Gli Oscilloscopi Digitali

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1 Connettività con altri strumenti e sistemi; Efficienza nell elaborazione e nella gestione dei dati.

2 Gli oscilloscopi digitali effettuano un campionamento ed una quantizzazione dei segnali da analizzare. I campioni così ottenuti vengono conservati in una memoria digitale dalla quale vengono, in seguito, prelevati per la visualizzazione (persistenza equivalente infinita) Le varie attività all interno dell oscilloscopio sono gestite da un microprocessore. Ciò conferisce una notevole flessibilità al sistema di misura

3 Il campionamento è di due tipi: in tempo reale (real-time sampling) in tempo equivalente (equivalent-time sampling) ripetitivo (repetitive equivalent-time) casuale (random interleaved sampling). La risoluzione del digitalizzatore è normalmente limitata a 8 bit. Un oscilloscopio digitale: dà una traccia formata da punti discreti (eventualmente interpolati); permette l elaborazione numerica del segnale; luminosità e stabilità della traccia non dipendono dalla frequenza o dalla velocità locale del segnale.

4 Gli oscilloscopi digitali si dividono in due classi distinte, tecnologicamente molto diverse tra loro: I DSO (Digital Storage Oscilloscopes) sono la versione tradizionale e meno costosa degli oscilloscopi digitali; I DPO (Digital Phosphor Oscilloscopes) invece, sono una versione elaborata dei DSO che riproducono numericamente la modalità di visualizzazione degli oscilloscopi analogici (asse z delle intensità) mantenendo i vantaggi dell acquisizione e dell elaborazione digitale che è propria degli oscilloscopi digitali. A questi, negli ultimi anni, sono stati affiancati gli MSO (Mixed Signal Oscilloscopes, ossia Oscilloscopi a Segnali Misti). In aggiunta ai normali canali di ingresso analogici, dispongono anche di un certo numero (spesso piuttosto limitato, non oltre i 16) di canali digitali.

5 Schema a blocchi Trigger Condizionamento segnale A/D Memoria P I/O Display Nell oscilloscopio digitale il blocco di acquisizione condiziona il funzionamento dell intero sistema!!

6 Il blocco di condizionamento E preposto al condizionamento del segnale analogico. E costituito da attenuatori ed amplificatori programmabili che consentono ai sistemi ad essi collegati di lavorare con segnali di ampiezza ottimale. Può essere comandato dall esterno o dal microprocessore. Infatti gli oscilloscopi digitali presentano l utile proprietà di autoscaling che determina e imposta autonomamente il valore del guadagno che permette lo sfruttamento ottimale dello schermo. La sua banda passante limita le prestazioni in frequenza dell intero sistema di misura.

7 Il Display In questo tipo di oscilloscopi il Tubo a Raggi Catodici (CRT) può essere meno sofisticato rispetto a quelli adottati negli oscilloscopi analogici. I dati possono essere prelevati dalla memoria con la velocità ad esso più consona. Due soluzioni: Vector scan Raster scan Vector Scan Vengono utilizzati tubi elettrostatici come negli oscilloscopi analogici, è necessaria una conversione digitale/analogica.

8 Raster Scan Un pennello elettronico rinfresca periodicamente un certo numero di righe uniformemente distribuite. L immagine è composta da un insieme di punti (pixel) che vengono attivati dal pennello elettronico. 386 righe x 576 colonne 256 righe x 500 colonne per la forma d onda restante parte Informazioni ausiliarie i due tipi di informazione vengono salvati in banchi di memoria differenti per facilitare la gestione del monitor L utilizzazione di un tubo raster è intrinsecamente discreta (256 livelli). La capacità di risoluzione dell occhio umano ed i rumori rendono di fatto paragonabili i due tipi di display. Es. l operatore medio risolve 3 posizioni diverse su una traccia di 1 mm. Per uno schermo di 8-10 cm si hanno posizioni differenti che sono paragonabili ai 256 livelli del tubo raster

9 Il blocco di conversione ADC Gli oscilloscopi disponibili sul mercato utilizzano ADC con risoluzione variabile tra 8 a 12 bit (ciò comporta una risoluzione in tensione pari a 2 -n, ovvero 0.4% per un ADC a 8 bit). La risoluzione decresce in genere con la frequenza di campionamento. Importanza e limiti introdotti (risoluzione e banda) Tipologie di convertitori (SPOT), SAR e FLASH I due parametri di maggior interesse sono: frequenza di campionamento, numero di bit utilizzati per la codifica dei dati campionati.

