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
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 4.000.000 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 20.000.000 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 4.000.000 amostras. Isso seria 4.000.000 /
((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 10.000 pontos (10Kpts) até 1.000.000.000 de
pontos (1Gpts).
2
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
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).
Arquitetura MegaZoom
Configuração
de base de
tempo
MSO
habilitado
Taxa de
amostragem
Taxa de
atualização
Profundidade
de memória
Arquitetura baseada em CPU
Taxa de
amostragem
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
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
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
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
6
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).
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 (5.000.000.000).
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
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Tipo
Número da publicação
Osciloscópios InfiniiVision da série 4000X da Agilent
Folheto de dados
5990-1103EN
Pontas de prova & acessórios do osciloscópio InfiniiVision
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para visualização de detalhes sutis do sinal
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5989-2003EN
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Revisado: 6 de janeiro de 2012
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