Electronica - Monaco di Baviera, 10-13 novembre 2026
Si terrà a Monaco di Baviera dal 10 al 13 novembre 2026 la fiera electronica, la più grande manifestazione europea dedicata all'elettronica professionale. Al centro…
Gli oscilloscopi con convertitori analogico/digitali a 12 bit si sono diffusi in tutte le fasce di mercato, ma il numero di bit dichiarato non basta a descrivere la capacità di uno strumento di distinguere i dettagli di un segnale. Rumore, numero effettivo di bit e modalità di acquisizione determinano la risoluzione realmente disponibile.
Per molti anni la quasi totalità degli oscilloscopi digitali ha utilizzato convertitori analogico/digitali a 8 bit, una scelta dettata dalla necessità di raggiungere frequenze di campionamento elevate con costi e consumi accettabili. Gli strumenti a risoluzione più alta erano riservati ad applicazioni specifiche e a bande limitate.
Negli ultimi anni lo scenario è cambiato in modo radicale: architetture a 12 bit sono oggi disponibili dalla fascia d'ingresso fino agli strumenti con bande di diversi gigahertz. Per scegliere e utilizzare correttamente questi oscilloscopi occorre però chiarire che cosa significhi davvero il numero di bit, quale ruolo abbia il rumore e come si collochino le varie modalità di acquisizione che promettono una risoluzione ancora superiore.
Il tema riprende alcuni concetti introdotti negli articoli precedenti, in particolare il legame tra sensibilità verticale e accuratezza.
Un convertitore a N bit suddivide l'intervallo di ingresso in 2 elevato alla N livelli distinti: 256 per un convertitore a 8 bit, 1024 per uno a 10 bit, 4096 per uno a 12 bit. Negli oscilloscopi l'intervallo corrisponde, con buona approssimazione, all'escursione verticale dello schermo, tipicamente di otto o dieci divisioni a seconda del costruttore.
Ad esempio, con una sensibilità di 100 mV per divisione e otto divisioni, il fondo scala vale 800 mV e il passo di quantizzazione, cioè la più piccola variazione di tensione che il convertitore può distinguere, è di circa 3,1 mV con 8 bit e di circa 0,2 mV con 12 bit.
Il valore quantizzato differisce da quello reale al massimo di mezzo passo; nell'ipotesi che il segnale vari in modo casuale rispetto ai livelli, questo errore si comporta come un rumore con valore efficace pari al passo diviso la radice quadrata di dodici. Ne deriva una relazione molto nota: il rapporto segnale-rumore ideale di un convertitore, per una sinusoide che occupa l'intero fondo scala, è pari a 6,02 dB per bit più 1,76 dB, cioè circa 50 dB con 8 bit e 74 dB con 12 bit.
Fig. 1: Una sinusoide di 20 mV picco-picco osservata con un fondo scala di 800 mV, pari a 100 mV per divisione su otto divisioni. Con 8 bit il segnale viene rappresentato da appena sette livelli e la forma d'onda è visibilmente a gradini; con 12 bit il passo di quantizzazione è sedici volte più piccolo e la ricostruzione è fedele.
Come già osservato nell'articolo sull'accuratezza, la risoluzione disponibile si riferisce all'intero fondo scala: un segnale che occupa una piccola frazione dello schermo viene descritto da pochi livelli. Con un oscilloscopio a 8 bit la regola di regolare la sensibilità in modo che il segnale occupi la maggior parte dello schermo è quindi essenziale.
Esistono però molte situazioni in cui ciò non è possibile, perché il segnale contiene contemporaneamente componenti di ampiezza molto diversa. È il caso del nodo di commutazione di un convertitore di potenza, dove è necessario osservare escursioni di centinaia di volt e, allo stesso tempo, la tensione di conduzione del transistor, di pochi volt o meno. Altri esempi sono le piccole componenti di ripple e rumore sovrapposte a un segnale più ampio, oppure le uscite di sensori con un'ampia dinamica.
In tutti questi casi una risoluzione più elevata consente di osservare dettagli che con 8 bit rimarrebbero confusi nei gradini di quantizzazione.
Il numero di bit del convertitore indica la risoluzione teorica, ma il comportamento reale dello strumento dipende dall'intera catena di acquisizione.
