Oscilloscopes

Um osciloscópio é um dispositivo que captura um sinal de tensão de entrada e o converte em uma forma de onda de tensão versus tempo corretamente dimensionada que é exibida em uma grade dimensionada. O osciloscópio possui um circuito de disparo que define quando o sinal de entrada deve ser capturado e exibido, e um front-end de ganho variável que permite o ajuste do sinal (tensão vertical) para aceitar uma ampla faixa de amplitudes de sinal de entrada. Um ajuste horizontal (base de tempo ou varredura) define o período de tempo para aquisição do sinal.

Muitos alegarão ter inventado o osciloscópio analógico, mas a Tektronix pode afirmar, com razão, ter inventado o primeiro osciloscópio de varredura acionada (analógico), que melhorou enormemente a utilidade e versatilidade do instrumento.

Walter LeCroy e sua equipe de design na LeCroy Corporation (agora Teledyne LeCroy) lançaram em 1985 o primeiro osciloscópio de armazenamento digital (DSO, ou agora apenas referido como osciloscópio digital) - denominado Modelo 9400 - que replicou e melhorou os recursos e capacidades dos osciloscópios analógicos em uso até então. O Modelo 9400 tinha largura de banda (125 MHz) equivalente à disponível em um osciloscópio analógico (na época) e podia capturar continuamente um sinal por um longo período de tempo usando 32,000 pontos de amostragem (na época, um comprimento de registro de aquisição incrivelmente longo). ). Uma afirmação tênue poderia ser feita de que o WD2000 Waveform Digitizer da LeCroy (lançado em 1971) foi o primeiro osciloscópio de armazenamento digital, mas o comprimento do registro era limitado a 20 pontos de amostra e a arquitetura não poderia ser facilmente dimensionada para comprimentos de registro mais longos. Leia a história completa aqui https://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

Walter LeCroy e sua equipe de design na LeCroy Corporation (agora Teledyne LeCroy) lançaram em 1985 o primeiro osciloscópio de armazenamento digital (DSO, ou agora apenas referido como osciloscópio digital) - denominado Modelo 9400 - que replicou e melhorou os recursos e capacidades dos osciloscópios analógicos em uso até então. O Modelo 9400 tinha largura de banda (125 MHz) equivalente à disponível em um osciloscópio analógico (na época) e podia capturar continuamente um sinal por um longo período de tempo usando 32,000 pontos de amostragem (na época, um comprimento de registro de aquisição incrivelmente longo). ). Uma afirmação tênue poderia ser feita de que o WD2000 Waveform Digitizer da LeCroy (lançado em 1971) foi o primeiro osciloscópio de armazenamento digital, mas o comprimento do registro era limitado a 20 pontos de amostra e a arquitetura não poderia ser facilmente dimensionada para comprimentos de registro mais longos. Leia a história completa aquihttps://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

Os osciloscópios aceitam sinais de tensão como entradas. Uma sonda ou sensor deve ser usado para converter um sinal sem tensão (por exemplo, um sinal de corrente, um sinal de campo magnético) em um sinal de tensão, corretamente dimensionado nas unidades apropriadas. Sondas ou sensores para medir corrente estão comumente disponíveis nos fabricantes de osciloscópios, e sensores para medir outras unidades estão amplamente disponíveis. A maioria dos osciloscópios de nível profissional oferece suporte para reescalonamento comum (por exemplo, de Volts para Amps) e muitas outras unidades, mas se este for um recurso importante para suas necessidades, é melhor verificar o suporte para reescalonamento dentro do osciloscópio antes da compra, especialmente se o sensor tiver uma relação de entrada/saída não linear.

Webinars de referênciaParte 7: Como faço uma medição de corrente com um osciloscópio?eParte 8: Como Medir a Corrente em um Osciloscópio Usando um Resistor Shunt?na série de webinars Osciloscópio Coffee Break 2023 para outros detalhes.

O ESB (Padrão IEEE 1057 para digitalização de gravadores de formas de ondaespecifica a largura de banda analógica de um osciloscópio digital como a frequência na qual a resposta de amplitude é -3 dB (o que equivale a 70.7%) da resposta na frequência de referência (que para um osciloscópio é DC). Embora possa parecer confuso ter uma especificação de largura de banda analógica em um osciloscópio digital, o osciloscópio digital possui muitos componentes de amplificador analógico antes da parte que digitaliza e armazena o sinal.