10 Modalità di utilizzo dell ADC I segnali devono essere campionati in modo da mettere in memoria campioni distanziati di un quanto temporale pari allo sweep_time (finestra temporale visualizzata) diviso il numero di punti su una riga dello schermo (500).

11 Modalità di utilizzo dell ADC Campionamento real-time E la modalità concettualmente più semplice. Consiste nel campionare, a partire da un evento di sincronizzazione (trigger), il segnale da analizzare e memorizzarlo per la successiva visualizzazione. L oscilloscopio è in grado di acquisire in un unica scansione un numero di punti idoneo a ricostruire fedelmente il segnale di ingresso. Questo è possibile per segnali di contenuto armonico (molto) minore di 1/2 della frequenza massima di campionamento dell oscilloscopio ed è l unico metodo utilizzabile nel caso di segnali impulsivi non ripetitivi.

12 Modalità di utilizzo dell ADC Campionamento real-time Le bande passanti degli oscilloscopi con campionamento in tempo reale sono dell ordine del centinaio di megahertz. Alcuni oscilloscopi digitali usano un campionamento in tempo reale per velocità di sweep basse e passano automaticamente al modo di campionamento in tempo equivalente per velocità di sweep elevate. Sono necessarie memorie veloci : costi elevati e capacità ridotte; Possono essere osservati brevi tratti di segnale (memorie piccole); Adatto ad evidenziare una porzione di un segnale già noto e fenomeni transitori (come ad esempio i jitter)

13 Sottocampionamento sincrono Una cadenza di campionamento non elevatissima può risultare estremamente penalizzante per la banda del segnale misurabile e, quando l'oscilloscopio numerico deve essere posto in competizione con quelli analogici nella analisi di segnali periodici si cerca di operare in modo da eliminare (o ridurre) questa limitazione. La tecnica adottata consiste nello sfruttare la periodicità del segnale in modo da poter acquisire la corretta forma d'onda del segnale anche se il periodo di campionamento, ciò l'intervallo che separa due campioni acquisiti in sequenza, è maggiore del periodo del segnale incognito.

14 Campionamento ripetitivo casuale A B C D E F G H I L M N Eventi di trigger T1, T2 Ts DTA DTL Il convertitore campiona il segnale: 1)periodicamente con tempo di campionamento=tc 2)senza alcun legame con il trigger.

15 Riordino temporale dei campioni!!!! Per determinare il legame temporale fra i campioni ed il trigger, si misura l intervallo di tempo tra ogni evento di trigger ed il campione successivo. Si ordinano i campioni temporalmente: tutti i campioni acquisiti dopo un evento di trigger devono essere posizionati nella giusta collocazione temporale. A tale scopo basta misurare il tempo che intercorre tra l evento di trigger ed il primo campione, posizionare il primo campione e tutti gli altri si posizionano automaticamente perché si trovano ad un quanto di campionamento dal primo campione.

16 Campionamento ripetitivo casuale con tempo di campionamento=tc A B C D E F G H I L M N Eventi di trigger T1, T2 Ts DTA DTL Il quanto temporale rispetto all evento di trigger per il campione A è: TA=DTA per il campione L è: TL=DTL La risoluzione con cui si riesce a ricostruire la forma d onda dipende solo dalla risoluzione con cui riesco a misurare DT!!!!

17 Campionamento Ripetitivo Casuale Statisticamente è difficile che i campioni prelevati siano utili, cioè siano posizionati nei quanti temporali desiderati!!! Quindi questo tipo di campionamento è lento!! Va bene quando la frequenza del segnale non è troppo alta e quindi lo sweep time è grande. Perché altrimenti per ogni finestra si prendono pochi campioni (se visualizzo 1ns ed ho una frequenza di campionamento di 2GHz prendo solo 2 campioni a finestra) ed in più la maggior parte li devo scartare, quindi il tempo di attesa per la ricostruzione del segnale è molto lungo. Vantaggio:E possibile conoscere l andamento del segnale prima dell evento di trigger.

