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Arquiteturas de memória de osciloscópio Por que toda memória de aquisição não é criada igualmente
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Débora Belo de Lacerda
1 Arquiteturas de memória de osciloscópio Por que toda memória de aquisição não é criada igualmente Nota de aplicação Introdução Muitas pessoas dizem que seus carros nunca poderiam ter autonomia demais ou suas casas serem grande demais. Em uma nota similar, muitos usuários de osciloscópio dizem que não existe excesso da memória de aquisição. Porém, assim como há compensações na autonomia de um carro (menor aceleração, por exemplo), ou no tamanho da casa (maior custo para aquecê-la/esfriá-la), dependendo da arquitetura de seu osciloscópio, pode haver sérias compensações para obter mais memória de aquisição. Nessa nota de aplicação, iremos falar sobre: Por que a memória de aquisição de um osciloscópio é importante Diferentes arquiteturas de osciloscópio e seus benefícios e desvantagens Diferentes técnicas para melhor utilizar a memória de aquisição de seu osciloscópio
2 Por que a memória de aquisição de um osciloscópio é importante A memória de aquisição é uma parte integral de qualquer osciloscópio. Na sua forma mais simples, o osciloscópio é composto de uma parte frontal, que realiza a aquisição do sinal analógico; esse sinal é então passado em um conversor analógico-digital, onde o sinal é digitalizado. Uma vez digitalizado, a informação precisa ser armazenada na memória (memória de aquisição), processada e traçada/ exibida. A memória de aquisição do osciloscópio está diretamente ligada à taxa de amostragem. Quanto mais memória você tiver, mais alta você consegue manter a taxa de amostragem do osciloscópio, conforme você captura longos períodos de tempo. Quanto maior a taxa de amostragem, maior a largura de banda efetiva do osciloscópio (até a largura de banda máxima da parte frontal do osciloscópio). Então, quanto mais profunda a memória, melhor o osciloscópio, certo? Se todos os fatores fossem iguais, a resposta seria sim. Vamos comparar dois osciloscópios com especificações similares, fora a profundidade da memória. Um é um osciloscópio de 1 GHz, com taxa de amostragem de 5GS/s e de pontos (4Mpts) de memória de aquisição (iremos chamar esse de arquitetura MegaZoom ). O outro é um osciloscópio de 1 GHz, com taxa de amostragem de 5GS/s e de pontos (20Mpts) de memória de aquisição (iremos chamar esse de arquitetura baseada em CPU ). A Tabela 1 mostra suas configurações de base de tempo comuns, além da taxa de amostragem. Há um simples cálculo para determinar a taxa de amostragem, dada uma configuração de tempo e uma quantidade de memória específicas(assumindo 10 divisões na tela e nenhuma memória fora da tela é capturada): Profundidade da memória / ((configuração do tempo por divisão) * 10 divisões) = taxa de amostragem (até a taxa de amostragem máxima dos ADCs) Por exemplo, vamos assumir uma configuração de base de tempo de 160uS/div e uma profundidade de memória máxima de amostras. Isso seria / ((160uS/div) * 10 divisões = 2,5GS/s. Como a tabela 1 mostra, quanto mais profunda a memória, maior a taxa de amostragem, conforme você se move para configurações de tempo/div mais lentas. Manter alta taxa de amostragem é importante, pois permite que o osciloscópio funcione em sua capacidade máxima. Há uma ampla variedade de profundidades de memória disponíveis nos osciloscópios de taxas de amostragem de 5GS/s, variando de pontos (10Kpts) até de pontos (1Gpts). 