A largura de banda necessária para captura e medição de sinais depende muito dos sinais a serem medidos, dos tipos de medições a serem feitas e da precisão desejada das medições. Uma regra geral que a maioria dos engenheiros usa é ter um osciloscópio com três vezes a largura de banda do sinal de frequência mais alta que desejam medir, embora isso se torne impraticável para sinais de frequência muito alta.

Consulte a definição de largura de banda do osciloscópio na FAQ (acima). A maioria dos osciloscópios se aproxima lentamente da frequência nominal da largura de banda de -3 dB, começando com uma redução suave da amplitude em 50% (ou mais) da classificação da frequência da largura de banda. Isso significa que se a resposta de amplitude do osciloscópio for -1 dB a 70% da largura de banda nominal e -2 dB a 85% da largura de banda nominal, então a amplitude da senóide pura capturada será de aproximadamente 90% (-1 dB) ou 80%. (-2 dB) e 70% (-3 dB) em comparação com quando a frequência senoidal de entrada está se aproximando da classificação de largura de banda do osciloscópio. No entanto, a maioria dos engenheiros não mede sinusóides puras com seus osciloscópios. Observe que os osciloscópios de maior largura de banda podem ter uma resposta mais plana (menos redução de amplitude) ou de amplitude ajustável, por vários motivos.

Mais provavelmente, um engenheiro está medindo um sinal que se assemelha a uma onda quadrada. Neste caso, sabe-se que uma onda quadrada pode ser representada como uma expansão em série de Fourier composta pela soma da frequência fundamental e harmônicos ímpares, com o N-ésimo harmônico contribuindo com uma amplitude 1/N nessa frequência. O que isso significa é que, para representar com precisão uma onda quadrada, você precisa de largura de banda suficiente para capturar a frequência fundamental e harmônicos ímpares suficientes. Quantos harmônicos ímpares são “suficientes” (e quanta largura de banda é necessária) são determinados pela tolerância do engenheiro para uma medição de tempo de subida no osciloscópio que é mais lenta que o sinal real, e pela quantidade de overshoot aditivo e toque presente no sinal medido. sinal. Se apenas o 3º harmônico for capturado, o tempo de subida será consideravelmente mais lento, e o overshoot e o toque serão perceptíveis em comparação com se o 99º harmônico for capturado (nesse caso, o sinal capturado será indistinguível do sinal de entrada original).

Isso nos leva de volta à resposta original dada com mais frequência à pergunta “quanta largura de banda é necessária?” – cerca de 3x a largura de banda do sinal de frequência mais alta. Mas o que significa “frequência mais alta”? Neste contexto, a maioria dos engenheiros está pensando na capacidade de medição do tempo de subida do osciloscópio (que está relacionada à largura de banda). Se um engenheiro quiser medir um sinal com tempo de subida de 1 ns, ele não escolheria um osciloscópio com tempo de subida de 1 ns (tal osciloscópio normalmente teria uma largura de banda de 350 MHz) – ele escolheria um osciloscópio com largura de banda 3x isso (ou 1 GHz).

Webinar de referênciaParte 2: Quanta largura de banda eu preciso no meu osciloscópio?na série de webinars Osciloscópio Coffee Break 2023 para outros detalhes.

Resolução é o número de níveis de quantização do conversor analógico-digital (ADC), com um ADC de N bits tendo 2^N níveis de quantização. Por exemplo, um osciloscópio de 8 bits tem 2⁸ = 256 níveis de quantização enquanto um 12-bit osciloscópio tem 2¹² = 4096 níveis de quantização. Observe que o número de bits (níveis de quantização) no ADC não é garantia de que o restante do caminho do sinal do osciloscópio (notavelmente os componentes analógicos) terá desempenho de ruído digno de um ADC de alta resolução. Assim, um osciloscópio de alta resolução anunciado pode não ter desempenho diferente de um osciloscópio convencional de resolução de 8 bits. ReferênciaComparando abordagens de projeto de osciloscópio de alta resoluçãopara obter mais detalhes sobre as compensações que muitos fabricantes de osciloscópios fazem ao projetar osciloscópios de alta resolução. Webinar de referênciaParte 1: O que é a resolução do osciloscópio?na série de webinars Osciloscópio Coffee Break 2023 para outros detalhes.

