Parlare di strumentazione digitale equivale, oggi, ad affrontare il vastissimo tema della strumentazione tout court. Da tempo, infatti, la maggior parte degli strumenti di misura e di analisi utilizzati in elettronica si basano su tecnologie digitali. In questo articolo ci concentreremo in modo particolare sugli oscilloscopi, cercando di delineare le loro tendenze evolutive.
In termini generali, l'evoluzione della strumentazione è determinata dalla necessità di mantenere il passo con l'aumento delle prestazioni dei sistemi elettronici su cui si effettuano le misure. I moderni sistemi, infatti, sono caratterizzati da segnali sempre più veloci e sempre più densi di informazione. Un esempio dell'aumento delle velocità è dato dalla diffusione dei bus seriali (standard quali Pci Express, Serial Ata, Fibre Channel, FB-Dimm, Hdmi, Infiniband, Xaui, ecc), con bit rate che possono raggiungere 10 GB/s. Gli oscilloscopi sono indispensabili per effettuare le prove di conformità rispetto alle specifiche degli standard, tipicamente tramite gli “eye diagram” e test sulle temporizzazioni e il jitter. L'aumento della densità di informazione contenuta nei segnali è legato invece alla diffusione dei sistemi di comunicazione basati su modulazione digitale, che sfruttano la possibilità di associare l'informazione a grandezze vettoriali o che impiegano sistemi a divisione di codice. Tutte queste tecnologie digitali sofisticate mal sopportano l'inevitabile “residuo analogico” dovuto alle leggi della fisica (ad esempio, il fatto che un fronte d'onda non potrà mai avere un tempo di salita nullo), residuo che deve essere tenuto sotto controllo tramite strumenti sempre più sofisticati. Inevitabilmente, anche questi strumenti sono sistemi digitali, basati in larga parte sulle capacità dei Dsp. Oltre al continuo aumento delle prestazioni, l'evoluzione degli strumenti di misura digitali evidenzia altre due tendenze di rilievo: l'aumento della produttività e la crescente importanza delle competenze specialistiche in sede di acquisto e di impiego. L'aumento della produttività degli strumenti è un aspetto assolutamente non secondario poiché, dal punto di vista economico, la possibilità di abbreviare e semplificare le operazioni di misura e analisi (sia in laboratorio, sia in produzione) può incidere in modo sensibile sulla competitività di un'azienda. Infine, la crescente importanza delle competenze specialistiche discende dal fatto che - benché possano essere facili da usare - i moderni strumenti digitali sono sistemi molto complessi, sui quali influiscono sia le prestazioni dei singoli componenti, sia le scelte architetturali complessive. Tutti questi aspetti hanno conseguenze importanti sulla precisione delle misure e devono essere pertanto considerati nella fase d'acquisto e nell'impiego pratico. Alcuni di questi aspetti saranno oggetto del paragrafo seguente.
Qualche termine di paragone
Com'è noto, i tre principali parametri che caratterizzano un oscilloscopio digitale “real time” sono la larghezza di banda (in MHz), la cadenza di campionamento (espressa in milioni o miliardi di campioni al secondo) e le dimensioni della memoria utilizzata per conservare i campioni (espressa come numero di punti, con riferimento ai punti utilizzati per costruire la forma del segnale). Attualmente i modelli di punta dei principali costruttori di oscilloscopi si caratterizzano per valori massimi di banda sensibilmente diversi (13, 18 e 20 GHz) e questa differenza alimenta un interessante dibattito sugli altri aspetti ritenuti importanti per valutare le prestazioni di uno specifico prodotto. Tra i principali aspetti in discussione sono compresi gli effetti del campionamento interallacciato, le regole pratiche per calcolare la banda necessaria per una determinata misura, la curva di risposta dello strumento, le dimensioni della memoria, la cadenza di aggiornamento dell'immagine e gli algoritmi del Dsp interno.
