" men på modernare skop med intensity grading så får du ju en mer "analoglik" display eftersom de samplevärden som förekommer oftare än andra syns tydligare på skärmen - precis som det gör på ett analogt skop fast där är det ju "fördröjningen" i elektronrörets fosforskikt som ger effekten.

Om du visar hela minnesbufferten på skärmen så är det ju bara var 1/10 eller 1/100 eller 1/1000 eller whatever sampling i bufferten som faktiskt visas på skärmen. Men om du nu stoppar skopet så kan du ju zooma in för att se mer detaljer (fler samplingar).

Fungerar triggning på 100% av data? Eller är den analog?

Olika på på olika skop. På moderna skop har du ju mängder med mer eller mindre avancerade trig-möjligheter och dessa sker, vad jag förstår, oftast digitalt. När du ändrar tidbasen på ett digitalt skop så ändras normalt sett inte ADC's samplingshastighet, bara hur många av samplingarna man faktiskt sparar i minnet. Så även om du har en långsam tidbas och sänkt effektiv samplingshastighet så samplar ADC'n med full fart.

Min och Max och statistik, FFT, baseras dom på 100% av data eller delmängder?

Olika från skop till skop. Kolla datablad etc.

Och vad händer när man ökar sveptiden? Dumpas en del av data, tex att bara 1/100 av punkterna används? Eller medelvärdesbildas ett antal punkter? Jag förmodar att A/D:n snurrar på med oförändrad frekvens? Rätt?

Se ovan. ADC'n samplar normalt sett med full fart. Hur datan sedan "tas om hand" beror på vilket mode du har skopet i. Normal / Average / Peak detect /Hi-res osv.
I Normal-mode så "sparas" en var x:e sampling beroende på den "effektiva" samplingshastigheten.
I Average så sparas flera instanser av kurvformen, dessa medelvärdesbildas sedan innan "en" kurvform presenteras på skärmen.
I Peak-detect mode så sparas samplingarna med högst och lägst värde. Dvs ADC'n kanske samplar 100 ggr så fort som data faktiskt sparas i minnet men med Peak-detect är du ändå garanterad att det är just det högsta/lägsta värdet av de 100 som sparas oavsett om det råkar vara sampling 3 eller 99.

Någon som har några kloka funderingar? Går det säga något generellt? (Ja, det finns säkert en massa varianter).

Det finns massa varianter och olika tillverkare implementerar funktionerna på olika sätt.

[janaf]

För dom oscilloskop jag har så är detaljerna i stort sett gömda i dunkel, manualer och datablad ger inga detaljer om hur samplingen behandlar data. För det mesta spelar det nog ingen större roll. Jag tillhör dom som "bara kör" och tror på värden som verkar vettiga men ibland så funderar man hur mjukvaran behandlar all data, vad som syns och vad som slängs.

[H.O]

Och vilka oscilloskop kan det tänkas vara?

Det finns såklart mängder med generell, tillverkar och produktspecifik information på nätet, några träffar:
Fundamentals of Digital Oscilloscopes] från LeCroy (lite äldre information vad det verkar men grunderna är ju de samma).
Evaluating Oscilloscope Fundamentals från HP/Agilent/Keysight.

Men som sagt, exakt hur det fungerar på just ditt/dina skop går inte att säga. I alla fall inte utan att du talar om vad det är du har - och kanske inte ens då beroende på hur mycket information tillverkaren har valt att göra tillgängligt. Hittar du ingen info så finns det väl ingen.

[janaf]

Jag borde väl leta igen Men det är lite lättare om man vet vad man kan förvänta sig, vad man ska leta efter.

- Picoscope 3204 / USB 60mHz / 500MS/s) (Mjukvaran är riktigt bra)
- NI PXI-5122 (100MHz / 100MS/s)
- Welec 2000 (100MHz / 1GS/s) (community firmware)
- LeCroy PXD-1021 (1GHz / 2GS/s)
Ett PCI Agilent / Acqiris (500MHz / 2GS/s) har jag just gjort mig av med.

[janaf]

En annan fundering är om översampling på repetitiva signaler med hjälp av små förskjutningar i tid, för virtuellt högre upplösning. Oftast är den analoga bandbredden är lägre än samplingshastigheten så kan man verkligen se just något mer med repetitiv förskjuten sampling? Intuitivt känns det som inget annat än interpolering, även om den analoga bandbredden naturligtvis inte faller abrupt.

[H.O]

Det låter som att det beskriver är vad som brukar kallas för ETS eller Equivalent Time Sampling.

Dagens skop har, precis som du säger, relativt hög samplingsfrekvens kontra den analoga bandbredden och jag tror inte det är så värst vanligt att skop idag ens HAR ETS men så har det ju inte alltid varit. Mitt gamla skop t.ex (GW Instek 806C) hade en analog bandbredd på 60MHz men en samplingsfrekvens på bara 100Ms/s så det kunde ju INTE återskapa en 60MHz sinus utan att man aktiverade ETS.

Mitt nuvarande skop har 500MHz bandbredd men en samplingsfrekvens på 4GHz - det saknar ETS.