Osciloscopios

Un osciloscopio es un dispositivo que captura una señal de voltaje de entrada y la convierte en una forma de onda de voltaje en función del tiempo, escalada correctamente, que se muestra en una cuadrícula escalada. El osciloscopio cuenta con un circuito de disparo que define cuándo se debe capturar y mostrar la señal de entrada, y una etapa de entrada de ganancia variable que permite ajustar la señal (voltaje vertical) para aceptar un amplio rango 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 la versatilidad del instrumento.

En 1985, Walter LeCroy y su equipo de diseño en LeCroy Corporation (ahora 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 utilizados hasta ese momento. El modelo 9400 tenía un ancho de banda (125 MHz) equivalente al disponible en un osciloscopio analógico (en aquel momento) y podía capturar una señal de forma continua durante un largo período de tiempo utilizando 32,000 puntos de muestreo (en aquel momento, una duración de registro de adquisición increíblemente larga). Podría afirmarse, aunque de forma poco sólida, 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. Lee la historia completa aquí https://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

En 1985, Walter LeCroy y su equipo de diseño en LeCroy Corporation (ahora 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 utilizados hasta ese momento. El modelo 9400 tenía un ancho de banda (125 MHz) equivalente al disponible en un osciloscopio analógico (en aquel momento) y podía capturar una señal de forma continua durante un largo período de tiempo utilizando 32,000 puntos de muestreo (en aquel momento, una duración de registro de adquisición increíblemente larga). Podría afirmarse, aunque de forma poco sólida, 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. ¡Lee la historia completa aquí!https://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

Los osciloscopios aceptan señales de voltaje como entrada. Se debe usar una sonda o 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, escalada correctamente en las unidades apropiadas. Las sondas o sensores para medir corriente están disponibles comúnmente en los fabricantes de osciloscopios, y los sensores para medir otras unidades son ampliamente disponibles. La mayoría de los osciloscopios profesionales admiten el reescalado común (por ejemplo, de voltios a amperios) y muchas otras unidades, pero si esta es una característica importante para sus necesidades, 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 realizo una medición de corriente con un osciloscopio? y Parte 8: ¿Cómo mido la corriente en un osciloscopio usando una resistencia de derivación?Consulte la serie de seminarios web "Oscilloscope Coffee Break" de 2023 para obtener más detalles.

La función Norma IEEE 1057 para la digitalización de registradores de formas de ondaEl ancho de banda analógico de un osciloscopio digital se define como la frecuencia en la que la respuesta de amplitud es de -3 dB (equivalente al 70.7 %) con respecto a la respuesta en la frecuencia de referencia (que para un osciloscopio es CC). Si bien puede parecer confuso que un osciloscopio digital tenga una especificación de ancho de banda analógico, cabe mencionar que este último cuenta con numerosos componentes amplificadores analógicos antes de la etapa 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 a medir, el tipo de mediciones a realizar y la precisión deseada. Una regla general que suelen utilizar los ingenieros es emplear un osciloscopio con un ancho de banda tres veces superior al de la señal de mayor frecuencia que se desea medir, aunque esto resulta poco práctico para señales de muy alta frecuencia.

Consulte la definición de ancho de banda del osciloscopio en las preguntas frecuentes (arriba). La mayoría de los osciloscopios se aproximan lentamente a la frecuencia nominal de ancho de banda de -3 dB, comenzando con una atenuación suave de la 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), del 80 % (-2 dB) y del 70 % (-3 dB) en comparación con cuando la frecuencia de la sinusoide de entrada se aproxima al ancho de banda nominal del osciloscopio. Sin embargo, la mayoría de los ingenieros no miden sinusoides puras con su osciloscopio. Tenga en cuenta que los osciloscopios de mayor ancho de banda pueden tener una respuesta de amplitud más plana (menor atenuación de amplitud) o ajustable, por diversas razones.

