Compreendendo as principais especificações dos osciloscópios digitais: taxa de amostragem, largura de banda e resolução

Introdução
Ao estudar sinais elétricos, osciloscópios digitais são necessários. Você precisa estar familiarizado com os aspectos mais importantes de um osciloscópio digital se quiser tirar o máximo proveito de seu uso. Nesta seção, daremos uma olhada mais aprofundada nesses três fundamentos, ou seja, resolução, largura de banda e taxa de amostragem.

Esses fatores têm um impacto significativo nas capacidades operacionais do osciloscópio, bem como em seu nível de precisão. Obter uma compreensão das conexões existentes entre esses fatores pode ajudá-lo a selecionar um osciloscópio digital que é adaptado para atender aos requisitos específicos do seu trabalho.

Taxa de amostragem
A taxa de amostragem de um osciloscópio digital é um dos fatores mais importantes que determina o nível de precisão e confiabilidade do sinal exibido. É uma medida que indica quantas leituras um osciloscópio é capaz de capturar em um determinado período de tempo.

A taxa de amostragem refere-se ao número de amostras que são coletadas em um segundo e geralmente é denotada em megaamostras por segundo (MS/s) ou gigaamostras por segundo (GS/s).

Aumentar a taxa de amostragem é necessário se o usuário quiser que o osciloscópio seja capaz de capturar e reconstruir o sinal com um nível de precisão maior. De acordo com o teorema de amostragem de Nyquist-Shannon, sua taxa de amostragem deve ser duas vezes mais rápida que a frequência máxima do sinal para que você reconstrua um sinal corretamente. Esta é uma necessidade para que você seja capaz de fazê-lo.

Você precisará de um osciloscópio que tenha uma taxa de amostragem suficientemente alta se quiser coletar e examinar sinais em altas frequências sem encontrar nenhum aliasing ou distorção.

Você pode ver uma diminuição na taxa de amostragem efetiva se estiver empregando ferramentas analíticas complicadas, como funções matemáticas de forma de onda ou decodificação de protocolo serial, ou se estiver usando muitos canais ao mesmo tempo.

Esses dois fatores podem contribuir para um declínio na taxa de amostragem efetiva. Para que as medições sejam precisas, é necessário estar ciente da relação entre o número de canais ativos e a taxa de amostragem.

Largura de Banda
Sua “largura de banda” refere-se à faixa de frequência que ele pode detectar e exibir consistentemente, e o termo vem da palavra “largura de banda”. Refere-se à faixa de frequência na qual a resposta de amplitude do osciloscópio permanece constante dentro de uma certa tolerância, que normalmente é de -3 dB.

É um equívoco comum pensar que a largura de banda fornece uma indicação da frequência mais alta que pode ser vista em um osciloscópio a qualquer momento. Por outro lado, a largura de banda é a faixa de frequência em que o osciloscópio pode realizar medições precisas de amplitude.

Para medições precisas, recomenda-se o uso de osciloscópios com largura de banda pelo menos cinco vezes maior que a componente de frequência mais alta do sinal de interesse.

Os recursos de tempo de subida do osciloscópio são um dos aspectos influenciados pelas necessidades de largura de banda. A quantidade de tempo que leva para a amplitude de um sinal aumentar de 10% a 90% de seu valor mais alto é chamada de tempo de subida.

Um osciloscópio com uma largura de banda maior que pode registrar com precisão e mostrar sinais de tempo de aumento rápido é excelente para aplicações que precisam de análise de tempo precisa e medições de alta frequência. Esses tipos de medições geralmente são necessários em conjunto.

Resolução
O menor aumento de tensão que um osciloscópio é capaz de exibir com precisão é chamado de “resolução” do dispositivo. O número de bits contidos no ADC que foi utilizado para digitalizar o sinal servirá como fator decisivo. Os osciloscópios normalmente têm uma resolução horizontal de 8 bits, porém esse número pode variar até 10 bits ou até mais.

A resolução vertical do osciloscópio está diretamente ligada à sua capacidade de detectar e exibir com precisão até mesmo as menores variações de tensão.

