Puoi fidarti di ciò che vedi sullo schermo del tuo oscilloscopio e delle misure effettuate? L'integrità del segnale dell'oscilloscopio influisce sulla forma del segnale e sui valori misurati. Valuta l'integrità del segnale del tuo oscilloscopio ed effettua misure di cui puoi fidarti.

L'integrità del segnale è la principale misura della qualità del segnale. La sua importanza aumenta quanto più elevate sono la velocità del segnale, la larghezza di banda dell'oscilloscopio, la necessità di visualizzare piccoli segnali o di vedere lievi cambiamenti su segnali più grandi.

L'integrità del segnale influisce su tutte le misure effettuate dall'oscilloscopio. Gli oscilloscopi stessi sono soggetti alle problematiche dell'integrità del segnale come distorsione, disturbo e perdita.

Gli oscilloscopi con caratteristiche superiori di integrità del segnale forniscono una migliore rappresentazione dei segnali in test, mentre quelli con caratteristiche deboli di integrità del segnale mostrano una rappresentazione più scarsa. Questa differenza influisce sulla capacità di ottenere informazioni, comprendere, mettere a punto e caratterizzare i propri progetti.

La scelta di un oscilloscopio che abbia ottime caratteristiche di integrità del segnale è importante, in quanto gli oscilloscopi con una scarsa integrità del segnale possono aumentare il rischio nei tempi del ciclo di sviluppo, nella qualità della produzione e nei componenti scelti. Per valutare l'integrità del segnale dell'oscilloscopio, daremo un'occhiata al numero bit del convertitore analogo/digitale (ADC), alla scala verticale, al disturbo, alla frequenza e alla risposta di fase, all'ENOB e al jitter intrinseco.

Numero di bit dell'ADC

La risoluzione è il livello di quantizzazione (Q) più piccolo determinato dal convertitore analogico-digitale (ADC) nell'oscilloscopio. Maggiore è il numero di bit dell'ADC, più alta sarà la risoluzione dell'oscilloscopio.

Ad esempio, un ADC a 8 bit è in grado di codificare un ingresso analogico con 256 livelli differenti (poiché 28 = 256) mentre un ADC a 10 bit teoricamente fornisce una risoluzione 4 volte superiore (dato che 2¹⁰ = 1024 livelli Q).

Figura 1. La risoluzione è una caratteristica importante dell'integrità del segnale. Un oscilloscopio con un ADC con un numero superiore di bit e una scala verticale adeguata sono due modi utili per incrementare la risoluzione.

Scala verticale

Poiché l'ADC funziona sull'intero intervallo di valori di ingresso previsti dalla scala verticale, un'impostazione della scala verticale adeguata contribuisce anche a incrementare la risoluzione dell'oscilloscopio.

La figura 1 mostra lo schermo con una scala verticale di 800 mV (8 divisioni * 100 mV/div).

Un oscilloscopio con un ADC di 8 bit ha una risoluzione di 3,125 mV (800 mV/256 livelli Q), mentre un ADC di 10 bit ha 0,781 mV. Ogni oscilloscopio può risolvere solo segnali fino al livello Q minimo.

Per ottenere la risoluzione migliore, bisogna utilizzare l'impostazione di scala verticale più sensibile mantenendo la forma d'onda completa sul display.

In altre parole, bisogna fare in modo che la forma d'onda occupi l'intero display sull'asse verticale, così da utilizzare completamente la dinamica dell'ADC dell'oscilloscopio. Se un segnale viene scalato per occupare solo metà o meno del display verticale, si perdono 1 o più bit dell'ADC.

La combinazione di ADC, architettura di ingresso dell'oscilloscopio e sonda utilizzata determinano il limite di scala verticale che l'hardware dell'oscilloscopio supporta. A un certo punto, qualunque oscilloscopio raggiunge il limite oltre il quale non si può utilizzare una scala verticale più piccola. I fornitori spesso lo indicano come il punto in cui l'oscilloscopio comincia ad utilizzare un sistema di ingrandimento software.

Utilizzando questa tecnica riusciamo a ridurre la scala verticale dell'oscilloscopio, ma in realtà lo strumento sta semplicemente ingrandendo visivamente il segnale visualizzato, come se lo stessimo osservando con una lente, non aggiungendo risoluzione. 