18 Campionamento ripetitivo casuale I campioni vengono presentati sullo schermo senza alcuna interpolazione!!!! Per capire perché vediamo come si costruisce via via l immagine della forma d onda.

19 Campionamento ripetitivo casuale

20 Campionamento ripetitivo casuale Il convertitore campiona il segnale: 1)periodicamente con tempo di campionamento=tc 2)senza alcun legame con il trigger.

21 Campionamento ripetitivo casuale Il convertitore campiona il segnale: 1)periodicamente con tempo di campionamento=tc 2)senza alcun legame con il trigger.

22 Campionamento ripetitivo casuale

23 Esempio sull utilità del CRC Es. oscilloscopio con: Fc=40MHz (Tc=25ns) e risol. nella misura di intervalli di tempo pari a 10ps. Si supponga di disporre di un tubo raster con 500 punti e di espandere l asse dei tempi a 2ns/div. Se si hanno 10div: periodo totale=20ns (CFR con T C )!!!!!!! Il CRC può risolvere il pb a scapito di un elaborazione più lunga: ad es. memorizzando tutti i campioni che distano dall evento di trigger di multipli di 20ns/500 = 40ps (intervallo misurabile in quanto compatibile con la risol. del sistema di misura).

24 Campionamento sequenziale Per risolvere il problema della lentezza del CRC può essere usato un altro metodo che assicura un campione utile per ogni evento di trigger!!!

25 Campionamento sequenziale Eventi di trigger Ts K K K Viene prelevato un solo campione per ogni evento di trigger!! Al prossimo evento di trigger il dato viene prelevato con un ritardo K rispetto al precedente. Detto TS il periodo del segnale da analizzare, l intervallo di tempo tra due campioni successivi vale: Tc= Ts+K Il segnale deve essere periodico

26 Campionamento sequenziale Eventi di trigger Ts Ts K Si può prelevare un campione ogni M periodi: quindi la velocità di funzionamento del ADC è indipendente dalla frequenza del segnale. In questo caso, l intervallo di tempo tra due campioni successivi vale: Tc=M Ts+K e può essere regolato agendo su M.

27 Campionamento sequenziale Tc=MTs+K Eventi di trigger Ts K K K La cadenza di campionamento reale è di 1/T c campioni al secondo, ma per quanto riguarda la visualizzazione del segnale è come se si fosse realizzata una cadenza di 1/K campioni al secondo. La banda del segnale che può essere campionato non è più legata alla cadenza di campionamento, ma solo al valore minimo che può essere imposto al "ritardo" K. In questo modo si supera il limite di banda determinato dalla relativa lentezza del convertitore A/D.

28 Trigger Nell oscilloscopio analogico il trigger viene determinato fissando livello e pendenza del segnale da visualizzare V x Slope + level Trigger Gate Time Base Holdoff

29 Nell oscilloscopio digitale il comando di trigger può essere ricavato da situazioni più complesse livello del segnale su un altro canale intervallo di tempo prefissato da una transizione n transizioni

30 La gestione del trigger In maggior dettaglio si distinguono le seguenti logiche di gestione del trigger: 1) Pattern trigger. In questo caso su ciascun canale viene impostato uno stato (pattern). Il segnale di trigger viene generato quando tale pattern si presenta o scompare. Se ad esempio di dispone di un oscilloscopio a quattro canali e si è impostato il trigger entering HLHL.

31 La gestione del trigger Maggiori potenzialità si hanno nei sistemi di triggering che permettono di aggiungere un time qualifier sui canali. Il time qualifier permette di stabilire per quanto tempo uno stato deve essere presente su un canale perché venga generato il segnale di trigger. In particolare il segnale di trigger può essere generato se: il pattern è presente per più di un intervallo di tempo massimo il pattern è presente per meno di un intervallo di tempo minimo. il pattern è presente per più di un intervallo di tempo minimo e meno di un intervallo massimo.

32 La gestione del trigger Un esempio in cui il trigger viene generato se il pattern XXHX è presente per più di 40 ns o il pattern XXLX è presente per meno di 20 ns (glitch trigger)

33 La gestione del trigger 2) State trigger. Si parla di state trigger quando uno dei canali viene utilizzato come clock e gli altri per controllare la presenza del pattern di attivazione. Il canale utilizzato come clock funzionerà con una logica di tipo edge. clock

34 La gestione del trigger Quando la complessità del trigger eccede le capacità del sistema di gestione del sistema interno all oscilloscopio è possibile ricorrere ad un analizzatore di stati logici che si occuperà della gestione della condizione di trigger. L uscita dell analizzatore verrà inviata all ingresso external del blocco di triggering dell oscilloscopio.

