Osciloscópios e Alta resolução deixaram de ser Incompatíveis

Ao longo de muitos anos, a arquitetura de osciloscópio de 8 bits tem sido e continua sendo a solução ideal para a maioria das aplicações que se baseiam nele. No entanto, esta arquitetura pode atingir seus limites devido ao crescente número de medições de potência ou de análise de sinal com uma alta faixa dinâmica. Para aplicações que exigem uma arquitetura de 12 bits, outros parâmetros também são importantes, como o ruído do estágio de entrada. A arquitetura de 12 bits oferece certas vantagens em relação à estrutura de 8 bits, que, embora seja suficiente em muitas aplicações de osciloscópios. Portanto, é importante avaliar quais vantagens uma estrutura de 12 bits oferece e se elas são realmente necessárias.

Este artigo descreve as vantagens de uma resolução de 12 bits, como a incorporada nos novos osciloscópios da nova série DHO4000 da RIGOL, e analisa outros aspectos importantes. Uma vez que a estrutura de 8 bits costuma ser suficiente para muitas aplicações, também serão apresentadas as vantagens e desvantagens de ambas as arquiteturas.

As aplicações que precisam de maior resolução geralmente estão relacionadas à medição de sinais com uma alta faixa dinâmica. Isso significa que podem ser sinais com uma grande amplitude e que contenham mudanças de amplitude muito pequenas que também precisam ser medidas. Um exemplo é a medição de correntes e tensões na eletrônica de potência.

Nos osciloscópios anteriores de 8 bits, é possível ativar um modo de alta resolução (High-Res) de 12 bits para medições com baixo ruído dos sinais, calculadas matematicamente no osciloscópio após registrar o sinal. Para isso, é utilizado o sobreamostragem, que gera um valor médio a partir dos valores mais finos da amplitude que agora são apresentados com uma resolução maior. Esta média reduz os componentes do ruído, permitindo visualizar desvios mais finos da amplitude. No entanto, a arquitetura continua sendo de 8 bits (= 2⁸ = 256 valores) se os dados forem salvos em um arquivo csv. A segunda desvantagem é que a largura de banda é significativamente reduzida dependendo do tempo de estabilização. Além disso, o nível de ruído se adapta a uma estrutura de 8 bits e também influencia negativamente a medição.

A série DHO4000 da RIGOL oferece a possibilidade de alternar o equipamento para uma escala vertical de 1 mV/DIV a 100 µV/DIV. O nível mínimo de ruído (com uma largura de banda limitada a 20 MHz) neste intervalo é inferior a 18 µArms (ver Figura 1, com 1 mV/DIV). Dessa forma, é possível medir até mesmo sinais com os menores valores de tensão e corrente (por exemplo, através de um shunt com a impedância adequada).

As séries DHO1000 e DHO4000 da RIGOL utilizam uma arquitetura de 12 bits baseada no novo conjunto de circuitos ASIC “Centaurus” desenvolvido pela RIGOL. O número de valores verticais aumenta de 256 níveis para 2¹² = 4096 valores, ou seja, uma resolução vertical 16 vezes mais fina em comparação com uma arquitetura de 8 bits. Não é necessário fazer um compromisso, por exemplo, a diminuição da largura de banda como no modo de alta resolução. Além de melhorar a resolução vertical, a série DHO4000 oferece uma velocidade muito alta de amostragem em tempo real de até 4 GS/s e uma memória máxima de 500 Mpts. Se a análise exigir uma resolução de 4 GS/s, mais de 100 ms podem ser registrados com essa memória e visualizados em alta resolução usando a função zoom. Isso significa que há uma combinação ideal de alta resolução tanto vertical quanto horizontal.

