Osciloscopios

Un osciloscopio es un dispositivo que captura una señal de voltaje de entrada y la convierte en una forma de onda de voltaje versus tiempo correctamente escalada que se muestra en una cuadrícula escalada. El osciloscopio tiene un circuito de disparo que define cuándo se debe capturar y mostrar la señal de entrada, y un frente de ganancia variable que permite el ajuste de la señal (voltaje vertical) para aceptar una amplia gama de amplitudes de señal de entrada. Un ajuste horizontal (base de tiempo o barrido) define el período de tiempo para adquirir la señal.

Muchos afirmarán haber inventado el osciloscopio analógico, pero Tektronix puede afirmar con razón haber inventado el primer osciloscopio de barrido disparado (analógico), que mejoró enormemente la utilidad y versatilidad del instrumento.

En 1985, Walter LeCroy y su equipo de diseño de LeCroy Corporation (ahora Teledyne LeCroy) lanzaron el primer osciloscopio de almacenamiento digital (DSO, o ahora simplemente llamado osciloscopio digital), llamado Modelo 9400, que replicaba y mejoraba las características y capacidades de los osciloscopios analógicos en uso hasta ese momento. El Modelo 9400 tenía un ancho de banda (125 MHz) equivalente al que estaba disponible en un osciloscopio analógico (en ese momento) y podía capturar continuamente una señal durante un largo período de tiempo utilizando 32,000 puntos de muestra (en ese momento, una longitud de registro de adquisición sorprendentemente larga). Se podría afirmar con cierta vaguedad que el digitalizador de formas de onda WD2000 de LeCroy (lanzado en 1971) fue el primer osciloscopio de almacenamiento digital, pero la longitud de registro estaba limitada a 20 puntos de muestra y la arquitectura no podía escalarse fácilmente a longitudes de registro más largas. Lea la historia completa aquíttps://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

En 1985, Walter LeCroy y su equipo de diseño de LeCroy Corporation (actualmente Teledyne LeCroy) lanzaron el primer osciloscopio de almacenamiento digital (DSO, o simplemente osciloscopio digital) –llamado Modelo 9400– que replicaba y mejoraba las características y capacidades de los osciloscopios analógicos que se utilizaban hasta ese momento. El Modelo 9400 tenía un ancho de banda (125 MHz) equivalente al disponible en un osciloscopio analógico (en ese momento) y podía capturar una señal de forma continua durante un largo período de tiempo utilizando 32,000 puntos de muestra (en ese momento, una longitud de registro de adquisición sorprendentemente larga). Se podría afirmar con cierta vaguedad que el digitalizador de formas de onda WD2000 de LeCroy (lanzado en 1971) fue el primer osciloscopio de almacenamiento digital, pero la longitud de registro estaba limitada a 20 puntos de muestra y la arquitectura no podía escalarse fácilmente a longitudes de registro más largas. Lea la historia completa aquíhttps://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

Los osciloscopios aceptan señales de voltaje como entradas. Se debe utilizar una sonda o un sensor para convertir una señal que no sea de voltaje (por ejemplo, una señal de corriente, una señal de campo magnético) en una señal de voltaje, correctamente escalada en las unidades apropiadas. Los fabricantes de osciloscopios suelen ofrecer sondas o sensores para medir la corriente, y los sensores para medir otras unidades están ampliamente disponibles. La mayoría de los osciloscopios de nivel profesional brindan compatibilidad con el reescalado común (por ejemplo, de voltios a amperios) y muchas otras unidades, pero si esta es una característica importante para sus requisitos, es mejor verificar la compatibilidad con el reescalado dentro del osciloscopio antes de comprarlo, especialmente si el sensor tiene una relación de entrada a salida no lineal.

Seminarios web de referenciaParte 7: ¿Cómo hago una medición de corriente con un osciloscopio? y Parte 8: ¿Cómo mido la corriente en un osciloscopio usando una resistencia de derivación?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break de 2023 para obtener más detalles.

ElNorma IEEE 1057 para la digitalización de grabadores de formas de ondaespecifica el ancho de banda analógico de un osciloscopio digital como la frecuencia en la que la respuesta de amplitud es de -3 dB (lo que equivale al 70.7 %) de la respuesta en la frecuencia de referencia (que para un osciloscopio es CC). Si bien puede parecer confuso tener una especificación de ancho de banda analógico en un osciloscopio digital, este tiene muchos componentes amplificadores analógicos antes de la parte que digitaliza y almacena la señal.

