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 circuito de ganho variável na entrada que permite o ajuste do sinal (tensão vertical) para aceitar uma ampla gama de amplitudes de sinal de entrada. Um ajuste horizontal (base de tempo ou varredura) define o período de tempo para aquisição do sinal.

Muitos afirmam ter inventado o osciloscópio analógico, mas a Tektronix pode, com razão, reivindicar a invenção do primeiro osciloscópio analógico de varredura disparada, que melhorou enormemente a utilidade e a versatilidade do instrumento.

Em 1985, Walter LeCroy e sua equipe de design na LeCroy Corporation (agora Teledyne LeCroy) lançaram o primeiro osciloscópio de armazenamento digital (DSO, ou simplesmente osciloscópio digital) – o Modelo 9400 – que replicava e aprimorava 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). Poderia-se afirmar, ainda que de forma remota, que o digitalizador de formas de onda WD2000 da LeCroy (lançado em 1971) foi o primeiro osciloscópio digital de armazenamento, mas o comprimento do registro era limitado a 20 pontos de amostra e a arquitetura não permitia fácil adaptação a registros mais longos. Leia a história completa aqui https://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

Em 1985, Walter LeCroy e sua equipe de design na LeCroy Corporation (agora Teledyne LeCroy) lançaram o primeiro osciloscópio de armazenamento digital (DSO, ou simplesmente osciloscópio digital) – o Modelo 9400 – que replicava e aprimorava 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). Poderia-se afirmar, ainda que de forma remota, que o digitalizador de formas de onda WD2000 da LeCroy (lançado em 1971) foi o primeiro osciloscópio digital de armazenamento, mas o comprimento do registro era limitado a 20 pontos de amostra e a arquitetura não permitia fácil adaptação a registros mais longos. Leia a história completa aquihttps://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

Os osciloscópios aceitam sinais de tensão como entrada. Uma ponta de prova ou sensor deve ser usado para converter um sinal não-tensão (por exemplo, um sinal de corrente, um sinal de campo magnético) em um sinal de tensão, corretamente dimensionado nas unidades apropriadas. Pontas de prova ou sensores para medir corrente são facilmente encontrados em fabricantes de osciloscópios, e sensores para medir outras unidades também são amplamente disponíveis. A maioria dos osciloscópios profissionais oferece suporte para reescalonamento de unidades comuns (por exemplo, de Volts para Amperes) e muitas outras unidades, mas se esse recurso for importante para suas necessidades, é recomendável verificar o suporte para reescalonamento no osciloscópio antes da compra, especialmente se o sensor tiver uma relação não linear entre entrada e saída.

Webinars de referênciaParte 7: Como faço para medir a corrente com um osciloscópio?eParte 8: Como medir a corrente em um osciloscópio usando um resistor shunt?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2023.

O processo dePadrão IEEE 1057 para digitalização de gravadores de forma de ondaA largura de banda analógica de um osciloscópio digital é definida 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 CC). Embora possa parecer confuso ter uma especificação de largura de banda analógica em um osciloscópio digital, este possui muitos componentes de amplificação analógica antes da parte que digitaliza e armazena o sinal.

A largura de banda necessária para a captura e medição de sinais depende muito dos sinais a serem medidos, dos tipos de medições a serem feitas e da precisão desejada para as medições. Uma regra prática comum entre os engenheiros é utilizar um osciloscópio com largura de banda três vezes maior que a da frequência mais alta do sinal que desejam medir, embora isso se torne impraticável para sinais de frequência muito alta.

Consulte a definição de largura de banda do osciloscópio nas Perguntas Frequentes (acima). A maioria dos osciloscópios se aproxima da frequência nominal de -3 dB de forma gradual, começando com uma suave atenuação da amplitude em cerca de 50% da frequência nominal. Isso significa que, se a resposta de amplitude do osciloscópio for de -1 dB a 70% da largura de banda nominal e de -2 dB a 85% da largura de banda nominal, a amplitude da senoide pura capturada será de aproximadamente 90% (-1 dB) ou 80% (-2 dB) e 70% (-3 dB) em comparação com a amplitude quando a frequência da senoide de entrada se aproxima da largura de banda nominal do osciloscópio. No entanto, a maioria dos engenheiros não mede senoides puras com seus osciloscópios. Observe que os osciloscópios com maior largura de banda podem ter uma resposta de amplitude mais plana (com menor atenuação) ou ajustável, por diversos motivos.

