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o s c i l l o s c o p e s
XYZs of Oscilloscopes
XYZs of Oscilloscopes
Primer




Table of Contents Bandwidth Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

Introduction ....................................................................3 Alternate and Chop Display Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

Signal Integrity Horizontal System and Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

The Significance of Signal Integrity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 Acquisition Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

Why is Signal Integrity a Problem? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 Acquisition Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

Viewing the Analog Origins of Digital Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 Starting and Stopping the Acquisition System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
The Oscilloscope
Sampling Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
Understanding Waveforms and Waveform Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
Sampling Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
Types of Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
Real-time Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
Sine Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
Real-time Sampling with Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
Square and Rectangular Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
Equivalent-time Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
Sawtooth and Triangle Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
Random Equivalent-time Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
Step and Pulse Shapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
Sequential Equivalent-time Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
Periodic and Non-periodic Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
Position and Seconds per Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Synchronous and Asynchronous Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
Time Base Selections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Complex Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
Zoom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Waveform Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
XY Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Frequency and Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
Z Axis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
XYZ Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
Trigger System and Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Trigger Position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
Waveform Measurements with Digital Oscilloscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Trigger Level and Slope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
The Types of Oscilloscopes
Trigger Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
Analog Oscilloscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
Trigger Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
Digital Oscilloscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
Trigger Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
Digital Storage Oscilloscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
Trigger Holdoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
Digital Phosphor Oscilloscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
Display System and Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
Digital Sampling Oscilloscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
Other Oscilloscope Controls
The Systems and Controls of an Oscilloscope
Math and Measurement Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
Vertical System and Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

Position and Volts per Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

Input Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19




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XYZs of Oscilloscopes
Primer




The Complete Measurement System Oscilloscope Measurement Techniques

Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 Voltage Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48

Passive Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 Time and Frequency Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

Active and Differential Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35 Pulse Width and Rise Time Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

Probe Accessories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 Phase Shift Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

Performance Terms and Considerations Other Measurement Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 Written Exercises

Rise Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38 Part I

Sample Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 Vocabulary Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

Waveform Capture Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 Application Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52

Record Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 Part II

Triggering Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 Vocabulary Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53

Effective Bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 Application Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54

Frequency Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 Answer Key . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55

Vertical Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
Sweep Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

Gain Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

Horizontal Accuracy (Time Base) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

Vertical Resolution (Analog-to-digital Converter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

Connectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

Expandability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43

Ease-of-use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

Operating the Oscilloscope

Setting Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

Ground the Oscilloscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

Ground Yourself . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

Setting the Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46

Using Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46

Connecting the Ground Clip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46

Compensating the Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47




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XYZs of Oscilloscopes
Primer




Introduction
Nature moves in the form of a sine wave, be it an ocean wave, earth-
quake, sonic boom, explosion, sound through air, or the natural frequency Light Source
of a body in motion. Energy, vibrating particles and other invisible forces
pervade our physical universe. Even light