Oscilloscopi

Un oscilloscopio è un dispositivo che cattura un segnale di tensione in ingresso e lo converte in una forma d'onda di tensione in funzione del tempo correttamente scalata che viene visualizzata su una griglia in scala. L'oscilloscopio è dotato di un circuito di trigger che definisce quando il segnale di ingresso deve essere catturato e visualizzato e di un front-end a guadagno variabile che consente la regolazione del segnale (tensione verticale) per accettare un'ampia gamma di ampiezze del segnale di ingresso. Una regolazione orizzontale (base temporale o scansione) definisce il periodo di tempo per acquisire il segnale.

Molti affermeranno di aver inventato l'oscilloscopio analogico, ma Tektronix può giustamente affermare di aver inventato il primo oscilloscopio a scansione triggerata (analogico), che ha notevolmente migliorato l'utilità e la versatilità dello strumento.

Walter LeCroy e il suo team di progettazione presso LeCroy Corporation (ora Teledyne LeCroy) nel 1985 hanno rilasciato il primo oscilloscopio a memoria digitale (DSO, o ora semplicemente indicato come oscilloscopio digitale) - denominato Modello 9400 - che replicava e migliorava le caratteristiche e le capacità degli oscilloscopi analogici fino ad allora utilizzati. Il Modello 9400 aveva una larghezza di banda (125 MHz) equivalente a quella disponibile in un oscilloscopio analogico (all'epoca) e poteva catturare continuamente un segnale per un lungo periodo di tempo utilizzando 32,000 punti campione (all'epoca, una lunghezza di registrazione di acquisizione sorprendentemente lunga). ). Si potrebbe avanzare una debole affermazione secondo cui il digitalizzatore di forme d'onda WD2000 di LeCroy (lanciato nel 1971) è stato il primo oscilloscopio a memoria digitale, ma la lunghezza della registrazione era limitata a 20 punti campione e l'architettura non poteva facilmente adattarsi a lunghezze di registrazione più lunghe. Leggi la storia completa qui https://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

Walter LeCroy e il suo team di progettazione presso LeCroy Corporation (ora Teledyne LeCroy) nel 1985 hanno rilasciato il primo oscilloscopio a memoria digitale (DSO, o ora semplicemente indicato come oscilloscopio digitale) - denominato Modello 9400 - che replicava e migliorava le caratteristiche e le capacità degli oscilloscopi analogici fino ad allora utilizzati. Il Modello 9400 aveva una larghezza di banda (125 MHz) equivalente a quella disponibile in un oscilloscopio analogico (all'epoca) e poteva catturare continuamente un segnale per un lungo periodo di tempo utilizzando 32,000 punti campione (all'epoca, una lunghezza di registrazione di acquisizione sorprendentemente lunga). ). Si potrebbe avanzare una debole affermazione secondo cui il digitalizzatore di forme d'onda WD2000 di LeCroy (lanciato nel 1971) è stato il primo oscilloscopio a memoria digitale, ma la lunghezza della registrazione era limitata a 20 punti campione e l'architettura non poteva facilmente adattarsi a lunghezze di registrazione più lunghe. Leggi la storia completa quihttps://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

Gli oscilloscopi accettano segnali di tensione come ingressi. Una sonda o un sensore deve essere utilizzato per convertire un segnale non di tensione (ad esempio, un segnale di corrente, un segnale di campo magnetico) in un segnale di tensione, correttamente scalato nelle unità appropriate. Sonde o sensori per misurare la corrente sono comunemente disponibili presso i produttori di oscilloscopi, mentre i sensori per misurare altre unità sono ampiamente disponibili. La maggior parte degli oscilloscopi di livello professionale fornisce supporto per la riscalatura comune (ad esempio, da Volt ad Ampere) e molte altre unità, ma se questa è una caratteristica importante per le proprie esigenze, è meglio verificare il supporto per la riscalatura all'interno dell'oscilloscopio prima dell'acquisto, in particolare se il sensore ha un rapporto ingresso/uscita non lineare.

Webinar di riferimentoParte 7: Come posso effettuare una misurazione della corrente con un oscilloscopio?eParte 8: Come si misura la corrente su un oscilloscopio utilizzando un resistore shunt?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2023 per altri dettagli.

LaStandard IEEE 1057 per la digitalizzazione dei registratori di forme d'ondaspecifica la larghezza di banda analogica di un oscilloscopio digitale come la frequenza alla quale la risposta in ampiezza è -3 dB (che equivale al 70.7%) della risposta alla frequenza di riferimento (che per un oscilloscopio è CC). Sebbene possa sembrare fonte di confusione avere una specifica di larghezza di banda analogica in un oscilloscopio digitale, l'oscilloscopio digitale ha molti componenti amplificatori analogici prima della parte che digitalizza e memorizza il segnale.

