La sua prima domanda fu: "Perché stai usando un oscilloscopio a campionamento per questo esperimento?". Questa domanda mi colse completamente di sorpresa. Iniziai a chiedermi quale fosse la differenza tra un oscilloscopio a campionamento e un oscilloscopio in tempo reale, per quali applicazioni venisse utilizzato ciascuno e in quali punti si sovrapponessero.
Gli oscilloscopi in tempo reale sono spesso indicati come DSO o MSO (oscilloscopi a memoria digitale o oscilloscopi a segnale misto). La maggior parte degli oscilloscopi attualmente in commercio sono oscilloscopi in tempo reale. Questi oscilloscopi offrono in genere larghezze di banda che vanno da pochi MHz a decine di GHz e i loro prezzi variano da poche centinaia di euro a diverse migliaia di euro. Gli oscilloscopi a campionamento, solitamente chiamati DCA (analizzatori di comunicazione digitale), in genere partono da larghezze di banda di decine di GHz e sono utilizzati principalmente per l'analisi di bus seriali ad alta velocità, dispositivi ottici e segnali di clock. Tuttavia, con l'aumento delle larghezze di banda, gli oscilloscopi a campionamento e gli oscilloscopi in tempo reale hanno iniziato a sovrapporsi in diverse aree applicative.
Il processo di digitalizzazione degli oscilloscopi in tempo reale e a campionamento è sostanzialmente lo stesso. Il segnale in ingresso attraversa i circuiti di condizionamento del segnale dell'oscilloscopio, viene digitalizzato, memorizzato e quindi visualizzato sullo schermo. Tuttavia, la tecnologia impiegata è completamente diversa.
Oscilloscopi in tempo reale
: come funzionano gli oscilloscopi in tempo reale? Gli oscilloscopi in tempo reale includono circuiti integrati ASIC di trigger che consentono agli utenti di specificare eventi di interesse specifici, come l'aumento di una soglia di tensione, l'impostazione e la violazione di un valore di hold o un trigger di pattern. In modalità di acquisizione normale, quando il circuito di trigger dell'oscilloscopio rileva un evento di questo tipo, l'oscilloscopio acquisisce e memorizza punti campione contigui attorno a tale punto di trigger e aggiorna il display con i dati acquisiti. Gli oscilloscopi in tempo reale possono operare in modalità a singolo impulso o ripetitiva. In modalità a singolo impulso, l'oscilloscopio acquisisce e visualizza una singola acquisizione di campioni consecutivi, determinata dalla profondità di memoria e dalla frequenza di campionamento definite sull'oscilloscopio. L'utente può scorrere e ingrandire qualsiasi evento di interesse osservato nell'acquisizione dell'oscilloscopio dopo che questo ha acquisito una singola traccia. In modalità continua "run", l'oscilloscopio acquisisce e visualizza continuamente ogni condizione che corrisponde alla specifica di trigger dell'oscilloscopio. La persistenza variabile o infinita consente di sovrapporre acquisizioni di segnale successive al segnale originale. La modalità ripetitiva è spesso utilizzata perché fornisce una visualizzazione in tempo reale del dispositivo in esame. Misurazioni come il tempo di salita o la larghezza dell'impulso, e analisi come calcoli matematici o FFT, possono essere eseguite in modalità a acquisizione singola o in un periodo di acquisizioni ripetitive. La maggior parte degli oscilloscopi in tempo reale con larghezza di banda inferiore a 6 GHz include ingressi da 1 MΩ e 50 Ω, consentendone l'utilizzo con un'ampia varietà di sonde e cavi.
Gli oscilloscopi in tempo reale sono definiti da tre specifiche principali: larghezza di banda, frequenza di campionamento e profondità di memoria. Tuttavia, è chiaro che ci sono molte altre specifiche importanti da considerare quando si valuta un oscilloscopio in tempo reale.