O mais provável é que o engenheiro esteja 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 dos harmônicos ímpares, com o N-ésimo harmônico contribuindo com uma amplitude de 1/N nessa frequência. Isso significa que, para representar com precisão uma onda quadrada, você precisa de largura de banda suficiente para capturar a frequência fundamental e uma quantidade suficiente de harmônicos ímpares. A quantidade de harmônicos ímpares "suficientes" (e a largura de banda necessária) é determinada pela tolerância do engenheiro a uma medição do tempo de subida no osciloscópio que seja mais lenta do que o sinal real, e pela quantidade de sobreimpulso aditivo e oscilações presentes no sinal medido. Se apenas o 3º harmônico for capturado, o tempo de subida será consideravelmente mais lento, e a ultrapassagem e o ringing serão perceptíveis em comparação com a captura do 99º harmônico (caso em que o sinal capturado será indistinguível do sinal de entrada original).

Isso nos leva de volta à resposta original que é dada com mais frequência em resposta à pergunta “quanta largura de banda é necessária?” – cerca de 3 vezes a largura de banda do sinal de frequência mais alta. Mas o que significa “frequência mais alta”? Nesse 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 um tempo de subida de 1 ns, ele não escolheria um osciloscópio com um 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 3 vezes maior (ou 1 GHz).

Webinar de referênciaParte 2: De quanta largura de banda preciso no meu osciloscópio?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2023.

A resolução é o número de níveis de quantização de um conversor analógico-digital (ADC), sendo que um ADC de N bits possui 2^N.^N níveis de quantização. Por exemplo, um osciloscópio de 8 bits tem 2⁸ = 256 níveis de quantização, enquanto a 12-bit osciloscópio tem 2¹² = 4096 níveis de quantização. Observe que o número de bits (níveis de quantização) no ADC não garante que o restante do caminho do sinal do osciloscópio (principalmente os componentes analógicos) terá um desempenho de ruído digno de um ADC de alta resolução. Portanto, um osciloscópio anunciado como de alta resolução pode não apresentar desempenho diferente de um osciloscópio convencional de 8 bits de resolução. ReferênciaComparação de abordagens de projeto de osciloscópios de alta resoluçãoPara obter mais detalhes sobre as compensações que muitos fabricantes de osciloscópios fazem ao projetar osciloscópios de alta resolução, consulte o webinar de referência.Parte 1: O que é a resolução de um osciloscópio?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2023.

Um osciloscópio de alta resolução é qualquer osciloscópio anunciado como tal e que utiliza 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 superiores em comparação com um osciloscópio convencional de 8 bits. A alegação de alta resolução em marketing não garante o desempenho em situações reais. Alegações de alta resolução específicas para o conversor analógico-digital (ADC), ou melhorias no ruído de base ou na relação sinal-ruído que só são possíveis com larguras de banda reduzidas, são indícios de que a chamada alta resolução não será alcançada de forma realista em todas as condições normais de operação de um osciloscópio.Comparação de abordagens de projeto de osciloscópios de alta resoluçãoPara obter mais detalhes.

Não há diferença – são apenas duas maneiras de expressar a mesma coisa, embora deva-se notar que a Teledyne LeCroy possui uma marca registrada para o nome Osciloscópio de Alta Definição e a sigla HDO, tendo sido a primeira empresa de osciloscópios a oferecer esse produto. 12-bit Osciloscópios de alta resolução que fornecem 12 bits o tempo todo, sem redução na taxa de amostragem ou na 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 analógicos mais 16 canais de entrada lógica digital. Os canais de entrada lógica digital podem preservar os canais de entrada analógicos, mais escassos (e mais caros), para sinais que exigem suas capacidades, e podem ser usados ​​para sinais lógicos ou de alternância simples, ou para sinais de dados seriais de baixa velocidade (por exemplo, I2C, SPI, UART, etc.).