35 Pretrigger L'oscilloscopio numerico si presta all implementazione di un'altra funzione, chiamata "pretrigger", che diventa utile quando si osservano fenomeni aperiodici. Nel normale uso dell'oscilloscopio la registrazione e visualizzazione del segnale hanno come punto di inizio l'istante in cui si verifica l'evento selezionato dall'amplificatore del generatore di trigger. Questo impedisce di poter osservare ciò che è avvenuto immediatamente prima dell'evento atteso, mentre potrebbe essere proprio da questa osservazione che si comprende perché il fenomeno è stato innescato. L'oscilloscopio numerico può operare anche in modo diverso da quanto descritto in precedenza e questo diverso modo operativo permette di registrare l'andamento del segnale negli istanti immediatamente precedenti al trigger. All'inizio della analisi l'operatore "arma" lo strumento e, sotto il controllo della ULC, il S-H ed il convertitore AD iniziano a campionare e convertire il segnale. Ogni campione viene memorizzato in una cella della RAM fino a riempirla completamente. A questo punto la fase di registrazione non termina, come accade nell'uso convenzionale, ma prosegue e ciascun nuovo campione viene memorizzato nella cella in cui è depositato, volta per volta, il campione più "vecchio". La RAM viene usata quindi come registro FIFO (first-in, first-out) ed è sempre caricata con i più recenti dati. Nell'istante in cui l'amplificatore di sincronismo rileva l'evento prestabilito la ULC può arrestare la fase di campionamento, conversione AD e aggiornamento della RAM oppure può ancora permettere il campionamento, la conversione e la memorizzazione di un numero di campioni minori della capacità della RAM (per esempio pari alla metà della memoria RAM disponibile). Nel primo caso la rilettura della RAM porta a visualizzare sullo schermo l'andamento del segnale nei soli istanti che precedono l'evento di trigger con una profondità di memoria che si estende per un intervallo temporale pari al prodotto del periodo di campionamento per la capacità della RAM. Nel secondo caso si può visualizzare l'andamento del segnale in un intervallo temporale che comprende al suo interno l'evento di trigger e che si estende sempre per un tempo pari al prodotto del periodo di campionamento per la capacità della RAM.

36 La memoria I campioni acquisiti devono essere conservati immediatamente in una memoria. Velocità della memoria. La memoria deve essere in grado di accettare i campioni alla frequenza di campionamento. Es. un oscilloscopio a 8 bit e 2 GS/s deve essere in grado di immagazzinare i dati a byte/s. Profondità di memoria e frequenza di campionamento.

37 La memoria La memoria è organizzata come un vettore circolare (array circolare): le locazioni di memoria vengono scritte con continuità fino ad esaurimento della memoria e ulteriori campioni andranno a riscrivere i campioni più vecchi. Se il banco di memoria ha capacità N, esso conterrà in ogni istante la registrazione del segnale corrispondente a NT s, se T s è il periodo di campionamento. L oscilloscopio dell esempio precedente, se disponesse di campioni di memoria, permetterebbe di catturare 16 s di segnale.

38 La memoria La gestione della memoria può essere effettuata secondo le seguenti modalità: LEFT: I dati vengono memorizzati in maniera sequenziale a partire dall evento di trigger e fino all esaurimento della memoria.

39 La memoria RIGHT: I dati vengono memorizzati con logica FIFO e l evento di trigger definisce la fine della memorizzazione.

40 La memoria CENTER: la prima metà della memoria è gestita FIFO e la seconda metà in modo sequenziale.

41 Modalità di utilizzo della memoria La gestione della memoria può essere effettuata secondo le seguenti modalità: LEFT: I dati vengono memorizzati in maniera sequenziale a partire dall evento di trigger e fino all esaurimento della memoria. RIGHT: I dati vengono memorizzati con logica FIFO e l evento di trigger definisce la fine della memorizzazione CENTER: la prima metà della memoira è gestita FIFO e la seconda metà in modo seuqneziale. Left Center Right