Osciloscópio barato mostrando onda quadrada de 16 MHz

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Eu possuo um osciloscópio barato Hantek DSO4102C. A largura de banda nominal é de 100 MHz e a taxa de amostragem é de 1 GSa / s. Algumas informações sobre a ferramenta podem ser encontradas aqui: http://hantek.com/en/ProductDetail_3_4163.html
Agora eu tenho um Atmega328P MCU rodando em um quartzo externo a 16 MHz, sem nenhum código (chip apagado pelo usbasp), apenas o bit de fusível CKOUT está definido. Então, eu deveria ver uma onda quadrada no pino PB0, mas meu escopo mostra-o bastante distorcido:
a folha de dados do MCU não menciona um tempo de subida do pino, o que foi uma grande surpresa para mim, por isso não posso verificar se 9,5 ns medidos é válido valor. Mas, a julgar pela tensão Pk-Pk superior a 6 volts (e mesmo abaixo de zero para bons 560 mV), acredito que haja um problema com o escopo. Estou certo?

ADICIONADO MAIS TARDE, APÓS OBTER ALGUNS CONSELHOS Montei tudo em uma tábua de pão, em vez de usar o Arduino Uno. Conectei o clipe de aterramento da mira ao pino de aterramento do ATMega com um fio na tábua de pão. Estou medindo diretamente no pino de saída (veja a foto do meu layout abaixo). Agora estou obtendo melhores resultados, também com oscilador de 20 MHz. Obviamente, os valores de Pk-Pk estão agora mais próximos da realidade, bem como da forma do sinal. Então, obrigado a todos pela ajuda!

oscilloscope

— Zhenek
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Suas sondas são compensadas corretamente? Além disso, você pode tentar com uma sonda diferente?

— Steve G

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Você poderia adicionar uma foto de como está analisando o sinal? Ou seja, como exatamente sua sonda está conectada ao circuito.

— marcelm

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Verifique se a sonda está na posição x10, se o ajuste de compensação está feito e se o fio terra está conectado a um plano muito próximo ao terra do MCU. Você também pode executar o assistente de análise e as rotinas automáticas.

— Spehro Pefhany

Você DEVE fazer o que Spehro diz antes de começar a se perguntar sobre o que o 'escopo' está fazendo com os sinais. 1. Conecte os clipes de aterramento da sonda ao ponto de aterramento do sistema o mais próximo possível do ponto de sinal. 2. Suas sondas possuem um parafuso de ajuste. Geralmente acessível através de um orifício na lateral da sonda. Ajuste isso até que a forma de onda apareça "mais quadrada". Observe que isso pode não ser o ideal se a forma de onda não for quadrada, mas é um bom começo nesse caso. || Mesmo tendo em vista as dicas levantadas nos bons conselhos de outras pessoas, eu não ficaria surpreso se você pudesse obter um resultado mais quadrado do que está vendo.

— Russell McMahon

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Nunca se pode gerar uma onda quadrada perfeita , pois os fios, etc. sempre têm algum (pequeno) efeito capacitor e indutor.

— Willem Van Onsem

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Eu acredito que há um problema com o escopo. Estou certo?

Não pense assim. O overshoot é um fenômeno perfeitamente normal ao medir um sinal de borda rápida com uma sonda de alta impedância. (Além disso, esses sinais parecem tão nítidos quanto eu esperava que fossem.)

Existem muitos tutoriais sobre a detecção de sinais de alta velocidade: este é o momento perfeito para ler um!

Ah, e há o fenômeno de Gibb, que diz que qualquer observação limitada por banda de uma borda perfeita teórica (ou muito menos limitada por banda) terá cerca de 9% de superação; para entender isso, recomendo olhar para a representação em série cosseno da onda quadrada e considerar o que você cortará quando se livrar de algo acima de 5 × 16 MHz (= a frequência fundamental da sua onda quadrada).

— Marcus Müller
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Na função de medição do OP : eu acreditaria na frequência de 16.00MHz (esses escopos usam uma base de tempo de cristal). Mas 9.500 ns em tempo de espera ? Isso é suspeito, especialmente com resolução de 1ps? E o 6.16V Pk-Pk frequentemente percorre todo o registro de amostra para encontrar a extensão máxima ... (eu entendo cerca de 5,2V, depois de instalar). Portanto, o veredicto de Marcus é razoável - uma investigação mais cuidadosa provavelmente dá resultados diferentes - aprende a confiar em algumas funções de medida , a não confiar em outras.