Um osciloscópio de alta resolução é qualquer osciloscópio anunciado como tal e que usa hardware aprimorado, filtragem de software (que reduz a largura de banda e a taxa de amostragem) ou uma combinação de ambos para fornecer resolução e relação sinal-ruído aprimoradas em comparação com um convencional. Osciloscópio de 8 bits. Uma afirmação de marketing de alta resolução não é garantia de desempenho no mundo real. Alegações de alta resolução específicas para o ADC, ou melhorias no ruído de linha de base ou na relação sinal-ruído que só são possíveis em larguras de banda reduzidas, são sinais de alerta de que a chamada alta resolução não será alcançada de forma realista em todas as condições normais de operação do osciloscópio. . ReferênciaComparando abordagens de projeto de osciloscópio de alta resoluçãopara mais detalhes.

Não há diferença – estas são apenas duas maneiras de expressar a mesma coisa, embora deva ser destacado que a Teledyne LeCroy possui uma marca registrada com o nome High Definition Osciloscópio e a sigla HDO, tendo sido a primeira empresa de osciloscópios a oferecer 12-bit osciloscópios de alta resolução que fornecem 12 bits o tempo todo, sem redução na taxa de amostragem ou largura de banda.

Um osciloscópio de sinal misto (MSO) geralmente se refere a um osciloscópio que possui canais de entrada analógicos e digitais (lógicos). Uma configuração comum é de 4 canais de entrada analógica mais 16 canais de entrada lógica digital. Os canais de entrada lógica digital podem preservar os canais de entrada analógica mais escassos (e mais caros) para sinais que exigem suas capacidades, e os canais de entrada lógica digital podem ser usados ​​para alternância simples ou sinais lógicos, ou dados seriais de baixa velocidade (por exemplo, I2C , SPI, UART, etc.).

Osciloscópio de domínio misto (MDO) é um termo de marketing para um osciloscópio que fornece algum tipo de entrada ou conversão de radiofrequência (RF) para capturar sinais nos domínios de tempo e frequência. Se for fornecida uma entrada de RF dedicada, os recursos podem ser semelhantes aos de um analisador de espectro. Técnicas de transformação rápida de Fourier (FFT) de software podem ser usadas para fornecer recursos semelhantes sem uma entrada de RF dedicada (e cara).

A precisão da amplitude de um osciloscópio é composta por muitos componentes diferentes e irá variar dependendo da resolução do osciloscópio, caminho de entrada, conteúdo da frequência de entrada, se uma ponta de prova é usada, etc. A precisão da amplitude pode variar de melhor que 1% para um 12-bit osciloscópio de alta definição (HDO®) com entrada de sinal de cabo, a 5% (ou mais) para um osciloscópio de 8 bits operando com uma ponta de prova ativa acoplada ao osciloscópio através da terminação de 50 Ω. Embora essas precisões possam parecer baixas em comparação com um voltímetro digital (DVM), um osciloscópio oferece muito mais recursos do que um DVM.

ReferênciaParte 1: Qual é a diferença entre resolução, precisão e sensibilidade do osciloscópio?na série de webinars Coffee Break sobre osciloscópios de 2024 para obter mais detalhes.

A sensibilidade é a menor mudança de sinal que pode ser visualizada no osciloscópio. Um osciloscópio com alta sensibilidade pode ser usado para visualizar sinais menores em comparação com um osciloscópio com sensibilidade mais baixa. O ajuste de sensibilidade no osciloscópio é feito usando a configuração de ganho vertical (volts/divisão). Observe que alta sensibilidade não se correlaciona necessariamente com alta precisão, e que uma configuração de ganho vertical analógico indicativa de alta sensibilidade (por exemplo, 1 ou 2 mV/div) pode ter utilidade limitada pela resolução ADC ou ruído no osciloscópio. ReferênciaParte 1: Qual é a diferença entre resolução, precisão e sensibilidade do osciloscópio?na série de webinars Coffee Break sobre osciloscópios de 2024 para obter mais detalhes.