Gli oscilloscopi con memoria profonda offrono i seguenti tre vantaggi distinti:
1. La memoria profonda consente di acquisire una finestra temporale più lunga a una specifica frequenza di campionamento. La quantità di memoria determina il numero di campioni che possono essere memorizzati per acquisizione e, di conseguenza, la finestra temporale di acquisizione. Maggiore è il numero di campioni che possono essere acquisiti in una singola acquisizione, maggiore è la probabilità che si verifichi un evento estraneo all'interno di tale acquisizione.
2. La memoria profonda consente agli utenti di mantenere una frequenza di campionamento più elevata con basi dei tempi più lente, aumentando la precisione della misurazione. Ad esempio, con 10 Mpt di memoria e una frequenza di campionamento di 10 Gsamples/s, un'impostazione orizzontale di 1 µs/div utilizzerà 1 Gpt di dati (questo è il limite assoluto di molti oscilloscopi attuali). Se l'utente passa a un'impostazione della base dei tempi di 10 µs/div, l'oscilloscopio campionerà a un decimo della frequenza originale per acquisire la stessa finestra temporale. Tuttavia, un oscilloscopio con 100 Mpts di memoria consentirebbe all'utente di mantenere un'elevata frequenza di campionamento di 10 Gsamples/s acquisendo simultaneamente l'intera finestra temporale di 20 µs.
3. La memoria profonda consente misurazioni e calcoli statistici più precisi. Analizzando la deviazione del tempo di salita, la FFT e le misurazioni del jitter su un'ampia gamma di fronti, abbiamo scoperto che tutte le misurazioni hanno beneficiato dell'acquisizione in memoria profonda.
Oscilloscopi a campionamento
: come funzionano gli oscilloscopi a campionamento? Gli oscilloscopi a campionamento presentano un design unico per l'acquisizione, la visualizzazione e l'analisi di segnali ripetitivi. Anche le loro capacità di trigger sono ottimizzate per segnali ripetitivi. Un oscilloscopio a campionamento acquisisce una serie di campioni non contigui, separati nel tempo, quando rileva la prima condizione di trigger. L'oscilloscopio ritarda il punto di trigger, acquisisce la serie successiva di punti e li visualizza sullo schermo insieme alla prima serie. Ripete questo processo, creando la forma d'onda in modalità infinita e persistente attraverso acquisizioni successive. Uno dei componenti chiave di questa tecnologia è l'interpolazione del trigger, che controlla la risoluzione temporale tra i trigger per aumentare la precisione della misurazione. La profondità di memoria non è critica né necessaria, poiché solo pochi punti vengono acquisiti ed elaborati ad ogni trigger. Anche la frequenza di campionamento non è altrettanto critica. La componente più importante è la precisione nella misurazione del tempo che intercorre tra la prima condizione di sparo e la successiva, che risulta leggermente ritardata rispetto alla prima.
Oscilloscopi a campionamento vs. oscilloscopi in tempo reale
Come accennato in precedenza, la larghezza di banda degli attuali oscilloscopi in tempo reale supera i 60 GHz, mentre quella degli oscilloscopi a campionamento supera i 90 GHz. Pertanto, per la maggior parte delle applicazioni digitali, la larghezza di banda non è più il metodo più semplice per decidere quale oscilloscopio scegliere. Detto questo, non bisogna dimenticare che anche il prezzo è un fattore determinante. Un oscilloscopio a campionamento a 50 GHz con tutte le funzionalità costa meno di 115.000 euro, mentre il prezzo di un oscilloscopio in tempo reale si avvicina ai 300.000 euro. Il progettista deve valutare se la maggiore flessibilità offerta da un oscilloscopio in tempo reale giustifichi il prezzo più elevato.