Osciloscópio de domínio misto (MDO, na sigla em inglês) é um termo comercial para um osciloscópio que fornece algum tipo de entrada ou conversão de radiofrequência (RF) para capturar sinais nos domínios do tempo e da frequência. Se uma entrada de RF dedicada for fornecida, as capacidades podem ser semelhantes às de um analisador de espectro. Técnicas de transformada rápida de Fourier (FFT) por software podem ser usadas para fornecer capacidades semelhantes sem uma entrada de RF dedicada (e dispendiosa).

A precisão da amplitude de um osciloscópio é composta por muitos componentes diferentes e varia dependendo da resolução do osciloscópio, do caminho de entrada, do conteúdo de 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 por cabo, com precisão de até 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 multímetro digital (DVM), um osciloscópio oferece muito mais recursos do que um DVM.

ReferênciaParte 1: Qual a diferença entre resolução, precisão e sensibilidade de um osciloscópio?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2024.

Sensibilidade é a menor variação 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 menor sensibilidade. O ajuste de sensibilidade no osciloscópio é feito através da configuração de ganho vertical (volts/divisão). Observe que alta sensibilidade não necessariamente se correlaciona com alta precisão e que uma configuração de ganho vertical analógica indicativa de alta sensibilidade (por exemplo, 1 ou 2 mV/div) pode ter sua utilidade limitada pela resolução do conversor analógico-digital (ADC) ou pelo ruído no osciloscópio. ReferênciaParte 1: Qual a diferença entre resolução, precisão e sensibilidade de um osciloscópio?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2024.

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 a 90% (conforme definido pelo IEEE). Essa fórmula era (em grande parte) válida em uma época em que as larguras de banda dos osciloscópios eram muito baixas (1 GHz ou menos) e as atenuações de amplitude eram muito graduais. Essa fórmula ainda pode ser válida para osciloscópios de largura de banda ainda menor.

Os osciloscópios de banda larga mais alta de hoje — ou osciloscópios com caminhos de sinal mais complexos e com menor ruído — podem seguir a fórmula TR(s) = 0.35/Largura de banda (Hz) para modelos na extremidade inferior (da largura de banda) da linha de produtos, mas seguir a fórmula TR(s) = 0.4/Largura de banda (Hz) ou talvez se aproximar de TR(s) = 0.45/Largura de banda (Hz) (ou mais, em alguns casos) para modelos de largura de banda máxima. A razão para o numerador menor nos modelos de menor largura de banda é que eles provavelmente estão usando um caminho de sinal analógico que possui mais margem de alta frequência para uma atenuação de amplitude mais lenta em comparação com os modelos de maior largura de banda. No modelo de osciloscópio com a maior largura de banda de 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 desse limite, o que resulta em um tempo de subida mais lento (e numerador maior) devido à resposta de alta frequência altamente atenuada além da classificação de largura de banda do osciloscópio.

Webinar de referênciaParte 3: Qual a relação entre o tempo de subida e a largura de banda em um osciloscópio?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2023.

Um osciloscópio digital digitaliza sinais através de conversores analógico-digitais (ADCs) que amostram e armazenam valores de tensão para criar pontos de amostra discretos. Os pontos de amostra são registrados em uma determinada frequência (intervalo de tempo), e a taxa de amostragem é referida como amostras por segundo.

Webinar de referênciaParte 4: O que é a taxa de amostragem de um osciloscópio e qual a taxa necessária?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2023.

De acordo com o teorema de Nyquist, a taxa de amostragem mínima necessária é o dobro da frequência que se deseja medir. Em um osciloscópio digital, isso é comumente interpretado como taxa de amostragem e deve ser, no mínimo, o dobro da largura de banda nominal do osciloscópio. No entanto, o osciloscópio geralmente não apresenta uma resposta de amplitude abrupta além da largura de banda nominal, e alguns sinais de alta frequência serão transmitidos além desse limite. Portanto, a maioria dos osciloscópios oferece uma relação mínima entre taxa de amostragem e largura de banda de 2.5. Isso pode ser considerado o mínimo necessário para reconstruir uma onda senoidal a partir de pontos de amostragem digitais.

