Neste artigo, baseado no Application Note 1608 da Keysight (*) (www.keysight.com) mostramos que os dois tipos de osciloscópios são diferentes, possibilitando assim ao profissional fazer a escolha certa para o seu tipo de trabalho.
(*) Keysight é o novo nome da divisão de instrumentação eletrônica da Agilent Technologies. No site esta empresa o leitor poderá encontrar vasta documentação sobre instrumentação como, por exemplo, sobre o uso de osciloscópio num kit educacional em português. Basta acessar a documentação clicando aqui.
No passado, a decisão entre um osciloscópio de amostragem de tempo equivalente e um osciloscópio de tempo real estava relacionada com as exigências de largura de faixa, mas hoje com instrumentos de alta performance, essa decisão não é mais clara. Neste artigo discutimos o modo como cada tipo amostra o sinal e as exigências de disparo.
O Osciloscópio de Tempo Real é um ADC
Um osciloscópio de tempo real é também chamado algumas vezes de osciloscópio “single-shot” (um disparo). Ele captura um ciclo completo do sinal a cada evento de disparo. De outra forma, isso significa que um número elevado de pontos de dados são capturados numa gravação contínua.
Para melhor entender esse tipo de aquisição de dados, imagine um conversor analógico-digital (ADC) extremamente rápido, no qual a taxa de amostragem determina o espaçamento das amostras e a profundidade da memória o número de pontos que vão ser mostrados na tela.
Para capturar qualquer forma de onda, a taxa de amostragem do ADC precisa ser muito maior do que a freqüência do sinal que chega. Essa taxa de amostragem, que pode chegar aos 40 GSa/s (40 giga-amostragens por segundo) determina que a faixa correspondente chega aos 13 GHz.
O Disparo num Osciloscópio de Tempo Real
Um osciloscópio de tempo real pode ser disparado na chegada dos dados propriamente ditos, ou mesmo quando a amplitude do sinal de entrada atinge um determinado valor. Neste ponto, o osciloscópio começa a converter a forma de onda analógica para dados digitais numa velocidade não sincronizada e, portanto, não relacionada com a taxa de dados do sinal de entrada.
Esta taxa de conversão, conhecida como taxa de amostragem, é tipicamente derivada de um sinal de clock interno. O osciloscópio amostra a amplitude do sinal de entrada e armazena o valor na memória, e continua com a próxima amostragem, como ilustrado na figura 1.
A principal tarefa do disparo é fornecer um ponto de referência de tempo horizontal para os dados de entrada.
Uma amostragem por ciclo
Um osciloscópio de tempo de amostragem equivalente, algumas vezes simplesmente chamado osciloscópio de amostragem ou sampling oscilloscope, mede apenas a amplitude instantânea da forma do sinal no instante da amostragem.
Em contraste com um osciloscópio de tempo real, o sinal de entrada é amostrado apenas uma vez por pulso de disparo. No momento seguinte em que o osciloscópio é amostrado, um pequeno retardo é adicionado e uma outra amostragem tomada.
O número de amostragens visado determina o número de ciclos necessário para reproduzir a forma de onda. .A largura da faixa de medida é determinada pela resposta de freqüência do amostrador que atualmente pode ser estendida aos 70 GHz.
Metodologia de Amostragem
O disparo e a amostragem subseqüente para um osciloscópio de amostragem de tempo equivalente é diferente de um osciloscópio de tempo real de diversas formas tangíveis. De forma mais importante o osciloscópio de amostragem de tempo equivalente precisa de um disparo explícito para operar e este disparo precisa estar sincronizado com os dados de entrada.
Tipicamente, este sinal é fornecido pelo usuário usando um modulo de hardware clock de recuperação. A amostragem opera da seguinte maneira: um evento de disparo inicia a aquisição da primeira amostra e então o osciloscópio rearma e espera por outro evento de disparo. O tempo de rearme é de aproximadamente 25 us.