La figura 2 mostra un esempio di due oscilloscopi che valutano un segnale piccolo con ampiezza tale che una scala verticale di 16 mV a fondo scala consente al segnale di occupare quasi tutta l'altezza del display verticale.

L'oscilloscopio tradizionale di 8 bit comincia ad utilizzare l'ingrandimento software a 7 mV/div, ottenendo una risoluzione minima di 218 μV (7 mV/div * 8 div/256 livelli Q). Un oscilloscopio di 10 bit, come il Keysight Infiniium Serie S, utilizza la risoluzione dell’ADC fino a 2 mV/div, fornendo una risoluzione minima di 16,6 µV (2 mV/div * 8 div)/1024 livelli Q), 13 volte la risoluzione dell'oscilloscopio dia 8 bit.

Figura 2. L'impostazione verticale minima che un oscilloscopio supporta nell'hardware sarà importante per vedere i dettagli di un segnale piccolo.

Rumore

Il rumore influisce sia sulle misurazioni orizzontali sia su quelle verticali. Più basso è il disturbo, migliore sarà l'integrità del segnale prevista. Se i livelli di disturbo sono superiori ai livelli di quantizzazione dell'ADC, non sarà possibile sfruttare i bit aggiuntivi dell'ADC.

Un oscilloscopio con disturbo ridotto (gamma dinamica elevata) è fondamentale se si desidera visualizzare correnti e tensioni piccole o lievi variazioni su segnali più grandi.

Il rumore può derivare da diverse fonti, tra cui lo stadio di ingresso dell'oscilloscopio, l’ADC e la sonda o il cavo utilizzato per collegare il dispositivo. L'ADC stesso presenta un rumore di quantizzazione, che però gioca un ruolo inferiore nel rumore complessivo rispetto allo stadio di ingresso.

La maggior parte dei fornitori di oscilloscopi caratterizzeranno il rumore e includeranno questi valori nel datasheet dei loro prodotti. In caso contrario, è possibile chiedere i dati o cercarli autonomamente.

La misurazione è semplice e richiede pochi minuti. Ogni canale dell'oscilloscopio presenterà una caratteristica di rumore diversa per ogni impostazione verticale.

Per effettuare questa caratterizzazione è necessario scollegare tutti gli ingressi dell'oscilloscopio e impostare l’impedenza di ingresso a 50 Ω (è anche possibile eseguire il test impostando l’impedenza a 1 MΩ). Attivare una discreta quantità di memoria di acquisizione come 1 Mpt, con una frequenza di campionamento fissa su un valore elevato per assicurarsi di ottenere la larghezza di banda completa dell'oscilloscopio.

È possibile controllare visivamente il rumore osservando lo spessore della forma d'onda o quantificare misurando il valore di tensione Vrms CA. Questi metodi consentono di capire l'entità del rumore di ciascun canale dell'oscilloscopio in ogni impostazione verticale.

Risposta in frequenza

Una risposta di frequenza dell'oscilloscopio uniforme e piatta è altamente desiderata per l'integrità del segnale. Ciascun modello di oscilloscopio avrà una risposta di frequenza unica corrispondente a una misura quantitativa della capacità dell'oscilloscopio di acquisire accuratamente segnali fino alla larghezza di banda nominale.

I tre requisiti fondamentali dell'oscilloscopio per acquisire in maniera accurata le forme d'onda sono:

1. Una risposta in frequenza piatta
2. Una risposta in fase piatta
3. I segnali acquisiti devono rientrare nella larghezza di banda dell'oscilloscopio

Una risposta in frequenza piatta indica che l'oscilloscopio sta trattando tutte le frequenze allo stesso modo e una risposta in fase piatta significa che il segnale è ritardato dalla stessa quantità di tempo a tutte le frequenze. La deviazione da uno o più di questi requisiti provocherà imprecisioni di acquisizione e tracciatura di una forma d'onda da parte dell'oscilloscopio.

Alcuni oscilloscopi sono muniti di filtri di correzione che vengono generalmente integrati nei blocchi DSP dell'hardware e ottimizzati per una famiglia di oscilloscopi.

La figura 3 mostra in che modo i filtri di correzione possano migliorare l'integrità del segnale della misurazione creando un'ampiezza piatta e una risposta di fase. L'oscilloscopio a destra mostra una forma d'onda che corrisponde perfettamente al contenuto spettrale del segnale mentre quello di sinistra no.

