Guida all'acquisto dell'oscilloscopio

Larghezza di banda

Cosa significa larghezza di banda?

La larghezza di banda è l'estensione del contenuto in frequenza (spettro) di un segnale che un oscilloscopio è in grado di misurare. Gli oscilloscopi sono uno dei pochi strumenti a banda larga che misurano dalla corrente continua (0 Hz) alla larghezza di banda specificata. Questa specifica è la più importante quando si acquista un oscilloscopio, perché non è possibile effettuare misure accurate se un oscilloscopio non dispone di una larghezza di banda sufficiente.

La risposta in frequenza dell'amplificatore d'ingresso (front-end) di un oscilloscopio assomiglia a un filtro passa-basso. Questa forma significa che nello strumento passa la maggior parte del contenuto del segnale dalla corrente continua fino al punto in cui l'attenuazione scende di 3 decibel (dB). Il punto di -3 dB è quello in cui gli oscilloscopi definiscono la loro "larghezza di banda" e rappresenta circa una riduzione del 30% della tensione in quel punto dello spetto di frequenze.

Come scegliere la larghezza di banda di cui si ha bisogno?

La scelta di una larghezza di banda per un'applicazione specifica può essere complicata quando si sceglie un oscilloscopio. Ad esempio, se si intende analizzare solo onde sinusoidali, è sufficiente assicurarsi di avere una larghezza di banda leggermente superiore alla frequenza massima della portante per tenere conto dell'attenuazione di 3 dB. Ad esempio, se si deve misurare un'onda sinusoidale di 100 MHz, si può scegliere un oscilloscopio con una larghezza di banda di 150 MHz o superiore.

Se, invece, la forma d'onda è più complessa, come un segnale digitale, le considerazioni da fare sono molteplici. Una raccomandazione per i segnali digitali o altri segnali complessi è quella di scegliere una larghezza di banda 3-5 volte più veloce del segnale di clock o di dati più veloce. Ad esempio, se si misura un bus di memoria con una velocità di trasferimento dati di 133 MHz, si dovrebbe scegliere una larghezza di banda di almeno 400 MHz. Tuttavia, questa raccomandazione presuppone che il tempo di salita di un segnale digitale sia correlato alla velocità dei dati.

I fronti di salita e discesa dei segnali digitali tendono ad avere un contenuto di frequenza maggiore rispetto alla frequenza fondamentale. Pertanto, utilizzando l'equazione 0,35 su tempo di salita si ottiene una stima di primo ordine della larghezza di banda del segnale. Ad esempio, consideriamo l'esempio del bus precedente. Se ipotizziamo che il segnale ha un tempo di salita di 600 picosecondi, utilizzando l'equazione precedente vediamo che c'è un contenuto di frequenza fino a 583 megahertz! (Questo valore rientra nella raccomandazione di 3-5 volte la velocità dei dati.)

Ulteriori considerazioni sulla banda larga

La maggior parte degli oscilloscopi dispone di opzioni per espandere la larghezza di banda. Naturalmente esiste un limite massimo entro cui è possibile effettuare l'estensione con un aggiornamento dello strumento, ma in molti casi può rappresentare la soluzione per superare i limiti di uno strumento acquistato originariamente con una larghezza di banda troppo limitata.

Una larghezza di banda eccessiva può influenzare la misura. In generale, una maggiore larghezza di banda in una misura significa anche un maggiore rumore a banda larga. Fortunatamente, molti oscilloscopi offrono filtri per ridurre la larghezza di banda dello stadio d'ingresso. Ad esempio, tutti gli oscilloscopi Rohde & Schwarz dispongono di un filtro da 20 MHz per semplificare le misure sugli alimentatori. Inoltre, modelli come quelli delle famiglia R&S®MXO 4e R&S®RTO 6dispongono di una "modalità HD" per bilanciare la larghezza di banda e la risoluzione del convertitore A/D e ottenere, così, un'elevata accuratezza nelle misure a minore larghezza di banda.

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Frequenza di campionamento

Cosa significa frequenza di campionamento?