La larghezza di banda richiesta per l'acquisizione e la misurazione dei segnali dipende in gran parte dai segnali da misurare, dai tipi di misurazioni da effettuare e dalla precisione desiderata delle misurazioni. Una regola pratica utilizzata dalla maggior parte degli ingegneri è quella di disporre di un oscilloscopio con una larghezza di banda tre volte superiore a quella del segnale a frequenza più alta che desiderano misurare, sebbene ciò diventi poco pratico per segnali a frequenza molto elevata.

Fare riferimento alla definizione di larghezza di banda dell'oscilloscopio nelle domande frequenti (sopra). La maggior parte degli oscilloscopi si avvicina lentamente alla frequenza nominale della larghezza di banda di -3 dB, iniziando con una leggera attenuazione dell'ampiezza al 50% (o giù di lì) della frequenza nominale della larghezza di banda. Ciò significa che se la risposta in ampiezza dell'oscilloscopio è -1 dB al 70% della larghezza di banda nominale e -2 dB all'85% della larghezza di banda nominale, l'ampiezza della sinusoide pura catturata sarà circa il 90% (-1 dB) o l'80% (-2 dB) e 70% (-3 dB) rispetto a quando la frequenza sinusoidale di ingresso si avvicina alla larghezza di banda nominale dell'oscilloscopio. Tuttavia, la maggior parte degli ingegneri non misura le sinusoidi pure con il proprio oscilloscopio. Si noti che gli oscilloscopi con larghezza di banda più elevata possono avere una risposta in ampiezza più piatta (minore attenuazione dell'ampiezza) o regolabile, per una serie di motivi.

Più probabilmente, un ingegnere sta misurando un segnale che assomiglia a un'onda quadra. In questo caso, è noto che un'onda quadra può essere rappresentata come un'espansione in serie di Fourier composta dalla somma della frequenza fondamentale e delle armoniche dispari, con l'N-esima armonica che contribuisce con un'ampiezza 1/N a quella frequenza. Ciò significa che per rappresentare accuratamente un'onda quadra, è necessaria una larghezza di banda sufficiente per catturare la frequenza fondamentale e un numero sufficiente di armoniche dispari. Quante armoniche dispari sono "sufficienti" (e quanta larghezza di banda è necessaria) è determinato dalla tolleranza del tecnico per una misurazione del tempo di salita sull'oscilloscopio che sia più lenta del segnale reale e dalla quantità di superamento additivo e di risonanza presenti sul segnale misurato. segnale. Se viene catturata solo la 3a armonica, il tempo di salita sarà sensibilmente più lento e il superamento e il suono saranno evidenti rispetto alla cattura della 99a armonica (nel qual caso il segnale catturato sarà indistinguibile dal segnale di ingresso originale).

Questo ci riporta alla risposta originale che viene data più spesso alla domanda “quanta larghezza di banda è necessaria?” – circa 3 volte la larghezza di banda del segnale a frequenza più alta. Ma cosa significa “frequenza più alta”? In questo contesto, la maggior parte degli ingegneri pensa alla capacità di misurazione del tempo di salita dell'oscilloscopio (che è correlata alla larghezza di banda). Se un ingegnere volesse misurare un segnale con un tempo di salita di 1 ns, non sceglierebbe un oscilloscopio con un tempo di salita di 1 ns (un oscilloscopio di questo tipo avrebbe tipicamente una larghezza di banda di 350 MHz), ma sceglierebbe un oscilloscopio con una larghezza di banda 3x quello (o 1 GHz).

Webinar di riferimentoParte 2: Di quanta larghezza di banda ho bisogno nel mio oscilloscopio?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2023 per altri dettagli.

La risoluzione è il numero di livelli di quantizzazione del convertitore analogico-digitale (ADC), con un ADC a N bit con 2N livelli di quantizzazione. Ad esempio, un oscilloscopio a 8 bit ha 28 = 256 livelli di quantizzazione mentre a 12-bit l'oscilloscopio ha 212 = 4096 livelli di quantizzazione. Si noti che il numero di bit (livelli di quantizzazione) nell'ADC non garantisce che il resto del percorso del segnale dell'oscilloscopio (in particolare i componenti analogici) avrà prestazioni di rumore degne di un ADC ad alta risoluzione. Pertanto, un oscilloscopio ad alta risoluzione pubblicizzato potrebbe funzionare in modo non diverso da un oscilloscopio convenzionale con risoluzione a 8 bit. RiferimentoConfronto tra gli approcci alla progettazione dell'oscilloscopio ad alta risoluzioneper ulteriori dettagli sui compromessi che molti produttori di oscilloscopi adottano quando progettano oscilloscopi ad alta risoluzione. Webinar di riferimentoParte 1: Cos'è la risoluzione dell'oscilloscopio?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2023 per altri dettagli.

