Oscilloscopi

Un oscilloscopio è un dispositivo che cattura un segnale di tensione in ingresso e lo converte in una forma d'onda tensione/tempo correttamente scalata che viene visualizzata su una griglia scalata. L'oscilloscopio ha un circuito di attivazione che definisce quando il segnale in ingresso deve essere catturato e visualizzato e un front-end a guadagno variabile che consente la regolazione del segnale (tensione verticale) per accettare un'ampia gamma di ampiezze del segnale in ingresso. Una regolazione orizzontale (base dei tempi o sweep) 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 la LeCroy Corporation (ora Teledyne LeCroy) nel 1985 lanciarono il primo oscilloscopio a memoria digitale (DSO, o ora semplicemente denominato oscilloscopio digitale), denominato Modello 9400, che replicava e migliorava le caratteristiche e le capacità degli oscilloscopi analogici in uso fino a quel momento. 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 affermare con certezza che il WD2000 Waveform Digitizer di LeCroy (lanciato nel 1971) fosse il primo oscilloscopio a memoria digitale, ma la lunghezza di registrazione era limitata a 20 punti campione e l'architettura non poteva facilmente scalare a lunghezze di registrazione maggiori. Leggi la storia completa qui https://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

Walter LeCroy e il suo team di progettazione presso la LeCroy Corporation (ora Teledyne LeCroy) nel 1985 lanciarono il primo oscilloscopio a memoria digitale (DSO, o ora semplicemente denominato oscilloscopio digitale), denominato Modello 9400, che replicava e migliorava le caratteristiche e le capacità degli oscilloscopi analogici in uso fino a quel momento. 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 affermare con certezza che il WD2000 Waveform Digitizer di LeCroy (lanciato nel 1971) fosse il primo oscilloscopio a memoria digitale, ma la lunghezza di registrazione era limitata a 20 punti campione e l'architettura non poteva facilmente scalare a lunghezze di registrazione maggiori. Leggi la storia completa quihttps://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

Gli oscilloscopi accettano segnali di tensione come input. È necessario utilizzare una sonda o un sensore per convertire un segnale non di tensione (ad esempio, un segnale di corrente, un segnale di campo magnetico) in un segnale di tensione, correttamente ridimensionato nelle unità appropriate. Sonde o sensori per misurare la corrente sono comunemente disponibili presso i produttori di oscilloscopi e sensori per misurare altre unità sono ampiamente disponibili. La maggior parte degli oscilloscopi di livello professionale fornisce supporto per il ridimensionamento comune (ad esempio, da Volt ad Ampere) e molte altre unità, ma se questa è una caratteristica importante per le tue esigenze, è meglio controllare il supporto per il ridimensionamento all'interno dell'oscilloscopio prima dell'acquisto, soprattutto se il sensore ha un rapporto ingresso/uscita non lineare.

Webinar di riferimentoParte 7: Come si effettua una misurazione della corrente con un oscilloscopio?e diParte 8: Come si misura la corrente su un oscilloscopio utilizzando una resistenza di shunt?per ulteriori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2023.

Standard 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 confuso avere una specifica di larghezza di banda analogica in un oscilloscopio digitale, l'oscilloscopio digitale ha molti componenti di amplificazione analogica prima della parte che digitalizza e memorizza il segnale.

La larghezza di banda richiesta per la cattura e la misurazione dei segnali dipende molto dai segnali da misurare, dai tipi di misurazioni da effettuare e dalla precisione desiderata delle misurazioni. Una regola empirica approssimativa che la maggior parte degli ingegneri usa è quella di avere 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 alta.

Fare riferimento alla definizione di larghezza di banda dell'oscilloscopio nelle FAQ (sopra). La maggior parte degli oscilloscopi si avvicina lentamente alla frequenza nominale di larghezza di banda di -3 dB, iniziando con un delicato rolloff di ampiezza al 50% (o giù di lì) della frequenza nominale di larghezza di banda. Ciò significa che se la risposta di 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 di circa il 90% (-1 dB) o l'80% (-2 dB) e il 70% (-3 dB) rispetto a quando la frequenza della sinusoide di ingresso si avvicina alla larghezza di banda nominale dell'oscilloscopio. Tuttavia, la maggior parte degli ingegneri non misura sinusoidi pure con il proprio oscilloscopio. Si noti che gli oscilloscopi con larghezza di banda più elevata possono avere una risposta di ampiezza più piatta (minore rolloff di 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'armonica N-esima che contribuisce con un'ampiezza di 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 una quantità sufficiente di armoniche dispari. Quante armoniche dispari sono "sufficienti" (e quanta larghezza di banda è necessaria) è determinato dalla tolleranza dell'ingegnere per una misurazione del tempo di salita sull'oscilloscopio che è più lenta del segnale reale e dalla quantità di overshoot e ringing additivi presenti sul segnale misurato. Se viene catturata solo la terza armonica, il tempo di salita sarà notevolmente più lento e l'overshoot e il ringing saranno evidenti rispetto a se viene catturata la 3a 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 in risposta alla domanda "quanta larghezza di banda è necessaria?" - circa 3 volte la larghezza di banda del segnale di frequenza più elevata. Ma cosa significa "frequenza più elevata"? 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 desidera misurare un segnale con un tempo di salita di 1 ns, non sceglierebbe un oscilloscopio con un tempo di salita di 1 ns (un tale oscilloscopio avrebbe in genere una larghezza di banda di 350 MHz) - sceglierebbe un oscilloscopio con una larghezza di banda 3 volte quella (o 1 GHz).

