Osiloskoba bant genişliğinden daha yüksek frekans verirsek ne olur?

[taydin]

Şimdiye kadar hep merak etmişimdir. Bir osiloskoba, bant genişliğinden daha yüksek bir frekans verirsek ne olur? İki tane tahminim vardı:

1 ) Osiloskop, bant genişliğinden daha yüksek olan frekansları, kesim sınırı bant genişliğine eşit olan çok dik bir alçak geçiren filtre (low pass filter) ile filtreler ve herhangi bir sinyal göremeyiz. Spektrum analizörlerde genelde böyle olduğunu okumuştum, çünkü yüksek frekanslardaki sinyallerin, cihazın çalışma frekans aralığındaki gürültü tabanını (noise floor) yükseltmesi istenmez.

2 ) Osiloskop, bant genişliğinden daha yüksek olan sinyalleri şekil olarak doğru gösterir, ama genlik ölçümü yanlış sonuç verir. Ama tabi bunun şartı, osiloskobun örnekleme hızının nyquist kriterini sağlamasıdır, yani girişteki sinyalin en az iki katı hızda örneklemeliyiz. Eğer nyquist kriteri sağlanmazsa, sinyalin şekli de doğru olarak gösterilmeyecektir.

Benim osiloskop, 1 GHz bant genişliğine ve 20 GSa/s örnekleme hızına sahip. Bu durumda, örnekleme hızı açısından bakarsak, 10 GHz'e kadar sinyalleri görüntüleyebilmem lazım

Artık elimde 15 GHz'e kadar sinüs üretebilen sinyal jeneratörü olduğuna göre, bunu deneyeceğim ve sonucun ne olacağını hep beraber göreceğiz.

 

[taydin]

Osiloskop üreticileri açısından düşünürsek, yukarıda 1. seçeneği kullanmaları daha mantıklı. Çünkü 1 GHz lik skop olan adam, 2 GHz lik sinyal ile karşılaşırsa, gitsin bir üst bant genişliğe sahip modeli satın alsın. Veya bant genişliği, yazılım lisansı ile yükseltilebilen bir cihazı varsa, bayılsın lisans ücretini, bir üst bant genişliği seviyesine getirsin cihazı

Neyse, 1.2 GHz, 0 dBm sinyal verelim ve sonuca bakalım:

Hmm, sadece 1.5 dB lik bir kayıp oluşmuş. Esasında, bu osiloskobun bant genişliği 1 GHz olduğuna göre, 1 GHz'de bile 3 dB lik bir düşüş beklerdim, ama 1 GHz'de sadece 0.5 dB lik bir kayıp vardı. Bu durumda, ya benim osiloskop istisnai olarak daha iyi bir bant genişliğine sahip, ya sinyal jeneratörü 0 dBm den biraz fazla üretiyor, yada osiloskobun FFT ölçüm hassasiyeti çok iyi değil.

Ama 1.2 GHz'de sadece 1.5 dB kayıpla ölçebilmek çok iyi! Demekki, düşündüğüm gibi 1 GHz'de kesen çok dik bir filtre yok cihazda.

 

[taydin]

2 GHz yapalım:

Sadece 8 dB lik bir kayıpla, 2 GHz'i de çok net bir şekilde ölçüyoruz.

Mevcut bir devre üzerinde problem bulmaya çalışırken, birçok kez, sadece bir sinyal var mı, yok mu, bunu bilmek yeterlidir, o yüzden bu 8 dB lik kayıp çok da önemli değil. Hatta, frekansa bağlı olarak oluşan bu kaybın bir grafiğini çıkaracak olursak, bu kaybı da elimine edebiliriz ve genlik ölçümünü de belli bir hassasiyet ile yapabiliriz.

 

[taydin]

4 GHz veriyorum. 23 dB kayıpla hala sinyalin varlığını tespit edebiliyoruz.

 

[taydin]

6 GHz. 43 dB kayıpla hala sinyali görüyoruz. Ama artık sinyalin genliği çok az olduğu için osiloskop otomatik ölçüm yapamıyor. Ama spektrumda 6 GHz'i görüyoruz.

 

[taydin]

Neyse, 6.2 GHz 'e kadar sinyal ürettim ve sinyali ekranda görebildim. Ondan sonra artık herhangi bir sinyal görünmüyor. Ya 6.2 GHz civarında bir filtre var (pek sanmam), veya artık sinyal seviyesi o kadar azalıyor ki, sinyal artık osiloskobun gürültü tabanında boğuluyor. Osiloskoplar çok gürültülüdür, o yüzden -43 dBm gibi böyle çok düşük seviyeli sinyalleri net bir şekilde ölçemezler. Bunun için bir spektrum analizör lazım.