El ancho de banda necesario para la captura y medición de señales depende en gran medida de las señales que se van a medir, los tipos de mediciones que se van a realizar y la precisión deseada de las mediciones. Una regla general que utilizan la mayoría de los ingenieros es tener un osciloscopio con un ancho de banda tres veces mayor que la señal de frecuencia más alta que desean medir, aunque esto resulta poco práctico para señales de frecuencia muy alta.

Consulte la definición de ancho de banda del osciloscopio en las preguntas frecuentes (arriba). La mayoría de los osciloscopios se acercan a la frecuencia nominal de ancho de banda de -3 dB lentamente, comenzando con una suave reducción de amplitud al 50 % (aproximadamente) de la frecuencia nominal del ancho de banda. Esto significa que si la respuesta de amplitud del osciloscopio es de -1 dB al 70 % del ancho de banda nominal y de -2 dB al 85 % del ancho de banda nominal, entonces la amplitud de la sinusoide pura capturada será aproximadamente del 90 % (-1 dB) o del 80 % (-2 dB) y del 70 % (-3 dB) en comparación con cuando la frecuencia de la sinusoide de entrada se acerca a la clasificación del ancho de banda del osciloscopio. Sin embargo, la mayoría de los ingenieros no miden sinusoides puras con su osciloscopio. Tenga en cuenta que los osciloscopios con el mayor ancho de banda pueden tener una respuesta de amplitud más plana (menor reducción de amplitud) o ajustable, por diversas razones.

Lo más probable es que un ingeniero esté midiendo una señal que se parece a una onda cuadrada. En este caso, se sabe que una onda cuadrada se puede representar como una expansión de la serie de Fourier compuesta por la suma de la frecuencia fundamental y los armónicos impares, donde el armónico N contribuye con una amplitud de 1/N en esa frecuencia. Esto significa que para representar con precisión una onda cuadrada, se necesita suficiente ancho de banda para capturar la frecuencia fundamental y una cantidad suficiente de armónicos impares. La cantidad de armónicos impares que son "suficientes" (y la cantidad de ancho de banda que se necesita) se determina por la tolerancia del ingeniero para una medición del tiempo de subida en el osciloscopio que sea más lenta que la señal real y la cantidad de sobreimpulso y oscilación aditivos presentes en la señal medida. Si solo se captura el tercer armónico, el tiempo de subida será apreciablemente más lento y el sobreimpulso y la oscilación serán perceptibles en comparación con si se captura el armónico 3 (en cuyo caso la señal capturada será indistinguible de la señal de entrada original).

Esto nos lleva de nuevo a la respuesta original que se da con más frecuencia en respuesta a la pregunta de "¿cuánto ancho de banda se necesita?": aproximadamente 3 veces el ancho de banda de la señal de frecuencia más alta. Pero ¿qué significa "frecuencia más alta"? En este contexto, la mayoría de los ingenieros están pensando en la capacidad de medición del tiempo de subida del osciloscopio (que está relacionada con el ancho de banda). Si un ingeniero quiere medir una señal con un tiempo de subida de 1 ns, no elegiría un osciloscopio con un tiempo de subida de 1 ns (un osciloscopio de este tipo normalmente tendría un ancho de banda de 350 MHz), sino que elegiría un osciloscopio con un ancho de banda 3 veces superior (o 1 GHz).

Seminario web de referenciaParte 2: ¿Cuánto ancho de banda necesito en mi osciloscopio?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break de 2023 para obtener más detalles.

La resolución es el número de niveles de cuantificación del convertidor analógico a digital (ADC), y un ADC de N bits tiene 2^N niveles de cuantificación. Por ejemplo, un osciloscopio de 8 bits tiene 2⁸ = 256 niveles de cuantificación mientras que a 12-bit El osciloscopio tiene 2¹² = 4096 niveles de cuantificación. Tenga en cuenta que la cantidad de bits (niveles de cuantificación) en el ADC no garantiza que el resto de la ruta de señal del osciloscopio (en particular, los componentes analógicos) tengan un rendimiento de ruido digno de un ADC de alta resolución. Por lo tanto, un osciloscopio de alta resolución publicitado puede funcionar de la misma manera que un osciloscopio convencional de resolución de 8 bits. ReferenciaComparación de enfoques de diseño de osciloscopios de alta resoluciónPara obtener más detalles sobre las compensaciones que muchos fabricantes de osciloscopios hacen al diseñar osciloscopios de alta resolución, consulte el seminario web de referencia.Parte 1: ¿Qué es la resolución del osciloscopio?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break de 2023 para obtener más detalles.

