Oggi è una giornata storica per la strumentazione elettronica: oscilloscopio e analizzatore di spettro si sono felicemente sposati.

Le nozze sono state celebrate da Tektronix, che ha trasformato il suo celeberrimo oscilloscopio per segnali misti MSO4000 in un nuovo tipo di strumento, mai esistito prima, che è stato battezzato MDO (Mixed Domain Oscilloscope).

In sostanza, alla capacità di analisi di segnali analogici, segnali digitali e bus seriali, già presenti negli oscilloscopi per segnali misti, nel nuovo tipo di strumento presentato da Tektronix, che ci permettiamo di chiamare oscilloscopio multi dominio, è stata affiancato un canale di ingresso indipendente a radiofrequenza, che permette di eseguire l’analisi spettrale nel dominio della frequenza correlando i risultati con le acquisizioni nel dominio del tempo dei classici canali già presenti nell’oscilloscopio.

Entriamo un po’ più nei dettagli di come funziona questo nuovo tipo di strumento di misura e cerchiamo di scoprire in quali tipi di applicazioni potrebbe risultare particolarmente utile.

A cosa serve l’oscilloscopio multidominio

Tektronix è partita da una considerazione: nel 2011 verranno attivati 1 miliardo di nuovi dispositivi wireless di ogni genere e già oggi il 38% dei progetti embedded utilizza un qualche sistema di comunicazione senza fili.

Quindi, durante lo sviluppo e la messa a punto di un nuovo progetto servirà sempre più frequentemente affiancare un analizzatore di spettro ad un oscilloscopio.

Diverrà sempre più comune chiedersi, ad esempio, cosa succede durante l’accensione di un VCO/PLL, oppure dover misurare le caratteristiche di un segnale RF durante un transitorio dovuto al cambio di frequenza.

Oppure ancora verificare la latenza tra l’avvio di un comando digitale e l’effettiva emissione del segnale a radiofrequenza.

E se qualcosa non funziona? Ad esempio, come correlare la comparsa di interferenze spurie con quanto accade nel resto del circuito? E quali sono gli effetti di un cambio di stato dell’alimentatore sullo spettro del segnale emesso.

Si potrebbe continuare all’infinito. La patria dell’oscilloscopio multidominio sono i sistemi embedded dove convivono segnali analogici, segnali digitali e comunicazioni a radiofrequenza, una combinazione sempre più comune sui banchi di lavoro di molti progettisti elettronici.

Come funziona l’oscilloscopio multidominio

Partiamo da ciò che conosciamo già, cioè la piattaforma di oscilloscopi per segnali misti DSO4000 di Tektronix, una gamma di strumenti dotata di 4 canali di acquisizione analogici e 16 canali di acquisizione digitali che può essere potenziata con numerose funzionalità di decodifica e trigger automatica di bus seriali.

Nella parte destra del pannello frontale dei nuovi oscilloscopio multi dominio MDO 4000 notiamo subito la novità: un connettore di tipo N (tipico degli analizzatori di spettro) per l’ingresso supplementare a radiofrequenza. I nuovi oscilloscopi Tektronix MDO 4000 sono quindi strumenti a 21 canali: 4 analogici, 16 digitali e 1 a radiofrequenza.

Focalizziamoci sul nuovo ingresso a radiofrequenza (con banda di 3 o 6 GHz a seconda del modello). Di fatto il nostro oscilloscopio può ora funzionare anche da analizzatore di spettro, ma con un’importante caratteristica in più, che non esiste negli analizzatori di spettro tradizionali: la larghezza di banda catturata e visualizzata sulla traccia senza interruzioni è di ben 3 GHz, anziché i classici 10 MHz tipici degli analizzatori di spettro.

Che significa? Ad esempio che è possibile analizzare uno spettro largo 1 GHz (impostazione dello span di 1 GHz) in un sol colpo, mentre un analizzatore di spettro tradizionale effettua la stessa misura molto più lentamente, sovrapponendo tipicamente porzioni di singoli spettri da 10 MHz affiancate tra loro.

L’enorme larghezza di spettro analizzabile istantaneamente dall’oscilloscopio multidominio deriva dalla sua architettura interna, molto più simile a quella dell’oscilloscopio che a quella di un analizzatore di spettro classico. L’analisi di spettro avviene, infatti, digitalizzando ad altissima velocità (10 Gs/s) il segnale catturato dall’ingresso a larga banda del canale a radiofrequenza e memorizzandolo nell’estremamente capiente memoria di acquisizione dello strumento. Dopo aver acquisito e digitalizzato il segnale nel dominio del tempo, ne viene eseguita la sua elaborazione numerica (sostanzialmente mediante tecniche FFT evolute) e ricavato lo spettro che viene mostrato sulla traccia.

