Primer
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`XYZs of Oscilloscopes
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`Analog Oscilloscope
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`Amp
`
`Delay Line
`
`Trigger
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`Vert
`Amp
`
`Horiz
`Amp
`
`Display
`
`Digital Storage Oscilloscope
`
`Amp
`
`A/D
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`DeMux
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`Acquisition
`Memory
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`µP
`
`Display
`Memory
`
`Display
`
`Digital Phosphor Oscilloscope
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`DPX
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`Digital
`Phosphor
`
`Amp
`
`A/D
`
`Acquisition
`Rasterizer
`
`Display
`Memory
`
`Display
`
`µP
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`Copyright © 2000 Tektronix, Inc. All rights reserved.
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`1
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`PI 2008
`Semiconductor Components v. Power Integrations
`IPR2016-01600
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`2
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`X Y Zs of Osc illosc opes
`
`Introduction
`
`The oscilloscope is an essential tool if you plan to design or repair electronic
`equipment. It lets you “see” electrical signals.
`Energy, vibrating particles, and other invisible forces are everywhere in our
`physical universe. Sensors can convert these forces into electrical signals that
`you can observe and study with an oscilloscope. Oscilloscopes let you “see”
`events that occur in a split second.
`
`Why Read This Book?
`If you are a scientist, engineer, technician, or electronics hobbyist, you should
`know how to use an oscilloscope. The concepts presented here provide you
`with a good starting point.
`If you are using an oscilloscope for the first time, read this book to get a solid
`understanding of oscilloscope basics. Then, read the manual provided with
`your oscilloscope to learn specific information about how to use it in your
`work. After reading this book, you will be able to:
`• Describe how oscilloscopes work
`• Describe the difference between analog, digital storage, and digital phosphor
`oscilloscopes
`• Describe electrical waveform types
`• Understand basic oscilloscope controls
`• Take simple measurements
`If you come across an unfamiliar term in this book, check the glossary in the
`back for a definition.
`This book serves as a useful classroom aid. It includes vocabulary and multiple
`choice written exercises on oscilloscope theory and controls. You do not need
`any mathematical or electronics knowledge. This book emphasizes teaching you
`about oscilloscopes – how they work, how to choose the right one, and and how
`to make it work for you.
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`ii
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`XYZs of Oscilloscopes
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`Contents
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`Introduction· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · i
`Why Read This Book? · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · i
`
`The Oscilloscope · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1
`What Can You Do With an Oscilloscope? · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2
`Analog, Digital Storage, and Digital Phosphor Oscilloscopes · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2
`How Oscilloscopes Work · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3
`Analog Oscilloscopes · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3
`Digital Storage Oscilloscopes · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4
`Digital Phosphor Oscilloscopes · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4
`Sampling Methods · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5
`Real-Time Sampling with Interpolation · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5
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`Oscilloscope Terminology · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7
`Measurement Terms · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7
`Types of Waves · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7
`Sine Waves · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7
`Square and Rectangular Waves · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8
`Sawtooth and Triangle Waves · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8
`Step and Pulse Shape · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8
`Complex Waves · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8
`Waveform Measurements · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9
`Frequency and Period · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9
`Voltage · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9
`Phase · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9
`Performance Terms · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9
`Bandwidth · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9
`Rise Time · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9
`Effective Bits · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9
`Frequency Response · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10
`Vertical Sensitivity · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10
`Sweep Speed · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10
`Gain Accuracy · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10
`Time Base or Horizontal Accuracy · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10
`Sample Rate · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10
`ADC Resolution (or Vertical Resolution) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10
`Record Length · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10
`Waveform Capture Rate · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10
`
`Setting Up · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11
`Grounding · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11
`Ground the Oscilloscope · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11
`Ground Yourself · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11
`Setting the Controls · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11
`Probes · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 12
`“Intelligent” Probe Interfaces · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 12
`Using Passive Probes · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 12
`Using Active Probes · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 13
`Using Current Probes · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 13