Il campionamento interallacciato
Il campionamento interallacciato è una modalità di acquisizione real time basata sull'impiego di più convertitori analogico-digitale in parallelo, i quali misurano punti diversi del segnale poiché comandati tramite clock sfasati tra loro. I dati emessi dai diversi convertitori sono poi fusi in un unico flusso. Questa tecnica permette di raggiungere cadenze di campionamento molto elevate, ma richiedere un'estrema precisione nelle temporizzazioni dei diversi clock; anche un minimo errore si traduce infatti in una distorsione dell'immagine ricostruita. I detrattori del campionamento interallacciato sostengono che sia impossibile evitare piccole imprecisioni nelle temporizzazioni dei clock, quindi le distorsioni dell'immagine sarebbero inevitabili. Sottolineano quindi il valore degli strumenti che possono sostenere la massima cadenza di campionamento su tutti i canali di ingresso, contemporaneamente.
La scelta del valore di banda
Per quanto riguarda invece la scelta del valore di banda necessario per compiere una determinata misura, si registra l'esistenza di diverse regole pratiche proposte da vari costruttori. Alcune di esse, relativamente semplici, si basano su un fattore di moltiplicazione applicato ai tempi di salita del segnale; altre, più complesse, fanno riferimento alla quinta armonica del segnale clock e, nel caso di misure su bus seriali, distinguono tra applicazioni diverse (debugging oppure verifica della conformità allo standard) e tra diversi livelli di precisione. Le diverse regole portano a scegliere valori di banda diversi e probabilmente riflettono, almeno in parte, i punti di forza o di debolezza dei costruttori che le propongo. In questo dibattito rientra anche la curva di risposta dello strumento, che può essere piatta oppure gaussiana. Uno dei costruttori sottolinea che la frequenza di taglio rappresenta il punto in cui l'attenuazione supera il valore di 3 dB, pertanto - nel caso di risposta gaussiana - già nella parte alta della banda si possono rilevare valori di attenuazione molto significativi.
Le dimensioni della memoria
Le dimensioni della memoria, invece, rivestono notevole importanza poiché incidono anche sulla possibilità di mantenere la massima cadenza di campionamento per tutti i settaggi della base dei tempi. Infatti il numero massimo di punti utilizzabili per costruire una singola immagine è pari al numero di punti conservati nella memoria. Ad esempio, con una memoria da un milione di punti, alla velocità di 1 MS/s si può visualizzare al massimo un intervallo di un secondo. Se la base dei tempi prescelta richiede di visualizzare un intervallo di due secondi, il sistema non potrà fare altro che dimezzare la cadenza di campionamento reale e, con essa, la larghezza della banda.
Anche la cadenza di aggiornamento dell'immagine è importante, poiché incide sulla capacità dello strumento di catturare eventi non ripetitivi. Ogni oscilloscopio è infatti caratterizzato da un proprio valore di duty cycle, che dipende dal rapporto tra il tempo impiegato per l'acquisizione del segnale e il tempo richiesto per disegnare l'immagine (nel corso del quale lo strumento è “cieco”). Inoltre non va trascurata l'importanza degli algoritmi di elaborazione dei campioni eseguiti dal Dsp dello strumento. La qualità di questi algoritmi e la loro taratura rispetto alle caratteristiche di ogni esemplare incide sulle prestazioni complessive. Infine bisogna ricordare il ruolo del software, soprattutto ai fini della produttività.
Passiamo ora brevemente in rassegna l'offerta dei tre principali produttori di oscilloscopi digitali, tramite descrizioni sintetiche che non si propongono di servire come base per un paragone tra i vari modelli.