Osciloscópios com resolução mais alta são mais capazes de medir sinais fracos e detectar pequenas flutuações nas formas de onda do que aqueles com resolução mais baixa. No entanto, é importante ter em mente que o aumento da resolução também pode potencialmente resultar em um aumento no piso de ruído, o que teria um impacto na relação sinal-ruído.

A resolução vertical do osciloscópio que você escolher deve ser determinada pelos requisitos de medição que você possui. Ao lidar com sinais de grande amplitude, parece que uma resolução de 8 bits seria suficiente.

No entanto, uma resolução maior de 10 bits ou mais pode ser necessária para aplicações que precisam de medições de tensão precisas ou incluem sinais de baixa amplitude. LISUN também fornece o melhor osciloscópio digital.

O condicionamento do sinal, o ruído de fundo e os métodos de processamento incorporados ao osciloscópio têm o potencial de influenciar a resolução efetiva. Por causa disso, é muito necessário ter uma compreensão sólida da resolução efetiva do osciloscópio em uma variedade de diferentes condições de operação e levar em consideração quaisquer limitações potenciais.

Interação entre taxa de amostragem, largura de banda e resolução
A taxa de amostragem, largura de banda e resolução de um osciloscópio são fatores que contribuem para o desempenho geral do instrumento. Existe uma forte ligação entre estes três aspectos do instrumento. Para que os resultados das medições sejam confiáveis, sua interação deve ser levada em consideração.

A taxa de amostragem deve ser rápida o suficiente para capturar a largura de banda do sinal. De acordo com o teorema de amostragem de Nyquist-Shannon, a taxa de amostragem deve ser pelo menos duas vezes maior que a largura de banda do sinal para evitar a ocorrência de aliasing. Consequentemente, é essencial escolher um osciloscópio cuja taxa de amostragem seja comparável ou superior à largura de banda necessária.

Outros aspectos essenciais a serem considerados em relação à resolução são a faixa vertical e as configurações de sensibilidade do osciloscópio. Enquanto a faixa vertical define a faixa de tensões que podem ser exibidas, a resolução determina o menor incremento de tensão que pode ser representado consistentemente. Isso contrasta com o fato de que a faixa vertical descreve a faixa de tensões que podem ser mostradas.

É fundamental escolher uma resolução com base nos níveis de sinal projetados e no grau de precisão de medição necessário para garantir que o osciloscópio exiba corretamente o sinal sem sofrer excesso de ruído de quantização ou perda de informações.

Além disso, a precisão com que o osciloscópio pode medir componentes de alta frequência do sinal é inversamente relacionada ao parâmetro de largura de banda usado. Utilize um osciloscópio que tenha uma largura de banda maior que a frequência máxima de interesse para obter leituras confiáveis ​​e reprodução precisa da forma de onda.

É importante ter em mente que a taxa de amostragem, largura de banda e resolução que foram especificadas são as necessidades básicas do osciloscópio para que ele funcione corretamente.

O desempenho de um osciloscópio em configurações do mundo real pode ser afetado por diversos fatores, como qualidade do sinal, parâmetros da ponta de prova e níveis de ruído ambiente.

As características do osciloscópio precisam ser cuidadosamente revisadas à luz das medições planejadas para serem feitas com o instrumento, bem como do ambiente em que ele será usado.

Conclusão
Conhecer a taxa de amostragem, largura de banda e resolução de um osciloscópio digital é vital para aproveitá-lo ao máximo. A largura de banda de um osciloscópio garante que ele medirá corretamente os sinais dentro da faixa de frequência especificada, enquanto a taxa de amostragem define com que precisão eles serão capturados.

A resolução de um osciloscópio afeta sua capacidade de detectar e mostrar mudanças sutis em um sinal ditando o menor aumento de tensão que pode ser exibido fielmente. A seleção de um osciloscópio que atenda às suas demandas de medição e garanta uma análise de sinal precisa e confiável é possível levando em consideração a interação entre esses parâmetros e elementos do mundo real, como ruído e qualidade do sinal.

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