Un oscilloscopio ad alta risoluzione è qualsiasi oscilloscopio pubblicizzato come tale e che utilizza hardware migliorato, filtraggio software (che riduce la larghezza di banda e la frequenza di campionamento) o una combinazione di entrambi per fornire una risoluzione e un rapporto segnale-rumore migliorati rispetto a un oscilloscopio convenzionale. Oscilloscopio a 8 bit. L'affermazione di marketing di un'alta risoluzione non è garanzia di prestazioni nel mondo reale. Le dichiarazioni di alta risoluzione specifica dell'ADC, o miglioramenti nel rumore di base o nel rapporto segnale-rumore possibili solo con larghezze di banda ridotte, sono segnali di allarme che la cosiddetta alta risoluzione non sarà realisticamente raggiunta in tutte le normali condizioni operative dell'oscilloscopio. . RiferimentoConfronto tra gli approcci alla progettazione dell'oscilloscopio ad alta risoluzioneper ulteriori dettagli.

Non c'è differenza: questi sono solo due modi per esprimere la stessa cosa, anche se va notato che Teledyne LeCroy ha un marchio registrato sul nome High Definition Oscilloscope e sull'acronimo HDO, essendo stata la prima azienda di oscilloscopi a offrire 12-bit oscilloscopi ad alta risoluzione che forniscono sempre 12 bit senza riduzione della frequenza di campionamento o della larghezza di banda.

Un oscilloscopio a segnali misti (MSO) si riferisce comunemente a un oscilloscopio dotato di canali di ingresso sia analogici che digitali (logici). Una configurazione comune prevede 4 canali di ingresso analogici più 16 canali di ingresso logici digitali. I canali di ingresso logico digitale possono preservare i canali di ingresso analogico più scarsi (e più costosi) per segnali che richiedono le loro capacità, mentre i canali di ingresso logico digitale possono essere utilizzati per semplici segnali di commutazione o logici, o dati seriali a bassa velocità (ad esempio, I2C , SPI, UART, ecc.).

Oscilloscopio a dominio misto (MDO) è un termine di marketing per un oscilloscopio che fornisce un tipo di ingresso o conversione in radiofrequenza (RF) per acquisire segnali sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza. Se viene fornito un ingresso RF dedicato, le funzionalità possono essere simili a quelle di un analizzatore di spettro. Le tecniche software di trasformata veloce di Fourier (FFT) possono essere utilizzate per fornire funzionalità simili senza un ingresso RF dedicato (e costoso).

La precisione dell'ampiezza di un oscilloscopio è composta da molti componenti diversi e varia a seconda della risoluzione dell'oscilloscopio, del percorso di ingresso, del contenuto della frequenza di ingresso, dell'eventuale utilizzo di una sonda, ecc. La precisione dell'ampiezza può variare da migliore dell'1% per un 12-bit oscilloscopio ad alta definizione (HDO®) con ingresso del segnale via cavo, al 5% (o più) per un oscilloscopio a 8 bit che funziona con una sonda attiva accoppiata all'oscilloscopio tramite la terminazione da 50 Ω. Sebbene queste accuratezze possano sembrare basse rispetto a un voltmetro digitale (DVM), un oscilloscopio offre molte più funzionalità di un DVM.

RiferimentoParte 1: Qual è la differenza tra risoluzione, precisione e sensibilità dell'oscilloscopio?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break 2024 per ulteriori dettagli.

La sensibilità è la più piccola variazione del segnale che può essere visualizzata nell'oscilloscopio. Un oscilloscopio con elevata sensibilità può essere utilizzato per visualizzare segnali più piccoli rispetto a un oscilloscopio con sensibilità inferiore. La regolazione della sensibilità sull'oscilloscopio viene effettuata utilizzando l'impostazione del guadagno verticale (volt/divisione). Si noti che un'elevata sensibilità non è necessariamente correlata a un'elevata precisione e che un'impostazione del guadagno verticale analogico indicativa di un'elevata sensibilità (ad esempio, 1 o 2 mV/div) può essere limitata nell'utilità dalla risoluzione dell'ADC o dal rumore nell'oscilloscopio. RiferimentoParte 1: Qual è la differenza tra risoluzione, precisione e sensibilità dell'oscilloscopio?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break 2024 per ulteriori dettagli.

