Nozioni di base sugli oscilloscopi a 8 e 12 bit e modalità di utilizzo dei moderni oscilloscopi a 12 bit

In molte applicazioni, progettisti e ingegneri di test e misurazione devono effettuare misurazioni su un'ampia gamma dinamica per osservare segnali molto piccoli in presenza di ampiezze molto elevate. Tra le applicazioni di esempio di questo tipo vi sono l'assicurazione di integrità dell'alimentazione, sistemi di ecolocalizzazione come radar e sonar, sistemi di imaging medicale come risonanza magnetica nucleare (RMN) e risonanza magnetica per immagini (RMI), nonché test non distruttivi mediante ultrasuoni.

Gli oscilloscopi sono decisamente il dispositivo ideale per effettuare queste misurazioni nelle fasi di sviluppo e di prototipazione di un sistema, ma sono limitati dalla risoluzione verticale del front-end. Ad esempio, un oscilloscopio a 8 bit ha una gamma dinamica di 256:1, quindi in un intervallo di 1 V, il segnale minimo teorico è 3,9 mV. Per visualizzare i segnali di ripple nell'ordine dei millivolt su un bus a 3,3 V, sono necessari una sensibilità e un intervallo di offset maggiori. Inoltre, quando si utilizzano sonde ad elevata attenuazione per impedire il caricamento del circuito, i livelli del segnale saranno attenuati in corrispondenza dell'ingresso dell'oscilloscopio e quindi la misurazione sarà difficile se lo strumento non ha un'elevata risoluzione.

Il problema è che una maggiore sensibilità in presenza di un segnale o di un offset maggiore richiede oscilloscopi a risoluzione più elevata, che in genere sono costosi, soprattutto se hanno anche ingressi a basso rumore. Una risoluzione maggiore senza un rumore di fondo inferiore è inutile.

Progettisti e sviluppatori hanno bisogno di un oscilloscopio a 12 bit a prezzi ragionevoli, con un basso rumore di fondo del front-end. Una soluzione che risponde all'esigenza di alta risoluzione con basso rumore di fondo del front-end a basso costo è WaveSurfer 4000HD di Teledyne LeCroy, una serie di oscilloscopi ad alta definizione. Questo articolo affronterà la difficoltà delle misurazioni ad alta gamma dinamica, il ruolo degli oscilloscopi ad alta definizione e spiegherà come utilizzarli in modo efficace per misurazioni ad alta gamma dinamica.

La risoluzione verticale dell'oscilloscopio

La risoluzione verticale dell'oscilloscopio si riferisce al rapporto del segnale di ingresso massimo che l'oscilloscopio può gestire rispetto all'ampiezza di segnale minima in grado di rilevare. La risoluzione è generalmente quantificata dal numero di bit nel convertitore analogico/digitale (ADC). La risoluzione è pari a 2 elevata alla potenza del numero di bit. Pertanto, un convertitore a 8 bit ha una risoluzione di 2⁸, ossia 256:1. Un convertitore a 12 bit ha una risoluzione di 4096:1, ossia di 16 volte maggiore rispetto a un convertitore a 8 bit.

Per anni, gli oscilloscopi digitali hanno offerto una risoluzione di 8 bit nella larghezza di banda maggiore. Ciò è dovuto a un compromesso tecnico degli ADC, che rende la risoluzione, misurata dal numero di bit, inversamente proporzionale alla massima frequenza di campionamento dell'ADC. Circa otto anni fa, Teledyne LeCroy ha aperto la strada agli oscilloscopi a 12 bit ad alta definizione, i cosiddetti oscilloscopi "HD". Di recente l'azienda ha aggiunto la serie WaveSurfer 4000HD alla linea di prodotti HD. La serie comprende quattro oscilloscopi con larghezze di banda di 200, 350, 500 e 1000 MHz. Tutti campionano a 5 GS/s, una frequenza di tutto rispetto per un oscilloscopio a 12 bit. Per completare l'offerta, sono anche disponibili ingressi digitali interni a segnale misto, DVM, generatore di funzioni e contatore di frequenza. La famiglia offre tutto questo e una risoluzione di 12 bit a un prezzo ragionevole.