Il convertitore A/D di un oscilloscopio digitalizza il segnale analogico. La velocità di digitalizzazione viene chiamata "frequenza di campionamento" I produttori specificano la frequenza di campionamento come campioni al secondo. Ad esempio, l'oscilloscopio R&S®RTC1000 da 300 MHzha una frequenza di campionamento di 2 gigacampioni al secondo. Tale frequenza di campionamento può anche essere indicata con 2 Gsample/s, 2 GaSa/s, o anche 2 GSp/s.

Come scegliere la frequenza di campionamento di cui si ha bisogno?

Come minimo, la frequenza di campionamento di un oscilloscopio deve essere almeno 2,5 volte superiore alla larghezza di banda. Ad esempio, se l'oscilloscopio ha una larghezza di banda di 1,5 GHz, la frequenza di campionamento deve essere superiore a 3,75 gigacampioni al secondo. In genere, la maggior parte degli oscilloscopi digitali soddisfa questo requisito minimo. Tuttavia, un oscilloscopio può interlacciare più canali per ottenere la velocità di campionamento più elevata.

Ad esempio, il modello R&S®RTC1000 da 300 MHz esegue campionamenti a 2 Gsample/s su un singolo canale, ma solo a 1 Gsample/s quando sono abilitati entrambi i canali. Fortunatamente, anche a questa frequenza di campionamento ridotta, l'oscilloscopio R&S®RTC1000 continua a campionare più di 2,5 volte la larghezza di banda analogica!

In genere, una frequenza di campionamento più elevata è migliore.

Ulteriori considerazioni sulla frequenza di campionamento

Gli oscilloscopi hanno diverse modalità di acquisizione, come "peak detect" ("rilevamento picchi") o "high-resolution" ("alta risoluzione"). Queste modalità consentono al convertitore A/D di continuare a funzionare alla sua massima frequenza di campionamento, ma riducono la quantità di punti dati memorizzati. Tali modalità rendono le frequenze di campionamento più elevate utili per le applicazioni con segnali relativamente lenti.

Bit del convertitore A/D

Cosa sono i bit del convertitore A/D?

Il convertitore analogico-digitale di un oscilloscopio produce dei numeri binari. Come ogni convertitore A/D, il numero di bit che compongono i numeri binari determina la risoluzione. Ad esempio, un convertitore A/D a 8 bit può discriminare tra 256 valori unici o livelli di tensione, mentre un convertitore A/D a 10 bit può discriminare tra 1.024 valori unici, così come uno a 12 bit tra 4.096 livelli di tensione.

Accuratezza e risoluzione (rispetto alla sensibilità)

La risoluzione di un convertitore A/D influisce sull'accuratezza di misura di un oscilloscopio, ma non è l'unico aspetto da considerare.

La definizione di accuratezza è la differenza tra la misura prevista e il valore effettivo. In altre parole, è l'incertezza di una misura. La risoluzione, invece, è la variazione più piccola che un sistema di misura può rappresentare. Nel caso di un oscilloscopio, la larghezza di bit del convertitore A/D domina la risoluzione. Infine, la sensibilità è la variazione minima rilevabile. In un primo momento, questa definizione può sembrare la stessa della risoluzione, e i singoli elementi di un sistema di acquisizione possono avere una sensibilità molto elevata. Tuttavia, la sensibilità complessiva è data dalla combinazione di accuratezza e risoluzione.

Ulteriori considerazioni

Non tutti gli oscilloscopi funzionano sempre con il massimo numero di bit di risoluzione! Pertanto, è necessario esaminare attentamente la scheda tecnica dello strumento per comprendere eventuali limitazioni. Fortunatamente, tutti gli oscilloscopi Rohde & Schwarz utilizzano sempre l'intero numero massimo di bit.

Inoltre, alcuni modelli di oscilloscopio Rohde & Schwarz possono aumentare il numero effettivo di bit di risoluzione con la funzione denominata HD Mode (modalità HD). Questa modalità consente di risparmiare sulla larghezza di banda per ottenere misure a più alta risoluzione. Ad esempio, l'oscilloscopio R&S®MXO4 offre un convertitore A/D a 12 bit che può effettivamente arrivare a lavorare fino a 18 bit!

