Oscilloscopi a fosfori digitali di terza generazion - mks@

Nota tecnica
Gli oscilloscopi ai
fosfori digitali di terza
generazione offrono
caratteristiche senza
precedenti di visualizzazione delle forme
d’onda
Un nuovo livello di confidenza
Il DPO è un oscilloscopio digitale che consente di acquisire con maggiore confidenza tutte le informazioni necessarie sull’andamento delle forme d’onda.
Dal momento della loro invenzione, gli oscilloscopi sono stati gli occhi che
hanno permesso ai tecnici di osservare i fenomeni elettrici. Per rappresentare
La tecnologia dei fosfori digitali risolve
problemi fondamentali
con precisione i segnali dei sofisticati dispositivi digitali e dei complessi sche-
Quando Tektronix ha introdotto l’oscilloscopio ai fosfori digitali (DPO), nel
mi di modulazione odierni, si richiedono agli oscilloscopi prestazioni avanzate,
giugno 1998, l’ambiente dei progettisti ha conosciuto un nuovo approccio
in molti casi superiori ai limiti dei tradizionali oscilloscopi a memoria digitale
all’acquisizione dei segnali. Fondamentalmente diversa, l’architettura del DPO
(DSO).
dedica speciali circuiti ASIC esclusivamente alle operazioni di acquisizione
Rispetto ai loro predecessori analogici, gli oscilloscopi digitali hanno portato i
delle forme d’onda.
vantaggi della memorizzazione permanente dei segnali e delle possibilità di
Nella Serie TDS7000 questo porta a un livello ineguagliato le caratteristiche
elaborazione delle forme d’onda, rimanendo però notevolmente carenti nelle
di visualizzazione dei segnali. Grazie a frequenze di acquisizione che possono
due aree essenziali della velocità di acquisizione (in tempo reale) delle forme
raggiungere 400.000 forme d’onda al secondo, i tecnici possono essere
d’onda e dell’efficace rappresentazione di segnali dinamici complessi. La
sicuri di avere la massima visibilità dell’andamento dei segnali. Tali
capacità di un oscilloscopio di fornire risultati in tempo reale è un elemento
prestazioni comportano la probabilità più elevata di osservare i problemi tran-
essenziale sia per la rilevazione di eventi saltuari, come le perdite di sincro-
sitori che si verificano nei sistemi digitali, compresi gli impulsi runt, i glitch e
nismo nei sistemi digitali, sia per l’acquisizione di segnali dinamici ricchi di
gli errori di transizione.
dettagli.
A differenza dei DPO, la maggior parte dei DSO funziona con cicli di acquisizione molto più bassi, compresi tra 100 e 5.000 forme d’onda al secondo.
Alcuni DSO offrono una modalità speciale che alterna acquisizioni multiple a
burst in una memoria estesa con un ciclo di visualizzazione. Questa soluzione
permette di ottenere temporaneamente frequenze di circa 40.000 forme
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Oscilloscopi ai fosfori digitali
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d’onda al secondo, ma con notevoli tempi morti durante l’elaborazione e la
Si noti che è impossibile determinare la probabilità di acquisizione semplice-
visualizzazione dei dati delle forme d’onda. Questi livelli di prestazione non reg-
mente in base alla frequenza di aggiornamento del display, in quanto è facile
gono il confronto con quelli in tempo reale senza precedenti offerti dall’imple-
commettere l’errore di credere che l’oscilloscopio stia acquisendo tutte le
mentazione della tecnologia brevettata DPX™ nella Serie TDS7000.
informazioni relative alla forma d’onda mentre in effetti non è così.
Un nuovo livello di confidenza
Gli oscilloscopi a memoria digitale elaborano le forme d’onda acquisite in
modalità seriale. La velocità del microprocessore del DSO è il collo di bottiglia
Il DPO è un oscilloscopio digitale che grazie all’aumento delle frequenze di
acquisizione delle forme d’onda, di gran lunga superiori anche a quelle dei
DSO più evoluti, offre maggiore confidenza nell’acquisizione di tutte le infor-
durante queste operazioni, in quanto limita la frequenza di acquisizione delle
forme d’onda. Ne consegue che i DSO possono non rilevare eventi saltuari e
non rispondere in tempo reale alle variazioni del segnale.
mazioni necessarie sulle forme d’onda, aumentando così la probabilità di
acquisire eventi saltuari. È ugualmente adatto per la visualizzazione di alte fre-
Il DPO rasterizza i dati digitalizzati della forma d’onda in un database chiamato
quenze, forme d’onda a bassa frequenza di ripetizione, transitori e variazioni
“fosfori digitali”. Ogni trentesimo di secondo circa la velocità di variazione delle
del segnale in tempo reale.
immagini percepibile dall’occhio, un’istantanea dell’immagine del segnale
memorizzata nel database ai fosfori digitali viene trasferita direttamente al sis-
Per qualunque tipo di oscilloscopio - analogico, DSO o DPO - esiste sempre un
tempo di holdoff durante il quale lo strumento elabora i dati acquisiti per ultimi,
reimposta il sistema e attende il successivo evento di trigger. Durante questo
tempo l’oscilloscopio non può rilevare alcuna variazione del segnale. La probabilità di osservare un evento raro o a bassa frequenza di ripetizione è tanto più
bassa quanto più lungo è il tempo di holdoff.