Naturalmente, aumentare la risoluzione di un oscilloscopio implica molto più che la semplice scelta di un ADC diverso. Richiede anche il miglioramento del rapporto segnale/rumore (SNR) del front-end dell'oscilloscopio in modo che l'ADC sensibile non accumuli rumore. Un oscilloscopio a 12 bit con un front-end a 8 bit è sempre un oscilloscopio a 8 bit. La famiglia di oscilloscopi WaveSurfer 4000HD, tuttavia, ha implementato con successo il concetto di alta definizione. La risoluzione verticale a 12 bit, unita a un front-end a basso rumore, offre prestazioni a 12 bit che, nel mondo reale, si traducono effettivamente a una sensibilità di 16 volte maggiore su qualsiasi intervallo di ampiezza rispetto a un oscilloscopio a 8 bit.

Misurazioni a 12 e 8 bit

Gli oscilloscopi HD sono destinati ad applicazioni di misurazione le cui forme d'onda hanno un'alta gamma dinamica. Si tratta di misurazioni che includono contemporaneamente una componente di segnale ad ampiezza elevata e bassi livelli di segnale. Si prenda ad esempio un'applicazione come un telemetro a ultrasuoni. Questo trasmette un impulso ad ampiezza elevata, quindi attende la ricezione di un eco a bassa ampiezza dal bersaglio. Il segnale ad ampiezza elevata determina l'intervallo di tensione richiesto dell'amplificatore verticale dell'oscilloscopio. La risoluzione e il rumore del sistema determinano il segnale di eco minimo misurabile (Figura 1).

Figura 1: Lo stesso segnale a ultrasuoni renderizzato con una risoluzione verticale a 12 e a 8 bit. La traccia superiore comprende le due versioni del segnale completo sovrapposte l'una sull'altra. Le tracce inferiori mostrano una porzione ingrandita della forma d'onda. La differenza è poca se si osservano le componenti del segnale ad ampiezza elevata, ma i segnali di livello inferiore mostrano un vantaggio distinto per il rendering a 12 bit. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La griglia superiore mostra in sovrapposizione i segnali acquisiti con risoluzione a 12 e 8 bit. La differenza osservabile è minima tra le forme d'onda sovrapposte. La griglia centrale mostra la forma d'onda a 12 bit espansa in orizzontale e in verticale. La griglia inferiore è la stessa porzione della forma d'onda a 8 bit. La perdita di dettaglio nei segnali di basso livello nella versione a 8 bit è piuttosto evidente. Si noti inoltre che i picchi di segnale nel rendering a 12 bit mostrano evidenti differenze che si perdono nella versione a 8 bit.

Applicazioni di misurazione ad alta gamma dinamica

Le misurazioni ad alta gamma dinamica includono l'ecolocalizzazione e applicazioni come radar, sonar e LiDAR. Molte tecnologie di imaging medicale come RMN e RMI si basano su tecniche simili: il rimbalzo di un impulso ad alto livello dal corpo e l'acquisizione e analisi degli echi o delle emissioni stimolate dal segnale trasmesso. Analogamente, la tecnologia basata sugli ultrasuoni come i test non distruttivi (NDT) utilizza impulsi ultrasonici riflessi per rilevare crepe e guasti nei materiali solidi.

Anche le misurazioni di integrità dell'alimentazione, in cui vengono misurati piccoli segnali a millivolt, come rumore e ripple, su tensioni del bus comprese tra 1 e 48 V o più, richiedono oscilloscopi con alta gamma dinamica.

Si prenda ad esempio la misurazione dei segnali da un telemetro a ultrasuoni o un semplice metro elettronico (Figura 2). Il telemetro a ultrasuoni emette cinque impulsi per ciascuna misurazione, distanziati di circa 16,8 ms. Anziché registrare il tempo di fermo tra questi impulsi, l'oscilloscopio a 12 bit WaveSurfer 4104HD di Teledyne LeCroy utilizza l'acquisizione in modalità sequenziale che suddivide la memoria dell'oscilloscopio in un numero di segmenti selezionabile dall'utente (cinque nel nostro esempio).

