Oscilloscopi basati su Pc

L’oscilloscopio fu inventato da Karl Ferdinand Braun nel 1897. Basandosi su un tubo a raggi catodici, Braun usò il suo strumento per visualizzare i segnali nell’apparato telegrafico wireless di Guglielmo Marconi e ai due ingegneri è stato attribuito il premio Nobel per la fisica nel 1909. Da quei tempi, gli oscilloscopi sono cambiati in funzionalità, prestazioni e aspetto. L’aggiunta di un circuito di trigger, sviluppato da Howard Vollum nel 1946, ha permesso agli oscilloscopi attivati da sweep di misurare le proprietà della forma d’onda, come la frequenza, la fase, il tempo di salita e altre caratteristiche la cui misurazione non era stata possibile in precedenza. Lo sviluppo di oscilloscopi digitali con memoria di archiviazione è stato un grande passo avanti negli anni ‘80. Gli ambiti digitali con convertitori analogico-digitali veloci eseguono una registrazione digitale di una forma d’onda. L’oscilloscopio può essere impostato per attivarsi in caso di errore e l’utente può “guardare indietro nel tempo” usando la memoria per osservare le relazioni “causa ed effetto”, aiuta a identificare e caratterizzare i bug in un circuito. Anche se ci sono state molte modifiche e migliorie alle funzionalità oscilloscopiche nel corso degli anni, fino a poco tempo fa, avevano un aspetto e funzionavano in modo molto simile ai modelli precedenti: con un display sul lato sinistro, un cluster di controlli dell’utente sul lato destro e il canale ingressi in basso. I progressi nei microprocessori, nelle comunicazioni e nelle tecnologie di visualizzazione hanno però consentito lo sviluppo di una nuova classe di oscilloscopi basati su Pc: l’esempio in questo senso è rappresentato dagli oscilloscopi PicoScope di Pico Technology. Gli oscilloscopi PicoScope sono piccoli, leggeri e rappresentano un’alternativa moderna agli strumenti tradizionali. Un PicoScope si adatta facilmente a una borsa di computer portatile, offrendo però 2, 4 o 8 canali, fino a 1 GHz, una sorgente di segnale integrata e 16 canali digitali sui modelli Mso. Le funzionalità di fascia alta come l’attivazione avanzata, la decodifica del bus seriale, il test di limitazione della maschera e la matematica della forma d’onda sono incluse come standard. La memoria di buffer fino a 2 Giga campioni consente un’analisi approfondita di sistemi complessi che può essere eseguita in tempo reale dall’utente PicoScope, o off-line e in remoto da altri ingegneri che utilizzano la propria copia senza licenza del software PicoScope.

Misurazioni di integrità dei segnali di base

Il primo compito per un ingegnere che ha bisogno di trovare un difetto di progettazione è di eseguire controlli dell’integrità dei segnali di base e di temporizzazione. La distribuzione dell’orologio ha un buon aspetto? I tassi di bordo logici sono in spec? Vi sono prove di rumore o di rumori che potrebbero interferire con il comportamento del circuito? Il design è stabile nel tempo e con cambiamenti di parametri esterni come temperatura, tensione di alimentazione e in presenza di Emi? La Fig. 1 è una schermata di un modello di PicoScope 2200A, che mostra la cattura di un semplice orologio I2C e di una forma d’onda di dati. Il display è stato suddiviso in quattro pannelli di visualizzazione che consentono all’utente di visualizzare diverse porzioni di un segnale catturato, ingrandendo le caratteristiche delle forme d’onda di interesse. Nella vista in alto a sinistra possiamo vedere la forma d’onda totale catturata. La forma d’onda blu è il segnale Sda e quello rosso è l’orologio. La vista in basso a sinistra viene ingrandita sull’evento di trigger, in questo caso una larghezza di impulso maggiore di 200 μs. La parte superiore destra è ingrandita per mostrare l’attività dell’orologio sul sesto pacchetto nella sequenza catturata. In basso a destra si stanno mostrando rapporti di temporizzazione dell’orologio e dati del secondo pacchetto utilizzando i righelli PicoScope.

Alla ricerca di glitches

Dopo aver controllato il dispositivo per il funzionamento normale, il passo successivo potrebbe essere quello di cercare errori o altri errori di forma d’onda che potrebbero essere causa di guasti a circuito intermittente. PicoScope può essere impostato per attivare in condizioni comuni di errore digitali come la larghezza dell’impulso, lo scarto o lo stato logico. Un altro modo per cercare errori intermittenti è quello di catturare una buona forma d’onda nota dal dispositivo sottoposto a prova e creare una maschera con tolleranze definite dall’utente che possono essere utilizzate per testare le forme d’onda per lunghi periodi di tempo. In caso di violazione della maschera, PicoScope può attivare un “Allarme” per salvare la forma d’onda fallita, suonare una campana o prendere un’altra azione definita dall’utente. Questo è l’ideale per verificare l’immagazzinamento automatico di un dispositivo.  Se i picchi di un’alimentazione a modalità commutata causassero interferenze sul bus dati, verrebbero visualizzati chiaramente nella visualizzazione del dominio di frequenza e attiverebbero un allarme.

