Il rumore è un problema comune e assai diffuso. Quasi tutti coloro che hanno a che fare con circuiti elettrici devono gestire problemi derivanti dal rumore, trovandone l'origine per eliminarlo o riducendone l'impatto sulle misurazioni. Il rumore può provenire da un numero virtualmente infinito di fonti, sia interne sia esterne al progetto, oscurando il segnale di interesse. Spesso, possono verificarsi problemi durante le misurazioni di segnali a bassa tensione (mV), come in trasmissioni radar o controlli del battito cardiaco.
Il rumore può infatti causare difficoltà nel rilevamento della reale tensione del segnale e può aumentare il jitter, ostacolando le misure di temporizzazione. Oppure, a volte, è necessario avere una traccia pulita, priva di rumori, per concentrarsi sul segnale desiderato nel proprio progetto. Altre volte, una traccia pulita è utile in relazioni e documentazione per dimostrare chiaramente il funzionamento del progetto. L'oscilloscopio fornisce funzionalità e strumenti per gestire in modo ottimale il rumore. Nella presente nota applicativa, saranno esaminate le comuni funzionalità di riduzione del rumore degli oscilloscopi, compreso uno strumento innovativo disponibile solo negli oscilloscopi Tektronix serie MSO2000 e DPO2000. Grazie al filtro passa basso variabile FilterVu, è possibile filtrare i rumori indesiderati dal proprio segnale, rilevando comunque anomalie inaspettate fino alla larghezza di banda completa dell'oscilloscopio: ciò consente di concentrarsi sul segnale di interesse senza la perdita di importanti eventi ad alta frequenza.
Necessità di trigger stabili
Prima di analizzare il segnale, è necessaria una visualizzazione stabile. Tuttavia, in presenza di un segnale rumoroso, ottenerla può essere un problema, che può ostacolare la creazione di un trigger stabile. La maggior parte degli oscilloscopi è dotata di diverse funzionalità utili per gestire tale problematica. Spesso, la prima fase per la creazione di un trigger stabile consiste nel verificare quale sia la modalità di accoppiamento trigger ottimale. Molti oscilloscopi Tektronix offrono filtri ad alta frequenza (HF), filtri a bassa frequenza (LF) e opzioni di accoppiamento trigger per filtri di rumore, ciascuno dei quali può essere utilizzato per la creazione di un trigger stabile per il segnale. I filtri HF agiscono come filtro passa basso sul percorso di trigger, tentando di ignorare eventuali rumori o instabilità ad alta frequenza. I filtri LF agiscono invece come filtro passa alto sul percorso di trigger, tentando di evitare che segnali a bassa frequenza causino trigger. I filtri rumore aumentano l'isteresi del trigger necessaria, evitando che rumori casuali generino trigger. È difficile prevedere quali di queste modalità sarà più adatta al proprio segnale. Se necessario, per ottenere un trigger stabile, è consigliabile sperimentarle tutte. I sistemi di trigger presenti nella maggior parte degli oscilloscopi offrono, inoltre, un controllo holdoff. Questo tipo di controllo consente i trigger solo dopo un ritardo impostato dall'utente. Se il segnale risulta ripetitivo, regolare l'holdoff per ignorare eventuali trigger falsi. Se i trigger sono ancora instabili, la maggior parte degli oscilloscopi dispone di filtri della larghezza di banda che passano il segnale attraverso un filtro passa basso. Il filtro passa basso dispone solitamente di poche impostazioni di frequenza e non scende al di sotto dei 20 MHz. Per molte applicazioni, come il debug di problemi legati all'alimentazione, tale valore può non essere sufficientemente basso. Provare le diverse impostazioni della larghezza di banda fino al raggiungimento di un trigger stabile.
Riduzione del rumore sul segnale visualizzato
Una volta ottenuto un trigger stabile, è possibile regolare ulteriormente la visualizzazione del rumore sull'oscilloscopio. A questo scopo, sono disponibili diversi strumenti: filtro della larghezza di banda (presentato in precedenza), modalità di acquisizione media, modalità di acquisizione ad alta risoluzione e filtro passa basso variabile FilterVu, una nuova funzionalità disponibile sugli oscilloscopi Tektronix serie MSO/DPO2000.
Filtro della larghezza di banda
Questo tipo di filtro riduce la larghezza di banda dell'oscilloscopio alla frequenza selezionata: in tal modo, le frequenze superiori al livello definito verranno attenuate o rimosse totalmente dal percorso di trigger, nonché di acquisizione e visualizzazione. Il filtro della larghezza di banda può essere utilizzato non solo per ottenere un trigger stabile, ma anche per ridurre la quantità di rumore visualizzato sull'oscilloscopio. L'utilizzo di questo filtro è uno dei metodi più semplici per ridurre il rumore nell'oscilloscopio e risulta molto efficace quando tutti i rumori indesiderati sono su frequenze superiori al limite fissato. Tuttavia, è inoltre possibile rimuovere eventuali anomalie ad alta velocità.
