FocusonPCB - Vicenza, 15-16 maggio 2024
Torna a Vicenza il 15 e 16 maggio 2024 Focus on PCB, la terza edizione della fiera dedicata all'intera filiera dei circuiti stampati. Nata dalla volontà del Gruppo PCB Assodel…
L'avvento dei primi oscilloscopi digitali, all'inizio degli anni Ottanta, diede inizio a una rivoluzione tecnologica e a un cambio di paradigma nel modo di analizzare e visualizzare i dati.
Nonostante la tecnologia digitale offrisse numerosi vantaggi nella post-elaborazione della forma d'onda e nell'archiviazione permanente dei dati, il prezzo da pagare era la bassa velocità nell'aggiornamento della visualizzazione. Col tempo gli oscilloscopi digitali sono estremamente migliorati, arrivando quasi a soppiantare quelli analogici.
L'architettura di uno strumento digitale determina la sua velocità di misurazione. Scopriamo gli effetti di un parametro fondamentale di un oscilloscopio digitale: il "tempo morto" o "tempo cieco" (blind time), e del suo impatto sull'abilità di eseguire il debug dei difetti di un segnale i progetti complessi.
Riportiamo qui a fianco lo schema a blocchi semplificato di un tipico oscilloscopio digitale moderno.
Il segnale misurato all'ingresso dell'oscilloscopio è condizionato dal sistema verticale. Il convertitore analogico-digitale (ADC), nella sezione di acquisizione del segnale all'interno del diagramma, campiona il segnale a intervalli di tempo regolari e converte le loro rispettive ampiezze in valori numerici discreti chiamati "campioni" (sample).
A seconda delle necessità dell'utente, lo strumento esegue la post-elaborazione, come la media, operazioni matematiche come il calcolo FFT, o altre misure automatiche, sulla forma d'onda memorizzata sotto forma di sequenza di campioni all'interno della memoria di acquisizione.
In teoria, non esiste un limite alle fasi di elaborazione applicabili alla forma dell'onda acquisita. A seconda dell'architettura dell'oscilloscopio, le suddette funzioni possono essere eseguite dallo strumento tramite il software nel suo processore, oppure tramite hardware sfruttando circuiti integrati ASIC o FPGA dedicati. Il risultato finale della forma d'onda elaborata è poi presentato sul display dell'oscilloscopio.
Una volta completato un ciclo di lavoro completo, dal campionamento del segnale d'ingresso alla visualizzazione della forma d'onda elaborata, l'oscilloscopio è pronto per misurare nuovi dati ricominciando con una nuova acquisizione.
I display degli oscilloscopi analogici mostrano quasi tutti i dettagli del segnale misurato. La luce del fosforo assicura una persistenza naturale che viene utilizzata per individuare rapidamente gli errori di segnale.
Mentre gli oscilloscopi analogici devono solo reimpostare il sistema orizzontale per preparare la scansione successiva del fascio di elettroni, quelli digitali passano la maggior parte del tempo ciclo di acquisizione elaborando i campioni acquisiti della forma onda.
Durante questo processo l'oscilloscopio digitale è "cieco" e non può monitorare il segnale di ingresso. Ciò significa che sarà possibile visualizzare soltanto una breve istantanea del vero segnale misurato. Nonostante molti utenti non ne siano consapevoli, questo fenomeno strutturale tipico degli oscilloscopi digitali ha un impatto molto significativo sul segnale visualizzato e sulle capacità dello strumento di aiutarci nel lavoro di debug di un circuito.
La sottostante mostra un esempio di ciclo di acquisizione della forma d'onda, che si può suddividere in un tempo di acquisizione attivo e in un tempo morto. Durante il periodo di attività l'oscilloscopio rileva e digitalizzata il numero prestabilito di campioni e li inserisce nella memoria di acquisizione.
Il tempo morto si divide a sua volta in una porzione di tempo fissa e una variabile.
La parte fissa è determinata dall'architettura stessa dello strumento; la parte variabile, invece, dipende dal tempo necessario per l'elaborazione ed è una funzione della quantità dei campioni acquisiti (lunghezza dei record e numero di canali attivi) e del numero di opzioni di post-elaborazione attive (ad esempio, interpolazione, funzioni matematiche ecc.). Nella fase finale del tempo morto, il motore grafico prepara i campioni della forma d'onda per la visualizzazione e l'oscilloscopio si predispone per un nuovo ciclo di acquisizione.
Il rapporto tra tempo di acquisizione attivo e tempo morto è una caratteristica fondamentale dell'oscilloscopio digitale. Può essere definito sia come indice di tempo morto, sia come velocità di aggiornamento della forma d'onda.