Triggering

Cosa significa funzione di trigger?

Negli oscilloscopi digitali, il sistema di trigger osserva i segnali sotto esame alla ricerca di eventi specifici. Quando rileva questi criteri selezionabili dall'utente, crea un'azione di trigger. Il tipo di trigger più comune è quello a livello sui fronti, e l'azione più comune consiste nell'aggiornare lo schermo con l'evento identificato al centro.

I sistemi di trigger possono identificare molti altri eventi, come la larghezza degli impulsi, le tensioni "runt", i livelli logici e i pacchetti dei protocolli seriali. Dispongono, inoltre, di diversi strumenti per filtrare il rumore, qualificare gli eventi validi e attivare altri strumenti.

Come scegliere le funzioni di trigger di cui si ha bisogno?

Un sistema di trigger completo può ridurre significativamente i tempi di debug e rendere possibile la caratterizzazione di segnali molto complessi.

La prima considerazione riguarda i tipi di trigger supportati dall'oscilloscopio. Dopo di che è possibile esaminare le altre funzionalità, come l'isteresi regolabile e il trigger in sequenza.

Grazie all'isteresi regolabile, il trigger può tollerare più rumore su una forma d'onda o concentrarsi su un evento specifico su un fronte. Ad esempio, gli oscilloscopi con sistemi precisi di trigger digitali possono attivarsi su eventi più piccoli dello 0,0001 di una divisione verticale!

Il trigger in sequenza, talvolta chiamato trigger A->B, consente di creare una condizione di trigger in due fasi. Ad esempio, è possibile qualificare una particolare larghezza d'impulso solo dopo il fronte di discesa di un segnale di abilitazione.

Ulteriori considerazioni sul triggering

Quando si valuta il sistema di trigger di un oscilloscopio, è fondamentale prestare molta attenzione alle sue specifiche. Alcuni sistemi di trigger dell'oscilloscopio possono essere "a larghezza di banda completa" solo con il trigger sul fronte. Gli altri tipi di trigger possono essere relativamente lenti rispetto alla larghezza di banda dell'oscilloscopio.

Oscilloscopi come i modelli R&S®MXO4 e R&S®RTO6 utilizzano un sistema di trigger digitale. Invece di affidarsi a un circuito analogico per identificare gli eventi, un circuito integrato ASIC personalizzato osserva i campioni digitali del convertitore A/D in tempo reale per rilevare gli eventi di trigger. Questo metodo di trigger esclusivo offre la funzionalità di trigger più precisa. Un vantaggio significativo di questo sistema è che tutti i tipi di trigger sono a piena larghezza di banda. Ad esempio, il rilevamento dei glitch di un trigger digitale è veloce quanto un singolo periodo di campionamento del convertitore A/D! Un altro vantaggio è l'incredibile sensibilità alla tensione.

Profondità di memoria

Cosa significa profondità di memoria?

Il convertitore A/D memorizza i suoi campioni in un buffer di memoria. Poiché tali convertitori tendono a campionare nell'ordine dei gigabit, la suddetta memoria deve essere vicina al convertitore stesso e molto veloce. La quantità di campioni di acquisizione memorizzati è chiamata "profondità di memoria". Ad esempio, se un canale ha un buffer da 10 megapunti, conserva (fino a) dieci milioni di campioni durante ogni acquisizione.

Esiste una correlazione diretta tra la velocità di campionamento di un oscilloscopio, la quantità di memoria di cui dispone e la quantità di tempo in cui può effettuare l'acquisizione. L'impostazione della base dei tempi determina il tempo minimo in cui l'oscilloscopio cattura un segnale. Il sistema di acquisizione bilancerà la profondità di memoria e la frequenza di campionamento per massimizzare la frequenza di campionamento per una determinata impostazione della base dei tempi. Maggiore è la memoria disponibile, più lenta (più lunga) può essere l'impostazione della base dei tempi, pur mantenendo un'elevata frequenza di campionamento.

In genere, è meglio disporre di una memoria più ampia. Tuttavia, alcuni oscilloscopi non ottimizzano l'utilizzo della memoria profonda o diventano estremamente lenti quando operano con la memoria profonda abilitata.

