A differenza degli oscilloscopi classici che convertono i segnali analogici in digitali con una risoluzione di 8 bit, i moderni strumenti HD riescono a fornire riproduzione della forma d’onda più dettagliate utilizzando una risoluzione superiore, anche fino a 16 bit.

La maggiore risoluzione è una caratteristica che si rivela particolarmente utile ad esempio nelle misure sui sistemi di potenza, dove i segnali possono avere livelli di decine di volt, ma a cui sono sovrapposte piccole variazioni o ondulazioni di ampiezza molto inferiore.

Allo stesso modo, in alcuni segnali radar modulati in ampiezza con bassi indici di modulazione, l’analisi dettagliata delle piccole variazioni può risultare difficile utilizzando strumenti con risoluzione di 8 bit.

Un interessante esempio di strumenti che possono lavorare con risoluzioni più elevate di 8 bit è rappresentato dalle famiglie di oscilloscopi RTO e RTE di Rohde & Schwarz, che con le rispettive opzioni R&S RTO-K17 e R&S RTE-K17 possono essere trasformati per funzionare in modo più flessibile, aumentando la risoluzione delle misure in funzione delle necessità dagli 8 bit del funzionamento normale fino a un massimo di 16 bit.

La tecnica utilizzata negli oscilloscopi Rohde & Schwarz per aumentare la risoluzione verticale prevede la possibilità di attivare un filtro passa-basso digitale dopo che il segnale è stato convertito tramite il convertitore A/D a 8 bit.

Il filtro applicato dopo la conversione riduce il rumore migliorando il rapporto segnale/rumore e aumentando la risoluzione verticale. La larghezza di banda del filtro può essere regolata dall'utente in funzione delle necessità e determina il numero di bit ‘guadagnati’ rispetto agli 8 del convertitore A/D hardware.

Ad esempio, impostando il filtro passa-basso a 200 MHz, la risoluzione verticale degli oscilloscopi della famiglia R&S RTO diventa di 13 bit, mentre quelli della famiglia diventa di 12 bit.

L’aumento della risoluzione verticale ha l’effetto di rendere più nitido il segnale, dando la possibilità di vedere dettagli con la risoluzione normale sarebbero oscurati dal rumore di quantizzazione del convertitore A/D a 8 bit.

Poiché è l’utilizzatore a scegliere la frequenza di taglio del filtro passa-basso in modo esplicito, va da sé che si conosce la larghezza di banda del segnale che si vuole analizzare, senza rischiare di introdurre fenomeni di aliasing inconsapevolmente.

Nella modalità scelta da Rohde & Schwarz per attivare la funzione HD, l’aumento della risoluzione non viene ottenuta con il metodo tradizionale della decimazione, pertanto l’aumento della risoluzione verticale non comporta alcuna riduzione della velocità di campionamento.

Anche attivando la modalità HD, si può pertanto continuare usare la massima velocità di campionamento, per ottenere la massima risoluzione possibile nel dominio del tempo.

Misura della resistenza di conduzione di un MOSFET di potenza

Un esempio applicativo che sfrutta i vantaggi offerti dalla modalità HD è la misura in condizioni dinamiche della resistenza di conduzione R_DS(on) di un MOSFET di potenza, ad esempio utilizzato in un alimentatore a commutazione.

Si tratta di una misura non semplice da effettuare in modo tradizionale e che richiede innanzitutto grande attenzione nella scelta delle sonde, onde evitare anelli di massa.

Per calcolare la R_DS(on) del MOSFEF, serve misurare la corrente di drain (I_D) e la tensione tra drain e source (V_DS).

La difficoltà di questa misura nasce dal fatto che quando il MOSFET è spento, tra i terminali di drain e source vi è una tensione elevata, mentre quando si accende la tensione ai suoi capi precipita a qualche centinaia di millivolt, che risulta difficile osservare con una risoluzione di soli 8 bit.

Si può allora attivare la modalità HD sugli oscilloscopi R&S RTO e R&S RTE impostando la frequenza di taglio al minimo possibile per aumentare al massimo la risoluzione, ma tenendo conto della larghezza di banda del segnale, per evitare di distorcerlo impostandola ad un valore troppo basso.

Inoltre, la misura di livelli di tensione così diversi tra loro fa sì che, a causa dei limiti di accuratezza dell’offset degli oscilloscopi, non sia più sufficiente dividere semplicemente la tensione tra drain e source per la corrente onde ottenere la misura della resistenza R_DS(on).

Il problema può essere risolto sfruttando il fatto che la corrente di drain ha una pendenza con andamento costante o quasi costante per un certo intervallo di tempo durante il periodo di conduzione del MOSFET. Ciò suggerisce di adottare un metodo di misura differenziale sfruttando la modalità HD dell'oscilloscopio:

• Si regola la scala verticale dell’oscilloscopio in modo tale che i picchi della tensione V_DS non superino la gamma di tensione d’ingresso dello strumento, che altrimenti lo saturerebbero degradando l’accuratezza della misura.
• Si utilizza la modalità zoom per visualizzare la tensione V_DS in modo tale che la sua pendenza sia chiaramente visibile
• Si attiva la funzione media (averaging) per eliminare eventuale rumore o interferenze residue
• Si misura la pendenza della tensione V_DS per ottenere Δu_D
• Si misura la pendenza delle corrente I_D del MOSFET nello stesso intervallo per ottenere Δi_D
• Si ricava R_DS(on) dividendo Δu_D per Δi_D

La schermata illustra la misura effettuata con l’oscilloscopio Rohde & Schwarz RTO usando la modalità di acquisizione HD con filtro impostato a 50 MHz e risoluzione di 16 bit, che permette di osservare chiaramente la pendenza nell'ingrandimento della forma d’onda.