Além disso, graças à grande memória, é possível visualizar um grande número de sinais com uma única aquisição. Uma das desvantagens de uma resolução de 12 bits é que ela cria conjuntos de dados significativamente maiores do que com uma estrutura de 8 bits. Isso significa que, ao selecionar o osciloscópio, é importante verificar se a aplicação realmente precisa da alta resolução e que, como resultado, é gerado um maior volume de dados. O conjunto de circuitos é composto por dois ASICs, entre os quais o “θ-Centaurus” foi desenvolvido para o estágio de entrada analógica para permitir a largura de banda necessária, as impedâncias de 1 MΩ e 50 Ω, uma proteção contra sobretensões muito rápidas e um nível muito baixo de ruído.

Este ASIC tem uma faixa dinâmica muito alta de até 97 dB e oferece uma linearidade muito alta com uma THD (distorção harmônica total) de -55 dBc. Este chip também se caracteriza por seu nível muito baixo de ruído para permitir a resolução de 12 bits, um aspecto fundamental na plataforma de 12 bits. Se o nível de ruído não corresponder ao maior número de bits, o aumento do ruído impediria a maior sensibilidade do ADC.

O segundo chip, chamado “α-Centaurus”, é um processador de sinal digital de alta precisão com uma resolução ADC de 12 bits e atinge uma taxa de amostragem de até 4 GS/s. Juntamente com a resolução, este chip também se caracteriza por sua estabilidade muito alta em relação à temperatura de 3,6 µV/°C e sua sincronização muito alta (temporização multicamadas) de diferentes sinais com 33 fs. Assim como a série DS70000 (5 GHz/20 GS/s), a série DHO utiliza a nova plataforma UltraVision III. Em muitas aplicações que requerem uma resolução muito alta, a largura de banda está na faixa mais baixa do osciloscópio, onde o valor efetivo de bits é o mesmo que o do ADC, ou seja, 12 bits.

No entanto, às vezes é necessário conhecer a resolução até a largura de banda máxima. Este valor é definido no valor ENOB (Effective Number of Bits), que depende da frequência. Com a série DHO4000, este valor é superior a 8 bits para toda a largura de banda. Isso significa que o ENOB se torna importante com larguras de banda mais elevadas e alta resolução.

Como mencionado anteriormente, a maior resolução vertical pode ser usada para medir sinais com alta faixa dinâmica, o que pode ocorrer em medições de potência. No entanto, é importante ressaltar que o uso ideal da maior resolução é obtido quando o sinal pode ser visualizado em tela cheia. Isso significa que, ao medir, por exemplo, corrente e tensão com os canais 1 e 2, é recomendável utilizar toda a tela para a respectiva medição. No entanto, devido à representação do traço com cores diferentes, essas curvas continuam a ser facilmente reconhecíveis (ver Figura 2).

No segmento de potência, mesmo as menores variações na entrada de CA podem afetar negativamente várias funções. Para garantir de maneira geral e completa as funções dos dispositivos, é importante saber até que ponto essas flutuações são gerenciadas pela eletrônica alimentada; como resultado, por exemplo, de quedas de tensão curtas, ruído ou desenvolvimento de harmônicos.

Um osciloscópio pode adquirir sinais nessas situações usando uma ponta diferencial de alta tensão e uma ponta de corrente. As curvas de tensão e corrente são então medidas com o osciloscópio. Também é necessário levar em conta a precisão e o nível de ruído das sondas. Parâmetros como os descritos a seguir podem ser registrados e medidos. Embora a medição dos valores máximos/mínimos dos componentes dos sinais fortes seja muito semelhante para 8 bits e 12 bits, a vantagem de um osciloscópio de 12 bits baseia-se na medição de pequenos desvios de sinal que não seriam visíveis em um osciloscópio de 8 bits.

O ajuste vertical pode ser ajustado de forma a tornar esses componentes tão pequenos do sinal visíveis com uma boa resolução, de modo que também possam ser analisados e medidos com alta precisão (ver Figura 3).

