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 con precisione i segnali dei sofisticati dispositivi digitali e dei complessi schemi di modulazione odierni, si richiedono agli oscilloscopi prestazioni avanzate, in molti casi superiori ai limiti dei tradizionali oscilloscopi a memoria digitale (DSO). Rispetto ai loro predecessori analogici, gli oscilloscopi digitali hanno portato i vantaggi della memorizzazione permanente dei segnali e delle possibilità di elaborazione delle forme d onda, rimanendo però notevolmente carenti nelle due aree essenziali della velocità di acquisizione (in tempo reale) delle forme d onda e dell efficace rappresentazione di segnali dinamici complessi. La capacità di un oscilloscopio di fornire risultati in tempo reale è un elemento essenziale sia per la rilevazione di eventi saltuari, come le perdite di sincronismo nei sistemi digitali, sia per l acquisizione di segnali dinamici ricchi di dettagli. La tecnologia dei fosfori digitali risolve problemi fondamentali Quando Tektronix ha introdotto l oscilloscopio ai fosfori digitali (DPO), nel giugno 1998, l ambiente dei progettisti ha conosciuto un nuovo approccio all acquisizione dei segnali. Fondamentalmente diversa, l architettura del DPO dedica speciali circuiti ASIC esclusivamente alle operazioni di acquisizione delle forme d onda. Nella Serie TDS7000 questo porta a un livello ineguagliato le caratteristiche di visualizzazione dei segnali. Grazie a frequenze di acquisizione che possono raggiungere 400.000 forme d onda al secondo, i tecnici possono essere sicuri di avere la massima visibilità dell andamento dei segnali. Tali prestazioni comportano la probabilità più elevata di osservare i problemi transitori che si verificano nei sistemi digitali, compresi gli impulsi runt, i glitch e gli errori di transizione. 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 1
d onda al secondo, ma con notevoli tempi morti durante l elaborazione e la visualizzazione dei dati delle forme d onda. Questi livelli di prestazione non reggono il confronto con quelli in tempo reale senza precedenti offerti dall implementazione della tecnologia brevettata DPX nella Serie TDS7000. Un nuovo livello di confidenza 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 informazioni necessarie sulle forme d onda, aumentando così la probabilità di acquisire eventi saltuari. È ugualmente adatto per la visualizzazione di alte frequenze, forme d onda a bassa frequenza di ripetizione, transitori e variazioni del segnale in tempo reale. 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: Probabilità di acquisizione = Tempo di acquisizione Tempo di acquisizione + Tempo di holdoff del sistema Figura 1. Si noti che è impossibile determinare la probabilità di acquisizione semplicemente in base alla frequenza di aggiornamento del display, in quanto è facile commettere l errore di credere che l oscilloscopio stia acquisendo tutte le informazioni relative alla forma d onda mentre in effetti non è così. 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 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. Il DPO rasterizza i dati digitalizzati della forma d onda in un database chiamato fosfori digitali. Ogni trentesimo di secondo circa la velocità di variazione delle immagini percepibile dall occhio, un istantanea dell immagine del segnale memorizzata nel database ai fosfori digitali viene trasferita direttamente al sistema 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 forme d onda e delle funzioni di comando dello strumento. Figura 2. Oscilloscopio a memoria digitale Tecnologia di elaborazione seriale: 1982. 2
Figura 3. Elaborazione parallela. Rappresentazione dei segnali accurata I DSO rispetto ai DPO Prima dell avvento dell oscilloscopio ai fosfori digitali, molti progettisti tenevano a portata di mano un oscilloscopio analogico per verificare le acquisizioni del segnale eseguite dai DSO. Questo bisogno di una verifica analogica definibile anche come una mancanza di confidenza nei DSO - nacque dalla tendenza dei DSO a rappresentare erroneamente (errori di aliasing) i segnali ad alta velocità a causa dell insufficienza di dati campionati. I DSO in grado di raggruppare temporaneamente più acquisizioni a frequenze elevate, le fanno sempre seguire da lunghi tempi morti di elaborazione, fornendo così solo una quantità limitata di informazioni in tempo reale. Chi usa il DSO deve regolare attentamente le impostazioni per questa modalità di raggruppamento a burst per far sì che lo strumento visualizzi una parte adeguata di informazioni sul segnale. Queste modalità vengono utilizzate in alcune situazioni di singole acquisizioni ripetitive, ma generano facilmente errori durante il setup iniziale e inoltre forniscono schermate povere di informazioni. 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. 3
I vantaggi che vi offre il DPO Per apprezzare appieno l importanza della frequenza di acquisizione delle forme d onda e delle funzioni di elaborazione del segnale offerte dal DPO, si consideri per un momento il modo in cui i progettisti adoperano un oscilloscopio quando cercano di acquisire eventi saltuari. In genere si sposta la sonda da un punto all altro del circuito nell area in cui si sospetta sia presente il problema, mentre si osserva l andamento della forma d onda sul display dell oscilloscopio. Il periodo durante il quale la sonda rimane in ciascun punto non è sempre uguale, ma raramente supera pochi secondi. Indubbiamente, se ci si aspetta di trovare un problema in uno specifico nodo del circuito, si possono impiegare complesse tecniche di trigger per aspettarlo al varco. Ma realisticamente, queste funzioni vengono utilizzate solo durante lo stadio di verifica finale, una volta identificato visivamente il problema. Senza informazioni visive, è difficile stabilire se impostare il sistema di trigger per discriminare sulla durata dell impulso (glitch), sulle soglie di ampiezza (runt), sui tempi di transizione (fronti metastabili) o su altre condizioni. Sebbene i sistemi di trigger possano rilevare tali anomalie, è essenziale determinare rapidamente 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. 4
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 complessi dinamici - Molti dei problemi di misura che oggi i tecnici devono risolvere sono incentrati sulla necessità di caratterizzare segnali complessi dinamici, come i segnali a modulazione di ampiezza in quadratura (QAM), i dati asincroni a pacchetto e i segnali video analogici, per citarne alcuni. Questi segnali presentano i problemi più difficili per i DSO tradizionali. Valutazione del jitter I DPO permettono ai progettisti di effettuare analisi visive e statistiche, in tempo reale, della distribuzione del jitter dei fronti. In applicazioni di segnali per comunicazioni è possibile vedere jitter dell ordine di picosecondi e quindi osservarne gli aggiornamenti in tempo reale mentre si regola il circuito. 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. 5
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. Figura 7. Nelle applicazioni di ricerca guasti, i DPO danno la sicurezza di rilevare eventi essenziali. 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. 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 qualitative 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. 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. 6
Conclusione Per oltre cinquant anni Tektronix ha sviluppato importanti innovazioni tecnologiche negli oscilloscopi. Oggi siamo lieti di inaugurare una nuova era per le prove e le misure elettroniche con la nuova generazione degli oscilloscopi ai fosfori digitali - la Serie TDS7000. I vantaggi derivanti dall uso dei DPO Serie TDS7000 nella progettazione, ricerca guasti e prova dei dispositivi elettronici sono sensazionali. Dotati del processore di acquisizione di immagini delle forme d onda DPX brevettato, questi oscilloscopi forniscono frequenze di acquisizione delle forme d onda, che permettono ai progettisti 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. 7
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