Un osciloscopio de alta resolución es cualquier osciloscopio que se anuncia como tal y que utiliza un hardware mejorado, un filtrado de software (que reduce el ancho de banda y la frecuencia de muestreo) o una combinación de ambos para proporcionar una resolución y una relación señal/ruido mejoradas en comparación con un osciloscopio convencional de 8 bits. Una afirmación de marketing de alta resolución no es garantía de un rendimiento en el mundo real. Las afirmaciones de alta resolución específicas del ADC, o mejoras en el ruido de referencia o en la relación señal/ruido que solo son posibles con anchos de banda reducidos, son señales de alerta de que la denominada alta resolución no se logrará de manera realista en todas las condiciones de funcionamiento normales del osciloscopio. ReferenciaComparación de enfoques de diseño de osciloscopios de alta resoluciónPara más detalles.

No hay diferencia, son solo dos formas de expresar lo mismo, aunque debe tenerse en cuenta que Teledyne LeCroy tiene una marca registrada con el nombre High Definition Oscilloscope y el acrónimo HDO, habiendo sido la primera empresa de osciloscopios en ofrecer 12-bit Osciloscopios de alta resolución que proporcionan 12 bits todo el tiempo sin reducción en la frecuencia de muestreo o el ancho de banda.

Un osciloscopio de señal mixta (MSO) se refiere comúnmente a un osciloscopio que tiene canales de entrada tanto analógicos como digitales (lógicos). Una configuración común es 4 canales de entrada analógicos más 16 canales de entrada lógicos digitales. Los canales de entrada lógicos digitales pueden preservar los canales de entrada analógicos más escasos (y más costosos) para señales que requieren sus capacidades, y los canales de entrada lógicos digitales se pueden usar para señales lógicas o de conmutación simples, o señales de datos seriales de baja velocidad (por ejemplo, I2C, SPI, UART, etc.).

El osciloscopio de dominio mixto (MDO) es un término de marketing que se utiliza para designar a un osciloscopio que proporciona algún tipo de entrada o conversión de radiofrecuencia (RF) para capturar señales tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia. Si se proporciona una entrada de RF dedicada, las capacidades pueden ser similares a las de un analizador de espectro. Se pueden utilizar técnicas de transformada rápida de Fourier (FFT) de software para proporcionar capacidades similares sin una entrada de RF dedicada (y costosa).

La precisión de amplitud de un osciloscopio se compone de muchos componentes diferentes y variará según la resolución del osciloscopio, la ruta de entrada, el contenido de frecuencia de entrada, si se utiliza una sonda, etc. La precisión de amplitud puede variar desde mejor que el 1% para un 12-bit Osciloscopio de alta definición (HDO®) con entrada de señal por cable, hasta un 5 % (o más) para un osciloscopio de 8 bits que funciona con una sonda activa acoplada al osciloscopio a través de la terminación de 50 Ω. Si bien estas precisiones pueden parecer bajas en comparación con un voltímetro digital (DVM), un osciloscopio ofrece muchas más capacidades que un DVM.

ReferenciasParte 1: ¿Cuál es la diferencia entre la resolución, la precisión y la sensibilidad del osciloscopio?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break 2024 para obtener más detalles.

La sensibilidad es el cambio de señal más pequeño que se puede ver en el osciloscopio. Un osciloscopio con alta sensibilidad se puede utilizar para ver señales más pequeñas en comparación con un osciloscopio con menor sensibilidad. El ajuste de sensibilidad en el osciloscopio se realiza utilizando la configuración de ganancia vertical (voltios/división). Tenga en cuenta que una alta sensibilidad no se correlaciona necesariamente con una alta precisión y que una configuración de ganancia vertical analógica indicativa de alta sensibilidad (por ejemplo, 1 o 2 mV/div) puede verse limitada en su utilidad por la resolución del ADC o el ruido en el osciloscopio. ReferenciaParte 1: ¿Cuál es la diferencia entre la resolución, la precisión y la sensibilidad del osciloscopio?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break 2024 para obtener más detalles.