Storicamente, un ingegnere considererebbe il tempo di salita correlato alla larghezza di banda secondo la formula TR(s) = 0.35/larghezza di banda (Hz), dove TR è il tempo di salita del 10-90% (come definito dall'IEEE). Questa formula era (per lo più) vera in un'epoca in cui le larghezze di banda dell'oscilloscopio erano molto basse (1 GHz o meno) e le attenuazioni dell'ampiezza erano molto graduali. Questa formula può ancora essere valida per gli oscilloscopi con larghezza di banda inferiore.

Gli oscilloscopi odierni con larghezza di banda più elevata, o gli oscilloscopi con percorsi del segnale più complessi e a basso rumore, potrebbero aderire alla formula TR(s) = 0.35/larghezza di banda (Hz) per i modelli all'estremità inferiore (larghezza di banda) della linea di prodotti, ma aderiscono a TR (s) = 0.4/larghezza di banda (Hz) o forse avvicinarsi a TR(s) = 0.45/larghezza di banda (Hz) (o superiore, in alcuni casi) per i modelli con larghezza di banda massima. Il motivo del numeratore più basso nei modelli con larghezza di banda inferiore è che probabilmente utilizzano un percorso del segnale analogico che ha più headroom ad alta frequenza per un'attenuazione di ampiezza più lenta rispetto ai modelli con larghezza di banda più alta. Sul modello di oscilloscopio con la larghezza di banda più alta di una serie di prodotti, il percorso del segnale analogico probabilmente ha raggiunto un limite superiore e rigido sulla risposta in ampiezza e la risposta in ampiezza si attenua rapidamente oltre tale limite, il che si traduce in un tempo di salita più lento (e un numeratore più alto) a causa alla risposta ad alta frequenza altamente attenuata oltre la larghezza di banda nominale dell'oscilloscopio.

Webinar di riferimentoParte 3: In che modo il tempo di salita è correlato alla larghezza di banda in un oscilloscopio?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2023 per altri dettagli.

Un oscilloscopio digitale digitalizza i segnali attraverso convertitori analogico-digitali (ADC) che campionano e mantengono i valori di tensione per creare punti campione discreti. I punti di campionamento vengono registrati a una determinata frequenza (intervallo di tempo) e la frequenza di campionamento viene definita Campioni/secondo.

Webinar di riferimentoParte 4: Cos'è la frequenza di campionamento dell'oscilloscopio e quanta ne ho bisogno?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2023 per altri dettagli.

La frequenza di campionamento minima necessaria, secondo il teorema di Nyquist, è doppia rispetto alla frequenza che si desidera misurare. In un oscilloscopio digitale, questo viene comunemente interpretato come frequenza di campionamento e deve essere almeno il doppio della larghezza di banda nominale dell'oscilloscopio. Tuttavia, l'oscilloscopio di solito non ha una risposta in ampiezza oltre la larghezza di banda nominale e trasmetterà alcuni contenuti ad alta frequenza oltre la larghezza di banda nominale. Pertanto, la maggior parte degli oscilloscopi fornisce un rapporto minimo tra frequenza di campionamento e larghezza di banda pari a 2.5. Questo può essere considerato il minimo per ricostruire un'onda sinusoidale da punti campione digitali.

Per ricostruire con precisione forme di segnale più complesse da punti campione digitali, gli ingegneri desiderano comunemente 5 o forse fino a 10 punti campione su un fronte di salita. Se un tecnico segue la regola pratica comune di selezionare un oscilloscopio tre volte più veloce del segnale che desidera misurare (webinar di riferimentoParte 2: Di quanta larghezza di banda ho bisogno nel mio oscilloscopio?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2023 per altri dettagli o nelle domande frequenti dal titolo simile), è possibile gestire facilmente da 5 a 10 punti campione su un fronte di salita.

Webinar di riferimentoParte 4: Cos'è la frequenza di campionamento dell'oscilloscopio e quanta ne ho bisogno?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2023 per altri dettagli.

La memoria di acquisizione è quella utilizzata per memorizzare i punti campione dell'oscilloscopio digitale per richiamarli su un display o per un'ulteriore elaborazione per effettuare misurazioni, eseguire calcoli matematici, ecc.

La memoria di acquisizione dell'oscilloscopio memorizza i punti campione dell'oscilloscopio del segnale digitalizzato, mentre l'unità di elaborazione centrale (CPU) che alimenta le funzioni dell'oscilloscopio dispone di una propria memoria ad accesso casuale (RAM) per soddisfare le esigenze della CPU.

La profondità della memoria è solo un altro modo per descrivere la lunghezza totale della memoria di acquisizione, sia in punti (ad esempio, kilopunti (kpts), megapunti (Mpts), Gigapoint (Gpts)) o in campioni (ad esempio, megasamples (MS)).