Come scegliere la profondità di memoria di cui si ha bisogno?

A differenza delle altre specifiche chiave degli oscilloscopi, non esistono linee guida semplici per la profondità di memoria. Tuttavia, se si sa di dover catturare una certa quantità di tempo, è possibile determinare la profondità di memoria minima necessaria. Ad esempio, per catturare 10 cicli di un segnale di clock a 100 MHz, è necessario catturare almeno 100 nanosecondi. A 1 Gsample/s, il convertitore A/D campiona ogni nanosecondo. Pertanto, è necessaria una profondità di memoria di 100 campioni.

Ulteriori considerazioni sulla profondità di memoria

Una considerazione sulla differenza tra memoria superficiale e memoria profonda è il modo in cui l'oscilloscopio elabora la memoria di acquisizione. Ad esempio, gli oscilloscopi R&S®MXO, R&S®RTO, e R&S®RTP sono dotati di ASIC personalizzati che aiutano a gestire le operazioni di memoria profonda. Questo ASIC mantiene l'oscilloscopio reattivo durante le attività di ingrandimento/riduzione sullo schermo (zoom in/out) delle forme d'onda e riduce al minimo il tempo di riarmo del trigger durante l'acquisizione.

Segmentazione rapida e modalità Cronologia

Ulteriori considerazioni riguardano le modalità o le funzioni che utilizzano la memoria in modo diverso dalle semplici acquisizioni. Ad esempio, la funzione di segmentazione rapida e la modalità Cronologia degli oscilloscopi Rohde & Schwarz utilizzano la memoria profonda in modo proficuo.

Con la segmentazione veloce, il sistema di acquisizione divide la memoria in piccole porzioni (ma uguali), o segmenti. Questi pezzi, poi, vengono riempiti alla stessa velocità con cui il sistema di trigger può riarmarsi. Il controller di memoria attende di riempire tutti i segmenti prima di trasferire i dati di acquisizione alla CPU. Una modalità di segmentazione rapida ha il vantaggio di riarmare il sistema di trigger il più velocemente possibile e di massimizzare l'utilizzo della memoria profonda. È utile per i segnali che hanno una natura intermittente.

La modalità Cronologia è un altro modo originale di utilizzare la memoria profonda. Il controller di memoria divide la memoria totale disponibile in porzioni o segmenti, come nella modalità di segmentazione rapida. Tuttavia, il controller riempie i segmenti come un buffer ad anello e l'oscilloscopio elabora ogni segmento come nel funzionamento normale. La differenza della modalità Cronologia consiste nel fatto che, quando si arresta l'oscilloscopio, è possibile "tornare indietro" nel tempo alle acquisizioni precedenti. Questa funzione è vantaggiosa perché dà il tempo di premere il pulsante "stop" dopo aver riscontrato un'anomalia sullo schermo.

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Frequenza di aggiornamento delle forme d'onda

Cosa significa frequenza di aggiornamento delle forme d'onda?

La frequenza di aggiornamento delle forme d'onda viene talvolta chiamata frequenza di trigger. Si tratta della velocità con cui l'oscilloscopio può acquisire forme d'onda tra un evento di trigger e l'altro. In generale, quanto più rapidamente un oscilloscopio si riarma e si riattiva, tanto minore è il tempo morto tra le acquisizioni.

Il tempo morto è l'intervallo di tempo tra le acquisizioni in cui l'oscilloscopio non riesce a catturare una forma d'onda. Più basso è il tempo morto, più rapida è la frequenza di trigger e più probabile è che un oscilloscopio possa catturare eventi infrequenti come un impulso transitorio.

Alcuni oscilloscopi Rohde & Schwarz sono dotati di un ASIC personalizzato che consente frequenze di aggiornamento ultraveloci delle forme d'onda. L'oscilloscopio R&S®RTO6, ad esempio, elabora fino a 1 milione di forme d'onda al secondo. E il modello R&S®MXO 4 è in grado di acquisire oltre 4,5 milioni di forme d'onda al secondo!