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

La risoluzione è il numero di livelli di quantizzazione del convertitore analogico-digitale (ADC), con un ADC a N bit con 2^N 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 è garanzia 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 a risoluzione di 8 bit. RiferimentoConfronto degli approcci di progettazione degli oscilloscopi ad alta risoluzioneper maggiori dettagli sui compromessi che molti produttori di oscilloscopi fanno quando progettano oscilloscopi ad alta risoluzione. Webinar di riferimentoParte 1: Che cos'è la risoluzione dell'oscilloscopio?per ulteriori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2023.

Un oscilloscopio ad alta risoluzione è un qualsiasi oscilloscopio pubblicizzato come tale che utilizza hardware migliorato, software di filtraggio (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 a 8 bit. Un'affermazione di marketing di alta risoluzione non è una garanzia di prestazioni nel mondo reale. Le affermazioni di alta risoluzione specifiche dell'ADC o i miglioramenti nel rumore di base o nel rapporto segnale/rumore che sono possibili solo a larghezze di banda ridotte sono segnali d'allarme che la cosiddetta alta risoluzione non sarà realisticamente raggiunta in tutte le normali condizioni operative dell'oscilloscopio. RiferimentoConfronto degli approcci di progettazione degli oscilloscopi ad alta risoluzioneper maggiori dettagli.

Non c'è differenza: 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 l'acronimo HDO, essendo stata la prima azienda di oscilloscopi a offrire 12-bit oscilloscopi ad alta risoluzione che forniscono 12 bit in ogni momento, senza alcuna riduzione della frequenza di campionamento o della larghezza di banda.

Un oscilloscopio a segnale misto (MSO) si riferisce comunemente a un oscilloscopio che ha sia canali di ingresso analogici che digitali (logici). Una configurazione comune è di 4 canali di ingresso analogici più 16 canali di ingresso logici digitali. I canali di ingresso logici digitali possono preservare i canali di ingresso analogici più rari (e più costosi) per i segnali che richiedono le loro capacità, e i canali di ingresso logici digitali possono essere utilizzati per semplici segnali di commutazione o logici, o segnali di 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 qualche tipo di input o conversione di radiofrequenza (RF) per catturare segnali sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza. Se viene fornito un input RF dedicato, le capacità possono essere simili a quelle di un analizzatore di spettro. Le tecniche di trasformata di Fourier veloce (FFT) del software possono essere utilizzate per fornire capacità simili senza un input RF dedicato (e costoso).

La precisione dell'ampiezza di un oscilloscopio è composta da molti componenti diversi e varierà a seconda della risoluzione dell'oscilloscopio, del percorso di ingresso, del contenuto della frequenza di ingresso, se viene utilizzata una sonda, ecc. La precisione dell'ampiezza può variare da migliore dell'1% per un 12-bit oscilloscopio ad alta definizione (HDO®) con ingresso 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 precisioni possano sembrare basse rispetto a un voltmetro digitale (DVM), un oscilloscopio offre molte più capacità di un DVM.

ReferenzeParte 1: Qual è la differenza tra risoluzione, accuratezza e sensibilità dell'oscilloscopio?per maggiori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2024.

La sensibilità è la più piccola variazione di 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 accuratezza e che un'impostazione del guadagno verticale analogico indicativa di un'elevata sensibilità (ad esempio, 1 o 2 mV/div) può essere limitata in utilità dalla risoluzione ADC o dal rumore nell'oscilloscopio. RiferimentoParte 1: Qual è la differenza tra risoluzione, accuratezza e sensibilità dell'oscilloscopio?per maggiori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2024.