Un numero maggiore di campioni (o punti) fornisce una maggiore capacità di acquisire intervalli di tempo continui molto lunghi prima di dover ridurre la frequenza di campionamento. Il numero di campioni di cui un ingegnere ha bisogno dipende dalla larghezza di banda dei segnali che un ingegnere desidera acquisire, dalla risoluzione temporale con cui un ingegnere desidera acquisire tali segnali e dalla quantità di tempo continuo che un ingegnere desidera acquisire.

Se un oscilloscopio avesse una frequenza di campionamento di 10 GS/s e 1 GS (o Gpts) di memoria di acquisizione, allora potrebbe acquisire 100 ms di tempo (1 GS / 10 GS/s = 0.1 s, o 100 ms). Se si desiderasse catturare 200 ms con 1 GS di memoria di acquisizione, la frequenza di campionamento dovrebbe essere ridotta a 5 GS/s, il che potrebbe (o meno) essere accettabile.

Il rumore della linea di base dell'oscilloscopio è il valore RMS CA misurato di un canale di ingresso dell'oscilloscopio a cui non è collegato alcun segnale. Un semplice test del rumore di base fornirà un'indicazione generale delle prestazioni del rumore quando non è presente alcun segnale sull'ingresso dell'oscilloscopio. Sebbene questo test sia semplice e facile da eseguire, non è il test più realistico delle prestazioni dell'oscilloscopio, poiché la maggior parte degli oscilloscopi viene utilizzata con segnali di ingresso collegati ad essi. Tuttavia, il rumore non diminuirà quando vengono aggiunti i segnali di ingresso, poiché l'ampiezza del segnale aggiunto aggiungerà solo rumore alla misurazione in un secondo momento. Pertanto, il rumore di base può essere un test utile per valutare approssimativamente le prestazioni complessive.

Si noti che in un oscilloscopio Teledyne LeCroy, la misurazione SDEV equivale a AC RMS.

RiferimentoConfronto tra gli approcci alla progettazione dell'oscilloscopio ad alta risoluzioneper maggiori dettagli sui vari tipi di rumore negli oscilloscopi.

Il rapporto segnale-rumore è il calcolo del rapporto tra il fondo scala diviso per il rumore di base, espresso in volt secondo la seguente formula:

SNR (dB) = 20*log10((V_{Su vasta scala}/(2*√2))/V_AC-RMS))

Con V_{Su vasta scala}essendo la tensione di fondo scala sull'oscilloscopio (pari al numero di divisioni verticali * impostazione guadagno V/div) e V_AC-RMSessendo il valore AC RMS per il segnale della linea di base a una determinata impostazione del guadagno V/div.

Si noti che alcuni oscilloscopi (ad esempio Keysight, Teledyne LeCroy) hanno 8 divisioni verticali per il fondo scala mentre altri (ad esempio Tektronix) hanno 10 divisioni verticali per il fondo scala.

Si noti che la misurazione AC RMS di Teledyne LeCroy è denominata SDEV, mentre altri oscilloscopi in genere hanno una misurazione RMS selezionabile come lettura AC o DC. Assicurarsi di utilizzare il valore AC RMS altrimenti il ​​calcolo SNR includerà erroneamente l'effetto di eventuali piccoli errori di offset DC nel canale dell'oscilloscopio.

SNR(dB) = 20*log10( (V/div*8/(2*sqrt(2)))/rumore_in_rms)

RiferimentoConfronto tra gli approcci alla progettazione dell'oscilloscopio ad alta risoluzioneper maggiori dettagli sui vari tipi di rumore negli oscilloscopi.

Secondo lo standard IEEE. 1057 IEEE Standard per la digitalizzazione dei registratori di forme d'onda, SINAD è il rapporto tra il segnale efficace (rms) e il rumore e la distorsione rms (linea di base). SINAD viene misurato a una frequenza e un'ampiezza specifiche utilizzando un ingresso sinusoidale e l'ampiezza alla quale vengono effettuate le misurazioni influisce sulla distorsione e deve essere specificata (il 90% dell'ampiezza a fondo scala è tipica). SINAD è una misurazione più completa delle prestazioni dell'oscilloscopio nel funzionamento reale.

RiferimentoConfronto tra gli approcci alla progettazione dell'oscilloscopio ad alta risoluzioneper maggiori dettagli sui vari tipi di rumore negli oscilloscopi.

Il metodo migliore per ridurre il rumore sui segnali misurati con l'oscilloscopio è utilizzare un oscilloscopio a basso rumore e ad alta risoluzione che fornisca una risoluzione di 12 bit alla larghezza di banda completa. Ma qualsiasi oscilloscopio può ridurre il rumore utilizzando filtri hardware analogici o software digitali, a condizione che il compromesso tra una larghezza di banda inferiore in cambio di un rumore ridotto sia accettabile.

