Guia para compradores de osciloscópios

Largura de banda

O que significa largura de banda?

A largura de banda é a intervalo de conteúdo de frequência que um osciloscópio pode medir. Os osciloscópios são um dos poucos instrumentos de banda larga que medem desde corrente contínua (0 Hz) até sua largura de banda especificada. Essa especificação é a mais importante na compra de um osciloscópio, pois não é possível fazer medições precisas se o osciloscópio não possuir largura de banda suficiente.

A resposta em frequência do amplificador do front-end de um osciloscópio se assemelha a um filtro passa-baixa. Esse formato significa que ele passa a maior parte do conteúdo do sinal desde CC até onde a atenuação cai em 3 decibéis (dB). O ponto de -3 dB é onde os osciloscópios definem sua «largura de banda» e representa aproximadamente uma redução de 30% na tensão nesse ponto de frequência.

Como escolher a largura de banda de que você precisa?

Escolher a largura de banda para uma aplicação específica na hora de escolher um osciloscópio pode ser complicado. Por exemplo, se você planeja observar apenas ondas senoidais, só precisa garantir uma largura de banda um pouco maior do que a frequência de portadora máxima para levar em conta a atenuação de 3 dB. Assim, por exemplo, se você precisar medir uma onda senoidal de 100 MHz, poderá selecionar um osciloscópio com largura de banda de 150 MHz ou mais.

No entanto,se sua forma de onda for mais complexa (como um sinal digital) há várias considerações a serem feitas. Uma diretriz para sinais digitais ou outros sinais complexos é escolher uma largura de banda que seja de 3 a 5 vezes mais rápida do que o sinal de dados ou o clock mais rápido. Por exemplo, se estiver medindo um barramento de memória com uma taxa de transferência de dados de 133 MHz, você deveria escolher uma largura de banda de pelo menos 400 MHz. No entanto, essa diretriz pressupõe que o tempo de subida de um sinal digital está relacionado à taxa de transferência de dados.

As bordas de descida e subida nos sinais digitais tendem a ter mais conteúdo de frequência do que a frequência fundamental. Portanto, o uso da equação de 0,35 sobre o tempo de subida fornece uma estimativa de primeira ordem da largura de banda no sinal. Por exemplo, considere o exemplo de barramento anterior. Se dissermos que o sinal tem um tempo de subida de 600 picossegundos, usando a equação acima, podemos ver que há conteúdo de frequência de até 583 megahertz! (Esse valor está dentro da diretriz de 3 a 5 vezes a taxa de transferência de dados.)

Outras considerações sobre a largura de banda

A maioria dos osciloscópios tem opções de largura de banda aprimoráveis. É claro que há um limite máximo para o qual eles podem ser aprimorados, mas pode haver um caminho a seguir se você achar que a largura de banda é muito limitada.

O excesso de largura de banda pode afetar sua medição. No geral, mais largura de banda em uma medição também significa mais ruído de banda larga. Felizmente, muitos osciloscópios oferecem filtros para reduzir a largura de banda do front-end. Por exemplo, todos os osciloscópios da Rohde & Schwarz têm um filtro de 20 MHz para medições da fonte de alimentação. Além disso, modelos como o R&S®MXO 4 e R&S®RTO 6 têm um «modo HD» para compensar a largura de banda e a resolução do conversor A/D, obtendo assim uma alta precisão em medições de baixa largura de banda.

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Taxa de amostragem

O que significa taxa de amostragem?

O conversor analógico-digital (A/D ou ADC) em um osciloscópio digitaliza os sinais analógicos. A taxa que ele digitaliza é chamada de «taxa de amostragem». Os fabricantes especificam a taxa de amostragem como amostras por segundo. Por exemplo, o osciloscópio R&S®RTC1000 de 300 MHz possui uma taxa de amostragem de 2 giga-amostras por segundo. Você também pode ver a taxa de amostragem escrita como 2 giga-amostras/s, 2 GSa/s ou até mesmo 2 GS/s.

Como escolher a taxa de amostragem de que você precisa?

No mínimo, a taxa de amostragem de um osciloscópio deve ser pelo menos 2,5 vezes maior do que a largura de banda. Por exemplo, se o osciloscópio tiver 1,5 GHz de largura de banda, a taxa de amostragem deverá ser superior a 3,75 giga-amostras por segundo. No geral, a maioria dos osciloscópios digitais atende a esse requisito mínimo. Entretanto, um osciloscópio pode intercalar vários canais para obter a taxa de amostragem mais rápida.