Historicamente, um engenheiro consideraria o tempo de subida relacionado à largura de banda de acordo com a fórmula TR(s) = 0.35/largura de banda (Hz), sendo TR o tempo de subida de 10-90% (conforme definido pelo IEEE). Essa fórmula era (principalmente) verdadeira em uma época em que as larguras de banda dos osciloscópios eram muito baixas (1 GHz ou menos) e as reduções de amplitude eram muito graduais. Esta fórmula ainda pode ser válida para osciloscópios com largura de banda menor.

Os osciloscópios de maior largura de banda atuais - ou osciloscópios com caminhos de sinal mais complexos e de menor ruído - podem aderir à fórmula TR(s) = 0.35/largura de banda (Hz) para modelos na extremidade inferior (largura de banda) da linha de produtos, mas aderir ao TR (s) = 0.4/largura de banda (Hz) ou talvez próximo de TR(s) = 0.45/largura de banda (Hz) (ou superior, em alguns casos) para modelos de largura de banda máxima. A razão para o numerador mais baixo em modelos de largura de banda mais baixa é que eles provavelmente estão usando um caminho de sinal analógico que tem mais espaço de alta frequência para um rolloff de amplitude mais lento em comparação com os modelos de largura de banda mais alta. No modelo de osciloscópio de maior largura de banda em uma série de produtos, o caminho do sinal analógico provavelmente atingiu um limite superior rígido na resposta de amplitude, e a resposta de amplitude diminui rapidamente além disso, o que resulta em um tempo de subida mais lento (e numerador mais alto) devido à resposta de alta frequência altamente atenuada além da classificação de largura de banda do osciloscópio.

Webinar de referênciaParte 3: Como o tempo de subida está relacionado à largura de banda em um osciloscópio?na série de webinars Osciloscópio Coffee Break 2023 para outros detalhes.

Um osciloscópio digital digitaliza sinais por meio de conversores analógico-digitais (ADCs) que amostram e retêm valores de tensão para criar pontos de amostragem discretos. Os pontos de amostragem são registrados em uma determinada frequência (intervalo de tempo) e a taxa de amostragem é chamada de Amostras/segundo.

Webinar de referênciaParte 4: O que é a taxa de amostragem do osciloscópio e de quanto eu preciso?na série de webinars Osciloscópio Coffee Break 2023 para outros detalhes.

A taxa de amostragem mínima necessária, de acordo com o teorema de Nyquist, é o dobro da frequência que você deseja medir. Em um osciloscópio digital, isso é comumente interpretado como taxa de amostragem e deve ser no mínimo duas vezes a classificação da largura de banda do osciloscópio. No entanto, o osciloscópio geralmente não tem uma resposta de amplitude rígida além da classificação da largura de banda e transmitirá algum conteúdo de alta frequência além da classificação da largura de banda. Portanto, a maioria dos osciloscópios fornece uma taxa de amostragem mínima em relação à largura de banda de 2.5. Isto pode ser considerado o mínimo para reconstruir uma onda senoidal a partir de pontos de amostragem digitais.

Para reconstruir com precisão formatos de sinais mais complexos a partir de pontos de amostragem digitais, os engenheiros geralmente desejam 5 ou talvez até 10 pontos de amostragem em uma borda ascendente. Se um engenheiro estiver seguindo a regra comum de selecionar um osciloscópio três vezes mais rápido que o sinal que deseja medir (webinar de referênciaParte 2: Quanta largura de banda eu preciso no meu osciloscópio?na série de webinars Coffee Break sobre osciloscópios de 2023 para outros detalhes, ou no FAQ com título semelhante), então 5 a 10 pontos de amostra em uma borda ascendente são facilmente acomodados.

Webinar de referênciaParte 4: O que é a taxa de amostragem do osciloscópio e de quanto eu preciso?na série de webinars Osciloscópio Coffee Break 2023 para outros detalhes.

A memória de aquisição é usada para armazenar os pontos de amostra do osciloscópio digital para serem recuperados em um display ou para processamento adicional para fazer medições, realizar cálculos matemáticos, etc.

A memória de aquisição do osciloscópio armazena os pontos de amostra do osciloscópio do sinal digitalizado, enquanto a unidade central de processamento (CPU) que alimenta as funções do osciloscópio possui sua própria memória de acesso aleatório (RAM) para atender às necessidades da CPU.

A profundidade da memória é apenas outra maneira de descrever o comprimento total da memória de aquisição, seja em pontos (por exemplo, quilopontos (kpts), megapontos (Mpts), Gigapoints (Gpts)) ou em amostras (por exemplo, megasamples (MS)).