O evento seguinte de disparo inicia a segunda aquisição e acrescenta um retardo preciso antes de amostrar o segundo ponto de dados. Este tempo de retardo incremental é determinado pela base de tempo ajustada e o número de tempo de amostragem. Este processo, que é ilustrado na figura 2, é repetido até que a forma de onda inteira seja adquirida.
Disparo no osciloscópio de amostragem de tempo equivalente
Existem duas maneiras de se disparar um osciloscópio de amostragem de tempo equivalente, e os resultados obtidos são diferentes quanto ao formato de vídeo, tanto uma corrente de bits ou um diagrama de olho.
Ver os bits individuais no sinal permite ao usuário ver as dependências do padrão no sistema, mas não permite para alta resolução com um número elevado de bits. De modo a visualizar um trem de bits, o disparo deve pulsar apenas uma vez durante o período do padrão de entrada e deve estar na mesma localização relativa no padrão de bits para cada evento.
O sinal de entrada é então amostrado e sob a presença do evento seguinte de disparo, o retardo incremental é somada e o trem de bits é amostrado até que a forma de onda inteira seja adquirida. De modo a se visualizar o trem de bits num osciloscópio de tempo equivalente, deve-se ter uma forma de onda repetitiva; de outra maneira um osciloscópio de tempo real será necessário.
O processo de disparo para mostrar uma forma de onda do trem de bits é mostrado na figura 3.
Criando um diagrama de olho
A outra forma de se visualizar o sinal é o diagrama de olho. Este modo não exige uma forma de onda repetitiva e pode ajudar a determinar ruído, jitter, distorção e intensidade de sinal entre muitas outras medidas. Ele fornece uma vista estatística da performance do sistema já que ele se parece como uma cobertura de todas as combinações de bits na corrente de bits.
O disparo necessário para este modo é um sinal de clock assíncrono. Em cada evento de disparo, permitindo o tempo de rearme, o osciloscópio amostra os dados e constrói a combinação de todas as combinações possíveis de 0 e 1 na tela.
Clocks de taxa máxima, assim como clocks com taxas divididas, podem ser usados para disparo, no entanto se o comprimento do padrão é um numero ímpar da taxa de divisão do clock, o diagrama de olho pode ter a ausência de combinações e dessa forma será incompleto.
Além disso, se os dados forem usados como seu próprio disparo, o diagrama de olho deve aparecer completo, mas o osciloscópio somente será disparado nas frontes positivas do padrão de dados. Isso deve ser evitado para se obter medidas precisas com o diagrama de olho. O processo de disparo para se obter um diagrama de olho é mostrado na figura 4.
Olhos em tempo real
É importante notar que um diagrama de olho pode ser visto nos novos osciloscópios em tempo real. Estes diagramas de olhos em tempo real ou single-shot (disparo único) são construídos usando um clock recuperado por software ou um clock explícito externo, fornecido pelo usuário.
O osciloscópio em tempo real fatia uma longa forma de onda de captura única em tempos iguais ao ciclo do clock recuperado e sobrepõe estes bits para recriar o diagrama de olho.
Vantagens dos osciloscópios em tempo real:
Capacidade de mostrar eventos transientes que ocorram uma vez
Não necessitam de disparo explícito
Não precisam de formas de onda repetitivas
Medem o jitter ciclo por ciclo diretamente
Grandes comprimentos de gravação/memória profunda
Ótimo para reparação
Vantagens do Osciloscópio por Tempo Equivalente
Baixas taxas de amostragem possibilitando conversão ADC de alta resolução
Largura de faixa maior
Piso de ruído mais baixo
Jitter intrínseco mais baixo
Pode incluir módulos frontais e ópticos
Pode ser usado para TDR para obter medidas de impedância e parâmetro S]
Pode alcançar soluções a preço reduzido.
Obs. Este artigo é uma atualização do INS158 de 2008.