Attenzione, applicare la FFT a un segnale catturato dell’oscilloscopio non sarebbe certo una novità, si tratta di una funzione disponibile anche in molti modelli a basso costo. Qui stiamo parlando di molto di più: di un vero e proprio sistema di acquisizione indipendente ad altissima velocità ottimizzato per la radiofrequenza e ad essa dedicato. In un oscilloscopio classico con FFT, il sistema di acquisizione è unico e generalmente ottimizzato per l’analisi nel dominio del tempo. Negli oscilloscopi multi dominio i sistemi di acquisizione sono due ed entrambi ad altissima velocità di campionamento: uno è dedicato ai 4 canali analogici e ottimizzato e le analisi nel dominio del tempo, l’altro è dedicato alla radiofrequenza e ottimizzato per l’analisi nel dominio della frequenza.

Negli oscilloscopi multidominio Tektronix MDO4000 le prestazioni dell’ingresso a radiofrequenza sono confrontabili a livello di rumore e accuratezza a quella di una analizzatore di spettro di base, ma le funzionalità di analisi sono invece decisamente di classe superiore. Oltre alla già citata larghezza dello spettro analizzabile in solo colpo, la strumento può riprodurre lo spettrogramma, ossia una visualizzazione grafica che consente di valutare rapidamente e in modo intuitivo le variazioni nel tempo dello spettro, per esempio per controllare deviazioni e oscillazioni delle frequenze portante e/o i relativi salti di frequenza.

Inoltre, lo strumento mantenere automaticamente più marker visualizzati sui vari picchi dello spettro identificati, senza alcun intervento manuale, un’altra funzione molto utile e che semplifica la vita quotidiana.

Ma se già nel funzionamento da singolo analizzatore di spettro le doti del nuovo oscilloscopio multidominio appaiono molto interessanti, è nel suo uso congiunto con gli altri canali dell’oscilloscopio che si può apprezzare la vera “rivoluzione copernicana” offerta da questo strumento.

Nella modalità di visualizzazione congiunta “tempo-frequenza”, lo schermo è suddiviso in due, sopra le tracce dei 4 canali analogici nel dominio del tempo, sotto lo spettro calcolato sull’ingresso a radiofrequenza, il tutto perfettamente sincronizzato!

E’ veramente come avere oscilloscopio e analizzatore di spettro nella stessa scatola, ma con l’enorme vantaggio del trigger integrato, i due strumenti sono intrinsecamente sincroni.

Schema tipico di un PLL e punti di misura

Misure multidominio su un PLL

Nell’esempio riportato si sta osservando un PLL controllato a microcontrollore: la traccia 1 (catturata con un canale analogico) è la linea di abilitazione del VCO, la traccia 2 (catturata un canale analogico) la tensione di comando che varia la frequenza del generatore, la traccia 3 (catturata con gli ingressi digitali) è la decodifica del bus seriale dal quale provengono i comandi di cambio frequenza, mentre la traccia 4 è lo spettro del segnale d’uscita (catturato l’ingresso RF).

Sembra pura magia, ma è tutto vero. Ci si muove sul cursore di una traccia nel dominio del tempo, e istantaneamente lo spettro del segnale a radiofrequenza viene aggiornato allo stesso istante di tempo corrispondente.

L’intervallo di tempo corrispondente al momento nel quale è stato calcolato lo spettro visualizzato (spectrum time) è indicato con una barretta colorata di giallo ambra riportata sia nella visualizzazione sintetica dell’asse temporale dell’acquisizione in cima allo schermo, sia nella zona inferiore dello schermo dedicata alle tracce nel dominio del tempo.

Un’altra funzione interessante è la visualizzazione della variazione di un parametro dello spettro, per esempio della frequenza centrale, riportata insieme alle tracce dei segnali analogici e digitali che costituiscono il circuito che la genera. Si tratta di una misura che era impossibile fino ad oggi eseguire con uno strumento unico.

Qual è il limite? Di fatto solo la lunghezza temporale dell’acquisizione che è limitata dalla quantità di memoria interna disponibile.

E le prospettive future? Non è difficile immaginare che le funzionalità dello strumento vengano potenziate mediante la disponibilità di software di analisi. Ad esempio, visto che all’interno dello strumento il segnale RF viene convertito digitalmente si potrebbero potenzialmente effettuare analisi di modulazione interpretando opportunamente le componenti I e Q di un segnale campionato.

Oppure si potrebbe immaginare l’aggiunta di un secondo canale RF per studiare le funzioni di traferimento di dispositivi wireless,

Per ora sono solo nostre fantasie, ma certamente nei laboratori di Tektronix qualcuno le starà valutando concretamente.

I modelli disponibili della serie Tekronix MDO4000

I modelli della nuova famiglia di oscilloscopi multi dominio Tektronix MDO4000 sono attualmente quattro, che differiscono per le combinazioni di larghezza di banda dei canali analogici e del canale a radiofrequenza.

Tutte le altre caratteristiche sono analoghe a quelle degli equivalenti della serie Tektronix MSO4000.

I prezzi di listino partono da € 17.700 per il modello con 4 canali analogici da 500 MHz, sedici canali digitali e canale a radiofrequenza da 3 GHz.