Lo stadio d'ingresso, con attenuatori e amplificatori, aggiunge un proprio rumore; il convertitore presenta non linearità differenziali e integrali; l'incertezza temporale del clock di campionamento, il cosiddetto jitter, si traduce in un errore di ampiezza tanto maggiore quanto più veloce è il segnale; nelle architetture che combinano più convertitori in interleaving, infine, le inevitabili differenze di guadagno, offset e temporizzazione tra i convertitori producono componenti spurie.
L'effetto complessivo viene espresso con il numero effettivo di bit, noto con la sigla inglese ENOB (Effective Number Of Bit), che si ricava misurando il rapporto tra il segnale e la somma di rumore e distorsione, detto SINAD, con una sinusoide pura applicata all'ingresso: l'ENOB è pari al SINAD in decibel, diminuito di 1,76 e diviso per 6,02.
Si tratta, in altre parole, del numero di bit di un convertitore ideale che avrebbe le stesse prestazioni dello strumento reale. Le procedure di misura sono descritte nello standard IEEE 1057, dedicato ai sistemi di acquisizione di forme d'onda digitalizzate.
L'ENOB di un oscilloscopio è sempre inferiore al numero di bit nominali e non è un valore unico: varia con la frequenza del segnale di prova, con la banda selezionata, con la sensibilità verticale e con l'ampiezza del segnale rispetto al fondo scala.
Per gli oscilloscopi a 8 bit è comune che l'ENOB a banda piena si collochi tra 5 e 7 bit. Per gli strumenti a 12 bit i valori sono sensibilmente più elevati, ma comunque lontani da 12. Ad esempio per gli oscilloscopi Serie 4 B di Tektronix, la scheda tecnica riporta valori tipici di ENOB che vanno da 7,6 bit con banda di 1 GHz a 8,9 bit con il limitatore di banda a 20 MHz, misurati con un segnale a 10 MHz che occupa il 90% dello schermo.
Il confronto mostra come la banda sia uno dei fattori determinanti: riducendola si elimina una parte consistente del rumore e si guadagna risoluzione effettiva.
Fig. 2: Numero effettivo di bit in funzione del rumore analogico dello stadio d'ingresso, calcolato per convertitori ideali da 8 a 14 bit. Quando il rumore dello stadio d'ingresso è inferiore al rumore di quantizzazione l'ENOB coincide con i bit nominali; quando lo supera, tutte le curve convergono e i bit aggiuntivi del convertitore non portano alcun beneficio.
La Figura 2 evidenzia il punto chiave: un convertitore a più bit migliora la risoluzione solo se lo stadio d'ingresso è sufficientemente silenzioso. Se il rumore analogico supera il rumore di quantizzazione, aumentare i bit del convertitore non produce alcun miglioramento apprezzabile.
Per questa ragione i costruttori di oscilloscopi a 12 bit hanno dovuto riprogettare l'intera catena del segnale, con amplificatori a basso rumore e architetture ottimizzate. Teledyne LeCroy, per esempio, descrive la propria tecnologia HD4096 proprio come la combinazione di convertitori a 12 bit ad alta frequenza di campionamento, amplificatori con elevato rapporto segnale-rumore e un'architettura di sistema a basso rumore.
Occorre inoltre distinguere tra strumenti dotati di un convertitore nativo a 12 bit e strumenti che dichiarano una risoluzione di 12 bit solo in particolari modalità di acquisizione, ottenute mediante elaborazione digitale e al prezzo di una riduzione della banda.
Il parametro che più direttamente descrive la capacità di un oscilloscopio di osservare segnali di piccola ampiezza è il rumore di fondo, che le schede tecniche riportano come valore efficace in funzione della sensibilità verticale e della banda, in genere con ingresso a 50 Ω.
Il rumore cresce all'aumentare della banda, all'incirca con la radice quadrata di quest'ultima se il rumore è uniformemente distribuito in frequenza, e alle sensibilità più elevate tende a un valore minimo determinato dallo stadio d'ingresso.
Il rumore dello strumento può essere verificato con una prova molto semplice: si collega all'ingresso un terminatore da 50 Ω, o si lascia l'ingresso a 1 MΩ con il cavo scollegato, e si misura il valore efficace in alternata della traccia alle diverse sensibilità e bande. Il risultato, confrontato con l'ampiezza dei dettagli che interessa osservare, indica se lo strumento è adeguato alla misura.