4Mpts de memória de aquisição 20Mpts de memória de aquisição 400 ps/div 5GS/s 5GS/s 1 ns/div 5GS/s 5GS/s 2 ns/div 5GS/s 5GS/s 4 ns/div 5GS/s 5GS/s 10 ns/div 5GS/s 5GS/s 20 ns/div 5GS/s 5GS/s 40 ns/div 5GS/s 5GS/s 100 ns/div 5GS/s 5GS/s 200 ns/div 5GS/s 5GS/s 400 ns/div 5GS/s 5GS/s 1 us/div 5GS/s 5GS/s 2 us/div 5GS/s 5GS/s 4 us/div 5GS/s 5GS/s 10 us/div 5GS/s 5GS/s 20 us/div 5GS/s 5GS/s 40 us/div 5GS/s 5GS/s 100 us/div 4GS/s 5GS/s 200 us/div 2GS/s 5GS/s 400 us/div 1GS/s 5GS/s 800 us/div 500MS/s 2.5GS/s 2 ms/div 200MS/s 1GS/s 4 ms/div 100MS/s 500MS/s 8 ms/div 50MS/s 250MS/s 20 ms/div 20MS/s 100MS/s Tabela 1: Taxas de amostragem para dois osciloscópios idênticos, exceto suas profundidades de memória, em configurações comuns de tempo por divisão. Arquiteturas de osciloscópio A profundidade de memória é claramente benéfica quando tratamos da taxa de amostragem. Então, quando ela não será vantajosa? Ela se torna um aspecto negativo quando faz com que seu osciloscópio fique tão lento, a ponto de que ele não mais ajude na depuração de um problema. A memória profunda causa uma grande pressão sobre o sistema. Alguns osciloscópios são configurados para lidar bem com esse problema e se mantêm responsivos, e com uma rápida taxa de atualização; outros tentam utilizar essa especificação apenas para marketing, mesmo ela não sendo realmente utilizável e diminuindo a taxa de atualização em ordens de magnitude. A taxa de atualização (algumas vezes chamada de tempo morto ) é o quão rápido um osciloscópio pode disparar, processar os dados capturados e então exibí-los em sua tela. Quanto maior a taxa de atualização, ou menor o tempo morto, é mais provável que você capture um evento não 2
3 frequente. Pessoas geralmente associam rápidas taxas de atualização com os osciloscópios analógicos de anos atrás. Felizmente, as novas arquiteturas, tal como a MegaZoom IV da Agilent, permitem taxas de atualização ainda mais rápidas do que o osciloscópio analógico mais rápido. Figura 1: O tempo morto do osciloscópio pode esconder eventos raros. Uma rápida taxa de atualização (o inverso do tempo morto) pode ajudar a aumentar as chances de visualizar esses eventos não frequentes. Vamos analisar os mesmos osciloscópios vistos no exemplo acima. A 20nS/ div (uma configuração rápida de base de tempo), ambos osciloscópios estão próximos de seu máximo para taxa de atualização, e nenhum está utilizando sua memória total, especificada nos folhetos de dados. Mas o que acontece quando olhamos em outra configuração de base de tempo, por exemplo, 400nS/div? O osciloscópio da arquitetura MegaZoom automaticamente ajusta sua profundidade de memória para manter a taxa de amostragem maximizada. O osciloscópio irá se comportar exatamente como você esperaria que um osciloscópio de memória profunda se comportasse (irá manter sua taxa de amostragem em 5GS/s e ainda apresentar uma taxa de atualização rápida). O osciloscópio de arquitetura baseada em CPU ainda está utilizando sua profundidade de memória padrão para manter o osciloscópio responsivo, mas não está mantendo a taxa de amostragem tão alta quanto deveria (e ainda apresentando uma taxa de atualização mais lenta). O que acontece se ajustarmos a profundidade de memória para manter a taxa de amostragem alta? Você começa a perceber as compensações de um osciloscópio de memória profunda, que não foi projetado para isso; o usuário tem que interferir e definir uma maior profundidade de memória, o que leva a taxa de amostragem ao seu máximo (5GS/s), porém a taxa de atualização é de apenas 1/6 em relação ao osciloscópio MegaZoom. E isso apenas piora conforme você olha para configurações de base de tempo mais lentas (por exemplo, a 4uS/div o osciloscópio MegaZoom possui uma taxa de atualização quase 20 vezes mais rápida que o osciloscópio baseado em CPU). Configuração de base de tempo MSO habilitado Taxa de amostragem Arquitetura MegaZoom Taxa de atualização Profundidade de memória Taxa de amostragem Arquitetura baseada em CPU Taxa de atualização Profundidade de memória 10nS/Div Não 5GS/s 1,090,000wfms/s Auto-ajuste 5GS/s 3,000wfms/s 10Kpts 20nS/Div Não 5GS/s 840,000wfms/s Auto-ajuste 5GS/s 64,000wfms/s 10Kpts 100nS/Div Sim 5GS/s 238,000wfm/s Auto-ajuste 5GS/s 120wfms/s 10Kpts 400nS/Div Não 5GS/s 74,000wfms/s Auto-ajuste 2,5GS/s 57,000wfms/s 10Kpts 400nS/Div Não 5GS/s 74,000wfms/s Auto-ajuste 5GS/s 12,400wfms/s 100Kpts 4uS/Div Não 5GS/s 7,800wfms/s Auto-ajuste 5GS/s 400wfms/s 1Mpts Tabela 2: Comparação de taxas de atualização, taxas de amostragem e profundidades de memória. 3