`Where to Clip the Ground Clip · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 13
`Compensating the Probe · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 14
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`iiiiii
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`5
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`The Controls · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 15
`Display Controls · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 15
`Vertical Controls · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 15
`Position and Volts per Division · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 15
`Input Coupling · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 15
`Bandwidth Limit · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 16
`Alternate and Chop Display · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 16
`Math Operations · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 17
`Horizontal Controls · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 17
`Position and Seconds per Division · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 17
`Time Base Selections · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 17
`Trigger Position · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 17
`Zoom · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 18
`XY Mode · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 18
`The Z Axis · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 18
`XYZ Mode · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 18
`Trigger Controls · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 18
`Trigger Level and Slope · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 19
`Trigger Sources · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 19
`Trigger Modes · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 19
`Trigger Coupling · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 20
`Trigger Holdoff · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 20
`Digitizing Oscilloscope Triggers · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 20
`Acquisition Controls for Digitizing Oscilloscopes · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 21
`Acquisition Modes · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 21
`Stopping and Starting the Acquisition System · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 22
`Sampling Methods · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 22
`Other Controls · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 22
`
`Measurement Techniques · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 23
`The Display · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 23
`Voltage Measurements · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 23
`Time and Frequency Measurements · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 24
`Pulse and Rise Time Measurements · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 24
`Phase Shift Measurements · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 25
`Waveform Measurements with Digitizing Oscilloscopes · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 26
`What’s Next? · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 26
`
`Written Exercises · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 27
`Part I Exercises · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 28
`Part II Exercises · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 30
`Answers to Written Exercises · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 34
`
`Glossary · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 35
`
`
`
`iviv
`
`6
`
`

`
`The Oscilloscope
`
`What is an oscilloscope, what can you do with it,
`and how does it work? This section answers these
`fundamental questions.
`The oscilloscope is basically a graph-displaying
`device – it draws a graph of an electrical signal (see
`Figure 1). In most applications the graph shows how
`signals change over time: the vertical (Y) axis repre-
`sents voltage and the horizontal (X) axis represents
`time. The intensity or brightness of the display is
`sometimes called the Z axis. This simple graph can
`tell you many things about a signal. Here are a few:
`• You can determine the time and voltage values of
`a signal
`• You can calculate the frequency of an oscillating
`signal
`• You can see the “moving parts” of a circuit repre-
`sented by the signal
`
`• You can tell how often a particular portion of the
`signal is occurring relative to other portions
`• You can tell if a malfunctioning component is
`distorting the signal
`• You can find out how much of a signal is direct
`current (DC) or alternating current (AC)
`• You can tell how much of the signal is noise and
`whether the noise is changing with time
`An oscilloscope’s front panel includes a display
`screen and the knobs, buttons, switches, and indica-
`tors used to control signal acquisition and display.
`Front-panel controls normally are divided into
`Vertical, Horizontal, and Trigger sections, and in
`addition, there are display controls and input
`connectors. See if you can locate these front-panel
`sections in Figures 2 and 3 as well as on your
`oscilloscope.
`
`Figure 1. X, Y, and Z Components of a displayed waveform.
`
`Figure 2. The TAS 465 Analog Oscilloscope front panel.
`
`1
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`7
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`Figure 3. The TDS 784D Digital Phosphor Oscilloscope front panel.
`
`What Can You Do With an
`Oscilloscope?
`Oscilloscopes are used by everyone from television
`repair technicians to physicists. They are indispens-
`able for anyone designing or repairing electronic
`equipment.
`The usefulness of an oscilloscope is not limited to
`the world of electronics. With the proper transducer,
`an oscilloscope can measure all kinds of phenomena.
`A transducer is a device that creates an electrical
`signal in response to physical stimuli, such as
`sound, mechanical stress, pressure, light, or heat. For
`example, a microphone is a transducer that converts
`sound to an electrical signal.
`An automotive engineer uses an oscilloscope to
`measure engine vibrations. A medical researcher
`uses an oscilloscope to measure brain waves. The
`possibilities are endless.
`
`Analog, Digital Storage, and Digital
`Phosphor Oscilloscopes
`Electronic equipment can be divided into two types:
`analog and digital. Analog equipment works with
`continuously variable voltages, while digital equip-
`ment works with discrete binary numbers that may
`represent voltage samples. For example, a conven-
`
`tional phonograph is an analog device, while a
`compact disc player is a digital device.