Por exemplo, o R&S®RTC1000 de 300 MHz faz a amostragem a 2 GSa/s em um único canal, mas apenas 1 GSa/s quando os dois canais estão ativados. Felizmente, mesmo com essa taxa de amostragem reduzida, o R&S®RTC1000 ainda analisa mais amostras do que 2,5 vezes a largura de banda analógica!

Em geral, uma taxa de amostragem mais alta é melhor.

Outras considerações sobre a taxa de amostragem

Os osciloscópios têm diferentes modos de aquisição, como «detecção de pico» ou «alta resolução». Esses modos permitem que o conversor A/D continue funcionando em sua taxa de amostragem máxima, mas reduzem a quantidade de pontos de dados armazenados na memória. Esses modos tornam as taxas de amostragem mais altas úteis para aplicações com sinais relativamente lentos.

Bits do conversor A/D

O que são bits do conversor A/D?

O conversor analógico-digital (A/D) de um osciloscópio gera valores binários. Como em qualquer conversor A/D, o número de bits que compõem os valores binários determina a resolução. Por exemplo, um conversor A/D de 8 bits gera 256 valores únicos ou níveis de tensão. Enquanto um conversor A/D de 10 bits produz 1.024 valores únicos e um conversor A/D de 12 bits produz 4.096 níveis de tensão.

Precisão versus resolução (versus sensibilidade)

Embora a resolução de um conversor A/D afete a precisão da medição de um osciloscópio, esse não é o único aspecto a ser considerado.

A definição da precisão é a diferença entre a medição estimada e o valor real. Em outras palavras, é a incerteza de uma medição. A resolução, por outro lado, é a menor alteração que um sistema de medição pode representar. No caso de um osciloscópio, a largura de bits do conversor A/D domina a resolução. Por último, a sensibilidade é a menor alteração detectável. Em um primeiro momento, essa definição pode soar como resolução, e os elementos individuais de um sistema de aquisição podem ter uma sensibilidade muito alta. No entanto, a sensibilidade geral é a combinação de precisão e resolução.

Outras considerações

Nem todos os osciloscópios operam com largura total de bits o tempo todo! Portanto, você deve analisar cuidadosamente a ficha técnica para entender todas as limitações. Felizmente, todos os osciloscópios da Rohde & Schwarz usam sua largura total de bits a todo o momento.

Além disso, alguns modelos de osciloscópio da Rohde & Schwarz podem aumentar sua largura de bits efetiva com o recurso chamado modo HD. Esse modo compensa a largura de banda para medições com maior resolução. Por exemplo, o R&S®MXO4 oferece um conversor A/D de 12 bits que pode aumentar de maneira eficaz para até 18 bits!

Triggering

O que significa trigger?

Nos osciloscópios digitais, o sistema de trigger (disparo) observa o(s) sinal(is) em teste em busca de eventos específicos. Quando ele detecta esses critérios definidos pelo usuário, ele cria uma ação de disparo. O tipo de trigger mais comum é o disparo a nível de borda, e a ação mais comum é atualizar a tela com o evento no centro.

Os sistemas de disparo podem identificar muitos outros eventos, como larguras de pulso, tensões de runt, níveis lógicos e pacotes de protocolo serial. Eles também possuem várias ferramentas para filtrar ruídos, qualificar eventos válidos e disparar outros instrumentos.

Como escolher quais recursos de trigger são necessários?

Um sistema de disparo com recursos completos pode reduzir significativamente o tempo de depuração e possibilitar a caracterização de sinais muito complexos.

A primeira consideração é sobre os tipos de trigger com que um osciloscópio é compatível. Em seguida, você pode examinar seus outros recursos, como histerese ajustável e disparo em sequência.

Uma histerese ajustável significa que o trigger pode tolerar mais ruído em uma forma de onda ou focar em um evento específico em uma borda. Por exemplo, os osciloscópios com sistemas de disparo digital precisos podem disparar em eventos menores que 0,0001 de uma divisão vertical!

O disparo em sequência, às vezes chamado de disparo A->B, permite que você crie uma condição de disparo em dois estágios. Por exemplo, você pode qualificar uma determinada largura de pulso somente após a borda de descida de um sinal habilitado.

Outras considerações sobre triggering

Ao avaliar o sistema de disparo de um osciloscópio, é essencial prestar muita atenção às suas especificações. Alguns sistemas de disparo podem ter apenas «largura de banda total» no disparo de borda. Os outros tipos de trigger podem ser relativamente lentos em comparação à largura de banda do osciloscópio.