Para reconstruir com precisão formas de sinal mais complexas a partir de pontos de amostragem digitais, os engenheiros geralmente desejam 5 ou até 10 pontos de amostragem em uma borda de subida. Se um engenheiro estiver seguindo a regra prática comum de selecionar um osciloscópio três vezes mais rápido que o sinal que deseja medir (Webinar de referência).Parte 2: De quanta largura de banda preciso no meu osciloscópio?Para mais detalhes (consulte a série de webinars Oscilloscope Coffee Break de 2023 ou as perguntas frequentes com título semelhante), é possível acomodar facilmente de 5 a 10 pontos de amostragem em uma borda de subida.

Webinar de referênciaParte 4: O que é a taxa de amostragem de um osciloscópio e qual a taxa necessária?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2023.

A memória de aquisição é utilizada para armazenar os pontos de amostragem do osciloscópio digital para posterior exibição em um visor ou para processamento adicional, como realizar medições, cálculos matemáticos, etc.

A memória de aquisição do osciloscópio armazena os pontos de amostragem do sinal digitalizado, enquanto a unidade central de processamento (CPU), que executa 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), Gigapontos (Gpts)) ou em amostras (por exemplo, megaamostras (MS)).

Mais amostras (ou pontos) proporcionam maior capacidade de capturar intervalos de tempo contínuos muito longos antes da necessidade de reduzir a taxa de amostragem. A quantidade de amostras necessária depende da largura de banda dos sinais que o engenheiro deseja capturar, da resolução temporal desejada para essa captura e da quantidade de tempo contínuo que se pretende 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). Se fosse desejado 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 RMS CA medido em um canal de entrada do osciloscópio sem nenhum sinal conectado. Um teste simples de ruído de linha de base fornece uma indicação geral do desempenho de ruído quando não há sinal presente na entrada do osciloscópio. Embora este teste seja simples e fácil de realizar, não é o teste mais realista do desempenho do osciloscópio, pois a maioria dos osciloscópios é usada com sinais de entrada conectados. Mesmo assim, o ruído não diminui quando sinais de entrada são adicionados, já que a amplitude do sinal adicional apenas aumentará o ruído na medição posteriormente. Portanto, o ruído de linha de base pode ser um teste útil para avaliar aproximadamente o desempenho geral.

Note que, em um osciloscópio Teledyne LeCroy, a medição SDEV equivale ao valor RMS da corrente alternada.

ReferênciaComparação de abordagens de projeto de osciloscópios de alta resoluçãoPara obter mais detalhes sobre os vários tipos de ruído em osciloscópios.

A relação sinal-ruído é calculada pela razão entre a faixa de escala completa e o ruído de fundo, 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 * ajuste de ganho V/div) e V_CA-RMSsendo o valor RMS CA para o sinal de linha de base em uma determinada configuração de ganho V/div.

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

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

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

ReferênciaComparação de abordagens de projeto de osciloscópios de alta resoluçãoPara obter mais detalhes sobre os vários tipos de ruído em osciloscópios.

De acordo com a norma IEEE Std. 1057 (IEEE Standard for Digitizing Waveform Recorders), o SINAD (Signal Incremental and Distortion Amplification and Distortion) é a razão entre o sinal RMS (raiz quadrada média) 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 de escala completa é um valor típico). O SINAD é uma medida mais completa do desempenho do osciloscópio em operação real.

ReferênciaComparação de abordagens de projeto de osciloscópios de alta resoluçãoPara obter mais detalhes sobre os vários tipos de ruído em osciloscópios.

O melhor método para reduzir o ruído em 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. No entanto, qualquer osciloscópio pode ter seu ruído reduzido usando filtros analógicos de hardware ou filtros digitais de software, desde que a troca de menor largura de banda por menor ruído seja aceitável.

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

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

Desconfie de modos de alta resolução que prometem desempenho superior ao que é matematicamente possível, ou que sejam o único meio de alcançar alta resolução (e menor ruído) em um osciloscópio que, de outra forma, teria resolução de 8 bits.

ReferênciaComparação de abordagens de projeto de osciloscópios de alta resoluçãoPara obter mais detalhes sobre as compensações feitas para reduzir o ruído em osciloscópios, consulte o webinar de referência.Parte 6: Como posso reduzir o ruído em sinais medidos com um osciloscópio?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2023.