Históricamente, un ingeniero consideraría que el tiempo de subida está relacionado con el ancho de banda según la fórmula TR(s) = 0.35/Ancho de banda (Hz), donde TR es el tiempo de subida del 10 al 90 % (según lo define el IEEE). Esta fórmula era (en su mayor parte) cierta en una época en la que los anchos de banda de los osciloscopios eran muy bajos (1 GHz o menos) y las caídas de amplitud eran muy graduales. Esta fórmula todavía puede ser válida para osciloscopios con anchos de banda más bajos.

Los osciloscopios actuales con mayor ancho de banda (o con rutas de señal más complejas y con menor nivel de ruido) pueden adherirse a la fórmula TR(s) = 0.35/Ancho de banda (Hz) para los modelos en el extremo inferior (ancho de banda) de la línea de productos, pero adherirse a TR(s) = 0.4/Ancho de banda (Hz) o quizás acercarse a TR(s) = 0.45/Ancho de banda (Hz) (o más, en algunos casos) para los modelos de ancho de banda máximo. La razón para el numerador más bajo en los modelos de menor ancho de banda es que probablemente estén usando una ruta de señal analógica que tiene más margen de alta frecuencia para una caída de amplitud más lenta en comparación con los modelos de mayor ancho de banda. En el modelo de osciloscopio con el mayor ancho de banda de una serie de productos, la ruta de la señal analógica probablemente haya alcanzado un límite superior estricto en la respuesta de amplitud, y la respuesta de amplitud disminuye rápidamente más allá de ese límite, lo que da como resultado un tiempo de subida más lento (y un numerador más alto) debido a la respuesta de alta frecuencia altamente atenuada más allá de la clasificación de ancho de banda del osciloscopio.

Seminario web de referenciaParte 3: ¿Cómo se relaciona el tiempo de subida con el ancho de banda en un osciloscopio?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break de 2023 para obtener más detalles.

Un osciloscopio digital digitaliza señales a través de convertidores analógicos a digitales (ADC) que muestrean y retienen valores de voltaje para crear puntos de muestra discretos. Los puntos de muestra se registran a una frecuencia determinada (intervalo de tiempo) y la frecuencia de muestreo se denomina muestras por segundo.

Seminario web de referenciaParte 4: ¿Qué es la frecuencia de muestreo del osciloscopio y cuánta necesito?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break de 2023 para obtener más detalles.

La frecuencia de muestreo mínima necesaria, según el teorema de Nyquist, es el doble de la frecuencia que se desea medir. En un osciloscopio digital, esto se interpreta comúnmente como frecuencia de muestreo y debe ser un mínimo del doble del ancho de banda nominal del osciloscopio. Sin embargo, el osciloscopio no suele tener una respuesta de amplitud de pared de ladrillos más allá del ancho de banda nominal, y dejará pasar algún contenido de alta frecuencia más allá del ancho de banda nominal. Por lo tanto, la mayoría de los osciloscopios proporcionan una relación mínima entre frecuencia de muestreo y ancho de banda de 2.5. Esto puede considerarse el mínimo para reconstruir una onda sinusoidal a partir de puntos de muestreo digitales.

Para reconstruir con precisión formas de señales más complejas a partir de puntos de muestra digitales, los ingenieros suelen desear 5 o quizás hasta 10 puntos de muestra en un flanco ascendente. Si un ingeniero sigue la regla general de seleccionar un osciloscopio tres veces más rápido que la señal que desea medir (seminario web de referencia)Parte 2: ¿Cuánto ancho de banda necesito en mi osciloscopio?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break de 2023 para obtener más detalles, o las preguntas frecuentes con títulos similares), entonces se pueden acomodar fácilmente de 5 a 10 puntos de muestra en un borde ascendente.

Seminario web de referenciaParte 4: ¿Qué es la frecuencia de muestreo del osciloscopio y cuánta necesito?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break de 2023 para obtener más detalles.

La memoria de adquisición es lo que se utiliza para almacenar los puntos de muestra del osciloscopio digital para recuperarlos en una pantalla o para su posterior procesamiento para realizar mediciones, realizar cálculos matemáticos, etc.

La memoria de adquisición del osciloscopio almacena los puntos de muestra del osciloscopio de la señal digitalizada, mientras que la unidad central de procesamiento (CPU) que alimenta las funciones del osciloscopio tiene su propia memoria de acceso aleatorio (RAM) para satisfacer las necesidades de la CPU.