Osciloscópios como o R&S®MXO4 e o R&S®RTO6 utilizam um sistema de disparo digital. Em vez de depender de um circuito analógico para identificar eventos, um ASIC personalizado observa as amostras digitais do conversor A/D em tempo real para detectar eventos de disparo. Esse método de disparo exclusivo oferece a capacidade de disparo mais precisa. Uma vantagem significativa desse sistema é que todos os tipos de trigger são de largura de banda total. Por exemplo, a detecção de falhas de um trigger digital é tão rápida quanto um único período de amostragem do conversor A/D! Outro benefício é a incrível sensibilidade à tensão.

Profundidade de memória

O que significa profundidade de memória?

O conversor A/D armazena suas amostras em um buffer de memória. Como os conversores A/D tendem a realizar amostragens na faixa dos gigabits, essa memória deve estar próxima ao conversor e ser muito rápida. A quantidade de amostras de aquisição armazenadas é chamada de «profundidade da memória». Por exemplo, se um canal tiver um buffer de 10 milhões de pontos (megapoints), ele manterá (até) dez milhões de amostras durante cada aquisição.

Há uma conexão direta entre a velocidade de amostragem de um osciloscópio, a quantidade de memória que ele possui e quanto tempo ele pode capturar. A configuração da base de tempo determina o tempo mínimo em que o osciloscópio captura um sinal. O sistema de aquisição equilibrará a profundidade de memória e a taxa de amostragem para maximizar a taxa de amostragem para uma determinada configuração de base de tempo. Quanto mais memória disponível, mais lenta (por mais tempo) pode ser a configuração da base de tempo, mantendo uma alta taxa de amostragem.

Em geral, mais memória é melhor. No entanto, alguns osciloscópios não maximizam o uso da sua memória profunda ou ficam extremamente lentos quando operam com a memória profunda ativada.

Como escolher a profundidade de memória de que você precisa?

Diferentemente de outras especificações importantes do osciloscópio, não há diretrizes simples para a profundidade da memória. No entanto, se você souber que precisa capturar um determinado período de tempo, poderá determinar a profundidade de memória mínima necessária. Por exemplo, para capturar 10 ciclos de um sinal de clock de 100 MHz, você precisaria capturar pelo menos 100 nanossegundos. Com 1 GSa/s, o conversor A/D faz a amostragem a cada nanossegundo. Portanto, você precisaria de uma profundidade de memória de 100 amostras.

Outras considerações sobre a profundidade de memória

Uma consideração sobre a memória superficial em comparação com a profunda é como o osciloscópio processa sua memória de aquisição. Por exemplo, os osciloscópios R&S®MXO, R&S®RTO e R&S®RTP têm ASICs personalizados para ajudar a gerenciar operações de memória profunda. Esse ASIC mantém o osciloscópio responsivo ao aumentar ou diminuir o zoom das formas de onda e minimiza o tempo de rearmamento do trigger durante a aquisição.

Segmentação rápida e modo de histórico

Outras considerações são os modos ou recursos que usam a memória além de aquisições simples. Por exemplo, o recurso de segmentação rápida e o modo de histórico nos osciloscópios da Rohde & Schwarz usam a memória profunda de maneiras valiosas.

Com a segmentação rápida, o sistema de aquisição divide a memória em blocos (ou segmentos) pequenos mas iguais. Em seguida, esses blocos são preenchidos tão rapidamente quanto o sistema de disparo pode se rearmar. O controlador de memória aguarda até preencher todos os segmentos antes de transferir os dados de aquisição para a CPU. Um modo de segmentação rápida tem a vantagem de rearmar o sistema de disparo o mais rápido possível e maximizar o uso da memória profunda. Isso é vantajoso para sinais que têm uma natureza «explosiva».

O modo de histórico é outra maneira inovadora de usar a memória profunda. O controlador da memória divide a memória total disponível em blocos ou segmentos, como o modo de segmentação rápida. No entanto, o controlador preenche os segmentos como um buffer circular com o osciloscópio processando cada segmento como na operação normal. A diferença do modo de histórico é que, quando você para o osciloscópio, pode «voltar» no tempo para aquisições anteriores. Esse recurso é vantajoso porque lhe dá tempo para apertar o botão «stop» (parar) depois de ver uma anomalia na tela.

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Taxa de atualização da forma de onda

O que significa taxa de atualização da forma de onda?