4 O que faz um osciloscópio projetado para memória profunda continuar responsiva, enquanto outro tem que alterar sua memória padrão para 10K? Muito se deve à arquitetura do osciloscópio. Em alguns instrumentos, o sistema CPU é um bloco integral da arquitetura ( arquitetura baseada em CPU ), sendo ele o item que indica o quão rápido o osciloscópio pode processar a informação e exibi-la na tela. Se o sistema CPU não for capaz de lidar com os registros de aquisição da memória profunda, ele irá aumentar o tempo necessário para processar e exibir os dados, portanto, diminuindo a taxa de atualização do osciloscópio (consideravelmente em alguns casos). Veja a Figura 2 para um exemplo dessa arquitetura. Figura 2: Diagrama de bloco da arquitetura baseada em CPU, mostrando como o sistema CPU é o gargalo para o processamento global da forma de onda. 4
5 Felizmente, há outra maneira. No osciloscópio projetado para memória profunda, utiliza-se um ASIC personalizado que elimina a necessidade do CPU do osciloscópio ser uma parte integral da arquitetura. Ainda há um sistema CPU? Claro, porém esse é utilizado para realizar processamento periférico dos dados, permitindo que o osciloscópio se foque no que faz melhor: exibir formas de onda. A Figura 3 mostra um exemplo de como é essa tecnologia inovadora no DSO da série 4000X da Agilent, que utiliza um ASIC personalizado (chamado MegaZoom IV) para proporcionar rápidas taxas de atualização, enquanto maximiza a memória e taxa de amostragem. Figura 3: Arquitetura MegaZoom com ASIC personalizado, realizando o traço de formas de onda da memória de aquisição. A memória e a arquitetura do osciloscópio estão tão interligadas que alguns problemas não podem ser resolvidos, mesmo definindo-se a profundidade de memória padrão em 10K. Por exemplo, um dos melhores aprimoramentos dos osciloscópios nos últimos 15 anos foi a adição de canais digitais, porém nem todos os canais digitais são implementados da mesma maneira. Na arquitetura baseada em CPU, discutida acima, a ligação de canais digitais causará uma desaceleração no osciloscópio, de modo que a taxa de atualização nunca será maior que 125 formas de onda por segundo, não importando a profundidade de memória ou a configuração de base de tempo (veja a Tabela 2 a 100nS/div, para um exemplo). Isso são ordens de magnitude menores que a taxa de atualização máxima especificada pelo fabricante. Por que isso acontece? Novamente, isso se deve à arquitetura do osciloscópio. Como você pode observar na Figura 2, os canais MSO não estão bem integrados à arquitetura baseada em CPU, o que exige que o sistema CPU seja responsável por exibilos. Com a arquitetura MegaZoom (Figura 3), você pode observar que os canais digitais são parte integral do ASIC personalizado, responsável pelo traço e exibição em todos os canais. Na arquitetura MegaZoom, você não irá perceber uma desaceleração significativa quando ligar os canais digitais. Outros recursos comuns, como interpolação Sinx/x, também podem causar lentidão do sistema baseado em CPU tanto que você irá perceber uma queda significativa na taxa de atualização enquanto estiver movendo entre as configurações de base de tempo, conforme o osciloscópio liga e desliga a interpolação Sinx/x (veja a Tabela 2 a10ns/ div para um exemplo). A arquitetura MegaZoom não apresenta esse problema. A responsividade de um osciloscópio é outra desvantagem do sistema baseado em CPU. Você já mudou a configuração de base de tempo de seu osciloscópio com memória profunda e então teve que esperar até ele responder? Ou você já tentou atualizar uma configuração e, como a resposta foi tão lenta, você foi além da configuração que queria obter? Isso se deve ao fato de que sistema CPU está processando os dados o mesmo problema que causa a diminuição da taxa de atualização, também causa a diminuição da responsividade do osciloscópio. 5