La profundidad de la memoria es simplemente otra forma de describir la longitud total de la memoria de adquisición, ya sea en puntos (por ejemplo, kilopuntos (kpts), megapuntos (Mpts), Gigapuntos (Gpts)) o en muestras (por ejemplo, megamuestras (MS)).

Más muestras (o puntos) brindan más capacidad para capturar intervalos de tiempo continuos muy largos antes de tener que reducir la frecuencia de muestreo. La cantidad de muestras que necesita un ingeniero depende del ancho de banda de las señales que desea capturar, la resolución temporal con la que desea capturar esas señales y la cantidad de tiempo continuo que desea adquirir.

Si un osciloscopio tuviera una frecuencia de muestreo de 10 GS/s y 1 GS (o Gpts) de memoria de adquisición, entonces podría adquirir 100 ms de tiempo (1 GS / 10 GS/s = 0.1 s, o 100 ms). Si se deseara capturar 200 ms con 1 GS de memoria de adquisición, la frecuencia de muestreo tendría que reducirse a 5 GS/s, lo que puede ser (o no) aceptable.

El ruido de línea base del osciloscopio es el valor RMS de CA medido de un canal de entrada del osciloscopio sin señal conectada a él. Una prueba de ruido de línea base simple proporcionará una indicación general del rendimiento del ruido cuando no hay señal presente en la entrada del osciloscopio. Si bien esta prueba es simple y fácil de realizar, no es la prueba más realista del rendimiento del osciloscopio, porque la mayoría de los osciloscopios se utilizan con señales de entrada conectadas a ellos. No obstante, el ruido no disminuirá cuando se agreguen señales de entrada, ya que la amplitud de señal agregada solo agregará ruido a la medición más adelante. Por lo tanto, el ruido de línea base puede ser una prueba útil para evaluar aproximadamente el rendimiento general.

Tenga en cuenta que en un osciloscopio Teledyne LeCroy, la medición SDEV equivale a CA RMS.

ReferenciasComparación de enfoques de diseño de osciloscopios de alta resoluciónpara obtener más detalles sobre los distintos tipos de ruido en los osciloscopios.

La relación señal-ruido es el cálculo de la relación entre el rango completo de escala dividido por el ruido de base, expresado en voltios de acuerdo con la siguiente fórmula:

Relación señal/ruido (dB) = 20*log10((V_{Escala completa}/(2*√2))/V_CA-RMS))

Con V_{Escala completa}siendo el voltaje de escala completa en el osciloscopio (igual al número de divisiones verticales * ajuste de ganancia V/div) y V_CA-RMSsiendo el valor RMS de CA para la señal de línea de base en un ajuste de ganancia V/div determinado.

Tenga en cuenta que algunos osciloscopios (por ejemplo, Keysight, Teledyne LeCroy) tienen 8 divisiones verticales para escala completa, mientras que otros (por ejemplo, Tektronix) tienen 10 divisiones verticales para escala completa.

Tenga en cuenta que la medición de RMS de CA de Teledyne LeCroy se denomina SDEV, mientras que otros osciloscopios suelen tener una medición de RMS que se puede seleccionar como lectura de CA o CC. Asegúrese de utilizar el valor de RMS de CA o el cálculo de la relación señal-ruido incluirá incorrectamente el efecto de cualquier pequeño error de compensación de CC en el canal del osciloscopio.

SNR(dB) = 20*log10( (V/div*8/(2*sqrt(2)))/ruido_en_rms)

ReferenciasComparación de enfoques de diseño de osciloscopios de alta resoluciónpara obtener más detalles sobre los distintos tipos de ruido en los osciloscopios.

Según la norma IEEE Std. 1057 IEEE Standard for Digitizing Waveform Recorders, SINAD es la relación entre la señal de valor eficaz (rms) y el ruido y la distorsión rms (de referencia). SINAD se mide a una frecuencia y amplitud específicas utilizando una entrada de onda sinusoidal, y la amplitud a la que se realizan las mediciones afecta la distorsión y debe especificarse (el 90 % de la amplitud de escala completa es lo típico). SINAD es una medición más completa del rendimiento del osciloscopio en funcionamiento real.

ReferenciasComparación de enfoques de diseño de osciloscopios de alta resoluciónpara obtener más detalles sobre los distintos tipos de ruido en los osciloscopios.