Rumore e rapporto segnale/rumore
Oltre alle differenze menzionate in precedenza, esistono molte altre differenze tra un oscilloscopio a campionamento e un oscilloscopio in tempo reale. Gli oscilloscopi a campionamento includono un convertitore analogico-digitale (ADC) a 14 bit e offrono quindi una gamma dinamica molto ampia, consentendo di analizzare segnali che vanno da pochi mV a 1 volt senza attenuazione. Questo è il motivo per cui gli oscilloscopi a campionamento presentano un rumore molto basso a diverse impostazioni di tensione per divisione. Un oscilloscopio in tempo reale ha una gamma dinamica limitata a 8 bit, ma in genere visualizza un numero effettivo di bit pari a circa 6. A causa del limitato rapporto segnale/rumore, è necessario utilizzare degli attenuatori per visualizzare correttamente segnali che vanno da pochi mV a diversi volt. In termini pratici, ciò significa che gli oscilloscopi in tempo reale presentano un rumore maggiore rispetto agli oscilloscopi a campionamento. Il basso livello di rumore degli oscilloscopi a campionamento li ha portati a essere considerati lo "standard di riferimento" nel campo delle misurazioni. Tuttavia, gli oscilloscopi in tempo reale sono in costante miglioramento e hanno iniziato a colmare il divario in termini di integrità del segnale.
Risposta in frequenza.
Un altro aspetto da considerare nella scelta tra un oscilloscopio in tempo reale e un oscilloscopio a campionamento è la loro risposta in frequenza. Gli oscilloscopi a campionamento in genere non utilizzano la correzione tramite elaborazione digitale del segnale (DSP) e pertanto presentano una risposta in frequenza con attenuazione lenta (risposta hardware) e un aspetto più gaussiano. Gli oscilloscopi in tempo reale possono implementare il DSP e, di conseguenza, correggere la loro risposta in frequenza. Ad esempio, il modello Agilent DSOX93304Q utilizza una risposta in frequenza piatta su tutta la sua banda di step, il che significa che il suo guadagno non varierà di oltre 1 dB nell'intero intervallo di frequenza dell'oscilloscopio.
Le risposte in frequenza degli oscilloscopi in tempo reale possono variare. Alcuni produttori di oscilloscopi offrono fino a cinque risposte diverse, ognuna con le proprie caratteristiche. Un'analisi comparativa tra una risposta piatta e una risposta gaussiana produce due misurazioni completamente diverse. L'attenuazione gaussiana, ad esempio, può influenzare una misurazione e introdurre interferenze tra i simboli. Una risposta piatta che si attenua rapidamente può presentare oscillazioni transitorie se il segnale è sufficientemente veloce da superare la larghezza di banda dell'oscilloscopio. In ogni caso, è importante capire come l'hardware può influenzare le misurazioni.
Differenze nella cattura del clock:
la cattura del clock è una delle componenti chiave delle misurazioni con oscilloscopio. La cattura del clock consente il monitoraggio in tempo reale, il test delle maschere e la separazione del jitter. Un clock catturato è essenzialmente un clock di riferimento utilizzato per confrontare le misurazioni. Fino a poco tempo fa, gli oscilloscopi a campionamento si basavano esclusivamente sull'hardware per la cattura del clock. Ciò significava che, sia che il clock fosse un clock esplicito o il clock interno a 10 MHz fornito dall'oscilloscopio a campionamento, il sistema di cattura era soggetto a errori. Questa situazione è cambiata, poiché gli oscilloscopi a campionamento Agilent ora offrono un sistema di cattura del clock basato su software, ideale per una cattura del clock accurata. Gli oscilloscopi in tempo reale utilizzano quasi sempre la cattura del clock tramite software, ma offrono anche l'opzione di cattura del clock esplicita. Il vantaggio della cattura del clock tramite software è, ancora una volta, che non è soggetta a errori hardware, ma posiziona i fronti dove dovrebbero essere, indipendentemente dalla velocità di trasmissione dei dati.