La probabilità di acquisizione si può calcolare come segue:
tema di visualizzazione. Questa rasterizzazione diretta dei dati della forma
d’onda e la copia diretta nella memoria di visualizzazione dal database ai fosfori digitali elimina il collo di bottiglia nell’elaborazione dei dati, intrinseco
all’architettura del DSO. Ne risulta un aggiornamento del display “dinamico“ e
“in contemporanea assoluta“. I dettagli del segnale, gli eventi intermittenti e le
caratteristiche dinamiche del segnale vengono acquisite in tempo reale, con
una verosimiglianza che è impossibile ottenere con un DSO. Il microprocessore
del DPO funziona in parallelo con questo sistema integrato di acquisizione e
visualizzazione per l’esecuzione di misure automatiche, della matematica delle
Probabilità di acquisizione =
Tempo di acquisizione
Tempo di acquisizione + Tempo di holdoff
del sistema
Figura 1.
Figura 2. Oscilloscopio a memoria digitale Tecnologia di elaborazione seriale: 1982.
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forme d’onda e delle funzioni di comando dello strumento.
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Figura 3. Elaborazione parallela.
Rappresentazione dei segnali accurata –
I DSO rispetto ai DPO
elevate, le fanno sempre seguire da lunghi tempi morti di elaborazione, fornen-
Prima dell’avvento dell’oscilloscopio ai fosfori digitali, molti progettisti tenevano a
do così solo una quantità limitata di informazioni in tempo reale. Chi usa il DSO
portata di mano un oscilloscopio analogico per verificare le acquisizioni del se-
deve regolare attentamente le impostazioni per questa modalità di raggruppa-
gnale eseguite dai DSO. Questo bisogno di una verifica analogica definibile anche
mento “a burst” per far sì che lo strumento visualizzi una parte adeguata di
come una mancanza di confidenza nei DSO - nacque dalla tendenza dei DSO a
informazioni sul segnale. Queste modalità vengono utilizzate in alcune situa-
rappresentare erroneamente (errori di aliasing) i segnali ad alta velocità a causa
zioni di singole acquisizioni ripetitive, ma generano facilmente errori durante il
dell’insufficienza di dati campionati.
setup iniziale e inoltre forniscono schermate povere di informazioni.
I DSO in grado di raggruppare temporaneamente più acquisizioni a frequenze
Inoltre, i progettisti usano volentieri gli oscilloscopi analogici perché generano
schermate molto esaurienti, che uniscono informazioni sull’intensità e funzioni di
acquisizione della forma d’onda in tempo reale. Con le loro modalità di persistenza realizzate tramite software e le frequenze di acquisizione inferiori, i DSO semplicemente non sono capaci di generare la quantità di informazioni fornita da un
display analogico in tempo reale.
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Oscilloscopi ai fosfori digitali
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I vantaggi che vi offre il DPO
Indubbiamente, se ci si aspetta di trovare un problema in uno specifico nodo
Per apprezzare appieno l’importanza della frequenza di acquisizione delle
del circuito, si possono impiegare complesse tecniche di trigger per aspettarlo
forme d’onda e delle funzioni di elaborazione del segnale offerte dal DPO, si
al varco. Ma realisticamente, queste funzioni vengono utilizzate solo durante lo
consideri per un momento il modo in cui i progettisti adoperano un oscillosco-
stadio di verifica finale, una volta identificato visivamente il problema. Senza
pio quando cercano di acquisire eventi saltuari. In genere si sposta la sonda da
informazioni visive, è difficile stabilire se impostare il sistema di trigger per dis-
un punto all’altro del circuito nell’area in cui si sospetta sia presente il proble-
criminare sulla durata dell’impulso (glitch), sulle soglie di ampiezza (runt), sui
ma, mentre si osserva l’andamento della forma d’onda sul display dell’oscillo-
tempi di transizione (fronti metastabili) o su altre condizioni. Sebbene i sistemi
scopio. Il periodo durante il quale la sonda rimane in ciascun punto non è sem-
di trigger possano rilevare tali anomalie, è essenziale determinare rapidamente
pre uguale, ma raramente supera pochi secondi.
dove andare a guardare e classificare il tipo di errore presente.
I DPO sveltiscono questo procedimento visualizzando facilmente milioni di
forme d’onda in pochi secondi. Nell’esempio sotto riportato sono messe a confronto le probabilità di acquisizione di un’anomalia presente in un segnale a
onda quadra a 1 MHz impiegando un DSO e un DPO.
Esempio
Segnale a onda quadra a 1 MHz
Base dei tempi dell’oscilloscopio
impostata su 1 µs/divisione
L’anomalia si presenta circa una
volta al secondo ovvero una volta
ogni milione di cicli
Figura 4.
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Figura 5. La straordinaria funzionalità in tempo reale ottenuta con la tecnologia
DPX permette un’analisi accurata dei segnali dinamici.