Va ricordato che il rumore percepito dal circuito comprende anche quello della sonda e che una sonda passiva 10× moltiplica per dieci il rumore dello strumento riportato alla punta, perché attenua il segnale prima che raggiunga l'ingresso. Per la misura di segnali di pochi millivolt, come il ripple sulle linee di alimentazione, è quindi preferibile utilizzare sonde con attenuazione unitaria o sonde attive dedicate, come visto nell'articolo sulle sonde.
Oltre al limitatore di banda, gli oscilloscopi offrono due modalità di acquisizione che riducono il rumore e aumentano la risoluzione effettiva, con principi e compromessi molto diversi.
La modalità media calcola, punto per punto, la media di più acquisizioni successive sincronizzate dal trigger. Il rumore casuale si riduce in proporzione alla radice quadrata del numero di acquisizioni mediate, per cui con 64 acquisizioni il rumore scende di otto volte, senza alcuna riduzione della banda.
Il metodo funziona però solo con segnali ripetitivi e con un trigger stabile: le componenti non sincronizzate con il trigger, come un disturbo occasionale o un'oscillazione asincrona, vengono attenuate o cancellate, e un evento singolo non può essere osservato.
La modalità ad alta risoluzione sfrutta invece il sovracampionamento. Quando la base dei tempi richiede una frequenza di campionamento inferiore a quella massima del convertitore, lo strumento acquisisce comunque alla frequenza più elevata e applica un filtro digitale passa-basso, seguito da una riduzione del numero di campioni. In presenza di rumore bianco, ogni riduzione di quattro volte della banda dimezza il rumore e corrisponde idealmente a un bit di risoluzione in più.
Il vantaggio è che il metodo funziona anche in acquisizione singola; il prezzo è una riduzione della banda effettiva, che rallenta i fronti veloci e attenua gli eventi di breve durata.
Tutti i principali costruttori di oscilloscopi digitali moderni offrono queste funzioni con alcune differenziazioni realizzative.
Fig. 3: Simulazione di un segnale di piccola ampiezza con un fronte veloce, un'ondulazione periodica e un breve evento non ripetitivo, osservato in tre modalità. L'acquisizione singola mostra l'evento ma è dominata dal rumore. La media su 64 acquisizioni riduce il rumore senza alterare il fronte, ma elimina l'evento non sincronizzato. La modalità ad alta risoluzione riduce il rumore anche in acquisizione singola, ma rallenta il fronte e attenua e allarga l'evento.
Alcune regole pratiche consentono di ottenere il massimo dallo strumento, qualunque sia il numero di bit.
La prima, già vista, è sfruttare l'intero fondo scala, regolando sensibilità e offset in modo che il dettaglio di interesse occupi la maggior parte dello schermo, con l'avvertenza che molti amplificatori d'ingresso saturano se il segnale esce dall'area visualizzata e possono richiedere un certo tempo per recuperare.
La seconda è limitare la banda a quanto effettivamente necessario, sfruttando i limitatori disponibili o i filtri digitali configurabili.
La terza è scegliere la modalità di acquisizione in funzione del segnale: la media per segnali ripetitivi quando servono banda piena e basso rumore, l'alta risoluzione per eventi singoli o segnali lenti, l'acquisizione normale quando interessa osservare fenomeni rari.
La quarta riguarda la sonda, la cui attenuazione e il cui rumore possono vanificare i vantaggi di uno strumento a basso rumore.
Quanto alla scelta dello strumento, un oscilloscopio a 8 bit resta adeguato per molte attività di verifica funzionale, misura di temporizzazioni e analisi di segnali digitali.
Una risoluzione di 12 bit diventa invece determinante quando occorre osservare piccoli dettagli su segnali ampi, misurare ripple e rumore di alimentazione, caratterizzare convertitori di potenza o eseguire analisi spettrali con ampia dinamica.
Il mercato offre oggi soluzioni a 12 bit in tutte le fasce di prezzo, come i modelli MXO di Rohde & Schwarz, le famiglie SDSxxxX HD di Siglent, le famigile di strumenti con tecnologia HD4096 di Teledyne LeCroy, così come tutti i più recenti strumenti offerti da Tektronix.
Nel confronto tra modelli è opportuno guardare non soltanto ai bit dichiarati, ma soprattutto al rumore di fondo e all'ENOB nelle condizioni di banda e sensibilità di reale interesse.
Nel prossimo ariticolo, approfondiremo il tema dei trigger avanzati e della decodifica dei bus seriali.