Oltre alle differenze tra l'acquisizione del clock tramite hardware e software, è necessario considerare anche l'algoritmo di acquisizione del clock utilizzato. Gli oscilloscopi a campionamento utilizzano in genere una funzione di trasferimento del jitter (JTF), mentre gli oscilloscopi in tempo reale utilizzano una funzione di trasferimento del jitter ottico (OJTF). L'OJTF è in grado di smorzare maggiormente il jitter a bassa frequenza rispetto alla JTF. Pertanto, i valori di jitter rilevati dagli oscilloscopi in tempo reale sono significativamente inferiori rispetto a quelli rilevati dagli oscilloscopi a campionamento. Questi valori possono essere ripristinati semplicemente impostando entrambi gli oscilloscopi sulla stessa funzione di trasferimento. Grazie ai recenti progressi nella tecnologia degli oscilloscopi a campionamento, questa operazione è ora possibile e semplifica notevolmente il confronto dei valori di jitter.
Quando utilizzare un oscilloscopio a campionamento e quando un oscilloscopio in tempo reale:
storicamente, gli oscilloscopi a campionamento hanno offerto molti più vantaggi rispetto agli oscilloscopi in tempo reale in termini di larghezza di banda massima e jitter intrinseco. Tuttavia, nell'ultimo decennio, gli oscilloscopi in tempo reale hanno colmato il divario, al punto che gli utenti che eseguono test sui ricetrasmettitori possono scegliere tra un oscilloscopio in tempo reale e un oscilloscopio a campionamento. L'oscilloscopio a campionamento presenta ancora un jitter inferiore e una gamma dinamica molto più ampia, il che lo rende ideale per la caratterizzazione in un ambiente controllato. Supponendo che il segnale sia ripetibile o possa essere catturato a occhio nudo in tempo reale, l'oscilloscopio a campionamento fornirà una rappresentazione fedele del segnale.
Nel caso di un oscilloscopio in tempo reale, la sua flessibilità lo rende particolarmente interessante. Se l'utente esegue attività di debug e necessita di un trigger basato su eventi difficili da individuare, un oscilloscopio in tempo reale è la soluzione ideale. Gli utenti di oscilloscopi in tempo reale possono scegliere tra un'ampia varietà di applicazioni per la conformità, la decodifica e il trigger di protocolli e l'analisi. L'oscilloscopio in tempo reale può anche misurare il jitter in singole acquisizioni, rappresentando un'ottima opzione per l'analisi delle cause principali dei guasti. La maggior parte dei metodi di implementazione degli standard utilizza oscilloscopi in tempo reale anche per il collaudo dei trasmettitori, il che significa che un utente potrebbe aver bisogno di un oscilloscopio in tempo reale per garantire la conformità dei propri dispositivi.
In conclusione
, gli oscilloscopi in tempo reale rappresentano una scelta eccellente per la maggior parte delle applicazioni. Questi oscilloscopi sono disponibili in un'ampia gamma di larghezze di banda, possono acquisire eventi singoli e segnali ripetitivi e hanno migliorato le misurazioni ad alta frequenza come il jitter e la caratterizzazione del trasmettitore. Se la vostra applicazione prevede una forma d'onda ripetitiva che richiede un jitter inferiore e un'elevata gamma dinamica, un oscilloscopio a campionamento è la scelta ottimale. Gli oscilloscopi a campionamento offrono anche il vantaggio di un costo iniziale inferiore e di un'aggiornabilità modulare, il che li rende un'opzione adatta per le applicazioni di test nella produzione di componenti elettrici e ottici. Se lavorate con frequenze superiori a 20 GHz e non siete sicuri di quale tipo di oscilloscopio scegliere, vi consigliamo di contattare un fornitore di oscilloscopi che offra sia oscilloscopi a campionamento che in tempo reale. Saranno in grado di soddisfare le vostre esigenze specifiche, a differenza di un fornitore che offre solo oscilloscopi in tempo reale o una selezione limitata di oscilloscopi a campionamento.
Autori:
Joel Woodward e Brig Asay. Divisione prodotti oscilloscopi di Agilent Technologies