Figura 6. La tecnologia DPX, unita all’analisi a istogrammi, consente di analizzare
rapidamente le distribuzioni di ampiezza e temporizzazione.
Acquisizione di segnali complessi dinamici – Acquisizione di segnali com-
Valutazione del jitter – I DPO permettono ai progettisti di effettuare analisi
plessi dinamici - Molti dei problemi di misura che oggi i tecnici devono risolvere
visive e statistiche, in tempo reale, della distribuzione del jitter dei fronti. In
sono incentrati sulla necessità di caratterizzare segnali complessi dinamici, come i
applicazioni di segnali per comunicazioni è possibile “vedere” jitter dell’ordine
segnali a modulazione di ampiezza in quadratura (QAM), i dati asincroni a pac-
di picosecondi e quindi osservarne gli aggiornamenti in tempo reale mentre si
chetto e i segnali video analogici, per citarne alcuni. Questi segnali presentano i
regola il circuito.
problemi più difficili per i DSO tradizionali.
Gli oscilloscopi ai fosfori digitali sono stati concepiti per rispondere all’esigenza di
acquisire e analizzare tali segnali. Poiché i DPO acquisiscono centinaia di migliaia
di forme d’onda al secondo, possono sviluppare in 1/30 di secondo informazioni
dettagliate su segnali complessi dinamici, mentre con un DSO tradizionale sarebbero necessari minuti o persino ore per acquisire una tale quantità di informazioni.
Ne risulta una schermata in tempo reale che riproduce tutti i dettagli del segnale.
Questa funzionalità permette inoltre ai progettisti di rilevare le impercettibili caratteristiche dinamiche e di modulazione del segnale con diagrammi a occhio,
sequenze I-Q e sui segnali video.
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Oscilloscopi ai fosfori digitali
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Acquisizione su intervalli lunghi – La grande quantità dei dati fornita dal
DPO permette di rilevare impercettibili schemi di comportamento del segnale
nel corso di lunghi intervalli. Lavorando su unità a disco è possibile osservare
variazioni del segnale della durata di 1 nanosecondo in un intervallo di
1 millesimo di secondo, ottenendo così una “finestra” di dettagli del segnale,
sino al livello di bit, per interi settori di una pista del disco.
Analisi della distribuzione del rumore – Il DPO aiuta a risolvere i problemi di
rumore fornendo informazioni qualitative e quantitative sulla distribuzione del
rumore sovrapposto al segnale. Si possono adoperare istogrammi in tempo reale
per analizzare le caratteristiche del rumore del segnale video.
Diagrammi a costellazione – I DPO facilitano l’allineamento dell’intensità (I) e
della quadratura (Q), permettendo un rapido rilevamento della fase e dell’offset
dei segnali I e Q. Il DPO consente inoltre l’acquisizione di informazioni qualitaFigura 7. Nelle applicazioni di ricerca guasti, i DPO danno la sicurezza di rilevare
eventi essenziali.
tive e quantitative sulla distribuzione del segnale nella modalità XY. Oltre a ciò,
la nuova modalità XYZ permette di focalizzare l’osservazione sui simboli essenziali per l’allineamento in quadratura dei segnali di comunicazione wireless.
Acquisizione di glitch saltuari – L’elevata frequenza di acquisizione delle forme
d’onda ottenibile con un DPO consente di individuare anche i glitch più rari e quindi
di rilevare e analizzare eventi anomali nei circuiti logici. Le informazioni sulla frequenza con cui si verificano i glitch si traducono in informazioni relative sulla frequenza con cui si verificano gli eventi anomali.
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Modulazione di ampiezza – Il DPO visualizza con precisione i segnali modulati in ampiezza secondo uno schema familiare, simile a quello dell’oscilloscopio analogico. La graduazione dell’intensità e una grande quantità di dati sulla
forma d’onda mostrano i dettagli dell’inviluppo del segnale.
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Conclusione
I vantaggi derivanti dall’uso dei DPO Serie TDS7000 nella progettazione, ricerca
Per oltre cinquant’anni Tektronix ha sviluppato importanti innovazioni tecno-
guasti e prova dei dispositivi elettronici sono sensazionali. Dotati del processore
logiche negli oscilloscopi. Oggi siamo lieti di inaugurare una nuova era per le
di acquisizione di immagini delle forme d’onda DPX brevettato, questi oscilloscopi
prove e le misure elettroniche con la nuova generazione degli oscilloscopi ai fos-
forniscono frequenze di acquisizione delle forme d’onda, che permettono ai pro-
fori digitali - la Serie TDS7000.
gettisti di interpretare con precisione la dinamica del segnale. Adesso bastano
secondi, anziché minuti o ore, per determinare la vera natura delle variazioni del
segnale e la frequenza con cui si verificano i fenomeni anomali del segnale stesso. Inoltre, questa tecnologia DPX all’avanguardia è completamente integrata
negli oscilloscopi ai fosfori digitali Serie TDS7000, che possono così raggiungere
le migliori capacità di analisi.
I DPO permettono ai progettisti di scoprire un nuovo mondo ad altri
sconosciuto.
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