Escolhendo um escopo: examinando a largura de banda

Algumas semanas atrás, pedi ajuda e conselhos à comunidade Hackaday para comprar um novo osciloscópio econômico. Muito obrigado a todos vocês que responderam aqui online e pessoalmente entre meus amigos mais próximos de casa. Segui a tendência esmagadora dos conselhos que recebi e comprei um Rigol DS1054z, instrumento com o qual estou muito feliz. É um escopo nominal de 50 MHz, mas há um hack de software que pode trazê-lo até 100 MHz. Quão rápido pode ir?

Esta questão tornou-se um mini escopo após uma conversa com meu colega Hackaday [Elliot] sobre a medição da largura de banda do osciloscópio e, em seguida, meus colegas membros do Oxford Hackspace produzindo mais de um escopo para comparação. Você sabe quem você é, obrigado. Encontrei-me com acesso imediato a vários modelos aproximadamente equivalentes e um muito sofisticado em termos de especificação representando diferentes estratos de fabricação de equipamentos de teste e com os meios para examinar seu desempenho.

Assim, tive a chance de ver o que o dinheiro extra garante em termos de desempenho quando você compra um instrumento e ter uma ideia se um distintivo mais impressionante vale a pena. Portanto, o que se segue não é exatamente uma revisão dos osciloscópios porque não vou me aprofundar nas comparações de recursos, mas uma avaliação do desempenho da largura de banda de osciloscópios de vários fabricantes diferentes.

Você pode pensar que o que importa em um escopo é sua base de tempo; que sua configuração mais rápida lhe dirá quão alta é a frequência que ele pode exibir. E, de certa forma, você estaria certo, mas se a eletrônica interna do osciloscópio só for capaz de resolver um sinal a 50 MHz, não importa se a tela pode rastrear sinais mais rápidos do que isso - ela apenas manchará os mesmos 50 MHz. Sinal de MHz em mais quadrados de sua gratícula. Se você estiver procurando oscilações em uma frequência mais alta do que essa, elas simplesmente não aparecerão. A _largura de banda_ de um osciloscópio, as oscilações de frequência mais altas que ele pode resolver, é o que nos preocupa em relação à "velocidade".

Então, como alguém mede a largura de banda real de um osciloscópio? A maneira mais simples é dar a ele uma transição de tensão tão rápida que exceda em muito suas capacidades e medir até que ponto ele tem problemas para alcançá-lo. Se você fornecer um tempo de subida medido em picossegundos e contar os nanossegundos do tempo de subida que ele relata, existe uma fórmula útil para derivar a largura de banda de 3 dB de seus componentes eletrônicos a partir desse número.

Largura de banda (Hz) = 0,35 / tempo de subida medido (S)

Na prática é conveniente lembrar que para um tempo de subida em ns a fórmula retorna uma largura de banda em GHz.

Os tempos de subida rápidos usados ​​para os testes neste artigo vêm de um oscilador de relaxamento de avalanche seguindo um projeto de [Kerry Wong], produzindo aproximadamente pulsos de tempo de subida de 500ps. Ele usa o onipresente transistor NPN de uso geral 2N3904 e, como requer bem mais de 100 V para o transistor entrar no modo avalanche, ele incorpora um pequeno inversor de comutação usando peças retiradas de uma fonte de alimentação ATX sucata. Todo o dispositivo é construído no estilo bug morto na parte de trás de um PCB excedente de um protótipo executado e se conecta ao osciloscópio com o cabo BNC mais curto possível. Neste domínio de medição, a menor capacitância parasita pode causar um aumento significativo do tempo de subida medido.

Os escopos que eu tinha para meus testes eram dois modelos mais antigos e três atuais. Os osciloscópios mais antigos eram um modelo Tektronix TDS210 80 MHz LCD e um modelo LeCroy LC584AXL 1GHz CRT, enquanto os atuais eram um Hantek MSO5102D representando a extremidade inferior do mercado de orçamento, um Rigol DS1054z de 50 MHz representando a extremidade superior e um 100 MHz Rigol MSO2102A de um estrato ligeiramente superior. Até onde sabíamos, este DS1054z não tinha o famoso hack de software, então ainda era um modelo de estoque de 50 MHz; no entanto, nenhum hack de software altera o hardware de front-end.

Observando cada escopo na ordem listada acima, começaremos com o Tektronix. Isso é muito semelhante em aparência aos três osciloscópios mais novos, sendo um modelo de LCD portátil e leve. Evidentemente, não é a especificação mais recente, com uma tela LCD mono, sem conectividade USB e uma porta de impressora paralela. Assim, sua captura de tela é uma fotografia.