— glen_geek

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A afirmação sobre o fenômeno de Gibbs e superações só é verdadeira se o que limita a largura de banda introduzir mudanças de fase dependentes da frequência, bem como ganho dependente da frequência. É possível compensar a superação contra o tempo de subida (ou taxa de variação), por exemplo.

— Alephzero 01/09/19

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@alephzero: Ou, para expressar isso em conceitos mais gerais, a forma de uma onda limitada por banda, em comparação com sua forma ideal ilimitada, depende exatamente de como a limitação de banda é realizada. O fenômeno "clássico" de Gibbs é apenas o caso de um método de filtragem de corte perfeito ("parede de tijolos") que zera todas as harmônicas acima de uma frequência limiar, mantendo perfeitamente as que estão abaixo. Isso, por si só, é uma idealização de arquivadores reais e nenhum filtro real se comporta dessa maneira.

— The_Sympathizer 01/09/19

@ The_Sympathizer: De fato, é possível projetar filtros de maneira a garantir que não produza superação. Provavelmente o exemplo mais simples é um filtro C paralelo-série-R. Em muitos casos, tolerar uma certa quantidade de overshoot tornará possível ter um formato de onda mais próximo da onda de entrada, mas em algumas aplicações pode ser mais importante evitar o overshoot (por exemplo, porque os sinais de interesse são muito mais baixos do que a frequência de corte e é necessário permitir que a saída atinja a escala completa).

— Supercat

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Lembre-se de que, se você tiver um filtro de parede de tijolos de 100MHz (caixa ideal) com uma onda quadrada perfeita de 16MHz, os únicos harmônicos que você verá serão 1 (16MHz), 3 (48MHz) e 5 (80MHz). Esse é um caso ideal, mas se você fizer os cálculos, verá que o resultado não está muito longe do que está vendo.

No caso não ideal, é claro, o carregamento e a compensação da sonda terão efeitos distorcidos adicionais, e a forma de onda não será perfeitamente quadrada para começar.

— Polychronopolis de Cristobol
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Simulei isso no LTspice, com um pouco de atraso de fase e amplitude reduzida nas frequências mais altas, e produzi uma forma de onda quase idêntica à do questionador.

— Bruce Abbott

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Marcus Müller menciona o fenômeno Gibbs , que produz artefatos tocando em um sinal limitado por largura de banda, e Cristobol Polychronopolis menciona que sua largura de banda de 100 MHz reduzirá a amplitude de harmônicas além da terceira no sinal de 16 MHz.

Para simplificar e apenas para ter uma idéia do que está acontecendo com as formas de onda, podemos representar graficamente o caso ideal da Cristobol apenas dos três primeiros harmônicos :

Observe que é isso que um escopo perfeito com um filtro de parede de tijolos de 100 MHz perfeito mostraria, se receber uma onda quadrada. Portanto, não, seu escopo não é quebrado quando você vê o toque nas formas de onda: está exibindo o que vê após a distorção introduzida pelas sondas e pelo front end analógico e pela filtragem imperfeita antes da digitalização.

Isso é algo que você precisa aprender a lidar: sempre que você examina um circuito com um osciloscópio, ele muda (espero que não seja muito) as formas de onda naquele ponto no circuito e, em seguida, ocorrem mais distorções entre a ponta da sonda e o osciloscópio. exibição. Como você não pode evitar isso, é essencial um bom entendimento de quais distorções provavelmente estão acontecendo ao usar um osciloscópio, particularmente em circuitos de frequência relativamente alta.

— Curt J. Sampson
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Além do que foi dito sobre a compensação da sonda e a escolha da sonda, um sinal de 16MHz de um IC em execução na velocidade nominal nem sempre será tão rápido no tempo de espera que pareça uma onda quadrada perfeita. Para conseguir isso, você teria que usar estágios de saída que seriam perfeitamente capazes de manipular sinais na faixa de 100MHz. Projetar um IC como um MCU para ser o mais rápido possível seria apenas desperdiçar energia e criar problemas de compatibilidade eletromagnética.

— rackandboneman
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