El mejor método para reducir el ruido en las señales medidas con el osciloscopio es utilizar un osciloscopio de alta resolución y bajo nivel de ruido que proporcione una resolución de 12 bits con el ancho de banda completo. Sin embargo, cualquier osciloscopio puede reducir su ruido utilizando filtros de hardware analógicos o de software digital, siempre que la compensación de un ancho de banda menor a cambio de una reducción del ruido sea aceptable.

Los filtros de hardware suelen mostrarse como un límite de ancho de banda de 20 MHz o 200 MHz (o similar) en el menú de canales. Estos filtros tienden a tener atenuaciones muy lentas, por lo que su capacidad de reducción de ruido es probablemente menor que la de un filtro de software digital.

Los filtros de software digitales pueden ser funciones matemáticas, modos de alta resolución o selecciones de filtros de software en el menú de canales (por ejemplo, la selección de Resolución mejorada (ERes) de Teledyne LeCroy). Matemáticamente, cada reducción a la mitad de la frecuencia de muestreo (y del ancho de banda) reduce el ruido en 3 dB (~30 %, o 0.5 bits efectivos). A veces, los filtros de software digitales interpolan puntos de muestreo después de la operación de filtrado matemático, pero la frecuencia de muestreo del hardware se ha reducido de todos modos.

Tenga cuidado con los modos de alta resolución que prometen un mejor rendimiento del que es matemáticamente posible o que son el único medio de lograr una alta resolución (y menos ruido) en lo que de otro modo sería un osciloscopio de resolución de 8 bits.

ReferenciasComparación de enfoques de diseño de osciloscopios de alta resoluciónPara obtener más detalles sobre las compensaciones que se deben hacer para reducir el ruido en los osciloscopios, consulte el seminario web de referencia.Parte 6: ¿Cómo puedo reducir el ruido en las señales medidas con un osciloscopio?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break de 2023 para obtener más detalles.

El ENOB del osciloscopio se deriva de la medición del SINAD del osciloscopio de la siguiente manera:

Osciloscopio ENOB= (SINAD-1.76)/6.02

Si el amplificador de entrada no es la fuente dominante de ruido en el sistema del osciloscopio, el ENOB del sistema se aproximará al ENOB del ADC. Es importante entender que el ENOB del ADC es un límite superior del rendimiento del sistema, pero el rendimiento del sistema es el rendimiento crítico que se debe entender. De manera realista, el ENOB del osciloscopio (sistema) siempre será menor que el ENOB del ADC.

Si la señal de entrada aplicada no es 100% de amplitud de escala completa, entonces el ENOB se deriva de la siguiente manera:

Osciloscopio ENOB= (SINAD-1.76+20 log((Amplitud de escala completa)/(Amplitud de entrada)))/6.02

De esta ecuación se puede inferir una “regla empírica” de 6 dB SINAD por bit efectivo. Por lo tanto, la mejora de la mitad de un bit efectivo equivale a una reducción de ruido de 3 dB (30 %), y la mejora de un bit efectivo completo equivale a una reducción de ruido de 6 dB (50 %). Las pequeñas diferencias en ENOB significan mucho en términos de ruido vertical (amplitud de voltaje).

ReferenciasComparación de enfoques de diseño de osciloscopios de alta resoluciónpara obtener más detalles sobre los distintos tipos de ruido y por qué el número nominal de bits del ADC no se alcanza por completo cuando se implementa en digitalizadores u osciloscopios.

ReferenciasParte 2: ¿Qué son los bits efectivos del ADC y ENOB del osciloscopio?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break 2024 para obtener más detalles.

El ENOB del ADC es un límite superior del ENOB del osciloscopio, pero el ENOB del osciloscopio es el rendimiento crítico que se debe comprender. De manera realista, el ENOB del osciloscopio siempre será menor que el ENOB del ADC. Si un osciloscopio hace afirmaciones específicas sobre el rendimiento ENOB de su ADC, probablemente sea una señal de alerta de que el rendimiento ENOB completo del osciloscopio es mucho menor.

ReferenciasComparación de enfoques de diseño de osciloscopios de alta resoluciónpara obtener más detalles sobre los distintos tipos de ruido y por qué el número nominal de bits del ADC no se alcanza por completo cuando se implementa en digitalizadores u osciloscopios.

ReferenciasParte 2: ¿Qué son los bits efectivos del ADC y ENOB del osciloscopio?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break 2024 para obtener más detalles.

