Porównanie architektury oscyloskopu próbkującego z architekturą oscyloskopu cyfrowego DSO

Rozważmy, w jaki sposób różne metody próbkowania są wykorzystywane w architekturach oscyloskopu cyfrowego DSO (Digital Storage Oscilloscope) oraz oscyloskopu próbkującego (Sampling Oscilloscope). Architektury te charakteryzują różne metody próbkowania oraz różne funkcje wyświetlania. To właśnie te różnice decydują o ich przydatności do określonych zadań.

Jak wspomniano we wstępie, we wszystkich oscyloskopach cyfrowych (przetwarzających sygnały analogowe na postać cyfrową), sygnały wejściowe są próbkowane w określony sposób. W rezultacie, wszystkie oscyloskopy cyfrowe można by nazywać „oscyloskopami próbkującymi”. Jednak tą nazwą przyjęto określać te przyrządy pomiarowe, w których próbkowanie sygnałów wejściowych odbywa się przed jakimkolwiek ich wzmocnieniem lub tłumieniem.

Czym to się różni od próbkowania sygnałów wejściowych w oscyloskopach cyfrowych DSO? W oscyloskopie cyfrowym DSO sygnał wejściowy najpierw przechodzi przez układy tłumika i wzmacniacza, w których wzmocnienie oraz offset są regulowane (rysunek 5). Sygnał na wyjściu wzmacniacza jest następnie digitalizowany (przetwarzany na postać cyfrową) przy wykorzystaniu metody próbkowania w czasie rzeczywistym, lub metody próbkowania losowego w czasie ekwiwalentnym, lub obu tych metod jednocześnie. Przy zastosowaniu próbkowania losowego, oscyloskop może zapewnić elastyczne możliwości wyzwalania z wyprzedzeniem (Pretrigger).

Rys. 5. W tradycyjnym oscyloskopie cyfrowym DSO sygnał jest tłumiony lub wzmacniany, zanim zostanie poddany próbkowaniu i przetworzony do postaci cyfrowej

Układy tłumika i wzmacniacza zabezpieczają inne wewnętrzne obwody oscyloskopu przed przeciążeniem. Dlatego tłumik i wzmacniacz muszą pracować w pełnym zakresie pasma oscyloskopu. Wysokiej klasy oscyloskopy o tej architekturze, jak te z serii 11400 oraz DSA 600, zapewniają pasmo do 1 GHz.

W odróżnieniu od tego, w architekturze oscyloskopu próbkującego pozycja tłumika i wzmacniacza względem mostka próbkującego (Sampling Bridge) jest odwrotna (rysunek 6). Sygnał wejściowy jest próbkowany przed jakimkolwiek jego tłumieniem lub wzmocnieniem. Po mostku próbkującym może być następnie stosowany wzmacniacz niskopasmowy, ponieważ sygnał został już przekształcony przez bramkę próbkująca na niższą częstotliwość. To skutkuje wyższym pasmem przyrządu pomiarowego. Oscyloskopy próbkujące, które wykorzystują próbkowanie sekwencyjne, jak te z serii 11800, zapewniają pasmo do 40 GHz.

Rys. 6. W oscyloskopie próbkującym sygnał jest próbkowany przed wzmocnieniem

Jednak, pewnym kompromisem tego wysokiego pasma jest to, że zakres dynamiki oscyloskopu próbkującego jest bardzo ograniczony. Ponieważ przed bramką próbkującą nie ma żadnego tłumika ani wzmacniacza, nie ma możliwości skalowania sygnału wejściowego. Mostek próbkujący musi być w stanie obsłużyć sygnał wejściowy w pełnym zakresie dynamiki. Z tego względu zakres dynamiki większości oscyloskopów próbkujących jest ograniczony do wartości międzyszczytowej (Peak-to-Peak) około 1 V. Z drugiej strony, oscyloskopy cyfrowe DSO mogą zapewnić zakres od 50 do 100 woltów.

Ponadto, diody zabezpieczające nie mogą być umieszczane przed mostkiem próbkującym, ponieważ to mogłoby ograniczać pasmo. To z kolei redukuje bezpieczne napięcie wejściowe do wartości około 3 V w przypadku oscyloskopu próbkującego, co można porównać z wartością 500 V możliwą w przypadku innych oscyloskopów.

Kompromisy związane z zakresem dynamiki i bezpiecznym napięciem wejściowym pozwalają na korzystanie z wysokiego pasma i wysokiej rozdzielczości czasowej oscyloskopu próbkującego (tabela 1).

Tab. 1. Porównanie oscyloskopu próbkującego (z próbkowaniem sekwencyjnym) z oscyloskopem cyfrowym DSO