I filtri hardware vengono generalmente visualizzati come limite di larghezza di banda di 20 MHz o 200 MHz (o simile) nel menu canale. Questi filtri tendono ad avere attenuazioni molto lente, quindi la loro capacità di riduzione del rumore è probabilmente inferiore a quella di un filtro software digitale.

I filtri software digitali possono essere funzioni matematiche, modalità ad alta risoluzione o selezioni di filtri software nel menu canale (ad esempio, la selezione Enhanced Risoluzione (ERes) di Teledyne LeCroy). Matematicamente, ogni dimezzamento della frequenza di campionamento (e della larghezza di banda) riduce il rumore di 3 dB (~30%, o 0.5 bit effettivi). A volte i filtri software digitali interpolano i punti campione dopo l'operazione di filtro matematico, ma la frequenza di campionamento hardware è stata comunque ridotta.

Diffidare delle modalità ad alta risoluzione che promettono prestazioni migliori di quelle matematicamente possibili o che sono l'unico mezzo per ottenere un'alta risoluzione (e un rumore inferiore) in quello che altrimenti sarebbe un oscilloscopio con risoluzione a 8 bit.

RiferimentoConfronto tra gli approcci alla progettazione dell'oscilloscopio ad alta risoluzioneper ulteriori dettagli sui compromessi apportati per ridurre il rumore negli oscilloscopi. Webinar di riferimentoParte 6: Come posso ridurre il rumore sui segnali misurati con un oscilloscopio?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2023 per altri dettagli.

L'oscilloscopio ENOB si ricava dalla misurazione dell'oscilloscopio SINAD come segue:

Oscilloscopio ENOB= (SINAD-1.76)/6.02

Se l'amplificatore front-end non è la fonte dominante di rumore nel sistema dell'oscilloscopio, l'ENOB del sistema si avvicinerà all'ENOB dell'ADC. È importante comprendere che l'ENOB dell'ADC rappresenta un limite superiore per le prestazioni del sistema, ma le prestazioni del sistema sono le prestazioni critiche da comprendere. Realisticamente, l'ENOB dell'oscilloscopio (sistema) sarà sempre inferiore all'ENOB dell'ADC.

Se il segnale di ingresso applicato non lo è 100% dell’ampiezza di fondo scala, l’ENOB si ricava come segue:

Oscilloscopio ENOB= (SINAD-1.76+20 log((Ampiezza fondo scala)/(Ampiezza ingresso)))/6.02

Da questa equazione si può dedurre una “regola empirica” di 6 dB SINAD per bit effettivo. Pertanto, il miglioramento di mezzo bit effettivo equivale a una riduzione del rumore di 3 dB (30%) e il miglioramento di un bit effettivo completo equivale a una riduzione del rumore di 6 dB (50%). Piccole differenze nell'ENOB significano molto in termini di rumore verticale (ampiezza della tensione).

RiferimentoConfronto tra gli approcci alla progettazione dell'oscilloscopio ad alta risoluzioneper maggiori dettagli sui vari tipi di rumore e sul motivo per cui il numero di bit nominale dell'ADC non viene raggiunto completamente quando utilizzato in digitalizzatori o oscilloscopi.

RiferimentoParte 2: Cosa sono i bit effettivi dell'ADC e l'ENOB dell'oscilloscopio?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break 2024 per ulteriori dettagli.

L'ENOB dell'ADC è un limite superiore dell'ENOB dell'oscilloscopio, ma l'ENOB dell'oscilloscopio è la prestazione fondamentale da comprendere. Realisticamente, l'ENOB dell'oscilloscopio sarà sempre inferiore all'ENOB dell'ADC. Se un oscilloscopio fa affermazioni specifiche sulle prestazioni ENOB del suo ADC, probabilmente è un segnale di allarme che le prestazioni ENOB dell'oscilloscopio completo sono molto inferiori.

RiferimentoConfronto tra gli approcci alla progettazione dell'oscilloscopio ad alta risoluzioneper maggiori dettagli sui vari tipi di rumore e sul motivo per cui il numero di bit nominale dell'ADC non viene raggiunto completamente quando utilizzato in digitalizzatori o oscilloscopi.

RiferimentoParte 2: Cosa sono i bit effettivi dell'ADC e l'ENOB dell'oscilloscopio?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break 2024 per ulteriori dettagli.