Ulteriori considerazioni sulla frequenza di aggiornamento delle forme d'onda

La frequenza di aggiornamento delle forme d'onda può essere influenzata da misure, modalità di acquisizione e profondità di memoria. Alcuni produttori di oscilloscopi possono specificare la frequenza di aggiornamento massima (o il tempo morto minimo) solo quando sono abilitate modalità speciali. Pertanto, quando si esamina questa specifica, è essenziale capire in quali condizioni si applica la frequenza più veloce.

Sonde

Cosa sono le sonde degli oscilloscopi?

Prima di poter misurare un segnale, è necessario farlo pervenire all'oscilloscopio. A volte è possibile utilizzare cavi con connettori BNC (o SMA) per collegarsi direttamente da un dispositivo in prova al pannello frontale dell'oscilloscopio. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, è necessario utilizzare una sonda.

Come scegliere la sonda di cui si ha bisogno?

Il tipo di sonda più comune è la sonda di tensione passiva. Queste sonde economiche sono adatte per applicazioni generiche. Le sonde con diversi fattori di attenuazione offrono una tensione più alta o un carico più basso del segnale.

Le sonde passive fornite in dotazione con l'oscilloscopio sono, in genere, di valore pari o leggermente superiore alla larghezza di banda dell'oscilloscopio stesso. La maggior parte delle sonde passive non supera i 500 o 700 MHz di larghezza di banda. Per sondare segnali con larghezza di banda superiore a 700 MHz è necessaria una sonda di tensione attiva.

Le sonde di tensione attive utilizzano un circuito di amplificazione che offre una maggiore larghezza di banda e un minore carico del circuito rispetto alle sonde passive. Sono disponibili in versione single-ended (per segnali riferiti a massa), differenziale e modulare. Come dice il nome stesso, queste sonde necessitano di energia per funzionare.

Alcune sonde misurano grandezze diverse dalla tensione. Ad esempio, le sonde di corrente del sensore a effetto Hall misurano la corrente in modo non intrusivo attraverso un filo. Un altro esempio sono le sonde di campo vicino che misurano i campi elettromagnetici emessi da componenti, fili e circuiti stampati.

In generale, le sonde attive di un produttore di oscilloscopi possono non essere compatibili con quelle di un altro. Tuttavia, alcuni produttori offrono adattatori per le sonde di altre aziende. (Se si prevede di utilizzare uno di questi adattatori, verificare che la sonda sia con esso compatibile!)

Rohde & Schwarz dispone di un'ampia gamma di sonde passive, attive e non di tensione in diversi formati.

Ulteriori considerazioni sulle sonde per oscilloscopi

Gli oscilloscopi con larghezze di banda inferiori, generalmente sotto i 200 MHz, supportano solo un'interfaccia per sonde passive. In altre parole, hanno solo un connettore BNC sul lato anteriore. Per contro, un oscilloscopio con più di 200 MHz può avere un'interfaccia per sonde attiva che supporta sia sonde passive che attive.

Strumenti integrati

Gli oscilloscopi non sono più solo uno strumento di misura delle forme d'onda. Quando si sceglie un oscilloscopio, bisogna tenere conto degli altri strumenti integrati. Ecco alcune funzionalità aggiuntive da considerare.

Analisi dello spettro (FFT) con oscilloscopi

Una trasformata rapida di Fourier, o FFT, converte le forme d'onda nel dominio del tempo in un grafico nel dominio della frequenza. Il display dell'oscilloscopio mostra la frequenza e l'ampiezza delle componenti spettrali (anziché il tempo e l'ampiezza del segnale). A differenza degli analizzatori di spettro tradizionali, gli oscilloscopi con capacità di analisi dello spettro possono misurare fino a 0 Hz, cioè dalla componente continua!

Le funzionalità FFT possono essere implementate come una semplice funzione matematica con controlli limitati o accelerate a livello hardware con controlli simili a quelli di un analizzatore di spettro. Oltre a ciò, l'oscilloscopio R&S RTO6 offre un'esclusiva funzionalità di trigger di zona, che consente di inserire un riquadro in cui potrebbe (o non dovrebbe) verificarsi un'anomalia, per limitare gli aggiornamenti dello schermo a una frequenza di interesse.