Figura 3. Due oscilloscopi con classificazione della larghezza di banda, frequenza di campionamento e altre impostazioni identiche, sono stati collegati a un segnale identico. Perché questa differenza? Quello a destra utilizza filtri di correzione DSP dell'hardware per produrre un'ampiezza piatta e una risposta di fase, mentre quello a sinistra no.

La risposta di frequenza totale dell'oscilloscopio in uso sarà una combinazione della risposta di frequenza dell'oscilloscopio combinata con la risposta di frequenza di qualsiasi sonda o cavo collegato tra il dispositivo in prova (DUT) e lo strumento.

Utilizzando un cavo BNC con larghezza di banda pari a 1,5 GHz con un oscilloscopio di 4 GHz, la larghezza di banda totale del sistema viene limitata dal cavo BNC e non dall'oscilloscopio. Assicurarsi che le sonde, gli accessori e i cavi non siano il fattore limitante della vostra misura.

Numero di bit effettivo (ENOB)

L'ENOB è una misura delle prestazioni dinamiche dell'oscilloscopio espressa in una serie di curve rappresentanti i bit rispetto alla frequenza. Ciascuna curva viene creata a un'impostazione verticale specifica mentre la frequenza subisce variazioni. Le misurazioni di tensione risultanti vengono acquisite e valutate.

In generale, un ENOB superiore (espresso in bit) è migliore.

Sebbene alcuni fornitori forniscano un valore ENOB relativo al solo ADC dell'oscilloscopio, questa cifra non ha alcun valore. È importante l'ENOB dell'intero sistema.

L'ADC può avere un ENOB ottimo, ma se combinato con uno stadio di ingresso di basse prestazioni e rumore elevato produce una degradazione dell'ENOB dell'intero sistema. I progettisti che considerano esclusivamente l'ENOB per misurare l'integrità del segnale dovrebbero prestare attenzione.

L'ENOB non considera gli errori di offset o la distorsione di fase che l'oscilloscopio potrebbe trasmettere.

Un oscilloscopio non presenta solo un solo numero di ENOB ma differenti valori ENOB per ogni frequenza e impostazione della sensibilità verticale.

Jitter intrinseco

Il jitter descrive la deviazione dalla posizione orizzontale ideale ed è misurato in ps rms o ps picco-picco.

Le fonti di jitter includono il rumore termico e il rumore meccanico casuale creato dalla vibrazione del cristallo utilizzato come riferimento. Tracce, cavi e connettori possono aggiungere ulteriore jitter a un sistema tramite interferenza intersimbolica.

Gli oscilloscopi stessi presentano jitter. Il termine "misurazione di fondo del jitter" si riferisce al valore del jitter che l'oscilloscopio segnala quando misura un segnale ideale, privo di jitter. Il valore della misurazione di fondo del jitter comprende non solo il jitter di clock campione ma anche le fonti di errori verticali, quali il disturbo verticale e le armoniche del segnale spurie. Queste fonti di errori verticali influiscono sulle misurazioni temporali orizzontali perché modificano il valore della soglia attraversata dal segnale e considerata per il trigger.

Figura 4. Gli oscilloscopi Infiniium serie S includono un nuovo blocco tecnologicamento avanzato per la base dei tempi. Il clock raggiunge un'impressionante precisione pari a 75 parti per miliardo. Il jitter intrinseco per lunghezze di registrazione corte è inferiore a 130 fs.Un jitter eccessivo è negativo poiché può causare violazioni temporali con conseguente comportamento errato del sistema o tassi di errore di bit (BER) scarsi nei sistemi di comunicazione, comportando trasmissioni errate. La misurazione del jitter è necessaria per assicurare l'affidabilità del sistema ad alta velocità. Capire l'efficacia di tali misurazioni effettuate dall'oscilloscopio è fondamentale per interpretare i risultati della misurazione del jitter.

Conclusioni

Sebbene ciascun attributo abbia la sua importanza, possiamo descrivere l’accuratezza del nostro oscilloscopio utilizzando le sette caratteristiche elencate nella Tabella 1.

la migliore combinazione tra questi fattori ci darà una accuratezza migliore. Utilizzando una lista ridotta può portare a conclusioni sbagliate sulle prestazioni dell'oscilloscopio che possono comportare, a loro volta, errori di misura.

Tabella 1 - Le sette caratteristiche dell'integrità del segnale importanti per un oscilloscopio.

*Erik Babbé è Market Development Manager EMEA di Keysight Technologies