Figura 2: Un oscilloscopio WaveSurfer 4104HD di Teledyne LeCroy utilizzato nell'acquisizione di un segnale da un telemetro a ultrasuoni a 40 kHz. In altro sono mostrati cinque impulsi per ciascuna misurazione, distanziati di circa 16,8 ms. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Ogni segmento acquisisce un impulso trasmesso e applica una marcatura temporale al punto di trigger. La traccia superiore è la forma d'onda acquisita con ciascun segmento marcato. Una traccia di zoom (griglia inferiore) mostra un segmento selezionato, in questo caso il primo. La tabella in basso nello schermo mostra le marcature temporali che indicano il tempo di ciascun trigger, il tempo trascorso dal segmento 1 e il tempo tra i segmenti. L'impulso trasmesso ha un'ampiezza da picco a picco di 362 mV, mentre l'eco riflesso ha un'ampiezza da picco a picco di soli 21,8 mV. È questa differenza di ampiezza che rende la misurazione ad alta gamma dinamica. La figura utilizza un'ampiezza dell'eco visualizzabile sullo schermo, ma la risoluzione a 12 bit acquisisce questo segnale ad ampiezze inferiori al rendering in pixel dell'oscilloscopio, come mostra la Figura 1.

Anche le misurazioni di integrità dell'alimentazione richiedono oscilloscopi con un'alta gamma dinamica. Le misurazioni della tensione di ripple richiedono la capacità di misurare i segnali in millivolt su bus di potenza. Nell'esempio della Figura 3, la traccia superiore misura il ripple su un bus da 5 V. La tensione di ripple è di 45 mV_picco-picco su una tensione del bus di 4,98 V, letta direttamente dai parametri P2 e P1 con WaveSurfer 4104HD. La traccia inferiore è la trasformata di Fourier veloce (FFT) della tensione di ripple, che mostra uno spettro pieno di armoniche con una componente fondamentale di 982 Hz.

Figura 3: Una misurazione dell'integrità dell'alimentazione su un bus da 5 V per una scheda figlia mostra la tensione di ripple e la FFT del ripple. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Oltre all'alta risoluzione, questa applicazione richiede un oscilloscopio con un buon intervallo di offset. In questo esempio, l'oscilloscopio ha un intervallo di offset di ±8 V sulla scala di 10 mV. L'intervallo di offset si adegua all'intervallo verticale dell'oscilloscopio. Se è necessario un intervallo di offset maggiore, Teledyne LeCroy offre la sonda RP4030 con un intervallo di offset di 30 V. Le sonde di potenza sono progettate appositamente per rilevare rail di alimentazione a bassa impedenza e sono caratterizzate da un ampio offset incorporato, elevata impedenza di ingresso, bassa attenuazione e basso rumore. Questa particolare sonda ha una larghezza di banda di 4 GHz, un'attenuazione di 1,2 e un'impedenza di ingresso di 50 kΩ.

Gli oscilloscopi HD possono anche gestire la misurazione di tensione più elevate, ad esempio quelle riscontrate nei convertitori di potenza a commutazione (SMPC). Gli SMPC includono alimentatori, inverter e controller industriali e controllano la potenza regolando il ciclo di lavoro o la frequenza di una forma d'onda commutata. Le misurazioni principali sono la tensione e la corrente attraverso i dispositivi a commutazione di potenza, solitamente un transistor a effetto di campo (FET). Per aiutare gli sviluppatori con le misurazioni SMPC, Teledyne LeCroy fornisce software specifico per l'applicazione e sonde di tensione e corrente. Una tipica misurazione è illustrata nella Figura 4.

Figura 4: La caratterizzazione delle perdite di un SMPC comporta la misurazione della tensione e della corrente dei dispositivi a commutazione di potenza e quindi il calcolo della perdita di potenza in ciascuna fase del ciclo di commutazione. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La corrente (traccia rosa) viene misurata con una sonda di corrente modello CP030A di Teledyne LeCroy. Questa sonda a tenaglia ha un ingresso di corrente massimo di 30 A e una larghezza di banda di 50 MHz. La forma d'onda della tensione (traccia beige) viene misurata utilizzando una sonda differenziale ad alta tensione HVP1306 di Teledyne LeCroy. Questa sonda è classificata per una tensione CATIII massima di 1000 V a una larghezza di banda di 120 MHz. Entrambe le sonde sono riconosciute dall'oscilloscopio WaveSurfer, che adegua automaticamente le forme d'onda misurate per tener conto dei guadagni e delle unità di misura della sonda.