Agilent: alte prestazioni per ogni applicazione
All'estremità più bassa della gamma Agilent si colloca la serie U1600A, costituita da oscilloscopi palmari con banda di 20 o 40 MHz. Gli strumenti sono dotati di due canali analogici, 125 kpts di memoria e cadenza di campionamento di 200 MS/s. Salendo verso prestazioni più alte troviamo gli oscilloscopi economici della serie 3000, con larghezza di banda compresa tra 60 e 200 MHz, due canali analogici, 4 kpts di memoria e campionamento a 1 GS/s. Si passa poi alla serie 5000, costituita da strumenti portatili per applicazioni generali con valori di banda compresi tra 100 e 500 MHz, due oppure quattro canali analogici, memoria di 1 Mpts e velocità di campionamento di 2 o 4 GS/s. La serie 6000A comprende invece oscilloscopi caratterizzati da valori di banda compresi tra 100 MHz e 1 GHz; la memoria può avere una capacità massima di 8 Mpts e la velocità di campionamento è di 4 GS/s. La serie comprende modelli dotati di due o quattro canali analogici, oltre a un modello a segnali misti (MSO) che dispone anche di sedici canali digitali. Prestazioni sostanzialmente analoghe per la serie 6000L, costituita però da strumenti in formato rack a basso profilo, ovviamente privi di display. Muovendoci verso la parte più alta dell'offerta Agilent troviamo la serie Infiniium 8000, che comprende oscilloscopi per applicazioni generali di laboratorio con valori di banda di 600 MHz o 1 GHz. La memoria può raggiungere una capacità di 128 Mpts e il campionamento avviene alla velocità di 4 GS/s. Questi strumenti sono dotati di quattro canali analogici e, nel modello MSO, anche di sedici canali digitali. La fascia dei valori di banda compresi tra 2 e 13 GHz è coperta da quattro diverse serie di oscilloscopi, tutti caratterizzati da una velocità di campionamento di 40 GS/s e da quattro canali analogici. La serie Infiniium 80000B è composta di strumenti ad alte prestazioni per applicazioni di laboratorio. La memoria raggiunge la capacità di 2 Mpts, ma è disponibile una modalità che permette di raggiungere 64 Mpts. Le altre tre serie che raggiungono una banda di 13 GHz sono denominate Infiniium DSO90000A, DSA90000B (Digital Signal Analyzer) e DSA90000A. Alla sommità della gamma Agilent si colloca la serie Infiniium 86100C DCA e DCA-J, con valori di banda compresi tra 3 e 80 GHz. Ovviamente per raggiungere prestazioni così elevate lo strumento utilizza un campionamento in tempo equivalente. L'offerta Agilent comprende anche uno strumento particolare denominato Digital Communication Analyzer N2100B PXIT 8.5, con valori di banda compresi tra 1 e 8,5 GHz.
Lecroy: proposte per ogni esigenza
La serie più semplice ed economica dell'offerta di LeCroy, denominata WaveJet, comprende strumenti con larghezze di banda comprese tra 100 e 500 MHz, campionamento a 1 GS/s (2 GS/s con canali interallacciati) e memoria standard di 500 kpts (espandibile). Si passa poi alle diverse serie contraddistinte dal marchio WaveSurfer. La famiglia WaveSurfer 400 è composta di oscilloscopi con valori di banda compresi tra 200 e 500 MHz; le velocità di campionamento sono le stesse della serie precedente, mentre la memoria ha una capacità standard di 1 Mpts (2 Mpts con canali interallacciati). La serie WaveSurfer Xs ha valori di banda compresi tra 200 MHz e 1 GHz, velocità di campionamento di 2,5 oppure 5 GS/s, memoria standard di 2,5 Mpts. Il modello WaveSurfer 104 MXs si caratterizza per una dotazione che comprende funzioni matematiche avanzate e trigger HDTV. Ha una banda di 1 GHz, velocità di campionamento di 5 GS/s e memoria di 10 Mpts per canale. Salendo verso l'alto troviamo la famiglia WaveRunner, comprendente varie serie. Il modello WaveRunner 104 Mxi, con banda di 1 GHz, offre funzioni matematiche avanzate e trigger HDTV, ai quali si aggiungono funzioni di misura del jitter e delle temporizzazioni. La velocità di campionamento di 5 GS/s e la capacità della memoria standard è di 12,5 Mpts per canale; entrambi i valori raddoppiano con