Oscilloscopen worden aangeboden met verschillende bandbreedtes en sample rates. Welke bandbreedte is het meest geschikt? Meer is beter natuurlijk, maar oscilloscopen met een hogere bandbreedte zijn duurder en het budget is niet oneindig.

Frequenties en signalen

Voordat we het over bandbreedte gaan hebben, moeten we eerst uitleggen hoe signalen zijn opgebouwd. Wanneer we het over de frequentie van een analoog signaal hebben, hebben we het altijd over de frequentie van een sinusgolf. Afbeelding 1 laat een sinusgolf zien. In de afbeelding zijn twee periodes van de golf te zien. De periode is de tijd waarbinnen de sinusgolf op en neer gaat. De periode en frequentie zijn omgekeerd evenredig. De frequentie kan uitgerekend worden met de volgende formule: $$f = \frac{1}{D},$$ waarbij \(f\) de frequentie is en \(D\) de periode. In afbeelding 1 is de period 100 ms en de frequentie dus 10 Hz.

Sinusgolf
Afbeelding 1: Twee periodes van een sinusgolf worden hier weergegeven.

Niet-sinusvormige signalen

De sinusgolf is een belangrijke signaalvorm. Ieder periodiek ofwel herhalend signaal bestaat uit een opsomming van sinusgolven. De afbeelding hieronder laat een blokgolf zien. Omdat een blokgolf rechte hoeken heeft, is het moeilijk voor te stellen dat een blokgolf ook opgebouwd is uit sinusvormen. De afbeelding hieronder laat echter zien dat dit mogelijk is. De blokgolf bestaat uit één basisgolf met daarop sinusgolven met steeds hoger wordende frequenties, dit worden de harmonischen genoemd. Hoe meer harmonischen, hoe beter het signaal op de blokgolf lijkt. Een perfecte blokgolf bestaat uit oneindig veel harmonischen en bestaat hierdoor in de praktijk niet.

Blokgolf opgebouwd uit sinusgolven
Afbeelding 2: Een blokgolf is opgebouwd uit tientallen sinusgolven. (Origineel)

Wanneer we het in dit artikel hebben over de frequentie van een signaal, dan hebben we het over de frequentie van een sinusgolf, of over de frequentie van een harmonische.

Bandbreedte en sample rate

Nu we kort de beginselen van harmonischen en frequenties onder de knie hebben, kunnen we terug naar de oscilloscoop. Afbeelding 3 is een globaal schema van een digitale oscilloscoop. Het signaal gaat via de probe naar de analoge frontend. In de analoge frontend wordt het signaal versterkt en gefilterd. Daarna wordt het gesampled en geconverteerd naar een digitaal signaal. Het digitale signaal wordt daarna weergegeven op het scherm.

Globaal diagram van oscilloscoop
Afbeelding 3: Blokdigram van het signaalpad in een oscilloscoop.

De probe en de analoge frontend hebben ieder een bandbreedte. De bandbreedte geeft aan tot welke frequentie signalen nog worden doorgegeven. Signalen met een hogere frequentie dan de bandbreedte worden gedempt. De overgang tussen signalen die wel en niet worden doorgegeven is echter niet direct. Signalen met een frequentie tegen de bandbreedte worden al gedempt. De afbeelding hieronder laat dit goed zien. De bandbreedte is de frequentie waarop de demping van de signalen 30% (3dB) is.

Banbreedte
Afbeelding 4: De bandbreedte is de frequentieband tot de frequentie waarop het signaal met 3dB wordt gedempt.

Nadat het signaal is gefilterd door de analoge frontend, wordt het signaal gesampled. Met een vast interval wordt het signaal gemeten en gedigitaliseerd. Het gedigitaliseerde signaal wordt later weergegeven op het scherm van de scope. Een sinusgolf dient meerdere keren per periode gesampled te worden om er goed uit te zien op het scherm van de scope. Per periode dient de sinusgolf minimaal 5, maar liever 20 keer gesampled te worden om er goed uit te zien op het scherm. Een sinus met een frequentie van 10Hz dient dus 50 tot 200 keer per seconde gesampled te worden.

In de praktijk

In de praktijk worden zelden perfecte sinusgolven gemeten, maar ook andere signalen, zoals blokgolven. En als een signaal wordt bekeken, wilt u vaak ook zien hoe het signaal er in detail uitziet. Daarom dient de bandbreedte van de scope een stuk hoger te zijn dan de frequentie van het te meten signaal. Wanneer bijvoorbeeld een motor wordt aangestuurd met een 20 kHz blokgolf, is een minimale bandbreedte van 200 kHz nodig, maar 500 kHz is beter.

Zorg er altijd voor dat de bandbreedte van de probe hoog genoeg is. Het is het gemakkelijkst als de bandbreedte van de probe minimaal even hoog is als de bandbreedte van de oscilloscoop.

Bij onze oscilloscopen wordt altijd de bandbreedte vermeld, net zoals de sample rate in Mega Samples per seconde MS/s. In de praktijk is bij de meeste oscilloscopen de sample rate een stuk hoger dan de bandbreedte.

We hopen dat dit artikel helpt bij de selectie van bandbreedte. Mocht je nog vragen hebben, neem dan even contact met ons op.