Il software di misurazione della potenza automatizza le misurazioni SMPC più comuni. La Figura 4 mostra il calcolo della dissipazione di potenza del dispositivo (traccia gialla). Il risultato è calcolato dalle forme d'onda di corrente e tensione per l'intero ciclo di commutazione. I parametri di misurazione isolano e visualizzano le perdite di accensione, conduzione, spegnimento e stato Off in base alle forme d'onda acquisite. Ogni zona è delimitata chiaramente da un overlay a colore diverso. Viene anche mostrata la perdita totale da tutte le zone, oltre alla frequenza di commutazione. Altre misurazioni disponibili, oltre a quelle mostrate nella Figura, aiutano a caratterizzare la dinamica dell'anello di controllo, la potenza di linea e le caratteristiche prestazionali, come l'efficienza.

La risoluzione a 12 bit è inoltre utile nelle misurazioni di corrente quando si calcola la resistenza drain-source (Rds) del FET di potenza. Ciò richiede la misurazione di una tensione nell'ordine di uno o due volt su una forma d'onda con un'oscillazione picco-picco nell'ordine di 400 V. La serie WaveSurfer 4000HD è compatibile con tutte le sonde di Teledyne LeCroy che accettano l'intervallo di larghezza di banda dell'oscilloscopio (Figura 5).

Figura 5: Gli oscilloscopi WaveSurfer 4000HD di Teledyne LeCroy sono compatibili con la vasta gamma di sonde dell'azienda, comprese le sonde per la misurazione di corrente mostrate qui. (Immagine per gentile concessione di Teledyne LeCroy)

L'ampia gamma di applicazioni impone standard più elevati a un oscilloscopio che sappia svolgere il suo lavoro

La serie WaveSurfer 4000HD non si limita solo alle applicazioni ad alta gamma dinamica. È di per sé un oscilloscopio eccellente e può stabilire uno standard più elevato per altri oscilloscopi. È una buona scelta per risolvere i problemi legati ai dati seriali a bassa velocità, con pacchetti di analisi e sonde per supportare bus seriali come SPI, I²C, collegamenti basati su UART, nonché bus automotive come LIN, CAN e FLEXRAY.

L'analisi di un bus seriale richiede la capacità di acquisire e decodificare il protocollo del bus e di leggere il contenuto dei dati (Figura 6). L'overlay a colori diversi mostra ogni pacchetto. L'overlay rosso indica i dati dell'indirizzo mentre gli overlay blu indicano i pacchetti di dati. L'indirizzo e il contenuto dei dati sono visualizzati all'interno dell'overlay. Le informazioni di decodifica sono disponibili in formato binario, esadecimale o ASCII. La tabella in basso nello schermo riepiloga le transazioni acquisite e mostrano il tempo relativo al punto di trigger, la lunghezza dell'indirizzo, l'indirizzo, la direzione (lettura o scrittura), il numero di pacchetti e il contenuto dei dati. L'attivazione può basarsi su attività, indirizzo, contenuto dei dati o una combinazione di indirizzo e dati.

La sonda differenziale attiva ZD200 di Teledyne LeCroy è una buona scelta per misurare i dati seriali. Questa sonda 10:1 ha un'impedenza di ingresso di 1 MΩ, una larghezza di banda di 200 MHz e può gestire tensioni differenziali fino a 20 V e tensioni di modo comune fino a 50 V. È particolarmente adatta per bus differenziali come CAN.

Figura 6: Trigger e decodifica seriale a bassa velocità del bus I²C include la capacità di leggere il contenuto dei dati del bus. La Figura mostra l'acquisizione e la decodifica di un segnale di bus I²C per un'operazione di lettura e di scrittura. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Conclusione

Sebbene gli oscilloscopi a 8 bit avranno sempre un ruolo da svolgere, molte applicazioni potrebbero beneficiare dall'alta definizione e dall'ampia gamma dinamica di un oscilloscopio a 12 bit. Tuttavia, il costo relativamente elevato di questi ultimi li ha tenuti fuori dalla portata di molti progettisti e ingegneri. Gli oscilloscopi WaveSurfer 4000HD di Teledyne LeCroy sono una prima risposta a questo problema, essendo proposti ad un prezzo abbordabile.

Forniscono misurazioni HD basate sulla risoluzione verticale a 12 bit, una frequenza di campionamento massima di 5 GS/s e un basso rumore di fondo. Sono inoltre compatibili con le sonde e i pacchetti software di analisi di Teledyne LeCroy. In quanto tali, gli oscilloscopi aprono la strada alla misurazione ad alta gamma dinamica a costi contenuti e non sono più una prerogativa dei soli laboratori di ricerca, ma trovano applicazione sul banco dell'ingegnere o nelle officine.