Gli oscilloscopi dispongono solitamente di impostazioni di larghezza di banda molto limitate: le selezioni standard includono 250 MHz e 20 MHz.
Modalità di acquisizione media
Questa modalità esegue la media punto a punto tra diverse acquisizioni complete, per ottenere la tensione media in ogni campione temporale durante l'acquisizione. L'utente può impostare il numero di acquisizioni da includere nella media. In genere, il rumore è casuale in ogni acquisizione e può essere maggiore o minore. Quando si crea una media di queste variazioni casuali, tenendo in considerazione una quantità sufficiente di acquisizioni, esse verranno eliminate, generando un segnale stabile sullo schermo. Per utilizzare la modalità di acquisizione media, la forma d'onda deve essere ripetitiva. Non è possibile eseguire la media di forme d'onda non ripetitive o eventi singoli. La modalità di acquisizione media riduce ogni tipo di segnale non correlato e rumore casuale, anche a frequenze molto basse, e funziona con qualsiasi impostazione di tempo/divisione dell'oscilloscopio. Poiché per la creazione di una forma d'onda media è necessario acquisire più forme d'onda, il display potrebbe aggiornare lentamente i cambiamenti di un segnale in ingresso o di una manopola del pannello frontale. Pertanto, è probabile che non vengano rilevate anomalie non frequenti.
In alcune applicazioni, la modalità di acquisizione media risulta essere una scelta migliore rispetto al filtro di larghezza di banda, poiché la larghezza di banda completa dell'oscilloscopio è disponibile per acquisire eventi ripetitivi ad alta frequenza.
Modalità di acquisizione ad alta risoluzione
Alcuni oscilloscopi includono una modalità di acquisizione ad alta risoluzione, che è simile alla modalità di acquisizione media poiché utilizza la media per eliminare i rumori. La modalità di acquisizione ad alta risoluzione esegue una media "boxcar" a ogni acquisizione, prendendo in considerazione numerosi campioni adiacenti all'interno di una singola forma d'onda per creare un singolo campione medio. In questo modo, il rumore ad alta frequenza viene ridotto, poiché la media elimina la varianza ad alta velocità nelle tensioni causata dal rumore. Diminuisce, inoltre, la frequenza di campionamento, in quanto converte molti campioni in uno. Quindi, la modalità di acquisizione ad alta risoluzione è disponibile solo con impostazioni di tempo/divisione più lente, in cui l'oscilloscopio ha una frequenza di campionamento sufficiente per rappresentare il segnale misurato. A differenza della modalità di acquisizione media, quella ad alta risoluzione può essere utilizzata su forme d'onda non ripetitive e singole. Inoltre, poiché acquisisce un'unica forma d'onda, fornisce un aggiornamento più rapido della visualizzazione dopo la modifica di un segnale in ingresso o di un'impostazione del pannello frontale. La combinazione di campionamenti vicini nel tempo riduce anche la possibilità di aliasing con impostazioni di tempo/divisione più lente.
La modalità di acquisizione ad alta risoluzione è un tipo di filtraggio passa basso, pertanto è possibile che non vengano rilevate anomalie ad alta velocità nel segnale. Tale modalità non filtrerà alcuni rumori ad alta frequenza, i quali potrebbero oscurare la posizione di fronte e la forma del segnale. Solitamente, non vi sono indicazioni delle frequenze che vengono rimosse (se presenti) nella modalità di acquisizione ad alta risoluzione. Questa modalità può ridurre alcune frequenze sottoposte ad aliasing dal display, mentre altre potrebbero essere ancora presenti a causa della bassa selettività di frequenza del filtro passa basso ad alta risoluzione.
Filtri Dsp
Alcuni oscilloscopi dispongono di filtri Dsp post-elaborazione che rimuovono alcune frequenze di rumore dal segnale. L'utente può controllare completamente la frequenza del filtro. Sebbene questi filtri possano essere flessibili, spesso sono lenti e adatti solo a visualizzazioni a evento singolo o a bassa frequenza di aggiornamento. Potrebbero inoltre filtrare anomalie interessanti e importanti senza che l'utente ne venga a conoscenza.