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

Osciloscópio ENOB= (SINAD-1.76)/6.02

Se o amplificador de entrada não for a principal fonte de ruído no sistema do osciloscópio, o ENOB do sistema se aproximará do ENOB do ADC. É importante entender que o ENOB do ADC é um limite superior para o desempenho do sistema, mas o desempenho do sistema é o fator crítico a ser compreendido. Na prática, o ENOB do osciloscópio (sistema) será sempre menor que o ENOB do ADC.

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

Osciloscópio ENOB = (SINAD - 1.76 + 20 log((Amplitude de Escala Completa)/(Amplitude de Entrada)))/6.02

Uma regra prática de 6 dB de SINAD por bit efetivo pode ser inferida desta equação. Assim, uma melhoria de meio bit efetivo equivale a uma redução de 3 dB (30%) no ruído, e uma melhoria de um bit efetivo completo equivale a uma redução de 6 dB (50%) no ruído. Pequenas diferenças no ENOB (número efetivo de bits) fazem muita diferença em termos de ruído vertical (amplitude de tensão).

ReferênciaComparação de abordagens de projeto de osciloscópios de alta resoluçãoPara obter mais detalhes sobre os vários tipos de ruído e por que o número de bits nominal do ADC não é totalmente atingido quando implementado em digitalizadores ou osciloscópios.

ReferênciaParte 2: O que são bits efetivos (ENOB) e ADC (Conversor Analógico-Digital) de um osciloscópio?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2024.

O ENOB do ADC é um limite superior para o ENOB do osciloscópio, mas o ENOB do osciloscópio é o indicador de desempenho crítico a ser compreendido. Na prática, o ENOB do osciloscópio será sempre menor que o ENOB do ADC. Se um osciloscópio fizer afirmações específicas sobre o desempenho ENOB do seu ADC, isso provavelmente indica que o desempenho ENOB completo do osciloscópio é muito inferior.

ReferênciaComparação de abordagens de projeto de osciloscópios de alta resoluçãoPara obter mais detalhes sobre os vários tipos de ruído e por que o número de bits nominal do ADC não é totalmente atingido quando implementado em digitalizadores ou osciloscópios.

ReferênciaParte 2: O que são bits efetivos (ENOB) e ADC (Conversor Analógico-Digital) de um osciloscópio?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2024.

O teorema de Nyquist afirma que uma senoide pode ser reconstruída sem perda de informação, desde que seja amostrada digitalmente com o dobro (ou mais) da frequência da senoide. Tipicamente, 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 relação 2.5:1 entre taxa de amostragem e largura de banda (SR/BW) é a proporção usada (em vez do mínimo de 2) para levar em consideração que o osciloscópio não terá um filtro passa-alta perfeito na largura de banda nominal. Uma relação SR/BW inferior a 2:1 cria o risco de aliasing no sinal de entrada amostrado digitalmente.

Se os requisitos da taxa de amostragem de Nyquist não forem atendidos, o sinal é considerado subamostrado e não pode 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 aliasing em osciloscópio?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2024.

A Faixa Dinâmica Livre de Espúrios (SFDR, na sigla em inglês) é a razão (geralmente expressa em dB) entre a amplitude eficaz (RMS) de um sinal fundamental de entrada do osciloscópio e a amplitude eficaz do próximo sinal espúrio de maior frequência na saída do osciloscópio. A SFDR é geralmente medida no osciloscópio usando uma transformada rápida de Fourier (FFT) ou um analisador de espectro que exibe a amplitude em função da frequência. 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.

A SFDR é um dos testes de qualidade mais incompreendidos que os engenheiros realizam em osciloscópios. Qualquer ADC apresentará sinais espúrios nas frequências de amostragem, e esses sinais espúrios geralmente têm amplitude tão baixa (comparada à frequência fundamental de entrada) e uma faixa de frequência tão estreita que a taxa SFDR fica bem acima (não tão pior quanto) a relação sinal-ruído de fundo ou a relação sinal-ruído e distorção (SINAD) para uma determinada frequência de entrada. Ocasionalmente, um osciloscópio pode apresentar componentes de distorção significativos em frequências específicas, que são facilmente detectados por um teste SFDR, mas isso não é comum.