Indice Tempo Morto = Tempo Morto / Tempo Totale del ciclo di Acquisizione
Velocità di aggiornamento della forma d'onda = 1 / Tempo Totale del ciclo di Acquisizione
Per esempio, se il tempo di acquisizione attivo è di 100 ns e il tempo morto è 10 ms, il ciclo di acquisizione totale durerà 10,0001 ms. Questo si traduce in un indice di tempo morto del 99.999 % e in una frequenza di acquisizione dell'onda di poco inferiore a 100 onde al secondo.
Sembra naturale chiedersi a questo punto come il tempo morto influenzi le misurazioni dell'oscilloscopio.
Pensiamo a una tipica situazione di collaudo dove un utente debba realizzare una serie di misurazioni per determinare l'origine di eventuali comportamenti errati del sistema. Un buon approccio di misurazione consisterebbe nell'utilizzare un evento predefinito standard come limite, e nell'attivare la modalità di persistenza nello strumento per monitorare i cambiamenti del segnale nel tempo rispetto alle condizioni normali.
Tuttavia, la figura sottostante mostra che gli eventi che si verificano durante il tempo morto non vengono rilevati e, perciò, nemmeno visualizzati. Di conseguenza le modifiche di segnale durante i periodi di tempo morto rimangono invisibili agli utenti.
In questi casi l'unica speranza di successo è che il comportamento errato continui a ripetersi. In questo modo un'osservazione sufficientemente lunga aumenterà le probabilità che l'errore di segnale coincida con il tempo di acquisizione attivo dell'oscilloscopio. La modalità di persistenza può essere utilizzata per evidenziare gli eventi rari con differente luminosità o colore.
Conoscendo la forma del segnale difettoso, l'utente può riattivare l'acquisizione con una condizione di trigger appropriata. Questo approccio a due fasi, tuttavia, è possibile soltanto con segnali ripetitivi. Fare il debug di un singolo evento sconosciuto è praticamente impossibile.
Come accennato in precedenza, gli utenti di un oscilloscopio digitale devono tenere presente che questo strumento osserva soltanto piccole frazioni del segnale da misurare. Vediamo dove e in che modo il tempo morto influenza i risultati delle misure.
La questione più ovvia, parlando di tempo morto, è la reattività dello strumento. Gli utenti spesso tendono ad aumentare la base dei tempi allo scopo di aumentare la probabilità di catturare un evento indefinito, operazione che può senza dubbio portare a un minor indice di tempo morto.
Sfortunatamente la maggior lunghezza dei record causa in genere una minore velocità di acquisizione e una rapidità di aggiornamento della forma d'onda molto inferiore. Dopo ogni cambiamento di impostazioni che richieda una nuova acquisizione, è necessario mettere in pausa e attendere che il risultato della modifica appaia sul display.
Il tempo morto ha il massimo impatto sul processo di debug quando è necessario individuare e analizzare eventi di segnale rari.
I difetti di segnale possono essere visualizzati solo quando avvengono durante il tempo di acquisizione attivo. Per un tipico oscilloscopio digitale questa quantità di tempo è di solito molto inferiore al 1%. L'utente fa perciò affidamento sulla ripetizione del segnale e su lunghi tempi di attesa.
Le funzioni di analisi quali misurazioni, test con maschera, istogrammi e FFT richiedono un maggior tempo di elaborazione e perciò aumentano il tempo morto di ogni ciclo di acquisizione. Un tempo morto più lungo contrasta con la fondamentale necessità di raccogliere un gran numero di onde per ottenere risultati statisticamente rilevanti.
Supponendo che il comportamento errato del segnale si ripeta nel tempo, è possibile usare l'analisi statistica per calcolare il tempo medio richiesto per individuare ed esaminare ogni evento relativo al segnale.
Dati un tempo e una velocità di acquisizione e la frequenza di ripetizione di un evento (per esempio, di un problema tecnico), la probabilità di catturarlo e visualizzarlo aumenta con un tempo di misurazione maggiore.