A taxa de atualização da forma de onda às vezes é chamada de taxa de disparo. É a velocidade com que o osciloscópio pode adquirir formas de onda entre um evento de disparo e outro. No geral, quanto mais rápido o osciloscópio for rearmado e disparado novamente, menor será o tempo de inatividade entre as aquisições.

O tempo de inatividade é o tempo entre as aquisições em que o osciloscópio não consegue capturar uma forma de onda. Quanto menor for o tempo de inatividade, mais rápida será a taxa de disparo e maior será a probabilidade de um osciloscópio capturar eventos pouco frequentes, como um pulso transiente.

Alguns osciloscópios da Rohde & Schwarz têm um ASIC personalizado que permite taxas de atualização de forma de onda ultrarrápidas. Por exemplo, o R&S®RTO6 pode adquirir até 1 milhão de formas de onda por segundo. E o R&S®MXO 4 pode adquirir mais de 4,5 milhões de formas de onda por segundo!

Outras considerações sobre a taxa de atualização da forma de onda

Diferentes medições, modos de aquisição e profundidades de memória podem afetar a taxa de atualização da forma de onda. Alguns fabricantes de osciloscópios podem especificar sua taxa máxima de atualização (ou tempo de inatividade mínimo) somente quando os modos especiais estiverem ativados. Portanto, ao analisar essa especificação, é essencial entender sob quais condições a taxa mais rápida se aplica.

Pontas de prova

O que são as pontas de prova para osciloscópios?

Antes de poder medir um sinal, é preciso colocá-lo em um osciloscópio. Às vezes, você pode usar cabos BNC (ou SMA) para se conectar diretamente de um dispositivo em teste ao painel frontal do osciloscópio. No entanto, na maioria dos casos, você precisa usar uma ponta de prova.

Como escolher as pontas de prova de que você precisa?

O tipo de ponta de prova mais comum é a ponta de prova de tensão passiva. Essas pontas de prova de baixo custo são adequadas para aplicações de uso geral. As pontas de prova com diferentes fatores de atenuação oferecem tensão mais alta ou baixa carga de um sinal.

As pontas de prova passivas que acompanham um osciloscópio geralmente são classificadas como tendo uma largura de banda igual ou ligeiramente superior à do osciloscópio. A maioria das pontas de prova passivas não excede 500 ou 700 MHz de largura de banda. Uma ponta de prova de tensão ativa é necessária para a sondagem de sinais com mais de 700 MHz de largura de banda.

As pontas de prova de tensão ativas usam um circuito amplificador que oferece maior largura de banda e menor carga de circuito do que as pontas de prova passivas. Elas são fornecidas em um design modular, diferencial e de extremidade única. Como o próprio nome indica, essas pontas de prova precisam de energia para funcionar.

Algumas pontas de prova medem outras grandezas além da tensão. Por exemplo, as pontas de prova de corrente do sensor de efeito Hall medem de forma não intrusiva a corrente em um fio. Outro exemplo são as pontas de prova de campo próximo que medem os campos eletromagnéticos emitidos por componentes, fios e placas de circuito impresso (PCB).

No geral, as pontas de prova ativas de um fabricante de osciloscópios não são compatíveis com outros. No entanto, alguns fabricantes oferecem adaptadores para pontas de prova de outros fornecedores. (Se estiver planejando usar um desses adaptadores, verifique se a ponta de prova é compatível com ele!)

A Rohde & Schwarz tem uma ampla variedade de pontas de prova passivas, ativas e sem tensão com diversos designs.

Outras considerações sobre as pontas de prova para osciloscópios

Os osciloscópios com larguras de banda menores, geralmente inferiores a 200 MHz, são compatíveis apenas com uma interface de ponta de prova passiva. Em outras palavras, eles têm apenas um conector BNC na parte frontal. Por outro lado, um osciloscópio com mais de 200 MHz pode ter uma interface de ponta de prova ativa que seja compatível com pontas de prova passivas e ativas.

Instrumentos integrados

Os osciloscópios se tornaram mais do que uma simples ferramenta de medição de formas de onda. Ao escolher um osciloscópio, considere os outros instrumentos integrados a ele. Aqui estão alguns recursos adicionais a serem considerados.

Análise de espectro (FFT) com osciloscópios

A Transformada Rápida de Fourier, ou FFT, converte formas de onda no domínio do tempo em um gráfico no domínio da frequência. A tela do osciloscópio mostra a frequência e a magnitude (em vez de tempo e amplitude). Diferentemente dos analisadores de espectro tradicionais, os osciloscópios com capacidade de análise de espectro podem medir até 0 Hz ou CC!