6 Como utilizar melhor sua memória de osciloscópio Até agora, tudo o que discutimos foi modos com o osciloscópio rodando e sendo utilizado continuamente, por exemplo, em depuração. Se você está analisando apenas uma aquisição de disparo único, novamente uma memória mais profunda é melhor, correto? Você não precisa de uma taxa de atualização rápida em uma aquisição de disparo único, e a responsividade do osciloscópio deve melhorar após o término da captura e exibição. Novamente essa seria a conclusão lógica, e em alguns casos ela está correta, mas, e se estivermos olhando um sinal que apresenta rajadas de informação, com uma quantidade significativa de tempo ocioso entre a informação (como um pulso de radar ou um barramento serial enviando quadros/pacotes)? Com um osciloscópio de memória tradicional, você utilizaria toda a memória para digitalizar o tempo ocioso e as rajadas esse não é o melhor uso da memória, dado que você apenas deseja as rajadas de sinal. Alguns osciloscópios oferecem um sistema de memória que possui uma capacidade chamada memória segmentada. A memória segmentada permite que você digitalize apenas uma porção escolhida da forma de onda, para que sua memória seja utilizada mais eficientemente. Vamos olhar um exemplo onde a memória segmentada pode ser vantajosa. Na Figura 4 você pode ver dois pulsos RF separados por um longo período de tempo ocioso. Em um osciloscópio de memória profunda tradicional, nós estamos digitalizando as rajadas e o tempo ocioso. Como você pode observar na Figura 4, a taxa de amostragem do osciloscópio (geralmente de 5GS/s) está em apenas 313Msa/s e isso apenas capturando dois dos pulsos! O que aconteceria se quiséssemos capturar 250 desses Figura 4: Dois pulsos RF espalhados no tempo. Observe a menor taxa de amostragem, pois o osciloscópio está digitalizando tanto os pulsos como o tempo ocioso entre eles. Figura 5: Primeiro pulso RF (1 de 250) capturado com a memória segmentada observe a maior taxa de amostragem (5GS/s) vs.o método tradicional na Figura 4, da captura de apenas DOIS pulsos (313Msa/s). 6
7 pulsos? A taxa de amostragem iria cair para menos de 10Msa/s e os pulsos não seriam identificáveis, pois estariam sub amostrados. Se quiséssemos capturar os 250 pulsos e todo o tempo ocioso entre eles, a uma taxa de amostragem de 5 GS/s, iríamos precisar de um osciloscópio com 5,0 gigapontos de memória ( ). Nenhum osciloscópio atual oferece essa profundidade de memória. Com a memória segmentada, nós fomos capazes de digitalizar a porção da forma de onda que nos interessa (a própria rajada) e ignorar todo o tempo ocioso entre elas. A Figura 5 mostra o primeiro pulso RF capturado com a memória segmentada observe que a taxa de amostragem era de 5GS/s e cada segmento apresentava marca de tempo, para que você saiba exatamente quando ele aconteceu, em relação ao disparo inicial. A Figura 6 mostra o pulso 250 e sua marca de tempo (996,004ms). O osciloscópio permite que você percorra e analise cada um dos segmentos (incluindo a decodificação de cada pacote/ quadro dos segmentos, se você estiver utilizando memória segmentada em um barramento serial). Ao combinar a arquitetura MegaZoom com a inteligência da memória segmentada, o usuário obtém não apenas os benefícios de um osciloscópio rápido e responsivo, como