Storicamente, un ingegnere considererebbe il tempo di salita correlato alla larghezza di banda secondo la formula TR(s) = 0.35/larghezza di banda (Hz), con TR che 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 i rolloff di ampiezza erano molto graduali. Questa formula può ancora essere vera per oscilloscopi a larghezza di banda inferiore.

Gli oscilloscopi con larghezza di banda più elevata o oscilloscopi con percorsi di 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 aderire 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 inferiore nei modelli con larghezza di banda inferiore è che probabilmente stanno utilizzando un percorso di segnale analogico che ha più headroom ad alta frequenza per un rolloff di ampiezza più lento rispetto ai modelli con larghezza di banda più elevata. Nel modello di oscilloscopio con la larghezza di banda più elevata di una serie di prodotti, il percorso del segnale analogico ha probabilmente raggiunto un limite massimo rigido per la 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 della risposta ad alta frequenza altamente attenuata oltre la larghezza di banda nominale dell'oscilloscopio.

Webinar di riferimentoParte 3: Qual è la relazione tra il tempo di salita e la larghezza di banda in un oscilloscopio?per ulteriori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2023.

Un oscilloscopio digitale digitalizza i segnali tramite convertitori analogico-digitali (ADC) che campionano e mantengono i valori di tensione per creare punti di campionamento discreti. I punti di campionamento vengono registrati a una data frequenza (intervallo di tempo) e la frequenza di campionamento è indicata come Campioni/secondo.

Webinar di riferimentoParte 4: Cos'è la frequenza di campionamento dell'oscilloscopio e quanta me ne serve?per ulteriori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2023.

La frequenza di campionamento minima necessaria, secondo il teorema di Nyquist, è il doppio della 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 di ampiezza brick-wall 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 di 2.5. Questo può essere considerato il minimo per ricostruire un'onda sinusoidale da punti di campionamento digitali.

Per ricostruire accuratamente 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 ingegnere segue la comune regola empirica 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 FAQ con 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 me ne serve?per ulteriori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2023.

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

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

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

Più campioni (o punti) forniscono una maggiore capacità di catturare 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 desidera catturare, dalla risoluzione temporale con cui desidera catturare tali segnali e dalla quantità di tempo continuo che desidera acquisire.

Se un oscilloscopio avesse una frequenza di campionamento di 10 GS/s e 1 GS (o Gpts) di memoria di acquisizione, 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 di base dell'oscilloscopio è il valore RMS AC misurato di un canale di ingresso dell'oscilloscopio senza alcun segnale ad esso collegato. 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, perché la maggior parte degli oscilloscopi viene utilizzata con segnali di ingresso ad essi collegati. Tuttavia, il rumore non diminuirà quando vengono aggiunti segnali di ingresso, poiché l'ampiezza del segnale aggiunta aggiungerà solo rumore alla misurazione in seguito. 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.

ReferenzeConfronto degli approcci di progettazione degli oscilloscopi ad alta risoluzioneper maggiori dettagli sui vari tipi di rumore negli oscilloscopi.

Il rapporto segnale/rumore è il calcolo del rapporto tra la portata completa e il rumore di base, espresso in volt secondo la seguente formula:

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

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

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

Si noti che la misurazione AC RMS di Teledyne LeCroy è denominata SDEV, mentre altri oscilloscopi hanno in genere una misurazione RMS selezionabile come lettura AC o DC. Assicurarsi di utilizzare il valore AC RMS o il calcolo SNR includerà in modo errato 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)

ReferenzeConfronto degli approcci di progettazione degli oscilloscopi ad alta risoluzioneper maggiori dettagli sui vari tipi di rumore negli oscilloscopi.

Per IEEE Std. 1057 IEEE Standard for Digitizing Waveform Recorders, SINAD è il rapporto tra segnale quadratico medio (rms) e rumore rms (baseline) e distorsione. SINAD viene misurato a una frequenza e ampiezza specifiche utilizzando un ingresso sinusoidale e l'ampiezza a cui vengono effettuate le misurazioni influisce sulla distorsione e dovrebbe essere specificata (il 90% dell'ampiezza a piena scala è tipico). SINAD è una misurazione più completa delle prestazioni dell'oscilloscopio in condizioni di funzionamento effettivo.

ReferenzeConfronto degli approcci di progettazione degli oscilloscopi 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 alta risoluzione che fornisca una risoluzione di 12 bit a piena larghezza di banda. Ma qualsiasi oscilloscopio può ridurre il rumore utilizzando filtri hardware analogici o software digitali, a condizione che il compromesso di una larghezza di banda inferiore in cambio di un rumore ridotto sia accettabile.