Ipotizziamo di avere un segnale con un comportamento erroneo che si ripete 10 volte al secondo. Si tratta di un segnale dati che viene visualizzato sul display dell'oscilloscopio su una scala temporale di 10 ns/div. Con un display a 10 suddivisioni orizzontali, il tempo di acquisizione attivo sarà di 100 ns. Per assicurare un alto livello di sicurezza di catturare l'evento desiderato, utilizziamo una probabilità del 99.99% nella seguente equazione:
dove:
P: probabilità di individuare un evento raro di ripetizione del segnale (%)
GlitchRate: frequenza di ripetizione dell'errore di segnale
T: tempo di acquisizione attivo/tempo di visualizzazione dell'onda (lunghezza del record / velocità campionamento, o 10 * scala temporale per div)
AcqRate: velocità di acquisizione
tmeasure: tempo di misurazione
Il tempo di prova richiesto dipende dalla velocità di acquisizione dell'oscilloscopio. La seguente tabella mostra i tempi di misura necessari per alcune differenti velocità di acquisizione.
Tabella 1: tempo medio di misura per catturare errori ripetitivi di segnale (P=99.99%, T=100 ns, GlitchRate=10/s)
| Velocità di acquisizione | Tempo di misura |
| 100 forme d'onda/s | 19 h : 11 min : 08 s |
| 10.000 forme d'onda/s | 11 min : 31 s |
| 100.000 forme d'onda/s | 1 min : 09 s |
| 1.000.000 forme d'onda/s | 7 s |
Gli elementi che maggiormente influenzano il tempo morto sono l'elaborazione dei dati e la loro preparazione per la visualizzazione del display. Per questo l'architettura dell'oscilloscopio RTO recentemente presentato da Rohde & Schwarz si focalizza sull'ottimizzazione dei percorsi di elaborazione e l'efficacia del controllo grafico.
La figura a fianco mostra come il percorso esistente tra il convertitore ADC e la memoria di acquisizione sia in grado di trattare dati fino a 80 Gbit al secondo.
Per un oscilloscopio digitale è fondamentale salvare i campioni in memoria in tempo reale. La differenza tra i vari modelli di oscilloscopio esistenti, perciò, risiede nelle capacità di elaborazione che possono essere aggiunte a questo percorso in tempo reale.
Il blocco di acquisizione dell'oscilloscopio RTO, per esempio, include nel percorso di elaborazione real-time funzionalità di correzione del disallineamento temporale (deskew), filtro DSP e combinazione di canali matematici. Inoltre è compreso un blocco di decimazione che può produrre tre onde con differenti operazioni di decimazione in parallelo (Sample, HighRes, PeakDetect, RMS). La tecnologia chiave per mantenere alte prestazioni è l'elaborazione parallela dei dati.
Il percorso di elaborazione dei dati a partire dalla memoria di acquisizione per raggiungere il display è composto da processi multipli; questo consente di ottenere tempi morti molto brevi anche attivando opzioni di elaborazione addizionali.
L’oscilloscopio RTO realizza la maggior parte delle funzioni di elaborazione e misurazione in un circuito integrato ASIC dedicato. A differenza delle soluzioni software, non è necessario alcun accesso CPU né un relativo trasferimento di dati. Inoltre, i quattro percorsi paralleli nell’ASIC minimizzano il tempo di elaborazione. Con quest’architettura il percorso in uscita dalla memoria di acquisizione può raggiungere velocità di elaborazione dati pari a 1/5 della velocità di acquisizione dei dati in tempo reale in entrata.
Il risultato teorico è un tempo di acquisizione attivo del 20%; il trattamento supplementare dei dati nello strumento reale lo riduce al 10% quando lo strumento funziona alla massima velocità di campionamento di 10 Gsample/s. Ciononostante, si tratta di una prestazione elevata, che non ha precedenti e che aumenta la velocità fino a 20 volte rispetto ad altri oscilloscopi digitali tradizionali sul mercato.
Attualmente gli strumenti con elevate prestazioni riescono a raggiungere soltanto una percentuale di tempo di acquisizione attivo dello 0,5% ad una velocità di campionamento inferiore (5 GSamples/s). Gli oscilloscopi digitali tradizionali non arrivano allo 0,01 %.
Gli oscilloscopi R&S RTO offrono un nuovo livello di capacità di debug e analisi, dal momento che il tempo morto viene abbattuto grazie a un alto grado di integrazione hardware.
I vantaggi di raggiungere alte velocità di acquisizione e, di conseguenza, bassi tempi morti, includono:
Questi vantaggi, combinati con altre eccezionali caratteristiche quali trigger digitale, ampia gamma dinamica (ENOB) e interfaccia utente intuitiva, rendono gli oscilloscopi RTO di ROhde & Schwarz diversi da tutti gli altri.
*Andre Vander Stichelen è entrato nella R&S a gennaio del 2009 con il ruolo di Director Sales & Business Development Oscilloscopes Europe. In precedenza aveva ricoperto diverse posizioni nel management di società T&M attive nel mercato globale.
