Oscilloscopi, oltre la velocità dei segnali

L’oscilloscopio, specialmente nella sua versione moderna (digitale e a larga banda) rappresenta lo strumento ideale per la progettazione e il debug dei sistemi elettronici. Fondamentalmente l’oscilloscopio è uno strumento di visualizzazione del segnale. La visualizzazione del segnale viene consentita ormai in maniera molto estensiva dai computer dotati di capacità grafiche avanzate, sia in termini computazionali che elettroniche (display grafici ad alta risoluzione). Alle sue origini l’oscilloscopio utilizzava i tubi catodici per la visualizzazione del segnale come variazione di ampiezza di un parametro elettrico (tensione, corrente) nel tempo, in quanto i sistemi oggetto della progettazione elettronica erano fondamentalmente analogici. Successivamente, i sistemi elettronici sono diventati prevalentemente digitali e di conseguenza anche l’oscilloscopio è diventato digitale. Questa evoluzione ha trasformato questo strumento da semplice strumento di misura da laboratorio a sofisticato strumento per il signal processing, con tutte le implicazioni del caso. La principale di queste implicazioni è che il progettista di sistemi elettronici necessita di conoscenze aggiuntive per utilizzarne pienamente tutte le potenzialità e per eseguirne la scelta.

L’importanza della banda passante

La banda passante dell’oscilloscopio è il parametro funzionale più importante per la caratterizzazione di un oscilloscopio. Questa descrive la gamma frequenziale che l’oscilloscopio è in grado di trattare senza perdita o distorsione dell’informazione di segnale. Per definizione, la banda descrive a quale frequenza l’ampiezza dei segnali sarà attenuata al 70,7% del valore originario (cioè a -3 dB del valore originario). Il parametro della banda passante dell’oscilloscopio è molto importante, in quanto si tratta di uno strumento di misura, e da una parte consente di valutare l’adeguatezza alle esigenze dello sviluppatore (cioè se è in grado di essere applicato alla casistica di debug dell’elettronica oggetto della progettazione), dall’altra consente di sapere qual è il grado di errore di misura che lo specifico oscilloscopio con una specifica banda passante produrrà all’atto della misura. Un oscilloscopio a banda larga, soprattutto se digitale, implica l’utilizzo di tecnologie digitali e mixed signal di ultimissima generazione, o addirittura sviluppate in modalità custom dallo stesso produttore dello strumento, come è avvenuto soprattutto negli ultimi anni, quando sono stati presentati i primi oscilloscopi digitali con prestazioni tanto elevate da poter affrontare campi applicativi in cui la velocità operativa e la larghezza di banda erano i fattori caratterizzanti, come nell’ambito delle telecomunicazioni e del signal processing.

Frequenza di campionamento e quantizzazione

Nel contesto di un’elettronica di sistema in continua e rapida evoluzione, proprio in termini di velocità e larghezza di banda dei segnali in gioco, la scelta di un oscilloscopio può essere correttamente eseguita applicando una regola fondamentale, quella relativa alla velocità (ovvero la frequenza di campionamento), che deve essere almeno 5 volte superiore alla banda passante (si consideri che una velocità doppia sarebbe il limite teorico dettato dal teorema del campionamento). In pratica volendo misurare un segnale (o una componente di segnale) a 200 MHz è necessario disporre di un oscilloscopio a 1 GHz. L’alta velocità di cattura e di misura del segnale da parte dell’oscilloscopio garantisce anche contro errori di misura legati ad altri aspetti di velocità del segnale, per esempio quelli caratterizzati dai fronti di salita e di discesa del segnale che, per effetto filtrante della banda passante dell’oscilloscopio, risulterebbero rallentati se catturati a velocità inferiore ad almeno 5 volte quella del segnale oggetto di misura. Gli oscilloscopi digitali campionano il segnale analogico utilizzando avanzatissimi sottosistemi mixed-signal (D/A converter e fast sample & hold), processano il segnale campionato con potentissimi processori digitali di segnale e visualizzano il segnale su display grafici interpolando i campioni del segnale. La rappresentazione grafica del segnale, che caratterizza la natura dell’oscilloscopio, è in parte virtuale, in quanto, dove la cattura del segnale non dispone di campioni, il relativo valore di ampiezza del segnale è ricostruito in modo virtuale tramite interpolazione (matematica). L’elevata velocità di campionamento (almeno 5x) garantisce la disponibilità di campioni reali di ampiezza del segnale analogico (originario) all’istante di tempo che la misura sul sistema fisico è richiesta. Oltre al campionamento, un altro aspetto che merita attenzione nella scelta dell’oscilloscopio digitale è il livello di quantizzazione (cioè con quanti bit viene rappresentato ogni singolo campione catturato dal S&H (sample & hold). Il numero di bit di quantizzazione determina la precisione della misura dell’ampiezza del segnale, considerando che la quantizzazione determina un errore nella rappresentazione numerica, detto errore di quantizzazione. Tale errore produce un segnale di rumore sovrapposto a quello oggetto della misura, determinando un rapporto segnale/rumore di quantizzazione (Sqnr dB) che definisce la qualità dello strumento di misura (si consideri che ogni bit contribuisce per circa 6 dB al valore del Sqnr in dB (16 bit garantiscono un Sqnr di 96 dB (6 dB x 16 bit). L’elevato livello di quantizzazione incide sulla complessità dell’elettronica mixed-signal, ovvero l’Adc, dell’oscilloscopio digitale e della capacità di memoria sia di natura storage, sia dell’architettura computazionale e come conseguenza finale sul costo. Alta frequenza di campionamento, elevato numero di bit di quantizzazione, ampia memoria e architettura computazionale avanzata sono tutti elementi tecnologici che incidono in maniera cospicua sui costi per cui si definisce una misura di comparabilità degli oscilloscopi in relazione a queste componenti tecnologiche, ovvero il costo per MHz ($/MHz), poiché la velocità è una componente funzionale e tecnologica che determina la complessità dello strumento di misura.

