Comment les oscilloscopes numériques atteignent-ils des taux d'échantillonnage aussi élevés?

Du point de vue de la saisie des données, comment cela est-il réalisé? Si je voulais mettre en place un appareil numérique fait maison pour capturer des signaux analogiques haute fréquence, quelles sont mes options? Jusqu'ici, je n'ai trouvé que des idées de conceptions plutôt inutiles!

Avec un microprocesseur PIC, la fréquence d'échantillonnage A / N sur une série 18f semble être de l'ordre de 1 Mhz avec une précision de 10 bits si j'ai raison (?). Et je ne peux pas imaginer de puces dédiées A / D beaucoup mieux, comment les oscilloscopes modernes atteignent-ils les fréquences dans le GHz?

Le DSO Rigol 1052E d'entrée de gamme (celui que je possède et capable de changer de logiciel à 100 MHz) utilise un AD9288 d'Analog Devices. Il s’agit d’un CAN double canal avec sorties parallèles à 8 bits et échantillons à 40 ou 100 millions d’échantillons par seconde (selon le degré de vitesse de la puce). Bien que le Rigol consomme 1 Go d’échantillons par seconde, je ne sais donc pas s’ils multiplexent ceux-ci ou ce qui leur donne exactement 10 fois les échantillons de la puce unique.

L'AD9288 est doté d'un convertisseur de type pipeline bit par étage pour les 5 bits MSB et utilise une mémoire flash de 3 bits pour les 3 derniers bits de poids faible. Cela a du sens, car la magnitude supérieure devrait être plus facile à convertir rapidement avec les pipelines. Comme le dit Steven, le nombre de bits échantillonnés via la conversion flash augmentera à mesure que votre vitesse ADC augmente.

Je présume qu'ils utilisent des convertisseurs ADC Flash . Celles-ci ont l’avantage que la conversion est immédiate, tandis que les convertisseurs analogiques SA (approximation successive), tels qu’ils sont utilisés dans la plupart des microcontrôleurs, exécutent un algorithme qui nécessite un certain nombre d’étapes. Les ADC Flash ont l’inconvénient d’avoir un matériel lourd (un ADC 8 bits compte 255 comparateurs), mais la plupart des scopes n’ont pas une résolution très élevée. (Les oscilloscopes analogiques étaient souvent précis à 3%, ce qui se traduit par 5 bits.)

Jodes, votre commentaire indique que vous avez obtenu votre réponse, mais la solution ne se limite pas aux ADC Flash. Consultez la note d'application Agilent intitulée " Techniques permettant d'obtenir des largeurs de bande supérieures à 16 GHz pour les oscilloscopes ". J'avais l'habitude de travailler sur ce campus (mais ne prétend pas avoir une expérience détaillée de la portée). Agilent à Colorado Springs est la plaque tournante mondiale des connaissances liées au traitement du signal multi-gigahertz. Ils ont travaillé sur une solution 32GHz pendant des annéeset vient de commencer à expédier l'année dernière. Les sondes actives et la microélectronique qui effectuent le traitement du signal sont extrêmement sophistiquées. Découvrez l'intégralité de la bibliothèque de documents relatifs aux oscilloscopes DSO et DSA hautes performances Infiniium 90000 X-Series d'Agilent. Google it - l'URL est moche et je ne suis pas sûr qu'ils offrent un lien permanent vers la page de la bibliothèque. Vous voudrez peut-être aussi jeter un coup d’œil sur les brevets connexes.

Les fabricants d’oscilloscopes font de la publicité avec un «taux d’échantillonnage équivalent». Ce n'est pas un taux d'échantillonnage en direct. Il s'agit d'un taux d'échantillonnage effectué en utilisant des échantillons de plusieurs périodes et en prenant des échantillons à différents moments du signal. En les combinant, vous obtenez un «taux d'échantillonnage équivalent» plus élevé. Donc, si vous aviez un CAN 100 MSPS et que vous le fassiez 10 fois (vraiment mal!), Vous obtenez 1GSPS.

C'est mauvais parce que votre signal est périodique, ce qui n'est pas toujours le cas.

Ce qui est important d’un oscilloscope, c’est le taux d’échantillonnage unique. C'est également une fonctionnalité que vous êtes susceptible d'utiliser (capturer une réponse étape par exemple), ou de regarder de près un signal non-dansant. Cela donne une indication de ce que le matériel est capable de faire, pas "poli" par logiciel. Le matériel peut être entrelacé, c’est-à-dire en utilisant plusieurs convertisseurs CAN haute vitesse et en chronométrant les signaux de «démarrage de la conversion» au bon moment. C'est aussi la raison pour laquelle certaines étendues auront des fréquences d'échantillonnage plus élevées en mode monocanal qu'en mode double canal. Votre série PIC18 typique ne dispose que d'un convertisseur ADC 1x, mais de plusieurs canaux (avec un multiplex analogique).

En outre, les puces ADC dédiées peuvent être beaucoup, beaucoup plus rapides. 100 MSPS n'est pas trop difficile à trouver. Jetez un coup d'oeil ici, National les annonce comme ultra haute vitesse. Je ne sais pas comment ils fonctionnent exactement, je vois que les 3GSPS utilisent déjà l'entrelacement interne.

http://www.national.com/en/adc/ultra_high_speed_adc.html

Le Rigol 1052E mentionné par Joe est un excellent exemple de la façon de procéder efficacement et à moindre coût. Il utilise une pile de CAN indépendants, dont le taux d'échantillonnage est plus lent, et les synchronise en décalage. De cette façon, les échantillons sont extraits de chaque ADC à tour de rôle.

Il est évident que votre minutage doit être extrêmement précis pour le faire de cette façon, et il semble que le 1025E utilise un PLD à cet effet - et étant donné que la même carte possède également un FPGA associé au traitement du signal entrant, il semble que le PLD (qui est beaucoup moins puissant mais avec un routage interne plus prévisible) a été ajouté en raison de sa capacité à générer et à traiter des signaux avec une synchronisation très précise.

Ils entrelacent les multiples compteurs avec des horloges légèrement déphasées les unes des autres, obtenant ainsi 5 fois le taux d'échantillonnage d'une puce unique. De plus, pour un signal périodique, il existe une astuce utilisée par de nombreux oscilloscopes modernes, à savoir une horloge d'échantillonnage déphasée par rapport au signal mesuré, de sorte que sur des échantillons successifs, une partie différente de la forme d'onde est en cours de traitement. échantillonné, bien que dans un cycle différent de cette forme d'onde. Ensuite, après avoir prélevé suffisamment d'échantillons, ils peuvent ensuite reconstruire le signal s'ils peuvent déterminer la fréquence fondamentale de la forme d'onde mesurée (beaucoup plus facile à faire). Avoir un sens?