A sua primeira pergunta foi: "Por que razão está a utilizar um osciloscópio de amostragem para esta experiência?" Esta pergunta apanhou-me completamente de surpresa. Comecei a pensar qual era a diferença entre um osciloscópio de amostragem e um osciloscópio em tempo real, para que cada um era utilizado e onde se sobrepunham.
Os osciloscópios de tempo real são frequentemente designados por DSOs ou MSOs (osciloscópios de memória digital ou osciloscópios de sinal misto). A maioria dos osciloscópios atualmente existentes no mercado são osciloscópios de tempo real. Estes osciloscópios têm larguras de banda que variam entre alguns MHz e dezenas de GHz, e os seus preços variam entre algumas centenas de euros e vários milhares de euros. Os osciloscópios de amostragem, geralmente designados por DCAs (analisadores de comunicação digital), começam normalmente na gama de largura de banda de dezenas de GHz e são utilizados principalmente para analisar barramentos seriais de alta velocidade, dispositivos óticos e sinais de relógio. No entanto, com o aumento das larguras de banda, os osciloscópios de amostragem e os osciloscópios de tempo real começaram a sobrepor-se em diversas áreas de aplicação.
O processo de digitalização dos osciloscópios de tempo real e de amostragem é essencialmente o mesmo. O sinal de entrada passa pelo circuito de condicionamento de sinal do osciloscópio, é digitalizado, armazenado na memória e depois apresentado no ecrã. No entanto, a tecnologia empregue em cada um é completamente diferente.
Osciloscópios em tempo real
: Como funcionam os osciloscópios em tempo real? Os osciloscópios em tempo real incluem circuitos integrados de disparo (ASICs) que permitem aos utilizadores especificar eventos específicos de interesse, como a elevação de um limiar de tensão, a ativação e a violação de um parâmetro de retenção (hold) ou o disparo de um padrão. No modo de aquisição normal, quando o circuito de disparo do osciloscópio deteta um evento deste tipo, o osciloscópio captura e armazena pontos de amostra contíguos em torno desse ponto de disparo e atualiza o ecrã com os dados captados. Os osciloscópios em tempo real podem operar no modo de disparo único ou repetitivo. No modo de disparo único, o osciloscópio adquire e apresenta uma única aquisição de amostras consecutivas, determinada pela profundidade de memória e pela taxa de amostragem definidas no osciloscópio. O utilizador pode percorrer e ampliar qualquer evento interessante observado na aquisição do osciloscópio após a captura de um único traço. No modo de "execução contínua", o osciloscópio adquire e apresenta continuamente cada condição que corresponde à especificação de disparo do osciloscópio. A persistência variável ou infinita permite que as capturas sucessivas do sinal sejam sobrepostas ao sinal original. O modo repetitivo é frequentemente utilizado porque fornece uma visualização em tempo real do dispositivo em teste. Medições como o tempo de subida ou a largura de pulso, e análises como cálculos matemáticos ou FFT, podem ser realizadas no modo de disparo único ou ao longo de um período de aquisições repetitivas. A maioria dos osciloscópios em tempo real com uma largura de banda inferior a 6 GHz inclui entradas de 1 MΩ e 50 Ω, permitindo a sua utilização com uma grande variedade de pontas de prova e cabos.
Os osciloscópios de tempo real são definidos por três especificações principais: largura de banda, taxa de amostragem e profundidade de memória. No entanto, é evidente que existem muitas outras especificações importantes a considerar quando se analisa um osciloscópio em tempo real.
Os osciloscópios com memória profunda oferecem as seguintes três vantagens distintas:
1. A memória profunda permite a captura de uma janela temporal maior com uma taxa de amostragem específica. A quantidade de memória determina o número de amostras que podem ser armazenadas por aquisição e, portanto, a janela de tempo de captura. Quanto maior for o número de amostras que podem ser adquiridas numa única aquisição, maior será a probabilidade de ocorrência de um evento externo durante essa aquisição.
2. A memória profunda permite aos utilizadores manter uma taxa de amostragem mais rápida em bases de tempo mais lentas, aumentando a precisão da medição. Por exemplo, com 10 Mpts de memória e uma taxa de amostragem de 10 Gsamples/s, uma configuração horizontal de 1 µs/div utilizará 1 Gpt de dados (este é o limite absoluto de muitos osciloscópios atuais). Se o utilizador alterar a definição da base de tempo para 10 µs/div, o osciloscópio irá amostrar a um décimo da taxa original para captar a mesma janela de tempo. No entanto, um osciloscópio com 100 Mpts de memória permitiria ao utilizador manter a elevada taxa de amostragem de 10 Gsamples/s, ao mesmo tempo que captura simultaneamente toda a janela temporal de 20 µs.