El teorema de Nyquist establece que una sinusoide se puede reconstruir sin pérdida de información siempre que se muestre digitalmente al doble (o más) de la frecuencia de la sinusoide. Normalmente, esto significa que la frecuencia de muestreo mínima en un osciloscopio digital es 2.5 veces el ancho de banda en todos los canales. La relación de frecuencia de muestreo a ancho de banda (SR/BW) de 2.5:1 es la que se utiliza (en lugar del mínimo de 2) para tener en cuenta que el osciloscopio no tendrá un filtro de pared de ladrillos perfecto en el ancho de banda nominal. Una relación SR/BW inferior a 2:1 creará el riesgo de aliasing de la señal de entrada muestreada digitalmente.

Si no se cumplen los requisitos de la frecuencia de muestreo de Nyquist, se considera que la señal está submuestreada y no se puede reconstruir sin pérdida de información. En cambio, se realizará la reconstrucción de la señal, pero será una reconstrucción incorrecta, denominada aliasing.

ReferenciasParte 3: ¿Qué es el aliasing del osciloscopio?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break 2024 para obtener más detalles.

El rango dinámico libre de señales espurias (SFDR, por sus siglas en inglés) es la relación (generalmente expresada en dB) entre la amplitud cuadrática media (RMS, por sus siglas en inglés) de una señal de entrada fundamental del osciloscopio y la amplitud RMS de la siguiente señal espuria más grande en la salida del osciloscopio. El SFDR generalmente se mide en el osciloscopio utilizando una FFT o una pantalla de osciloscopio de amplitud vs. frecuencia similar a la de un analizador de espectro. Las señales espurias pueden ser causadas por distorsión u otros componentes de ruido, o pueden estar en una frecuencia consistente con la frecuencia de muestreo del convertidor analógico a digital (ADC, por sus siglas en inglés) principal.

El SFDR es uno de los controles de calidad más incomprendidos que realizan los ingenieros en los osciloscopios. Cualquier ADC va a exhibir esporas en las frecuencias de muestreo, y estas esporas son generalmente de una amplitud tan baja (en comparación con la fundamental de entrada) y de una banda de frecuencia tan estrecha que la relación SFDR es muy superior (no tan peor que) la relación señal-ruido de referencia o la relación señal-ruido-distorsión (SINAD) para una frecuencia de entrada dada. Ocasionalmente, un osciloscopio puede exhibir componentes de distorsión graves en frecuencias específicas, lo que se expone fácilmente mediante una prueba SFDR, pero esto no es común.

ReferenciasComparación de enfoques de diseño de osciloscopios de alta resoluciónpara obtener más detalles sobre SFDR en osciloscopios.

ReferenciasParte 4: ¿Qué es el rango dinámico libre de espurios (SFDR) del osciloscopio?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break 2024 para obtener más detalles.

Un osciloscopio de muestreo, llamado propiamente osciloscopio de muestreo de tiempo equivalente, proporciona una muestra por disparo, con un pequeño retardo de tiempo añadido después de cada disparo para reconstruir una forma de onda repetitiva a partir de múltiples eventos disparados. El ancho de banda de medición solo está limitado por la respuesta de frecuencia del muestreador, que puede ser muy alta a un costo muy bajo. La limitación es que un osciloscopio de muestreo no puede capturar una forma de onda continua.

Un osciloscopio de muestreo solo puede adquirir una señal repetitiva, mientras que un osciloscopio en tiempo real puede adquirir una forma de onda de tiempo continuo en un registro de muestra continuo.

ReferenciasParte 6: ¿Cuál es la diferencia entre un osciloscopio en tiempo real y un osciloscopio de muestreo?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break 2024 para obtener más detalles.

El osciloscopio de fósforo digital (DPO) es un término de marketing utilizado por Tektronix para describir sus osciloscopios que utilizan una arquitectura de visualización de forma de onda rápida (más recientemente comercializada como tecnología DPX) para imitar la apariencia de pantalla de una pantalla CRT de haz de fósforo utilizada en un osciloscopio analógico.

Otros fabricantes de osciloscopios tienen características similares. Todos ellos optimizan la actualización de la pantalla (refresh) a expensas del almacenamiento de datos, por lo que si se ve una anomalía durante la visualización de actualización rápida, no se puede guardar ni recuperar para una inspección más detallada. Además, todavía se basan en técnicas de captura digital y, por lo tanto, tienen grandes cantidades de tiempo muerto durante el cual no capturan (o muestran) formas de onda (o anomalías). Los osciloscopios con actualización rápida generalmente se pueden usar solo en adquisiciones muy cortas de señales repetitivas, y la tasa de actualización se degrada en períodos de tiempo más largos (y más útiles), y no son muy útiles para ver más de una señal a la vez. En esencia, la función se concibió durante una época en la que los osciloscopios analógicos estaban haciendo la transición a osciloscopios digitales, y ya no hay mucho uso práctico de esta función para la mayoría de los clientes.