canali interallacciati. La serie WaveRunner Xi comprende modelli con valori di banda compresi tra 400 MHz e 2 GHz Le specifiche riguardanti la velocità di campionamento e le dimensioni della memoria sono le stesse del modello precedente. Prestazioni sostanzialmente analoghe anche per la serie WaveRunner 6000A, ma la capacità di memoria standard è inferiore (4 Mpts per canale oppure 8 Mpts con canali interallacciati). Si passa poi a una serie di strumenti specializzati, i Vehicle Bus Analyzer della serie VBA, con valori di banda compresi tra 400 MHz e 2 GHz. Velocità di campionamento e capacità di memoria sono le stesse della famiglia WaveRunner. Salendo alla fascia caratterizzata da valori di banda compresi tra 1 e 3 GHz troviamo la serie WavePro, con velocità di campionamento di 10 GS/s (che raddoppia con canali interallacciati) e memoria di 10 Mpts. È poi la volta di un'altra serie specializzata, il Disk Drive Analyzer (DDA) con banda di 3,5 GHz. La velocità di campionamento è uguale alla serie precedente, mentre la memoria è di 24 Mpts per canale. Nella fascia con valori di banda compresi tra 4 e 6 GHz si colloca la serie WaveMaster, caratterizzata da cadenza di campionamento di 20 GS/s e memoria di 10 Mpts per canale. Alla sommità della gamma LeCroy, per quanto riguarda gli oscilloscopi in tempo reale, troviamo i Serial Data Analyzer della serie SDA, con valori di banda compresi tra 3 e 18 GHz. La velocità di campionamento è di 20 GS/s (sale a 60 GS/s con canali interallacciati) e la memoria ha una capacità di 24 Mpts per canale. Completano l'offerta gli oscilloscopi mainframe WaveExpert con valori di banda fino a 100 GHz, prestazione che ovviamente viene raggiunta con campionamento in tempo equivalente. La memoria standard in questo caso è di 10 Mpts per canale.
Tektronix: una gamma completa
All'estremità più bassa della gamma Tektronix si colloca la serie di strumenti palmari THS700 da 100 e 200 MHz, con campionamento a 500 MS/s o 1 GS/s e memoria di 2,5 kpts. Seguono i modelli portatili TDS1000B, TDS2000B e TPS2000, con larghezze di banda comprese tra 40 e 200 MHz, cadenza di campionamento da 500 MS/s a 2GS/s e memoria di 2,5 kpts. Salendo verso prestazioni superiori troviamo la serie TDS3000B, costituita anch'essa da strumenti portatili, con valori di banda compresi tra 100 e 500 MHz, campionamento da 1,25 GS/s a 5 GS/s e memoria di 10 kpts. L'offerta di oscilloscopi portatili è completata dalla serie DPO4000-MSO4000, caratterizzata da valori di banda compresi tra 350 MHz e 1 GHz; la velocità di campionamento va da 2,5 GS/s a 5 GS/s e la memoria ha una capacità di 10 Mpts. Come indicato dalla sigla, il modello MSO è uno strumento per segnali misti, dotato anche di sedici canali digitali. La fascia degli oscilloscopi da banco si apre con la serie TDS5034B da 300 MHz, con velocità di campionamento da 1,25 GS/s a 5 GS/s e memoria fino a 16 Mpts. Segue poi la serie DPO7000 con valori di banda compresi tra 500 MHz e 3,5 GHz, campionamento fino a 40 GS/s e memoria fino a 400 Mpts. Nella fascia caratterizzata da valori di banda compresi tra 6 e 15 GHz si colloca la serie TDS6000B/C, con velocità di campionamento fino a 40 GS/s e capacità di memoria fino a 64 Mpts. Alla sommità della gamma troviamo la serie DPO7000/DSA7000, con valori di banda compresi tra 4 e 20 GHz. La velocità di campionamento raggiunge i 50 GS/s, mentre la memoria ha una capacità massima di 200 Mpts. L'offerta Tektronix è completata dagli oscilloscopi in tempo equivalente della serie DSA8200, che grazie a questo tipo di campionamento possono raggiungere una larghezza di banda superiore a 70 GHz.
Yokogawa: un'offerta totalmente digitale
Yokogawa offre al mercato la serie DL9000 MSO, con banda passante da 500 MHz a 1.5 GHz e con ingressi logici da 16 o 32 bit separati e indipendenti. Tutti gli ingressi analogici, dopo essere passati attraverso le sezioni di ingresso, vengono digitalizzati a 8 bit e quindi veicolati alla sezione dedicata alla gestione del segnale.