L’oscilloscopio olistico

Il modello DS1104Z-S+ di Rigol è un esempio di oscilloscopio con un buon indice di costo/MHz (8$/MHz) e che estende la funzionalità alle misure logiche. Si tratta di un oscilloscopio mixed-signal dotato di 16 canali e di funzionalità da analizzatore di stati logici oltre alla generazione di funzioni (forme d’onda). Una peculiarità degli oscilloscopi digitali sta nella capacità computazionale che, grazie alla presenza di un processore e alla rappresentazione digitale (numerica) del segnale, consente di applicare algoritmi di elaborazione numerica del segnale (più comunemente l’analisi frequenziale di Fourier), per consentire l’esecuzione delle misure nel dominio delle frequenze. L’oscilloscopio Rigol DS1104Z-S+ dispone di un menu di operazioni che consente di accedere ad un’ampia serie di operazioni matematiche, aritmetiche e logiche (add, subtract, multiply, divide, Fft, A&&B, A||B, A^B, !A, Intg,  Diff, Sqrt , Lg, Ln, Exp, Abs). Queste funzioni consentono di eseguire operazioni matematiche e logiche utilizzando il segmento di segnale catturato come un operando, avendo la possibilità di richiamare dalla memoria altri segmenti di segnale che vengono utilizzati come operandi di questo esteso set di operazioni che consentono di utilizzare l’oscilloscopio come strumento di misura computazionale che, diversamente, richiederebbe l’utilizzo di ambienti computazionali di misura, come Matlab o LabView.

Segnali critici ad alta velocità

Quando i segnali in gioco sono critici e caratterizzati da elevata velocità, le prestazioni dell’oscilloscopio raggiungono livelli elevatissimi e, di conseguenza, le tecnologie elettroniche necessarie sono al limite e anche oltre lo stato dell’arte della tecnologia microelettronica che caratterizza lo stesso sistema oggetto della progettazione che si avvale dell’oscilloscopio come strumento di laboratorio. Ciò implica che i costi per MHz risultano abbastanza elevati, come per gli oscilloscopi della serie DPO7000C di Tektronix. Caratterizzato da una banda fino a 3,5 GHz, e con campionamento a 40 GS/s (GigaSample/sec) l’oscilloscopio DPO7000C di Tektronix dispone di oltre 30 pacchetti di analisi e misura. Inoltre, questo oscilloscopio esegue il sistema operativo Windows, quindi consente di far girare programmi di analisi custom eseguibili in ambiente Windows, estendendo in maniera enorme le possibilità operative e produttive dell’oscilloscopio. Il DPO7000C di Tektronix è anche un analizzatore di segnali logici avanzato in quanto consente la decodifica dei protocolli con triggering seriale e varie opzioni di analisi per I2C, Spi, RS-232/422/485/Uart, Usb 2.0, Ethernet, Mil-Std-1553B, Can, Lin, e FlexRay. È in grado di eseguire test di compatibilità per Usb 2.0, Ethernet, Hsic, Most e BroadR-Reach. Questa versatilità aggiuntiva rispetto a quella base di oscilloscopio rende questo strumento particolarmente produttivo nell’ambito dei laboratori di progettazione di sistemi elettronici avanzati e complessi caratterizzati da segnali a elevata velocità.

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