`Oscilloscopes also come in analog and digitizing
`types (see Figure 5). Fundamentally an analog oscil-
`loscope works by applying the measured signal
`voltage directly to an electron beam moving across
`the oscilloscope screen (usually a cathode-ray tube,
`CRT). The back side of the screen is treated with a
`coating that phosphoresces wherever the electron
`beam hits it. The signal voltage deflects the beam up
`and down proportionally, tracing the waveform on
`the screen. The more frequently the beam hits a
`particular screen location, the more brightly it glows.
`This gives an immediate picture of the waveform.
`The range of frequencies an analog scope can display
`is limited by the CRT. At very low frequencies, the
`signal appears as a bright, slow-moving dot that’s
`difficult to distinguish as a waveform. At high
`frequencies, the CRT’s “writing speed” defines the
`limit. When the signal frequency exceeds the CRT’s
`writing speed, the display becomes too dim to see.
`The fastest analog scopes can display frequencies up
`to about 1 GHz.
`In contrast, a digitizing oscilloscope uses an analog-
`to-digital converter (ADC) to convert the voltage
`being measured into digital information. The digi-
`tizing scope acquires the waveform as a series of
`
`Figure 4. An example of scientific data gathered by an oscilloscope.
`
`2
`
`8
`
`

`
`samples. It stores these samples until it accumulates
`enough samples to describe a waveform, and then re-
`assembles the waveform for viewing on the screen.
`The conventional digitizing scope is known as a
`DSO – Digital Storage Oscilloscope. Its display
`doesn’t rely on luminous phosphor; instead, it uses a
`raster-type screen.
`Recently a third major oscilloscope architecture has
`emerged: the Digital Phosphor Oscilloscope (DPO).
`The DPO is a digitizing scope that faithfully
`emulates the best display attributes of the analog
`scope and provides the benefits of digital acquisition
`and processing as well. Like the DSO, the DPO uses a
`raster screen. But instead of a phosphor, it employs
`special parallel processing circuitry that delivers a
`crisp, intensity-graded trace.
`For both DSOs and DPOs, the digital approach
`means that the scope can display any frequency
`within its range with equal stability, brightness, and
`clarity. The digitizing oscilloscope’s frequency range
`is determined by its sample rate, assuming that its
`probes and vertical sections are adequate for the
`task.
`For many applications either an analog or digitizing
`oscilloscope will do. However, each type has unique
`characteristics that may make it more or less suitable
`for specific tasks.
`People often prefer analog oscilloscopes when it’s
`important to display rapidly varying signals in “real
`time” (as they occur). The analog scope’s chemical
`phosphor-based display has a characteristic known
`as “intensity grading” which makes the trace brighter
`wherever the signal features occur most often. This
`makes it easy to distinguish signal details just by
`looking at the trace’s intensity levels.
`Digital storage oscilloscopes allow you to capture
`and view events that may happen only once – “tran-
`sient” events. Because the waveform information is
`in digital form (a series of stored binary values), it
`can be analyzed, archived, printed, and otherwise
`processed within the scope itself or by an external
`computer. The waveform doesn’t need to be contin-
`uous; even when the signal disappears, it can be
`displayed. However, DSOs have no real-time inten-
`sity grading; therefore they cannot express varying
`levels of intensity in the live signal.
`The Digital Phosphor Oscilloscope breaks down the
`barrier between analog and digitizing scope tech-
`nologies. It’s equally suitable for viewing high
`frequencies or low, repetitive waveforms, transients,
`and signal variations in real time. Among digitizing
`scopes, only the DPO provides the Z (intensity) axis
`that’s missing from conventional DSOs.
`
`How Oscilloscopes Work
`To better understand the oscilloscope’s many uses,
`you need to know a little more about how oscillo-
`scopes display a signal. Although analog oscillo-
`scopes work somewhat differently than digitizing
`oscilloscopes, some of the internal systems are
`similar. Analog oscilloscopes are simpler in concept
`and are described first, followed by a description of
`digitizing oscilloscopes.
`
`Figure 5. Analog and digitizing oscilloscopes display waveforms.
`
`Amp
`
`Delay Line
`
`Trigger
`
`Vert
`Amp
`
`Horiz
`Amp
`
`Display
`
`Figure 6. Analog oscilloscope block diagram.
`
`Analog Oscilloscopes
`When you connect an oscilloscope probe to a circuit,
`the voltage signal travels through the probe to the
`vertical system of the oscilloscope. Figure 6 is a
`simple block diagram that shows how an analog
`oscilloscope displays a measured signal.
