XYZs of Oscilloscopes Table of Contents Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Signal Integrity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 - 6 The Significance of Signal Integrity . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Why is Signal Integrity a Problem? . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Viewing the Analog Origins of Digital Signals . . . . . . . . . 6 The Oscilloscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 - 12 Understanding Waveforms & Waveform Measurements . .7 Types of Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Sine Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Square and Rectangular Waves . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Sawtooth and Triangle Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Step and Pulse Shapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Periodic and Non-periodic Signals . . . . . . . . . . . . . . 9 Synchronous and Asynchronous Signals . . . . . . . . . 9 Complex Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Waveform Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 Frequency and Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Waveform Measurements with Digital Oscilloscopes 12 Types of Oscilloscopes 13 - 17 Digital Storage Oscilloscopes 13 Digital Phosphor Oscilloscopes 15 Mixed Signal Oscilloscopes 16 Digital Sampling Oscilloscopes 17 The Systems and Controls of an Oscilloscope .18 - 31 Vertical System and Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Position and Volts per Division . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Input Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Bandwidth Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Bandwidth Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Horizontal System and Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Acquisition Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Acquisition Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Types of Acquisition Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Starting and Stopping the Acquisition System . . . . 21 Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Sampling Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Real-time Sampling Method . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 Equivalent-time Sampling Method . . . . . . . . . . . . . 24 Position and Seconds per Division . . . . . . . . . . . . . 26 Time Base Selections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Zoom/Pan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 XY Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Z Axis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 XYZ Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Trigger System and Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Trigger Position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Trigger Level and Slope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Trigger Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Trigger Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Trigger Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Trigger Holdoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Display System and Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Other Oscilloscope Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Math and Measurement Operations . . . . . . . . . . . . 31 Digital Timing and State Acquisitions . . . . . . . . . . . .31 The Complete Measurement System . . . . . . . . 32 - 34 Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Passive Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Active and Differential Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Logicl Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Specialty Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Probe Accessories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Performance Terms and Considerations . . . . . 35 - 42 Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Rise Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Sample Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Waveform Capture Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Record Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Triggering Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Effective Bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Frequency Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Vertical Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Sweep Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Gain Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Horizontal Accuracy (Time Base) . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Vertical Resolution (Analog-to-Digital Converter) . . . . . . 39 Timing Resolution (MSO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 Connectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Expandability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Ease-of-use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Operating the Oscilloscope . . . . . . . . . . . . . . . . 43 - 45 Proper Grounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Setting the Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Calibrating the Instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Connecting the Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Compensating the Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Oscilloscope Measurement Techniques . . . . . . 46 - 48 Voltage Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Time and Frequency Measurements . . . . . . . . . . . . . . 47 Pulse Width and Rise Time Measurements . . . . . . . . . 47 Phase Shift Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Other Measurement Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Written Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 - 54 Part I A. Vocabulary Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 B. Application Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Part II A. Vocabulary Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 B. Application Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 Answer Key . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 - 58