também a captura de tempo de um osciloscópio com muita profundidade de memória. Figura 6: Último pulso RF(#250) capturado com a memória segmentada observe que foi mantida a taxa de amostragem de 5GS/s e o tempo decorrido foi de quase 1 segundo. Resumo Enquanto um datasheet com um alto número de memória de aquisição possa ser tentador, você definitivamente deve considerar como você irá utilizar o osciloscópio. Em alguns casos, a memória mais profunda possível será a melhor opção, mas na maioria deles, o osciloscópio projetado para lidar com a memória profunda será a melhor opção e irá causar menor frustração, sem os modos de operação lentos e estranhos. Adicionalmente, algumas novas melhorias em como utilizar eficientemente a memória de seu osciloscópio podem aumentar bastante as suas capacidades. 7
8 Literatura relacionada Título Tipo Número da publicação Osciloscópios InfiniiVision da série 4000X da Agilent Folheto de dados EN Pontas de prova & acessórios do osciloscópio InfiniiVision Folheto de dados EN Avaliando osciloscópios para melhores taxas de atualização de Nota de aplicação EN forma de onda Capacidade do osciloscópio de exibição de impacto na qualidade, para visualização de detalhes sutis do sinal Nota de aplicação EN Para baixar esses documentos, insira o número da publicação na URL: com/ litweb/pdf/xxxx-xxxxen.pdf Website do produto Para obter a mais completa e recente informação das aplicações e produtos, visite a página: 8
9 Osciloscópios da Agilent Technologies Múltiplos tamanhos, de 20MHza >90GHz Especifi cações líderes da indústria Aplicações poderosas 9
10 TM myagilent myagilent Uma visualização personalizada com as informações mais relevantes para você. Extensões AdvancedTCA para instrumentação e teste (AXIe) é um padrão aberto, que extende o AdvancedTCA para teste de semicondutor e uso geral. Agilent é um membro fundador do consórcio AXIe. Extensões LAN para instrumentos colocam a potência Ethernet e Web em seus sistemas de teste. Agilent é um membro fundador do consórcio LXI. Extensões PCI para instrumentação modular (PXI) proporcionam um sistema de medição e automação robusto, de alto desempenho e baseado em PC. Canal de parceiros da Agilent Obtenha o melhor de dois mundos: a experiência em medição e variedade de produtos da Agilent, combinada com a conveniência do canal de parceiros. Agilent Technologies Brasil Ltda. Avenida Marcos Penteado de Ulhoa Rodrigues, andar Castelo Branco Office Park Torre Jacarandá - Tamboré Barueri, São Paulo CEP: SP Tel.: (11) Fax.: (11) O Serviço de Vantagens da Agilent está comprometido com seu sucesso, durante a vida útil de seu equipamento. Nós compartilhamos experiência em medição e serviço, ajudando a criar os produtos que mudam nosso mundo. Para mantê-lo competitivo, nós investimos em ferramentas e processos que aceleram calibração e reparo, reduzindo custo de propriedade, e nos movendo à frente de sua curva de desenvolvimento. Windows é marca registrada de Microsoft Corporation. Para maiores informações sobre os produtos, aplicações ou serviços da Agilent Technologies, entre em contato com o seu escritório local da Agilent. A lista completa está disponível em: Américas Canadá (877) Brasil (11) México Estados Unidos (800) Ásia Pacífico Austrália China Hong Kong Índia Japão 0120 (421) 345 Coreia Malásia Cingapura Taiwan Outros países (65) Europa & Oriente Médio Bélgica 32 (0) Dinamarca Finlândia 358 (0) França * *0,125 /minuto Alemanha 49 (0) Irlanda Israel /544 Itália Holanda 31 (0) Espanha 34 (91) Suécia Reino Unido 44 (0) Para outros países não listados: Revisado: 6 de janeiro de 2012 Especificações e descrições de produto estão sujeitas a alterações sem aviso prévio. Agilent Technologies, Inc Impresso no Brasil, 10 de outubro de PTBR
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