Bunun dışında, zaten osiloskobun sahip olduğu BNC girişler, en fazla 4 GHz'e kadar sinyaller için uygundur. Bunun üstündeki frekanslarda, zaten BNC de sinyali zayıflatmaya başlayacak. Onun için 4 GHz'in üzerinde çalışan cihazlarda "N type connector" denen ve 18 GHz'e kadar çalışan bir konnektör tipi bulunur.

 

[naschibo]

cok güzel bir test yapmissiniz Timur bey. Sanirim donanim olarak Osiloskoplar yüksek donanima sahipler. Yazilim ile istenilen müsteri kriterleri yerine getiriliyor olabilir. Konuyu arastiracagim.

 

[taydin]

Benim osiloskopta, lisanslama ile bant genişliği artırılamıyor. Bunun için cihazın geri gönderilmesi ve yeni front end takılması gerekiyor. Ama en son araştırdığımda, mesela 4 GHz'e çıkarmak için cihazı 19,000$ ödemem gerekiyor

Ama bu testi yapıp 4 GHz'i sadece 23 dB kayıpla ölçebildiğimi gördükten sonra kesinlikle bu paraya değmeyeceğini düşünüyorum. Üstelik, 1 - 4 GHz'e kadar sweep yapıp kazançtaki düşme grafiğini çıkarsam, gereken düzeltme faktörü ile çarparak 1 - 4 GHz arasındaki bütün frekansları doğru bir şekilde de ölçebilirim.

Cihazın örnekleme hızı 20 Gsps olduğu için 4 GHz'e kadar sinyalleri çok temiz bir şekilde örnekleyecektir. Birçok uygulamada da "sinyal var mı, yok mu" şeklinde bir değerlendirme yeterli olmaktadır, hassas genlik ölçümü çok kritik değildir.

 

[taydin]

4GHz teki PROB kayıpları hesaba katıldı mı acaba?
Bu frekansta takdir edersiniz ki birkaç piko faradlık kapasiteler bile fazlasıyla etkendir.

Bu testlerin hepsi 50 Ω luk çok düşük kayıplı koaksiyel kabloyla yapıldı. Bu kablonun band genişliği 18 GHz. Bu testi prob ile yapmış olsaydım daha 1 GHz'e gelmeden o probun dahili kapasitesi, sinyal jeneratörü çıkışını kısa devre etmiş olurdu.

Testte zayıflamaya sebep olabilecek tek şey BNC'lerin getirdiği 4 GHz lik kısıtlama.

 

[Öğretmen27]

Yanilmiyorsam cihazi bozacak bir durum degil frekansin sinir noktasinin asilmasi.
Ama genlik asilirsa skop zarar gorur diye tahmin ediyorum.

 

[taydin]

Cihazı bozma diye bir durum olmaz. Bu frekanslardaki bir sinyalin zayıflamadan iletilmesi çok zordur zaten, o yüzden bütün uğraş, fazla zayıflamasın diye.

Bu frekanslarda osiloskobu bozmanın tek yolu herhalde mikrodalga fırınlarda ve RADAR'larda kullanılan MAGNETRON lambalarının çıkışını osiloskoba bağlamak olur. Bunların çıkışlarında ciddi yüksek voltajlar olur.

 

[Öğretmen27]

Cihazı bozma diye bir durum olmaz. Bu frekanslardaki bir sinyalin zayıflamadan iletilmesi çok zordur zaten, o yüzden bütün uğraş, fazla zayıflamasın diye.

Bu frekanslarda osiloskobu bozmanın tek yolu herhalde mikrodalga fırınlarda ve RADAR'larda kullanılan MAGNETRON lambalarının çıkışını osiloskoba bağlamak olur. Bunların çıkışlarında ciddi yüksek voltajlar olur.

Frekans sorun olmuyor ama sinyalin genligi sorun olur.
Ornegin benim osiloskop 30 mhz max 400v.
Ben simdi 30 mhz frekansi asarsam cihaz zarar gormez ama 400 v u asarsam cihaz zarar gorur.
Bu arada max 400v tepe deger degil mi?

 

[taydin]

Tamam anladım, ben 6 GHz'de osiloskopa aşırı voltaj verilirse bozulabilir dediğini sandım Evet bozulabilir, ama modern yarıiletkenli RF devrelerindeki genlik seviyeleri hiçbir osiloskobu bozamaz.

Ama tabiki frekanstan bağımsız olarak osiloskop girişine aşırı voltaj verilirse, "front end" denen bölüm arızalanır ve osiloskop kullanılamaz hale gelir. Voltaj sınırının da tam olarak cihazın dokümanlarında belirtilmesi lazım. Mesela benim osiloskopta şöyle belirtiliyor:

Buradan net bir şekilde görüyoruz ki 1 MΩ modunda en fazla 150 Vrms veya 150 VDC verebiliyoruz. AC kuplaj modunda ise en fazla ±250V verebiliyoruz (DC ve AC bileşenlerin hepsi dahil). 50 Ω modunda ise en fazla 5 Vrms verebiliyoruz. Senin skopta da bu detayda belirtilmiş olması lazım.