As FFTs podem ser implementadas como uma função matemática simples com controles limitados ou aceleradas por hardware com controles semelhantes aos de um analisador de espectro. Além disso, o R&S RTO6 oferece um recurso exclusivo de trigger de zona, permitindo que você coloque uma caixa onde uma emissão espúria pode (ou não deve) ocorrer para limitar as atualizações da tela a uma frequência de interesse.

Gerador de forma de onda arbitrária

Um gerador de forma de onda arbitrária integrado gera funções como ondas quadradas, senoidais e triangulares e com modulações como AM, FM, FSK e PWM. Ter um gerador embutido no osciloscópio pode economizar espaço na sua bancada. Além disso, muitos osciloscópios podem usar o gerador para criar um sinal para entrar em um circuito, enquanto um canal analógico mede a saída. Por exemplo, a opção de software para análise de resposta em frequência (FRA) R&S®MXO4-K36 cria diagramas de Bode da resposta do loop de controle (CLR) de uma fonte de alimentação e do índice de rejeição da fonte de alimentação (PSRR).

A maioria dos osciloscópios da Rohde & Schwarz oferece uma opção de gerador de formas de onda arbitrária como uma opção de software ou um módulo de hardware plug-in.

Analisador lógico

Os osciloscópios com canais digitais podem capturar formas de onda digitais e analógicas. Os canais lógicos normalmente são correlacionados no tempo, o que significa que o osciloscópio faz a amostragem deles simultaneamente com os canais analógicos. Esse recurso faz com que a tela mostre eventos em ambos os tipos de canal fixados no tempo.

Todos os osciloscópios da Rohde & Schwarz oferecem canais digitais como uma opção. Dependendo do modelo, estão disponíveis 8 ou 16 canais.

Analisador de protocolos

A análise de protocolos coleta a forma de onda adquirida (nos canais analógicos ou digitais) e a decodifica em uma exibição de protocolo. Por exemplo, muitos designs baseados em microcontroladores apresentam um barramento SPI, I2C ou UART para comunicação. Usando os recursos do analisador de protocolo de um osciloscópio, você pode disparar eventos específicos do protocolo, como o início de um pacote ou, em alguns casos, um erro de CRC. Uma vez disparado, uma tela de decodificação facilita a leitura das transações de barramento.

Há pelo menos duas maneiras de visualizar os dados. Uma delas é ver uma janela sobreposta na parte superior da forma de onda adquirida. Essa visualização é útil para determinar se um problema de integridade de sinal está causando um problema de protocolo. Outra forma de visualização é uma tabela de protocolo. Essa visualização compacta permite que você veja muitas atividades do protocolo em um curto período.

Todos os osciloscópios da Rohde e Schwarz oferecem várias opções de decodificação que podem ser incluídas no momento da compra ou ativadas após a compra.

Fator de forma (design)

Os osciloscópios são fornecidos em uma variedade de tamanhos. Em geral, quanto maior a largura de banda, maior a estrutura. Os osciloscópios portáteis agora têm tanta capacidade quanto os tradicionais de bancada.

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Controle remoto

O que significa controle remoto?

Controle remoto significa conectar-se ao instrumento a partir de um computador e controlá-lo como se estivesse sentado em frente a ele. Nesse modelo de uso, você clica em botões tradicionais ou giratórios em um painel frontal virtual por meio de um navegador web que reproduz o painel frontal do instrumento.

Como escolher o tipo de acesso remoto de que você precisa?

Se precisar acessar o osciloscópio remotamente desde o seu laboratório, verifique se ele é compatível com a operação remota. Por exemplo, todos os R&S®RTB, R&S®RTM, R&S®MXO 4, R&S®RTO 6, e R&S®RTP são compatíveis com um painel frontal virtual por meio de uma interface de navegador web.

Outras considerações sobre o acesso remoto

A maioria dos osciloscópios compatíveis com GPIB exige a compra de uma opção de hardware adicional.

Automação (e conectividade)

O que significa automação (e conectividade)?

Automação significa controlar um instrumento a partir de um computador por meio de um ambiente de programação como o LabView™ da National Instruments, o MATLAB® da MathWorks ou o Python. Esses ambientes enviam comandos ao osciloscópio por USB, Ethernet ou GPIB.