I filtri hardware sono solitamente visualizzati come un limite di larghezza di banda di 20 MHz o 200 MHz (o simile) nel menu dei canali. Questi filtri tendono ad avere rolloff molto lenti, 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, possono essere modalità ad alta risoluzione o possono essere selezioni di filtri software nel menu dei canali (ad esempio, la selezione Enhanced Resolution (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 di campionamento dopo l'operazione di filtro matematico, ma la frequenza di campionamento hardware è stata comunque ridotta.

Fate attenzione alle 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.

ReferenzeConfronto degli approcci di progettazione degli oscilloscopi ad alta risoluzioneper maggiori dettagli sui compromessi fatti per ridurre il rumore negli oscilloscopi. Webinar di riferimentoParte 6: Come posso ridurre il rumore sui segnali misurati con un oscilloscopio?per ulteriori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2023.

L'ENOB dell'oscilloscopio è derivato dalla misurazione del SINAD dell'oscilloscopio 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 capire che l'ENOB dell'ADC è 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% di ampiezza a piena scala, allora l'ENOB viene derivato 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. Quindi, il miglioramento di mezzo bit effettivo equivale a una riduzione di 3 dB (30%) del rumore, e il miglioramento di un bit effettivo completo equivale a una riduzione di 6 dB (50%) del rumore. Piccole differenze nell'ENOB significano molto in termini di rumore verticale (ampiezza di tensione).

ReferenzeConfronto degli approcci di progettazione degli oscilloscopi ad alta risoluzioneper maggiori dettagli sui vari tipi di rumore e sul perché il numero di bit nominale dell'ADC non viene raggiunto appieno quando utilizzato in digitalizzatori o oscilloscopi.

ReferenzeParte 2: Cosa sono i bit effettivi dell'ADC dell'oscilloscopio e l'ENOB?per maggiori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2024.

L'ENOB ADC è un limite superiore dell'ENOB dell'oscilloscopio, ma l'ENOB dell'oscilloscopio è la prestazione critica 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, è probabilmente un segnale d'allarme che le prestazioni ENOB dell'oscilloscopio completo sono molto inferiori.

ReferenzeConfronto degli approcci di progettazione degli oscilloscopi ad alta risoluzioneper maggiori dettagli sui vari tipi di rumore e sul perché il numero di bit nominale dell'ADC non viene raggiunto appieno quando utilizzato in digitalizzatori o oscilloscopi.

ReferenzeParte 2: Cosa sono i bit effettivi dell'ADC dell'oscilloscopio e l'ENOB?per maggiori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2024.

Il teorema di Nyquist afferma che una sinusoide può essere ricostruita senza perdita di informazioni, a condizione che venga 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 su larghezza di banda (SR/BW) di 2.5:1 è il rapporto utilizzato (invece del minimo 2) per tenere conto del fatto che l'oscilloscopio non avrà un filtro brick-wall 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 di frequenza di campionamento di Nyquist non vengono soddisfatti, il segnale è considerato sottocampionato e non può essere ricostruito senza perdita di informazioni. Invece, la ricostruzione del segnale avverrà comunque, ma sarà una ricostruzione non corretta, definita aliasing.

ReferenzeParte 3: Che cosa è l'aliasing dell'oscilloscopio?per maggiori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2024.

Spurious Free Dynamic Range (SFDR) è il rapporto (solitamente espresso in dB) tra l'ampiezza della radice quadratica media (RMS) di un segnale di ingresso fondamentale dell'oscilloscopio e l'ampiezza RMS del successivo segnale spurio più grande nell'uscita dell'oscilloscopio. L'SFDR viene solitamente misurato nell'oscilloscopio utilizzando un display dell'oscilloscopio di ampiezza vs. frequenza simile a un analizzatore di spettro o FFT. I segnali spuri potrebbero essere causati da distorsione o altri componenti di rumore, oppure potrebbero essere a una frequenza coerente con la frequenza di campionamento del convertitore analogico-digitale (ADC) principale.

SFDR è uno dei controlli di qualità più fraintesi 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 peggio di) il rapporto segnale/rumore del rumore di base o il rapporto segnale/rumore e distorsione (SINAD) per una data frequenza di ingresso. Occasionalmente un oscilloscopio potrebbe mostrare gravi componenti di distorsione a frequenze specifiche, il che è facilmente esposto da un test SFDR, ma questo non è comune.

ReferenzeConfronto degli approcci di progettazione degli oscilloscopi ad alta risoluzioneper maggiori dettagli sull'SFDR negli oscilloscopi.