Com uma estrutura de 8 bits, a resolução teórica com os 256 níveis e uma representação vertical de 8 V (1 V/DIV) é de 31,25 mV. Em um osciloscópio de 12 bits, o número de etapas é 4096, o que corresponde a uma resolução de 1,95 mV com o mesmo ajuste vertical. Isso significa que agora é possível medir componentes de ruído e outras variações nas seções de passo, algo que não está ao alcance de um osciloscópio de 8 bits.

Assim como no osciloscópio de 8 bits, a série DHO da RIGOL integra um modo de Alta Resolução (High-Res) que pode ser configurado para 14 ou 16 bits, para visualizar sinais com maior nitidez. Portanto, essa tecnologia de média é superior à resolução de 12 bits (High-Res) dos osciloscópios de 8 bits. Nos equipamentos DHO da RIGOL, a menor largura de banda resultante é exibida junto com a resolução.

A função opcional de análise de potência também pode ser usada para medidas gerais na entrada CA de uma fonte de alimentação chaveada. Em particular, permite medir valores de corrente e tensão, como potência ativa, aparente e reativa, bem como o fator de crista. Com a função matemática, também é possível exibir o resultado em uma curva. Na saída de uma fonte de alimentação chaveada, a análise de potência pode ser utilizada para analisar o ripple de saída, a fim de medir a qualidade do sinal.

Na análise de sinal, e especialmente na análise de erro, faz muito sentido focar não apenas na análise do tempo, mas também na frequência, pois, dessa forma, é possível representar bem, por exemplo, não linearidades indesejadas ou harmônicas. O melhor alcance dinâmico livre de interferências do osciloscópio de 12 bits em relação ao osciloscópio de 8 bits também permite analisar a frequência em um alcance dinâmico mais alto.

Portanto, na análise de frequência, o nível de ruído e as amplitudes de interferência gerada internamente são menores do que as registradas com um osciloscópio de 8 bits. Como mencionado anteriormente, além de melhorar o nível de ruído, também é alcançada maior linearidade. A FFT pode converter até um milhão de amostras no espectro de frequência e, assim, obter uma resolução de frequência muito alta. Assim como em um analisador de espectro, o espectro pode ser definido por meio de frequências inicial e final ou com um centro e um intervalo.

Quando o osciloscópio é ajustado em 50 Ω, a unidade vertical também pode representar dBm (representação logarítmica com a referência “m” para “mW”). A Figura 4 mostra a análise de frequência de uma onda senoidal de 1 MHz.

Junto com a maior resolução vertical e uma resolução horizontal muito maior, o osciloscópio oferece a possibilidade de realizar medições com a nova função “UltraAcquire“, que divide a memória em diferentes segmentos, cada um dos quais integra diferentes tipos de disparos. Dessa forma, é possível atingir uma velocidade muito alta de captura de formas de onda de 1,5M formas de onda/s. Com essa função, o usuário pode decidir quantos disparos devem ser registrados (até o número máximo).

Os sinais adquiridos podem ser visualizados posteriormente em diferentes tipos de representação (por exemplo, em cascata ou com uma perspectiva tridimensional), permitindo analisar melhor os sinais que mudam rapidamente e que, de outra forma, seriam difíceis de detectar devido ao longo tempo cego. Essa análise pode ser empregada, entre outras coisas, para um pulso de transmissão que gera vários ecos muito menores, e o alcance dinâmico pode ser aproveitado novamente para medir com bastante precisão os ecos menores ou para visualizar interferências (glitches) com muito mais rapidez (ver figura 5).

Com as séries DHO1000 e DHO4000, a RIGOL expande seu amplo catálogo de produtos destinados a mais aplicações. Além de um manuseio simples por meio de tela sensível ao toque, teclado ou controle web, os osciloscópios se caracterizam pelo uso versátil em diferentes áreas, como P&D, educação ou outras aplicações industriais que exijam uma resolução horizontal ou vertical muito alta. Graças a esses osciloscópios de alta resolução, a RIGOL se posiciona no mercado com uma relação preço/desempenho extraordinariamente atraente, bem como níveis muito altos de qualidade e versatilidade em comparação com outros equipamentos caros do mercado.