3.º A memória profunda possibilita medições e cálculos estatísticos mais precisos. Analisando o desvio do tempo de subida, a FFT e as medições de jitter numa vasta gama de transições, verificámos que todas as medições beneficiaram da aquisição de memória profunda.
Osciloscópios de Amostragem
: Como funcionam os osciloscópios de amostragem? Os osciloscópios de amostragem apresentam um design único para captar, exibir e analisar sinais repetitivos. As suas capacidades de disparo também estão otimizadas para sinais repetitivos. Um osciloscópio de amostragem capta uma série de amostras não contíguas, separadas no tempo, quando deteta a sua primeira condição de disparo. O osciloscópio atrasa o ponto de disparo, capta a série de pontos seguinte e apresenta-os no ecrã do osciloscópio juntamente com a primeira série de pontos. Repete este processo, criando a forma de onda num modo infinito e persistente através de aquisições sucessivas. Um dos componentes-chave da tecnologia é a interpolação de disparo, que controla a resolução temporal entre disparos para aumentar a precisão da medição. A profundidade da memória não é crítica, nem sequer necessária, uma vez que apenas alguns pontos são captados e processados em cada disparo. A taxa de amostragem também não é assim tão crítica. A componente mais importante é a precisão na quantidade de tempo que decorre da primeira condição de disparo para a seguinte, que é ligeiramente atrasada em relação à primeira.
Osciloscópios de Amostragem vs. Osciloscópios de Tempo Real
Como já foi referido anteriormente, a largura de banda dos osciloscópios de tempo real atuais ultrapassa os 60 GHz, enquanto a dos osciloscópios de amostragem ultrapassa os 90 GHz. Assim sendo, para a maioria das aplicações digitais, a largura de banda deixou de ser o método mais simples para decidir qual o osciloscópio a escolher. Posto isto, não nos podemos esquecer que o preço é também um fator determinante. Um osciloscópio de amostragem completo de 50 GHz custa menos de 115.000 euros, enquanto o preço de um osciloscópio de tempo real se aproxima dos 300.000 euros. O projetista deve analisar se a maior flexibilidade oferecida por um osciloscópio de tempo real justifica o preço mais elevado.
Ruído e Relação Sinal-Ruído
Para além das diferenças referidas anteriormente, existem muitas outras entre um osciloscópio de amostragem e um osciloscópio em tempo real. Os osciloscópios de amostragem incluem um conversor analógico-digital (ADC) de 14 bits e, por isso, oferecem uma gama dinâmica muito ampla, permitindo analisar sinais que variam entre alguns mV e 1 volt sem atenuação. É por isso que os osciloscópios de amostragem apresentam um ruído muito baixo em várias configurações de tensão por divisão. Um osciloscópio em tempo real tem a sua gama dinâmica limitada a 8 bits, mas normalmente exibe um número efetivo de bits de aproximadamente 6. Devido à limitada relação sinal-ruído, é necessário utilizar atenuadores para exibir corretamente sinais que variam de alguns mV a vários volts. Na prática, isto significa que os osciloscópios em tempo real apresentam um ruído mais elevado do que os osciloscópios de amostragem. O baixo nível de ruído dos osciloscópios de amostragem fez com que fossem considerados o "gold standard" na área das medições. No entanto, os osciloscópios em tempo real estão em constante melhoria e começaram a reduzir a diferença em termos de integridade do sinal.
Resposta de Frequência.
Outro aspeto a considerar ao escolher entre um osciloscópio em tempo real e um osciloscópio de amostragem é a sua resposta em frequência. Os osciloscópios de amostragem não utilizam normalmente a correção por processamento digital de sinal (DSP) e, por isso, apresentam uma resposta em frequência com atenuação lenta (resposta de hardware) e um formato mais gaussiano. Os osciloscópios em tempo real podem implementar DSP e, consequentemente, corrigir a sua resposta em frequência. Por exemplo, o modelo Agilent DSOX93304Q utiliza uma resposta de frequência plana em toda a sua gama de frequências, o que significa que o seu ganho não varia mais do que 1 dB em toda a gama de frequências do osciloscópio.
As respostas em frequência dos osciloscópios em tempo real podem variar. Alguns fabricantes oferecem até cinco respostas diferentes, cada uma com as suas próprias características. Uma análise comparativa entre uma resposta plana e uma resposta gaussiana resulta em duas medições completamente diferentes. A atenuação gaussiana, por exemplo, pode influenciar uma medição e introduzir interferência entre símbolos. Uma resposta plana que se atenua rapidamente pode apresentar oscilações transitórias se o sinal for suficientemente rápido para exceder a largura de banda do osciloscópio. Em qualquer caso, é importante compreender como o hardware pode afetar as medições.