Verifica dell’esecuzione del programma

Un passo logico nel processo di debug è verificare la sequenza dei dati per assicurarsi che i valori attesi siano scritti e letti da ciascun dispositivo della catena. A questo proposito, l’ingegnere potrebbe desiderare di innescare l’oscilloscopio a un impulso di avvio o, forse, in una condizione di errore e vedere il flusso di dati che porta a questi eventi. La Fig. 4 mostra la decodifica di un bus I2C. Notare i guasti su entrambe le forme d’onda del clock e dei dati che sembrano essere il risultato di una interferenza sul bordo. Questo esempio mostra solo pochi pacchetti di dati decodificati con una breve memoria buffer. I modelli PicoScope, come la serie 5000, hanno una memoria buffer enorme fino a 256 mega campioni che consentono di decodificare centinaia o migliaia di pacchetti di dati per tracciare un’attività dettagliata del programma. Eventuali errori di dati identificati possono essere immediatamente correlati alla forma d’onda corrispondente per l’analisi e la rettifica.

Analisi della potenza 

Se il dispositivo è alimentato a rete o se è situato vicino all’apparecchiatura a rete, il guasto può essere dovuto a problemi di qualità dell’alimentazione o alle emissioni con radiazioni. I carichi non lineari e le moderne apparecchiature di conversione di potenza producono tensioni complesse e forme d’onda di corrente con un significativo contenuto armonico. La misurazione e l’analisi corretta di queste armoniche è essenziale per risolvere i problemi di qualità dell’energia. Sul versante dell’offerta, è necessario valutare anche problemi di qualità del suono, come flessioni e riduzioni, aumenti o volumi altissimi, sfarfallio, interruzioni e variazioni di tensione e frequenza a lungo termine per garantire che il dispositivo continui a funzionare correttamente in tutte le condizioni di fornitura. La Fig. 5 mostra la tensione di alimentazione (canale blu) e la corrente tracciata (canale verde) da un computer portatile. Il computer portatile Smps è non lineare, quindi ha un contenuto armonico significativo, mostrato nella vista di dominio di frequenza in cima. La forma d’onda di potenza è il canale matematico nero, calcolato come Abs (ChanA x ChanB) e calibrato in kW. In questo caso il tracciamento di corrente complessivo è basso e il sistema di trasmissione di potenza può facilmente fornire la domanda. Ma le installazioni industriali che commutano correnti elevate possono creare molti problemi per i sistemi di trasmissione, che possono causare problemi ad altri dispositivi collegati o vicini alla stessa fornitura.

Test di stress e margini

La valutazione di un progetto utilizzando input e segnali provenienti dai sensori effettivi che vengono utilizzati nel progetto finale è una parte sensibile e necessaria del processo di convalida di progettazione. Ma, per la stessa natura dei segnali del mondo reale, potrebbe essere necessario attendere molto tempo per consentire al sensore di fornire un segnale “cattivo”. Una strategia utile quindi, è quella di simulare le forme d’onda in ingresso con un generatore di segnali e di variare parametri quali la frequenza, l’ampiezza, il salto e il tempo di caduta, il duty-cycle ecc., e vedere come il dispositivo risponde. Naturalmente, molti segnali di ingresso non sono semplici forme tipo sin, quadrate o d’impulso. Per forme d’onda complesse il generatore di forma d’onda arbitrario integrato di PicoScope è incredibilmente potente, essendo in grado di fornire forme d’onda del mondo reale che possono essere sottolineate con imperfezioni noti e misurate, quali modifiche di jitter, rumore, cambiamenti di fase e frequenza per creare condizioni operative peggiori e verificare che il dispositivo elabori correttamente l’intera gamma di input. La bellezza di questo approccio con PicoScope è che le forme d’onda catturate da un canale dell’oscilloscopio possono essere facilmente spostate nella memoria Awg, modificate a seconda delle necessità, e presentate come risultato.

Statistiche delle forme d’onda

Come accennato in precedenza, gli oscilloscopi deep memory di PicoScope possono catturare decine di migliaia di cicli d’onda da un dispositivo sottoposto a prova, a piena velocità di campionamento e con una risoluzione massima di tempo di 200 ps o migliore. PicoScope DeepMeasure può essere utilizzato per eseguire grandi analisi dei dati acquisiti per convalidare l’integrità dei segnali in tensione. DeepMeasure utilizza fino a 100 milioni di campioni per catturare i risultati di ogni ciclo contenuto in ogni acquisizione d’onda innescata. I risultati vengono visualizzati in una tabella, con i campi dei parametri visualizzati come colonne e cicli di forma d’onda mostrati come righe. Dieci parametri per ciclo sono inclusi nella prima versione dello strumento e possono essere visualizzati fino a un milione di cicli.

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