ReferenzeParte 4: Che cosa è l'intervallo dinamico privo di spurie dell'oscilloscopio (SFDR)?per maggiori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2024.

Correttamente chiamato oscilloscopio a campionamento in tempo equivalente, un oscilloscopio a campionamento fornisce un campione per trigger, con un piccolo ritardo temporale aggiunto dopo ogni trigger in modo da ricostruire una forma d'onda ripetitiva da più eventi triggerati. La larghezza di banda di misurazione è limitata solo dalla risposta in frequenza del campionatore, che può essere molto elevata a costi molto bassi. La limitazione è che un oscilloscopio a campionamento 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 a tempo continuo in una registrazione di campione continua.

ReferenzeParte 6: Qual è la differenza tra un oscilloscopio in tempo reale e un oscilloscopio a campionamento?per maggiori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2024.

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 CRT a fascio di fosfori utilizzato su un oscilloscopio analogico.

Altri produttori di oscilloscopi hanno caratteristiche simili. Tutti ottimizzano l'aggiornamento del display (refresh) a scapito dell'archiviazione dei dati, quindi se un'anomalia viene visualizzata 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 quindi hanno grandi quantità di tempo morto durante il quale non catturano (o visualizzano) forme d'onda (o anomalie). Gli oscilloscopi con aggiornamento rapido sono in genere utilizzabili solo su acquisizioni molto brevi di segnali ripetitivi e la velocità di aggiornamento si degrada 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 durante un periodo in cui gli oscilloscopi analogici stavano passando agli oscilloscopi digitali e non c'è più molto utilizzo pratico di questa funzionalità per la maggior parte dei clienti.

ReferenzeParte 9: Che cos'è un oscilloscopio ai fosfori digitali?per maggiori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2024.

Un display con velocità di aggiornamento rapida potrebbe offrire usabilità e comfort a chi è abituato a un oscilloscopio analogico (anche se la maggior parte di questi ingegneri è 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 stanno catturando intervalli di tempo più lunghi e non ripetitivi probabilmente troveranno che le velocità di aggiornamento rapide sono una caratteristica interessante che viene poco utilizzata nel debugging nel mondo reale.

I diagrammi a occhio e i pattern 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 qualsiasi transizione prima o dopo ogni bit) per fornire una rapida valutazione visiva della qualità del segnale digitale. Idealmente, il diagramma/pattern a occhio è molto aperto al centro con una parte superiore (livello digitale 1), una base (livello digitale 0) e delle transizioni (fronti di salita e discesa delle transizioni di livello digitale) chiare. Anche i segnali multilivello, come PAM-3 o PAM-4, possono essere visualizzati come diagrammi a occhio.

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

ReferenzeParte 11: Che cos'è il diagramma dell'occhio di un oscilloscopio?per maggiori dettagli, consulta la serie di webinar Oscilloscope Coffee Break del 2024.

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

Il primo metodo è il più elementare ma ha le maggiori limitazioni. Un trigger di bordo viene utilizzato per il trigger sul livello del 50% di un fronte di segnale digitale in salita o in discesa, con la base temporale dell'oscilloscopio impostata per essere leggermente più lunga di un singolo periodo di bit e il punto di trigger dell'oscilloscopio impostato a circa un quarto dal bordo sinistro della griglia dell'oscilloscopio. La persistenza del display viene utilizzata per catturare molte acquisizioni brevi di un singolo periodo di bit e i segnali triggerati 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 controllo rapido per verificare se un segnale digitale ha una buona qualità.

Il secondo metodo è più robusto e più ampiamente utilizzato, specialmente con segnali di dati seriali ad alta velocità. Viene eseguita un'acquisizione lunga e continua di un segnale digitale e il clock viene estratto matematicamente, con il periodo di tempo estratto del clock utilizzato per "suddividere" matematicamente l'acquisizione continua in periodi di bit che vengono sovrapposti per formare il diagramma dell'occhio. Poiché i dati sono continui, è possibile eseguire anche un'elaborazione matematica aggiuntiva per simulare l'uso di un phase-locked loop (PLL) nel circuito del clock, calcolare il jitter, misurare vari aspetti dell'apertura dell'occhio (ampiezza, larghezza, ecc.) e correggere eventuali anomalie presenti.

Un oscilloscopio di campionamento (descritto in una precedente FAQ) crea un diagramma a occhio tramite l'uso di un circuito di recupero dell'orologio 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 e ha un costo molto basso per la larghezza di banda dell'oscilloscopio fornita. Tuttavia, richiede hardware diverso ogni volta che il segnale ha velocità di bit o requisiti PLL diversi.