 

[taydin]

Burada probun özellikleri de önemli tabi. Örneğin benim osiloskop ile gelen N2873A probları, izoleli çalışmada 400 Vrms, şebekeye bağlı çalışmada 300 Vrms değerine kadar çalışıyor. Bu prob 10:1 bir prob olduğu için de osiloskop girişine en fazla 40 Vrms gelecektir, o halde bu problarla benim osiloskop izoleli olarak 400 Vrms, şebekeye bağlı olarak da 300 Vrms değerine kadar ölçüm yapabilir.

 

[Mikro Step]

Band genisligi, DC den itibaren frekansi artirmaya basladigimizda cihazin cikis sinyalinin genliginin, giris sinyalinin genliginin1/kok2 degerine dustugu frekans degeridir.

Bu durumda 100Mhz sinyalden dogru degerler alabilmek icin cihazin band genisliginin 100Mhz den daha yuksek olmasi gerekir.

100Mhz scopa 100Mhz uzerinde bir frekansda sinyal girerseniz 2 sey olur.

1) Sinyalin genligi dusuk gorunur.
2) Sinyalin fazi kayik gorunur.

 

[ozkarah]

Bazı osiloskoplarda alçak geçişli filtreler (Low Pass Filter) bulunuyor. Bunlar daha çok sonradan yükseltme opsiyonunu satın alarak bant genişliğini arttırabildiğimiz cihazlar. Örneğin, Popüler Rigol DS1000Z 50, 70 ve 100 MHz seçenekleri ile geliyor. 50 MHz modelini alıp ücretli yükseltme ile 100 MHz'e kadar yükseltebiliyorsunuz. Başka popüler iki örnek de Siglent SDS1000X-E (100->200 MHz) ve SDS2000X Plus (100->500 MHz) gibi cihazlar. Bunlarda düşük bant genişlikli bir konfigürasyonla satın aldıysanız donanım aynı ancak üretici yazılımsal olarak aktive edebildiği bir filtre ile cihazın bant genişliğini sınırlıyor. Opsiyonu satın aldığınızda sınırlama kalkıyor. Bende birer tane Rigol DS1054Z ve SDS2104X Plus var. İkisinde de lisansla (keygen) yükseltme yapmadan önce filtreler aktifti.

Bazı cihazlarda ise üretici aynı filtreyi donanımsal olarak koyuyor. Cihazın tüm frontend kısmı aynı ancak girişteki filtrenin kapasitör ve direnç değerleri farklı. Bu sayede aynı donanım tasarımıyla birden fazla fiyatta ürün satıyor. Bu direnç ve kapasitörleri değiştirerek hacklenebilen (üst modele yükseltilen) cihazlar da var.

Bu filtreler aktif olduğunda filtrenin tasarımına göre filtre kesme frekansı (-3 dB) aşıldığında çok keskin bir genlik düşüşü olabiliyor.

 

[ozkarah]

Dikkat edilmesi gereken bir konu da bazı cihazlarda cihazı kullanırken bazı durumlarda yine filtreler aktive olabiliyor. (Kullanıcının bilerek açtığı durumlar hariç) 3 örnek yazayım:

1- SDS2104X Plus'da (500 MHze yükseltilmiş) 1 ve 2 numaralı kanallar bir ADC; 3 ve 4 numaralı kanallar ayrı bir ADC kullanıyor. 1. ve 2. kanalı aynı anda (ya da 3. ve 4. kanalı) aktive ettiğinizde ADC limitinden dolayı 350 MHzlik bir filtreyi otomatik aktive ediyor.

2- Cihazlarda High Resolution, Ultra Fast Acquisition gibi modlar olabiliyor. SDS2104X Plus'da Hight Resolution (10 bit) modu aktive edildiğinde 100 MHz bir filtre devreye giriyor.

3- En son çıkan 12 bit Rigol HDO4000 modelinde bölme başına 1 mV altına inildiğinde 20 MHz filtresi devreye giriyor.

Bu filtrelerin bir kısmı donanımsalbir kısmı yazılımsal. Ancak sonuç çok değişmiyor.

 

[Altair]

Bende USB osiloskop var, Instrustar ISDS205B. Dun Rus bir arkadasla konusuyorduk Telegram'da. Onda ISDS220A modeli varmis. Bendeki 20 Mhz, ondaki 60 Mhz. Islemci, kontrol birimleri falan hep ayni. Sanirim bendekini yazilimla limitlemisler. Yoksa 60 Mhz'de calismamasi icin bir neden yok gorunuyor.

​

 

[ozkarah]

Dediğiniz gibi de olabilir.
Ancak, giriş katındaki devrede filtre için kullanılan komponentler ya da ADC entegresi farklı olabilir. Öyleyse donanımsal olarak da kısıtlanmış demektir.