Mais amostras (ou pontos) fornecem mais capacidade de capturar intervalos de tempo contínuos muito longos antes de precisar reduzir a taxa de amostragem. Quantas amostras um engenheiro precisa depende da largura de banda dos sinais que um engenheiro deseja capturar, da resolução de tempo com a qual um engenheiro deseja capturar esses sinais e da quantidade de tempo contínuo que um engenheiro deseja adquirir.

Se um osciloscópio tivesse uma taxa de amostragem de 10 GS/s e 1 GS (ou Gpts) de memória de aquisição, ele poderia adquirir 100 ms de tempo (1 GS / 10 GS/s = 0.1 s ou 100 ms). Caso se desejasse capturar 200 ms com 1 GS de memória de aquisição, a taxa de amostragem teria que ser reduzida para 5 GS/s, o que pode (ou não) ser aceitável.

O ruído de linha de base do osciloscópio é o valor AC RMS medido de um canal de entrada do osciloscópio sem nenhum sinal conectado a ele. Um simples teste de ruído de linha de base fornecerá uma indicação geral do desempenho do ruído quando nenhum sinal estiver presente na entrada do osciloscópio. Embora este teste seja simples e fácil de executar, não é o teste mais realista de desempenho do osciloscópio, porque a maioria dos osciloscópios são usados ​​com sinais de entrada conectados a eles. No entanto, o ruído não diminuirá quando os sinais de entrada forem adicionados, pois a amplitude do sinal adicionada apenas adicionará ruído à medição posteriormente. Assim, o ruído de base pode ser um teste útil para avaliar aproximadamente o desempenho geral.

Observe que em um osciloscópio Teledyne LeCroy, a medição SDEV equivale a AC RMS.

ReferênciaComparando abordagens de projeto de osciloscópio de alta resoluçãopara obter mais detalhes sobre os vários tipos de ruído em osciloscópios.

A relação sinal-ruído é o cálculo da razão entre a faixa completa da escala dividida pelo ruído da linha de base, expressa em volts de acordo com a seguinte fórmula:

SNR (dB) = 20*log10((V_{escala real}/(2*√2))/V_CA-RMS))

Com V_{escala real}sendo a tensão de escala completa no osciloscópio (igual ao número de divisões verticais * configuração de ganho V/div) e V_CA-RMSsendo o valor AC RMS para o sinal de linha de base em uma determinada configuração de ganho V/div.

Observe que alguns osciloscópios (por exemplo, Keysight, Teledyne LeCroy) possuem 8 divisões verticais para escala completa, enquanto outros (por exemplo, Tektronix) possuem 10 divisões verticais para escala completa.

Observe que a medição AC RMS da Teledyne LeCroy é denominada SDEV, enquanto outros osciloscópios normalmente possuem uma medição RMS que pode ser selecionada como leitura AC ou DC. Certifique-se de usar o valor CA RMS ou o cálculo SNR incluirá incorretamente o efeito de quaisquer pequenos erros de deslocamento CC no canal do osciloscópio.

SNR(dB) = 20*log10( (V/div*8/(2*sqrt(2)))/ruído_em_rms)

ReferênciaComparando abordagens de projeto de osciloscópio de alta resoluçãopara obter mais detalhes sobre os vários tipos de ruído em osciloscópios.

De acordo com a norma IEEE. 1057 Padrão IEEE para digitalização de gravadores de forma de onda, SINAD é a razão entre o sinal raiz média quadrada (rms) e o ruído e distorção rms (linha de base). O SINAD é medido em uma frequência e amplitude específicas usando uma entrada de onda senoidal, e a amplitude na qual as medições são feitas impacta a distorção e deve ser especificada (90% da amplitude total da escala é típica). SINAD é uma medição mais completa do desempenho do osciloscópio em operação real.

ReferênciaComparando abordagens de projeto de osciloscópio de alta resoluçãopara obter mais detalhes sobre os vários tipos de ruído em osciloscópios.

O melhor método para reduzir o ruído nos sinais medidos com seu osciloscópio é usar um osciloscópio de baixo ruído e alta resolução que forneça resolução de 12 bits em largura de banda total. Mas qualquer osciloscópio pode ter seu ruído reduzido usando filtros de hardware analógico ou de software digital, desde que a troca de largura de banda menor em troca de ruído reduzido seja aceitável.