Filtro passa basso variabile FilterVu
Gli oscilloscopi Tektronix serie MSO/DPO2000 dispongono di una funzionalità molto utile, ossia il filtro passa basso variabile FilterVu che consente di filtrare i rumori indesiderati dal segnale. FilterVu permette di selezionare una frequenza di filtro passa basso da applicare all'acquisizione visualizzata. Oltre alla traccia a cui è stato applicato il filtro passa basso, l'utente è tutelato anche contro la mancata rilevazione di eventuali anomalie ad alta frequenza o rumori ad alta intensità da una traccia in secondo piano, la quale visualizza l'acquisizione non elaborata rilevata al picco (campionamento minimo e massimo) sotto la forma d'onda filtrata e pulita. È possibile regolare la frequenza di interruzione del filtro passa basso dal pannello frontale, in modo da controllare la quantità di riduzione del rumore desiderata. Le letture della frequenza del filtro consentono di definire quali frequenze di rumore sono presenti sul segnale senza la necessità di impostare una complicata Fft (Fast Fourier Transform). La regolazione è disponibile anche su una forma d'onda singola dopo l'acquisizione, consentendo un'analisi accurata del segnale. Come parte del processo di acquisizione, FilterVu dispone sia dell'aggiornamento rapido della visualizzazione della modalità di acquisizione ad alta risoluzione, sia del controllo di un filtro Dsp post-elaborazione, mantenendo un'immagine in secondo piano che mostra anomalie ad alta frequenza e intensità del rumore. La traccia di sfondo rilevata al picco acquisisce le escursioni del picco del segnale fino alla larghezza di banda dell'oscilloscopio, anche su forme d'onda singole. In questo modo, eventuali anomalie acquisite con un'impostazione di tempo/divisione più rapida saranno ancora visualizzate quando il segnale viene analizzato con un'impostazione di tempo/divisione più lenta. Analogamente alla modalità di acquisizione ad alta risoluzione, anche il filtraggio FilterVu non è disponibile per tutte le impostazioni di tempo/divisione. Passando a impostazioni più rapide, la gamma del filtro viene ridotta. Con un'impostazione di tempo/divisione più rapida, non è disponibile alcun filtraggio, poiché il filtro passa basso funziona riducendo il numero di punti di campionamento nella forma d'onda. Con molte impostazioni di tempo/divisione, l'oscilloscopio funziona a una frequenza di campionamento ridotta e sono presenti numerosi punti aggiuntivi. Se l'oscilloscopio funziona alla frequenza di campionamento completa (o quasi), il numero di punti aggiuntivi sarà inferiore e la funzionalità FilterVu sarà ridotta. Con l'impostazione tempo/divisione più rapida, la modalità di acquisizione media rappresenta la scelta ottimale per la riduzione del rumore. FilterVu può essere utilizzato su forme d'onda ripetitive, non ripetitive e singole. L'ampia gamma di regolazione delle frequenze di filtro consente di rimuovere rumore a sufficienza senza attenuare il segnale. Rispetto al filtro di larghezza di banda, FilterVu può filtrare a frequenze inferiori (meno di 1 MHz) e, a differenza della modalità di acquisizione ad alta risoluzione, non lascia passare le alte frequenze indesiderate che potrebbero oscurare il segnale. Grazie alla traccia in secondo piano rilevata al picco che evita la perdita di anomalie importanti, è il sostituto ideale della modalità di acquisizione ad alta risoluzione. FilterVu può ridurre gli effetti di aliasing. Alla più bassa frequenza di filtro rumore disponibile con ogni impostazione di tempo/divisione, se la frequenza è impostata al minimo, lo zoom è disattivato e l'acquisizione è in esecuzione, attraverso il filtro non potranno passare più dell'1% di contenuti ad alta frequenza che causano aliasing. Vengono rimosse solo le frequenze sottoposte ad aliasing, non il segnale di interesse.
Funzionalità potenti in un oscilloscopio entry-level
Tutte le funzionalità supplementari oggi indispensabili per i progettisti di sistemi elettronici come l'analisi dei bus seriali e il debug dei sistemi misti analogico/digitali sono oggi disponibili nei nuovi oscilloscopi resi disponibili da Tektronix a un prezzo decisamente competitivo. Con la presentazione della nuova famiglia di oscilloscopi a fosfori digitali DPO2000 e per segnali misti MSO2000, Tektronix propone infatti un nuovo riferimento di prezzo nella gamma degli oscilloscopi avanzati da 100/200 MHz. Gli strumenti di Tektronix offrono infatti funzionalità potenti per semplificare il debug di progetti a segnali misti, tra cui gli strumenti di ricerca e navigazione Wave Inspector, la decodifica automatica dei bus di dati seriali e i filtri passa basso variabili FilterVu per ridurre il rumore indesiderato nei segnali, il tutto in un formato portatile. Con larghezze di banda fino a 200 MHz, i nuovi modelli vanno a completare con un'offerta ancora più economica le più costose serie di oscilloscopi MSO4000, DPO4000 e DPO3000. Nei progetti attuali sempre più spesso i bus paralleli vengono sostituiti da bus di dati seriali come I2C, Spi, RS-232, Can e Lin. Poiché un singolo segnale di un bus seriale può contenere informazioni relative a indirizzo, controllo, dati e clock, la complessità che ne deriva pone ai progettisti complessi problemi di debug. Gli strumenti MSO2000 e DPO2000 risolvono questi problemi offrendo trigger sui dati seriali, decodifica del protocollo e funzionalità di analisi ad elevata integrazione uniche in un oscilloscopio di fascia entry-level. La serie MSO2000, inoltre, consente di correlare nel tempo segnali analogici e digitali con un massimo di 4 canali analogici e 16 canali digitali, per permettere la risoluzione dei problemi relativi alle acquisizioni a segnali misti dei sistemi integrati.