ReferênciaComparação de abordagens de projeto de osciloscópios de alta resoluçãoPara obter mais detalhes sobre SFDR em osciloscópios.

ReferênciaParte 4: O que é a Faixa Dinâmica Livre de Espúrios (SFDR) em um Osciloscópio?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2024.

Tecnicamente 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 para reconstruir uma forma de onda repetitiva a partir de múltiplos eventos disparados. A largura de banda de medição é limitada apenas pela resposta em frequência do amostrador, que pode ser muito alta a um custo muito baixo. A limitação é que um osciloscópio de amostragem não consegue capturar uma forma de onda contínua.

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

ReferênciaParte 6: Qual a diferença entre um osciloscópio em tempo real e um osciloscópio de amostragem?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2024.

O Osciloscópio Digital de Fósforo (DPO, na sigla em inglês) 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 exibição de um monitor CRT de feixe de fósforo usado em um osciloscópio analógico.

Outros fabricantes de osciloscópios também possuem recursos semelhantes. Todos eles otimizam a atualização da tela (refresh) em detrimento do armazenamento de dados; portanto, se uma anomalia for visualizada durante a atualização rápida da tela, ela não poderá ser salva ou recuperada para inspeção posterior. Além disso, ainda se baseiam em técnicas de captura digital e, portanto, apresentam grandes períodos de tempo ocioso durante os quais não estão capturando (ou exibindo) formas de onda (ou anomalias). Osciloscópios com taxa de atualização rápida geralmente são utilizáveis ​​apenas em aquisições muito curtas de sinais repetitivos, e a taxa de atualização se degrada em períodos de tempo mais longos (e mais úteis), não sendo muito úteis para visualizar mais de um sinal por vez. Em essência, o recurso foi concebido numa época em que os osciloscópios analógicos estavam passando por uma transição para os osciloscópios digitais, e atualmente não há muita utilidade prática para a maioria dos clientes.

ReferênciaParte 9: O que é um osciloscópio de fósforo digital?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2024.

Uma taxa de atualização rápida pode proporcionar usabilidade e conforto para quem está acostumado com um osciloscópio analógico (embora a maioria desses engenheiros já esteja aposentada há muito tempo). Também pode ser útil para um engenheiro que esteja analisando um sinal repetitivo de curta duração com muitas anomalias óbvias. Engenheiros que capturam intervalos de tempo mais longos e não repetitivos provavelmente acharão as taxas de atualização rápidas um recurso interessante, porém pouco utilizado na depuração em situações reais.

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

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

ReferênciaParte 11: O que é um diagrama de olho de osciloscópio?Para mais detalhes, consulte a Série de Webinários "Oscilloscope Coffee Break" de 2024.

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

O primeiro método é o mais básico, porém o que apresenta mais limitações. Um gatilho de borda é utilizado para disparar no nível de 50% da borda de subida ou descida de um sinal digital, com a base de tempo do osciloscópio ajustada para um valor um pouco maior que o período de um bit e o ponto de disparo do osciloscópio posicionado a cerca de um quarto da borda esquerda da grade do osciloscópio. A persistência de exibição é utilizada para capturar várias aquisições curtas de um período de bit, e os sinais disparados são sobrepostos para observação visual. Este método é intuitivo, mas não fornece um diagrama de olho de um sinal contínuo, não permite nenhum tipo de pós-processamento para determinar a causa de anomalias no diagrama de olho e é afetado pela instabilidade de disparo adicional do osciloscópio. É uma boa maneira de verificar rapidamente se um sinal digital possui boa qualidade.

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

Um osciloscópio de amostragem (descrito em uma FAQ anterior) cria um diagrama de olho por meio de um circuito de recuperação de clock de hardware que trabalha em conjunto com o módulo de amostragem para gerar o diagrama. Este método é geralmente considerado arcaico atualmente 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 do osciloscópio oferecida. No entanto, ele requer hardware diferente sempre que o sinal apresentar taxas de bits ou requisitos de PLL diferentes.