Os filtros de hardware geralmente são exibidos como um limite de largura de banda de 20 MHz ou 200 MHz (ou similar) no menu do canal. Esses filtros tendem a ter rolloffs muito lentos, portanto sua capacidade de redução de ruído é provavelmente menor que a de um filtro de software digital.

Os filtros de software digital podem ser funções matemáticas, podem ser modos de alta resolução ou podem ser seleções de filtro de software no menu de canal (por exemplo, seleção de Resolução Aprimorada (ERes) da Teledyne LeCroy). Matematicamente, cada redução pela metade da taxa de amostragem (e largura de banda) reduz o ruído em 3 dB (~30% ou 0.5 bits efetivos). Às vezes, os filtros de software digital interpolam pontos de amostragem após a operação do filtro matemático, mas a taxa de amostragem do hardware ainda foi reduzida.

Tenha cuidado com os modos de alta resolução que prometem melhor desempenho do que o matematicamente possível, ou que são o único meio de obter alta resolução (e menor ruído) no que de outra forma seria um osciloscópio de resolução de 8 bits.

ReferênciaComparando abordagens de projeto de osciloscópio de alta resoluçãopara obter mais detalhes sobre as compensações feitas para reduzir o ruído nos osciloscópios. Webinar de referênciaParte 6: Como posso reduzir o ruído nos sinais medidos com um osciloscópio?na série de webinars Osciloscópio Coffee Break 2023 para outros detalhes.

O osciloscópio ENOB é derivado da medição do osciloscópio SINAD da seguinte forma:

Osciloscópio ENOB= (SINAD-1.76)/6.02

Se o amplificador frontal não for a fonte dominante de ruído no sistema osciloscópio, o ENOB do sistema se aproximará do ENOB do ADC. É importante entender que o ADC ENOB é um limite superior no desempenho do sistema, mas o desempenho do sistema é o desempenho crítico a ser entendido. Realisticamente, o ENOB do osciloscópio (sistema) será sempre menor que o ENOB do ADC.

Se o sinal de entrada aplicado não for 100% de amplitude total da escala, então o ENOB é derivado da seguinte forma:

Osciloscópio ENOB= (SINAD-1.76+20 log((Amplitude em escala total)/(Amplitude de entrada)))/6.02

Uma “regra prática” de 6 dB SINAD por bit efetivo pode ser inferida a partir desta equação. Assim, a melhoria de meio bit efetivo equivale a uma redução de 3 dB (30%) no ruído, e a melhoria de um bit efetivo total equivale a uma redução de 6 dB (50%) no ruído. Pequenas diferenças no ENOB significam muito em termos de ruído vertical (amplitude de tensão).

ReferênciaComparando abordagens de projeto de osciloscópio de alta resoluçãopara obter mais detalhes sobre vários tipos de ruído e por que o número nominal de bits do ADC não é totalmente alcançado quando implantado em digitalizadores ou osciloscópios.

ReferênciaParte 2: O que são bits eficazes ADC e ENOB do osciloscópio?na série de webinars Coffee Break sobre osciloscópios de 2024 para obter mais detalhes.

O ADC ENOB é um limite superior do osciloscópio ENOB, mas o osciloscópio ENOB é o desempenho crítico para entender. Realisticamente, o ENOB do osciloscópio será sempre menor que o ENOB do ADC. Se um osciloscópio fizer afirmações específicas sobre o desempenho ENOB de seu ADC, provavelmente é um sinal de alerta que o desempenho ENOB completo do osciloscópio é muito menor.

ReferênciaComparando abordagens de projeto de osciloscópio de alta resoluçãopara obter mais detalhes sobre vários tipos de ruído e por que o número nominal de bits do ADC não é totalmente alcançado quando implantado em digitalizadores ou osciloscópios.

ReferênciaParte 2: O que são bits eficazes ADC e ENOB do osciloscópio?na série de webinars Coffee Break sobre osciloscópios de 2024 para obter mais detalhes.