Adse (Advanced Data Stream Engine) è un chip LSI dedicato all'elaborazione grafica dei segnale; costruito in tecnologia Cmos permette la visualizzazione a schermo delle forme d'onda acquisite a velocità superiori alla media (2000 waves/sec x 2.5 Kw). La gestione delle strumento è affidata a un sistema a microprocessore con sistema operativo embedded appositamente sviluppato da Yokogawa per dare la massima velocità di accensione, funzionamento, spegnimento e affidabilità. L'elaborazione dell'immagine avviene tramite elettronica dedicata per essere veicolata in risoluzione Xga sullo schermo dell'oscilloscopio. Da segnalare anche la proposta di strumenti completamente digitali come i wattmetri; come per gli oscilloscopi i segnali analogici, di tensione e corrente, vengono trattati in modo da essere digitalizzati ed elaborati. In particolare, il WT3000 è un wattmetro di classe di precisione 0.02 rdg; i segnali della voltmetrica come l'amperometrica (questo tramite shunt) vengono trattati in tensione e normalizzati. Dopo avere attraversato le sezioni dei filtri entrano nei convertitori AD per essere poi gestiti a livello numerico digitale. Anche gli eventuali segnali di coppia e velocità di rotazione (per i motori elettrici) vengono digitalizzati per essere poi, insieme ai segnali V/I, elaborati dalla Cpu in tutte le misure di potenza, armoniche ecc.
Tipologie differenti di oscilloscopi
Com'è noto, gli oscilloscopi digitali o DSO (Digital Storage Oscilloscope) convertono i segnali analogici in forma digitale, tramite appositi ADC; i campioni così acquisiti sono poi immagazzinati in una memoria e utilizzati per costruire l'immagine, che normalmente è visualizzata tramite un display a cristalli liquidi. La categoria dei DSO comprende due principali tipologie di strumenti, indicate rispettivamente dalle espressioni “real time” e “equivalent time” (oppure “sampling”). Gli oscilloscopi real time, che rappresentano la tipologia più diffusa, acquisiscono la forma del segnale prelevando campioni consecutivi. Gli oscilloscopi “equivalent time” raggiungono velocità di campionamento estremamente elevate prelevando campioni non consecutivi. L'immagine dell'onda, infatti, viene costruita tramite molteplici acquisizioni successive. Chiaramente questo metodo è applicabile solo a segnali ripetitivi, la cui forma rimane invariata a ogni acquisizione.
Fanno parte della categoria degli oscilloscopi digitali anche gli strumenti denominati MSO (Mixed Signal Oscilloscope) che, oltre a disporre di due o quattro canali analogici, sono dotati anche di un certo numero di canali digitali, tipicamente sedici. Ovviamente nel caso di misure su sistemi digitali, anche i canali analogici sono utilizzati per acquisire segnali digitali; la differenza consiste nel fatto che i canali digitali sono adatti soltanto ad acquisire livelli logici (in modo simile a quanto avviene in un analizzatore logico), non la forma dei segnali.
Analizzatori di spettro e di rete
Negli ultimi anni anche gli analizzatori di spettro hanno conosciuto una significativa evoluzione, necessaria principalmente per tenere il passo con le tecniche di comunicazione digitale. L'analizzatore di spettro tradizionale serve a misurare grandezze scalari (l'ampiezza di un segnale) in funzione della frequenza, mentre molte tecniche di modulazione digitale devono essere analizzate tramite grandezze vettoriali. È il caso, ad esempio, dei simboli definiti da fase e ampiezza, rappresentabili tramite vettori nello spazio complesso (diagrammi di costellazione). Sono pertanto stati sviluppati nuovi strumenti denominati analizzatori di segnali vettoriali, spesso dotati di software specifico per i vari standard di trasmissione.
Anche nel campo degli analizzatori di rete possono essere individuate alcune tendenze evolutive. Oltre all'aumento delle prestazioni necessario per tenere il passo con l'evoluzione dei sistemi su cui si effettuano le misure (specialmente nel settore della radiofrequenza e delle microonde, ad es. amplificatori, mixer, convertitori), si registra anche un aumento della produttività. Quest'ultimo può essere ottenuto - ad esempio - riunendo in un unico strumento tutto l'hardware necessario per effettuare una determinata prova.