`Depending on how you set the vertical scale
`(volts/div control), an attenuator reduces the signal
`voltage or an amplifier increases the signal voltage.
`Next, the signal travels directly to the vertical deflec-
`tion plates of the cathode ray tube (CRT). Voltage
`applied to these deflection plates causes a glowing
`dot to move. (An electron beam hitting the phosphor
`inside the CRT creates the glowing dot.) A positive
`voltage causes the dot to move up while a negative
`voltage causes the dot to move down.
`The signal also travels to the trigger system to start or
`trigger a “horizontal sweep.” Horizontal sweep is a
`term referring to the action of the horizontal system
`causing the glowing dot to move across the screen.
`Triggering the horizontal system causes the hori-
`zontal time base to move the glowing dot across the
`screen from left to right within a specific time
`interval. Many sweeps in rapid sequence cause the
`movement of the glowing dot to blend into a solid
`line. At higher speeds, the dot may sweep across the
`screen up to 500,000 times each second.
`Together, the horizontal sweeping action and the
`vertical deflection action traces a graph of the signal
`
`3
`
`9
`
`

`
`Figure 7. Triggering stabilizes a repeating waveform.
`
`on the screen. The trigger is necessary to stabilize a
`repeating signal. It ensures that the sweep begins at
`the same point of a repeating signal, resulting in a
`clear picture as shown in Figure 7.
`In summary, when using an analog oscilloscope (or
`any type of oscilloscope), you need to adjust three
`basic settings to accommodate an incoming signal:
`• The attenuation or amplification of the signal.
`Use the volts/div control to adjust the amplitude
`of the signal to the desired measurement range
`• The time base. Use the sec/div control to set the
`amount of time per division represented horizon-
`tally across the screen
`• The triggering of the oscilloscope. Use the trigger
`level to stabilize a repeating signal, or for trig-
`gering on a single event
`In addition, analog scopes have focus and intensity
`controls that can be adjusted to create a sharp,
`legible display.
`
`Digital Storage Oscilloscopes
`Some of the systems that make up DSOs are the same
`as those in analog oscilloscopes; however, digitizing
`oscilloscopes contain additional data processing
`systems (see Figure 8). With the added systems, the
`digitizing oscilloscope collects data for the entire
`waveform and then displays it.
`The first (input) stage of a DSO is a vertical amplifier,
`just like the analog oscilloscope’s. Vertical attenua-
`tion controls allow you to adjust the amplitude range
`of this stage.
`Next, the analog-to-digital converter (ADC) in the
`acquisition system samples the signal at discrete
`points in time and converts the signal’s voltage at
`these points to digital values called sample points.
`The horizontal system’s sample clock determines
`how often the ADC takes a sample. The rate at which
`
`the clock “ticks” is called the sample rate and is
`expressed in samples per second.
`The sample points from the ADC are stored in
`memory as waveform points. More than one sample
`point may make up one waveform point.
`Together, the waveform points make up one wave-
`form record. The number of waveform points used to
`make a waveform record is called the record length.
`The trigger system determines the start and stop
`points of the record. The display receives these
`record points after being stored in memory.
`Depending on the capabilities of your oscilloscope,
`additional processing of the sample points may take
`place, enhancing the display. Pretrigger may be
`available, allowing you to see events before the
`trigger point.
`Note that the DSO’s signal path includes a micro-
`processor. The measured signal passes through this
`device on its way to the display. In addition to
`processing the signal, the microprocessor coordi-
`nates display activities, manages the front-panel
`controls, and more. This is known as a “serial
`processing” architecture.
`
`Digital Phosphor Oscilloscopes
`The Digital Phosphor Oscilloscope (DPO) offers a
`new approach to oscilloscope architecture. Like the
`analog oscilloscope, its first stage is a vertical ampli-
`fier; like the DSO, its second stage is an ADC. But
`after the analog-to-digital conversion, the DPO looks
`quite different from the DSO. It has special features
`designed to recreate the intensity grading of an
`analog CRT.
`Rather than relying on a chemical phosphor as an
`analog scope does, the DPO has a purely electronic
`Digital Phosphor that’s actually a continuously
`updated data base. This data base has a separate
`
`Amp
`
`A/D
`
`DeMux
`
`Acquisition
`Memory
`
`µP
`
`Display
`Memory
`
`Display
`
`Figure 8. Digital storage oscilloscope block diagram – “serial processing.”