O teorema de Nyquist afirma que uma senóide pode ser reconstruída sem perda de informação, desde que seja amostrada digitalmente em duas (ou mais) da frequência da senóide. Normalmente, isso significa que a taxa de amostragem mínima em um osciloscópio digital é 2.5 vezes a largura de banda em todos os canais. A taxa de amostragem de 2.5:1 para largura de banda (SR/BW) é a relação usada (em vez do mínimo 2) para levar em conta que o osciloscópio não terá um filtro de parede de tijolos perfeito na largura de banda nominal. Menos que a relação SR/BW de 2:1 criará o risco de aliasing do sinal de entrada amostrado digitalmente.

Se os requisitos de taxa de amostragem de Nyquist não forem atendidos, o sinal será considerado subamostrado e não poderá ser reconstruído sem perda de informação. Em vez disso, a reconstrução do sinal ainda ocorrerá, mas será uma reconstrução incorreta, conhecida como aliasing.

ReferênciaParte 3: O que é o aliasing do osciloscópio?na série de webinars Coffee Break sobre osciloscópios de 2024 para obter mais detalhes.

Faixa dinâmica livre espúria (SFDR) é a razão (geralmente expressa em dB) entre a amplitude da raiz quadrada média (RMS) de um sinal de entrada fundamental do osciloscópio e a amplitude RMS do próximo maior sinal espúrio na saída do osciloscópio. SFDR geralmente é medido no osciloscópio usando um FFT ou display de osciloscópio de amplitude vs. Os sinais espúrios podem ser causados ​​por distorção ou outros componentes de ruído, ou podem estar em uma frequência consistente com a frequência de amostragem do conversor analógico-digital (ADC) principal.

SFDR é uma das verificações de qualidade mais incompreendidas que os engenheiros realizam em osciloscópios. Qualquer ADC exibirá spurs nas frequências de amostragem, e esses spurs são geralmente de amplitude tão baixa (em comparação com a entrada fundamental) e de banda de frequência tão estreita que a relação SFDR está bem acima (não tão pior quanto) do ruído de linha de base relação sinal-ruído ou relação sinal-ruído e distorção (SINAD) para uma determinada frequência de entrada. Ocasionalmente, um osciloscópio pode exibir graves componentes de distorção em frequências específicas, o que é facilmente exposto por um teste SFDR, mas isso não é comum.

ReferênciaComparando abordagens de projeto de osciloscópio de alta resoluçãopara obter mais detalhes sobre SFDR em osciloscópios.

ReferênciaParte 4: O que é a faixa dinâmica livre espúria do osciloscópio (SFDR)?na série de webinars Coffee Break sobre osciloscópios de 2024 para obter mais detalhes.

Adequadamente chamado de osciloscópio de amostragem de tempo equivalente, um osciloscópio de amostragem fornece uma amostra por disparo, com um pequeno atraso adicionado após cada disparo, de modo a reconstruir uma forma de onda repetitiva a partir de vários eventos disparados. A largura de banda de medição é limitada apenas pela resposta de frequência do amostrador, que pode ser muito alta a um custo muito baixo. A limitação é que um osciloscópio de amostragem não pode capturar uma forma de onda contínua.

Um osciloscópio de amostragem só pode adquirir um sinal repetitivo, enquanto um osciloscópio de tempo real pode adquirir uma forma de onda de tempo contínua em um registro de amostra contínuo.

ReferênciaParte 6: Qual é a diferença entre um osciloscópio de tempo real e um osciloscópio de amostragem?na série de webinars Coffee Break sobre osciloscópios de 2024 para obter mais detalhes.

Osciloscópio de fósforo digital (DPO) é um termo de marketing usado pela Tektronix para descrever seus osciloscópios que utilizam uma arquitetura de exibição de forma de onda rápida (mais recentemente comercializada como Tecnologia DPX) para imitar a aparência de um display CRT de feixe de fósforo usado em um osciloscópio analógico.

Alguns outros fabricantes de osciloscópios possuem recursos semelhantes. Todos eles otimizam a atualização (atualização) da tela em detrimento do armazenamento de dados, portanto, se uma anomalia for visualizada durante a exibição de atualização rápida, ela não poderá ser salva ou recuperada para inspeção adicional. Além disso, eles ainda são baseados em técnicas de captura digital e, portanto, possuem grandes períodos de tempo morto durante os quais não capturam (ou exibem) formas de onda (ou anomalias). Osciloscópios com atualização rápida normalmente são utilizáveis ​​apenas em aquisições muito curtas de sinais repetitivos, e a taxa de atualização diminui em períodos de tempo mais longos (e mais úteis), e eles não são muito úteis para visualizar mais de um sinal por vez. Em essência, o recurso foi concebido durante uma época em que os osciloscópios analógicos estavam em transição para osciloscópios digitais e não há mais uso prático desse recurso para a maioria dos clientes.