Generatore di forme d'onda arbitrarie

Un generatore di forme d'onda arbitrarie integrato permette di generare funzioni come onde sinusoidali, triangolari e quadre con modulazioni come AM, FM, FSK e PWM. Un generatore integrato nell'oscilloscopio può far risparmiare spazio sul banco di lavoro. Inoltre, molti oscilloscopi possono utilizzare il generatore per creare un segnale da inserire in un circuito, mentre un canale analogico misura l'uscita. Ad esempio, l'opzione di analisi della risposta in frequenza (FRA) R&S®MXO4-K36 crea diagrammi di Bode della risposta dell'anello di controllo (CLR) e del rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR) di un alimentatore.

La maggior parte degli oscilloscopi Rohde & Schwarz offre la possibilità di utilizzare un generatore di forme d'onda arbitrarie come opzione software o come modulo hardware plug-in.

Analizzatore logico

Gli oscilloscopi con canali digitali possono acquisire forme d'onda sia analogiche che digitali. I canali logici sono tipicamente correlati nel tempo, il che significa che l'oscilloscopio li campiona contemporaneamente ai canali analogici. Questa funzionalità fa sì che il display mostri gli eventi su entrambi i tipi di canale sincronizzati temporalmente.

Tutti gli oscilloscopi Rohde & Schwarz offrono canali digitali come optional. A seconda del modello, sono disponibili 8 o 16 canali.

Analizzatore di protocolli

L'analisi di un protocollo prende la forma d'onda acquisita (sui canali analogici o digitali) e la decodifica in una visualizzazione del protocollo stesso. Ad esempio, molti progetti basati su microcontrollori dispongono di un bus SPI, I2C o UART per la comunicazione. Utilizzando le funzioni dell'analizzatore di protocollo di un oscilloscopio è possibile definire il trigger in base a eventi specifici del protocollo, come l'inizio di un pacchetto o, in alcuni casi, un errore CRC. Una volta identificato l'evento, la visualizzazione dei dati decodificati semplifica la lettura delle transazioni del bus.

Esistono almeno due modi per visualizzare i dati. Uno consiste nel vedere una sovrapposizione sulla forma d'onda acquisita. Questa visualizzazione è utile per determinare se un problema di integrità del segnale sta causando un problema di protocollo. Un'altra visione avviene tramite una tabella di protocollo. Questa visualizzazione compatta consente di individuare molte attività di protocollo in un breve periodo.

Tutti gli oscilloscopi Rohde & Schwarz offrono varie opzioni di decodifica che possono essere incluse al momento dell'acquisto o attivate dopo l'acquisto.

Formato (stile)

Gli oscilloscopi sono disponibili in diverse dimensioni. In genere, maggiore è la larghezza di banda, più grande è l'involucro. Gli oscilloscopi portatili hanno, oggi, le stesse capacità di quelli tradizionali da banco.

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Controllo remoto

Cosa significa controllo remoto?

Controllo remoto significa collegarsi allo strumento da un PC e controllarlo come se si fosse seduti di fronte ad esso. In questa modalità di utilizzo. si fa clic su pulsanti o manopole di un pannello frontale virtuale tramite un browser web che imita il pannello frontale dello strumento.

Come scegliere il tipo di accesso remoto di cui si ha bisogno?

Se è necessario accedere all'oscilloscopio in remoto dal proprio laboratorio, assicurarsi che il dispositivo supporti il funzionamento remoto. Ad esempio, i modelli R&S®RTB, R&S®RTM, R&S®MXO 4, R&S®RTO 6 e R&S®RTP supportano tutti un pannello frontale virtuale attraverso un'interfaccia browser basata sul Web.

Ulteriori considerazioni sull'accesso remoto

La maggior parte degli oscilloscopi che supportano lo standard GPIB richiede l'acquisto di un'opzione hardware aggiuntiva.

Automazione (e connettività)

Cosa significa automazione (e connettività)?

Automazione significa controllare uno strumento da un PC attraverso un ambiente di programmazione come LabView™ di NI, MATLAB® di MathWorks o Python. Questi ambienti inviano comandi all'oscilloscopio tramite USB, Ethernet o GPIB.