Diferenças na Captura de Relógio:
A captura de relógio é uma das componentes chave das medições em osciloscópio. Permite a monitorização em tempo real, o teste de máscaras e a separação de jitter. Um relógio capturado é essencialmente um relógio de referência utilizado para comparar medições. Até recentemente, os osciloscópios de amostragem dependiam exclusivamente do hardware para a captura do relógio. Isto significava que, independentemente de o relógio ser um relógio explícito ou o relógio interno de 10 MHz fornecido pelo osciloscópio de amostragem, o sistema de captura era propenso a erros. Isto mudou, uma vez que os osciloscópios de amostragem da Agilent oferecem agora um sistema de captura de relógio baseado em software, ideal para uma captura de relógio precisa. Os osciloscópios de tempo real utilizam quase sempre a captura de relógio por software, mas também oferecem a opção de captura de relógio explícita. A vantagem da captura de relógio por software é, mais uma vez, que não é propensa a erros de hardware, mas posicionará as fronteiras onde devem estar, independentemente da taxa de dados.
Para além das diferenças entre a captura de relógio por hardware e por software, deve também ser considerado o algoritmo de captura de relógio utilizado. Os osciloscópios de amostragem utilizam normalmente uma função de transferência de jitter (JTF), enquanto os osciloscópios de tempo real utilizam uma função de transferência de jitter ótica (OJTF). A OJTF corta mais o jitter de baixa frequência do que uma JTF. Portanto, as leituras de jitter são significativamente mais baixas nos osciloscópios de tempo real do que nos osciloscópios de amostragem. Estas leituras podem ser restauradas simplesmente alterando a função de transferência de ambos os osciloscópios. Graças aos recentes avanços na tecnologia de osciloscópios de amostragem, isto é agora possível e simplifica significativamente as comparações de jitter.
Quando utilizar um osciloscópio de amostragem e quando utilizar um osciloscópio em tempo real:
Historicamente, os osciloscópios de amostragem ofereciam muito mais vantagens do que os osciloscópios em tempo real em termos de largura de banda máxima e jitter inerente. No entanto, na última década, os osciloscópios em tempo real reduziram esta diferença, ao ponto de os utilizadores que realizam testes de transceptores poderem escolher entre um osciloscópio em tempo real e um osciloscópio de amostragem. O osciloscópio de amostragem apresenta ainda um jitter mais baixo e uma gama dinâmica muito maior, tornando-o ideal para caracterização em ambiente controlado. Assumindo que o sinal é repetível ou pode ser captado visualmente em tempo real, o osciloscópio de amostragem fornecerá uma representação fiel do seu sinal.
No caso de um osciloscópio em tempo real, a sua flexibilidade torna-o atraente. Se o utilizador realiza tarefas de depuração e pretende disparos baseados em eventos difíceis de detetar, um osciloscópio em tempo real é o ideal. Os utilizadores de osciloscópios em tempo real podem escolher entre uma vasta gama de aplicações para conformidade, descodificação e disparo de protocolos e análise. O osciloscópio em tempo real também pode medir o jitter em aquisições individuais, sendo uma excelente opção para a análise da causa raiz de falhas. A maioria dos métodos de implementação de normas também utiliza osciloscópios em tempo real para testes de transmissores, o que significa que um utilizador pode necessitar de utilizar um osciloscópio em tempo real para garantir que os seus dispositivos estão em conformidade.
Em conclusão
, os osciloscópios de tempo real são uma excelente escolha para a maioria das aplicações. Estes osciloscópios estão disponíveis numa vasta gama de larguras de banda, podem captar eventos de disparo único e sinais repetitivos e apresentam melhorias em medições de alta frequência, como jitter e caracterização de transmissores. Se a sua aplicação envolve uma forma de onda repetitiva que requer menor jitter e uma elevada gama dinâmica, um osciloscópio de amostragem é a escolha ideal. Os osciloscópios de amostragem também oferecem a vantagem de um custo inicial mais baixo e de uma capacidade de atualização modular, o que os torna uma opção adequada para aplicações de teste de fabrico elétrico e ótico. Se trabalha com frequências acima dos 20 GHz e não tem a certeza de que tipo de osciloscópio escolher, recomendamos que contacte um fornecedor que ofereça osciloscópios de amostragem e de tempo real. Partilharão o seu interesse em fornecer o dispositivo que melhor se adapta às suas necessidades, ao contrário de um fornecedor que oferece apenas osciloscópios de tempo real ou tem uma seleção limitada de osciloscópios de amostragem.
Autores:
Joel Woodward e o Brig Asay. Divisão de Produtos de Osciloscópios da Agilent Technologies