Il teorema di Nyquist afferma che una sinusoide può essere ricostruita senza perdita di informazioni purché sia ​​campionata digitalmente a una frequenza doppia (o più) della sinusoide. In genere, ciò significa che la frequenza di campionamento minima in un oscilloscopio digitale è 2.5 volte la larghezza di banda su tutti i canali. La frequenza di campionamento rispetto alla larghezza di banda (SR/BW) è 2.5:1 il rapporto utilizzato (invece del minimo 2) per tenere conto del fatto che l'oscilloscopio non avrà un filtro perfetto alla larghezza di banda nominale. Un rapporto SR/BW inferiore a 2:1 creerà il rischio di aliasing del segnale di ingresso campionato digitalmente.

Se i requisiti della velocità di campionamento di Nyquist non vengono soddisfatti, il segnale viene considerato sottocampionato e non può essere ricostruito senza perdita di informazioni. La ricostruzione del segnale, invece, avverrà comunque, ma si tratterà di una ricostruzione errata, detta aliasing.

RiferimentoParte 3: Cos'è l'aliasing dell'oscilloscopio?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break 2024 per ulteriori dettagli.

Spurious Free Dynamic Range (SFDR) è il rapporto (solitamente espresso in dB) tra l'ampiezza del valore efficace (RMS) di un segnale fondamentale in ingresso dell'oscilloscopio e l'ampiezza RMS del successivo segnale spurio più grande nell'uscita dell'oscilloscopio. L'SFDR viene solitamente misurato nell'oscilloscopio utilizzando una visualizzazione FFT o ampiezza rispetto alla frequenza simile ad un analizzatore di spettro. I segnali spuri potrebbero essere causati da distorsione o altri componenti di rumore oppure potrebbero avere una frequenza coerente con la frequenza di campionamento del convertitore analogico-digitale (ADC) core.

SFDR è uno dei controlli di qualità più incompresi che gli ingegneri eseguono sugli oscilloscopi. Qualsiasi ADC mostrerà spurie alle frequenze di campionamento, e queste spurie sono solitamente di ampiezza così bassa (rispetto alla fondamentale di ingresso) e di banda di frequenza così stretta che il rapporto SFDR è ben al di sopra (non peggiore quanto) del rumore di base rapporto segnale-rumore o rapporto segnale-rumore e distorsione (SINAD) per una determinata frequenza di ingresso. Occasionalmente un oscilloscopio potrebbe mostrare gravi componenti di distorsione a frequenze specifiche, che possono essere facilmente evidenziati da un test SFDR, ma questo non è comune.

RiferimentoConfronto tra gli approcci alla progettazione dell'oscilloscopio ad alta risoluzioneper maggiori dettagli sull'SFDR negli oscilloscopi.

RiferimentoParte 4: Che cos'è la gamma dinamica libera spuria (SFDR) dell'oscilloscopio?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break 2024 per ulteriori dettagli.

Chiamato propriamente oscilloscopio a campionamento in tempo equivalente, un oscilloscopio a campionamento fornisce un campione per trigger, con un piccolo ritardo temporale aggiunto dopo ciascun trigger in modo da ricostruire una forma d'onda ripetitiva da più eventi attivati. La larghezza di banda di misura è limitata solo dalla risposta in frequenza del campionatore, che può essere molto elevata a un costo molto basso. La limitazione è che un oscilloscopio campionatore non può catturare una forma d'onda continua.

Un oscilloscopio a campionamento può acquisire solo un segnale ripetitivo, mentre un oscilloscopio in tempo reale può acquisire una forma d'onda temporale continua in una registrazione campione continua.

RiferimentoParte 6: Qual è la differenza tra un oscilloscopio in tempo reale e un oscilloscopio a campionamento?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break 2024 per ulteriori dettagli.

Oscilloscopio ai fosfori digitali (DPO) è un termine di marketing utilizzato da Tektronix per descrivere i propri oscilloscopi che utilizzano un'architettura di visualizzazione della forma d'onda veloce (più recentemente commercializzata come tecnologia DPX) per imitare l'aspetto del display di un display CRT a fascio di fosfori utilizzato su un oscilloscopio analogico.

Alcuni altri produttori di oscilloscopi hanno caratteristiche simili. Tutti ottimizzano l'aggiornamento del display (refresh) a scapito della memorizzazione dei dati, quindi se viene visualizzata un'anomalia durante la visualizzazione dell'aggiornamento rapido, non può essere salvata o recuperata per un'ulteriore ispezione. Inoltre, si basano ancora su tecniche di acquisizione digitale e pertanto presentano grandi quantità di tempi morti durante i quali non catturano (o visualizzano) forme d'onda (o anomalie). Gli oscilloscopi con aggiornamento rapido sono generalmente utilizzabili solo su acquisizioni molto brevi di segnali ripetitivi e la velocità di aggiornamento diminuisce in periodi di tempo più lunghi (e più utili) e non sono molto utili per visualizzare più di un segnale alla volta. In sostanza, la funzionalità è stata concepita in un periodo in cui gli oscilloscopi analogici stavano passando agli oscilloscopi digitali e non esiste più un utilizzo pratico di questa funzionalità per la maggior parte dei clienti.