ReferênciaParte 9: O que é um Osciloscópio Digital de Fósforo?na série de webinars Coffee Break sobre osciloscópios de 2024 para obter mais detalhes.

Uma exibição de taxa de atualização rápida pode fornecer usabilidade e conforto para alguém que está acostumado com um osciloscópio analógico (embora a maioria desses engenheiros já tenha se aposentado há muito tempo). Eles também podem ser úteis para um engenheiro que esteja visualizando um sinal repetitivo de duração muito curta com muitas anomalias óbvias. Os engenheiros que capturam intervalos de tempo mais longos e não repetitivos provavelmente considerarão as taxas de atualização rápidas um recurso interessante que tem pouca utilidade na depuração do mundo real.

Diagramas oculares e padrões oculares são ferramentas de exibição usadas para avaliar a qualidade do sinal de um sinal digital, sobrepondo os níveis digitais de cada bit (junto com quaisquer transições antes ou depois de cada bit) para fornecer uma avaliação visual rápida da qualidade do sinal digital. Idealmente, o diagrama/padrão do olho é muito aberto no meio com um topo claro (nível digital 1), base (nível digital 0) e transições (bordas ascendentes e descendentes das transições de nível digital). Sinais multiníveis, como PAM-3 ou PAM-4, também podem ser exibidos como diagramas oculares.

Um diagrama ocular e um padrão ocular são duas maneiras de descrever a mesma coisa.

ReferênciaParte 11: O que é um diagrama ocular de osciloscópio?na série de webinars Coffee Break sobre osciloscópios de 2024 para obter mais detalhes.

Existem dois métodos básicos para exibir um diagrama ocular usando um osciloscópio digital.

O primeiro método é o mais básico, mas tem mais limitações. Um trigger de borda é usado para disparar no nível de 50% de uma borda de sinal digital ascendente ou descendente, com a base de tempo do osciloscópio definida para ser um pouco maior que um período de bit único, e o ponto de disparo do osciloscópio definido para ser cerca de um quarto da borda esquerda da grade do osciloscópio. A persistência de exibição é usada para capturar muitas aquisições curtas de um único período de bit, e os sinais acionados são sobrepostos para observação visual. Este método é intuitivo, mas não fornece um diagrama ocular de um sinal contínuo, não permite nenhum tipo de pós-processamento para determinar a causa de qualquer anomalia no diagrama ocular e é afetado pelo jitter de disparo adicionado do osciloscópio. É uma verificação boa e rápida se um sinal digital tem boa qualidade.

O segundo método é mais robusto e mais amplamente utilizado, especialmente com sinais de dados seriais de alta velocidade. Uma aquisição longa e contínua é feita de um sinal digital e o relógio é extraído matematicamente, com o período de tempo extraído do relógio usado para “dividir” matematicamente a aquisição contínua em períodos de bits que são sobrepostos para formar o diagrama ocular. Como os dados são contínuos, processamento matemático adicional também pode ser realizado para simular o uso de um loop de bloqueio de fase (PLL) no circuito de relógio, calcular jitter, medir vários aspectos da abertura do olho (amplitude, largura, etc.), e depurar quaisquer anomalias presentes.

Um osciloscópio de amostragem (descrito em uma pergunta frequente anterior) cria um diagrama ocular por meio do uso de um circuito de recuperação de relógio de hardware que funciona com o módulo de amostragem para criar o diagrama ocular. Atualmente, isso é geralmente considerado um método arcaico e não é amplamente utilizado, a menos que o sinal de dados seriais de alta velocidade possa ser completamente analisado e avaliado com aquisições de dados não contínuas (não em tempo real). Nesse caso, este método é perfeitamente satisfatório e tem um custo muito baixo para a largura de banda fornecida pelo osciloscópio. No entanto, requer hardware diferente sempre que o sinal tiver taxas de bits ou requisitos de PLL diferentes.