`
`4
`
`10
`
`

`
`DPX
`
`Digital
`Phosphor
`
`Amp
`
`A/D
`
`Acquisition
`Rasterizer
`
`Display
`Memory
`
`Display
`
`µP
`
`Figure 9. Digital phosphor oscilloscope block diagram – “Parallel Processing.”
`
`“cell” of information for every single pixel in the
`scope’s display. Each time a waveform is captured
`(in other words, every time the scope triggers), it is
`mapped into the Digital Phosphor database’s cells.
`Each cell representing a screen location that is
`touched by the waveform gets reinforced with inten-
`sity information. Others do not. Thus intensity infor-
`mation builds up in cells where the waveform passes
`most often.
`When the Digital Phosphor database is fed to the
`oscilloscope’s display, the display reveals intensified
`waveform areas, in proportion to the signal’s
`frequency of occurrence at each point – much like
`the intensity grading characteristics of an analog
`oscilloscope (unlike an analog scope, though, the
`DPO allows the varying levels to be expressed in
`contrasting colors if you wish). With a DPO, it’s easy
`to see the difference between a waveform that occurs
`on almost every trigger and one that occurs, say,
`every 100th trigger.
`Importantly, the DPO uses a parallel processing
`architecture to achieve all this manipulation without
`slowing down the whole acquisition process. Like
`the DSO, the DPO uses a microprocessor for display
`management, measurement automation, and
`analysis. But the DPO’s microprocessor is outside the
`acquisition/display signal path (see Figure 9), where
`it doesn’t affect the acquisition speed.
`
`Sampling Methods
`Digitizing oscilloscopes – DSO or DPO – can use
`either real-time, interpolated real-time, or equiva-
`lent-time sampling to collect sample points. Real-
`time sampling is ideal for signals whose frequency is
`less than half the scope’s maximum sample rate.
`Here, the oscilloscope can acquire more than enough
`points in one “sweep” of the waveform to construct
`an accurate picture (see Figure 10). Note that real-
`time sampling is the only way to capture single-shot
`transient signals with a digitizing scope.
`When measuring high-frequency signals, the oscillo-
`scope may not be able to collect enough samples in
`
`one sweep. There are two solutions for accurately
`acquiring signals whose frequency exceeds half the
`oscilloscope’s sample rate:
`• Collect a few sample points of the signal in a
`single pass (in real-time mode) and use interpola-
`tion to fill in the gaps. Interpolation is a
`processing technique to estimate what the wave-
`form looks like based on a few points
`• Build a picture of the waveform by acquiring
`samples from successive cycles of the waveform,
`assuming the signal repeats itself (equivalent-time
`sampling mode)
`
`Real-Time Sampling with Interpolation
`Digitizing oscilloscopes take discrete samples of the
`signal which can be displayed. However, it can be
`difficult to visualize the signal represented as dots,
`especially because there may be only a few dots
`representing high-frequency portions of the signal.
`To aid in the visualization of signals, digitizing oscil-
`loscopes typically have interpolation display modes.
`In simple terms, interpolation “connects the dots.”
`Using this process, a signal that is sampled only a
`few times in each cycle can be accurately displayed.
`However, for accurate representation of the signal,
`the sample rate should be at least four times the
`bandwidth of the signal.
`Linear interpolation connects sample points with
`straight lines. This approach is limited to recon-
`
`Figure 10. Real-time sampling.
`
`5
`
`11
`
`

`
`structing straight-edged signals such as square
`waves.
`The more versatile sin x/x interpolation connects
`sample points with curves (see Figure 11). Sin x/x
`interpolation is a mathematical process in which
`points are calculated to fill in the time between the
`real samples.
`This form of interpolation lends itself to curved and
`irregular signal shapes, which are far more common
`in the real world than pure square waves and pulses.
`Consequently, sin x /x interpolation is the preferred
`method for most applications.
`Some digitizing oscilloscopes can use equivalent-
`time sampling to capture very fast repeating signals.
`Equivalent-time sampling constructs a picture of a
`repetitive signal by capturing a little bit of informa-
`tion from each repetition (see Figure 12). The wave-
`form slowly builds up like a string of lights going on
`one-by-one. With sequential sampling, the points
`appear from left to right in sequence; with random
`sampling, the points appear randomly along the
`waveform.
`
`Figure 11. Linear and sine interpolation.
`
`Figure 12. Equi