RiferimentoParte 9: Cos'è un oscilloscopio ai fosfori digitali?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break 2024 per ulteriori dettagli.

Una visualizzazione della velocità di aggiornamento rapida potrebbe fornire usabilità e comodità a chi è abituato a un oscilloscopio analogico (sebbene la maggior parte di questi ingegneri sia in pensione da tempo). Potrebbero anche essere utili a un ingegnere che sta visualizzando un segnale ripetitivo di durata molto breve con molte anomalie evidenti. Gli ingegneri che catturano intervalli di tempo più lunghi e non ripetitivi probabilmente troveranno che le velocità di aggiornamento rapide sono una caratteristica interessante che trova poca utilità nel debugging del mondo reale.

I diagrammi a occhio e i modelli a occhio sono strumenti di visualizzazione utilizzati per valutare la qualità del segnale di un segnale digitale sovrapponendo i livelli digitali per ogni bit (insieme a eventuali transizioni prima o dopo ciascun bit) per fornire una rapida valutazione visiva della qualità del segnale. segnale digitale. Idealmente, il diagramma/modello a occhio è molto aperto al centro con una parte superiore (livello digitale 1), una base (livello 0 digitale) e transizioni chiare (fronti di salita e di discesa delle transizioni di livello digitale). I segnali multilivello, come PAM-3 o PAM-4, possono anche essere visualizzati come diagrammi a occhio.

Un diagramma a occhio e uno schema a occhio sono due modi per descrivere la stessa cosa.

RiferimentoParte 11: Cos'è un diagramma oculare dell'oscilloscopio?nella serie di webinar Oscilloscope Coffee Break 2024 per ulteriori dettagli.

Esistono due metodi di base per visualizzare un diagramma a occhio utilizzando un oscilloscopio digitale.

Il primo metodo è il più semplice ma presenta maggiori limitazioni. Un trigger del fronte viene utilizzato per eseguire il trigger al livello del 50% del fronte di un segnale digitale in salita o in discesa, con la base temporale dell'oscilloscopio impostata su un periodo leggermente più lungo di un singolo bit e il punto di trigger dell'oscilloscopio impostato su circa un quarto dal bordo sinistro della griglia dell'oscilloscopio. La persistenza del display viene utilizzata per acquisire molte brevi acquisizioni di un singolo periodo di bit e i segnali attivati ​​vengono sovrapposti per l'osservazione visiva. Questo metodo è intuitivo ma non fornisce un diagramma a occhio di un segnale continuo, non consente alcun tipo di post-elaborazione per determinare la causa di eventuali anomalie del diagramma a occhio ed è influenzato dal jitter di trigger aggiunto dell'oscilloscopio. È un buon e rapido controllo se un segnale digitale ha una buona qualità.

Il secondo metodo è più robusto e più ampiamente utilizzato, soprattutto con segnali di dati seriali ad alta velocità. Un'acquisizione lunga e continua è costituita da un segnale digitale e l'orologio viene estratto matematicamente, con il periodo di tempo estratto dell'orologio utilizzato per "tagliare" matematicamente l'acquisizione continua in periodi di bit che vengono sovrapposti per formare il diagramma a occhio. Poiché i dati sono continui, è possibile eseguire anche un'ulteriore elaborazione matematica per simulare l'uso di un anello ad aggancio di fase (PLL) nel circuito di clock, calcolare il jitter, misurare vari aspetti dell'apertura dell'occhio (ampiezza, larghezza, ecc.), ed eseguire il debug di eventuali anomalie presenti.

Un oscilloscopio di campionamento (descritto in una FAQ precedente) crea un diagramma a occhio attraverso l'uso di un circuito di recupero del clock hardware che funziona con il modulo di campionamento per creare il diagramma a occhio. Questo è generalmente considerato un metodo arcaico oggi e non è ampiamente utilizzato a meno che il segnale di dati seriali ad alta velocità non possa essere completamente analizzato e valutato con acquisizioni di dati non continue (non in tempo reale). In tal caso, questo metodo è perfettamente soddisfacente ed ha un costo molto basso per la larghezza di banda fornita dall'oscilloscopio. Tuttavia, richiede hardware diverso ogni volta che il segnale ha velocità in bit o requisiti PLL diversi.