ReferenciasParte 9: ¿Qué es un osciloscopio de fósforo digital?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break 2024 para obtener más detalles.

Una pantalla con una tasa de actualización rápida puede proporcionar usabilidad y comodidad a alguien que esté acostumbrado a un osciloscopio analógico (aunque la mayoría de estos ingenieros se han jubilado hace mucho tiempo). También pueden ser útiles para un ingeniero que esté viendo una señal repetitiva de duración muy corta con muchas anomalías obvias. Los ingenieros que capturan intervalos de tiempo más largos y no repetitivos probablemente encontrarán que las tasas de actualización rápidas son una característica interesante que se usa poco en la depuración del mundo real.

Los diagramas de ojo y los patrones de ojo son herramientas de visualización que se utilizan para evaluar la calidad de la señal de una señal digital mediante la superposición de los niveles digitales de cada bit (junto con cualquier transición antes o después de cada bit) para proporcionar una evaluación visual rápida de la calidad de la señal digital. Lo ideal es que el diagrama/patrón de ojo sea muy abierto en el medio con una parte superior (nivel digital 1), una base (nivel digital 0) y transiciones (bordes ascendentes y descendentes de las transiciones de nivel digital) claras. Las señales de varios niveles, como PAM-3 o PAM-4, también se pueden mostrar como diagramas de ojo.

Un diagrama de ojo y un patrón de ojo son dos formas de describir lo mismo.

ReferenciasParte 11: ¿Qué es un diagrama de ojo de osciloscopio?en la serie de seminarios web Oscilloscope Coffee Break 2024 para obtener más detalles.

Hay dos métodos básicos para mostrar un diagrama de ojo utilizando un osciloscopio digital.

El primer método es el más básico, pero es el que tiene más limitaciones. Se utiliza un disparador de flanco para disparar en el nivel del 50 % de un flanco ascendente o descendente de una señal digital, con la base de tiempo del osciloscopio configurada para que sea un poco más larga que un período de un solo bit y el punto de disparo del osciloscopio configurado para que esté aproximadamente a un cuarto del borde izquierdo de la cuadrícula del osciloscopio. La persistencia de visualización se utiliza para capturar muchas adquisiciones cortas de un período de un solo bit y las señales disparadas se superponen para una observación visual. Este método es intuitivo, pero no proporciona un diagrama de ojo de una señal continua, no permite ningún tipo de posprocesamiento para determinar la causa de cualquier anomalía del diagrama de ojo y se ve afectado por la fluctuación de disparo agregada del osciloscopio. Es una buena y rápida verificación de si una señal digital tiene buena calidad.

El segundo método es más robusto y se utiliza más ampliamente, especialmente con señales de datos en serie de alta velocidad. Se realiza una adquisición continua y prolongada de una señal digital y se extrae matemáticamente el reloj; el período de tiempo extraído del reloj se utiliza para "cortar" matemáticamente la adquisición continua en períodos de bits que se superponen para formar el diagrama de ojo. Dado que los datos son continuos, también se puede realizar un procesamiento matemático adicional para simular el uso de un bucle de enganche de fase (PLL) en el circuito del reloj, calcular la fluctuación, medir varios aspectos de la apertura del ojo (amplitud, ancho, etc.) y depurar cualquier anomalía presente.

Un osciloscopio de muestreo (descrito en una pregunta frecuente anterior) crea un diagrama de ojo mediante el uso de un circuito de recuperación de reloj de hardware que funciona con el módulo de muestreo para crear el diagrama de ojo. En general, este método se considera arcaico en la actualidad y no se usa ampliamente a menos que la señal de datos en serie de alta velocidad se pueda analizar y evaluar por completo con adquisiciones de datos no continuas (no en tiempo real). En ese caso, este método es perfectamente satisfactorio y tiene un costo muy bajo para el ancho de banda del osciloscopio proporcionado. Sin embargo, requiere un hardware diferente cada vez que la señal tiene diferentes velocidades de bits o requisitos de PLL.