Lo más probable es que un ingeniero esté midiendo una señal que se asemeja a una onda cuadrada. En este caso, se sabe que una onda cuadrada puede representarse como una expansión en serie de Fourier compuesta por la suma de la frecuencia fundamental y los armónicos impares, donde el enésimo armónico contribuye con una amplitud de 1/N a esa frecuencia. Esto significa que, para representar con precisión una onda cuadrada, se necesita un ancho de banda suficiente para capturar la frecuencia fundamental y una cantidad suficiente de armónicos impares. La cantidad de armónicos impares que se consideran "suficientes" (y el ancho de banda necesario) viene determinada por la tolerancia del ingeniero a una medición del tiempo de subida en el osciloscopio que sea más lenta que la señal real, y por la cantidad de sobreimpulso aditivo y oscilación presentes en la señal medida. Si solo se captura el tercer armónico, el tiempo de subida será notablemente más lento, y el sobreimpulso y la oscilación serán perceptibles en comparación con si se captura el 99.º armónico (en cuyo caso la señal capturada será indistinguible de la señal de entrada original).

Esto nos lleva de vuelta a la respuesta original que se suele dar a la pregunta de "¿cuánto ancho de banda se necesita?": aproximadamente tres veces el ancho de banda de la señal de mayor frecuencia. Pero, ¿qué significa "mayor frecuencia"? En este contexto, la mayoría de los ingenieros se refieren a 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 uno con un ancho de banda tres veces mayor (o 1 GHz).

Seminario web de referenciaParte 2: ¿Cuánto ancho de banda necesito en mi osciloscopio?Consulte 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-digital (ADC), siendo un ADC de N bits el que tiene 2^N niveles de cuantización. Por ejemplo, un osciloscopio de 8 bits tiene 2⁸ = 256 niveles de cuantización mientras que un 12-bit El osciloscopio tiene 2¹² = 4096 niveles de cuantificación. Cabe señalar que el número 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) tenga un rendimiento de ruido digno de un ADC de alta resolución. Por lo tanto, un osciloscopio anunciado como de alta resolución puede tener un rendimiento similar al de un osciloscopio convencional 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 de un osciloscopio?Consulte la serie de seminarios web "Oscilloscope Coffee Break" de 2023 para obtener más detalles.

Un osciloscopio de alta resolución es cualquier osciloscopio que se anuncie como tal y que utilice hardware mejorado, filtrado por 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 superiores en comparación con un osciloscopio convencional de 8 bits. La afirmación de marketing sobre alta resolución no garantiza el rendimiento en condiciones reales. Las afirmaciones de alta resolución específicas del convertidor analógico-digital (ADC) o las mejoras en el ruido de fondo o la relación señal/ruido que solo son posibles con anchos de banda reducidos son señales de alerta de que la supuesta alta resolución no se logrará de forma realista en todas las condiciones normales de funcionamiento del osciloscopio. ReferenciaComparación de enfoques de diseño de osciloscopios de alta resoluciónPara más detalles.

No hay diferencia: son solo dos maneras de expresar lo mismo, aunque cabe señalar que Teledyne LeCroy tiene una marca registrada sobre 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 en todo momento sin reducción en la frecuencia de muestreo ni en el ancho de banda.

Un osciloscopio de señales mixtas (MSO) se refiere comúnmente a un osciloscopio que cuenta con canales de entrada tanto analógicos como digitales (lógicos). Una configuración habitual incluye 4 canales de entrada analógicos y 16 canales de entrada lógicos digitales. Estos últimos permiten reservar los canales analógicos, más escasos (y costosos), para señales que requieren sus capacidades. Además, los canales de entrada lógicos digitales pueden utilizarse para señales lógicas o de conmutación simples, o para señales de datos seriales de baja velocidad (por ejemplo, I2C, SPI, UART, etc.).

El osciloscopio de dominio mixto (MDO) es un término comercial que se refiere 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 incluye una entrada de RF dedicada, sus capacidades pueden ser similares a las de un analizador de espectro. Se pueden utilizar técnicas de transformada rápida de Fourier (FFT) por software para obtener capacidades similares sin necesidad de una entrada de RF dedicada (y costosa).

La precisión de amplitud de un osciloscopio se compone de muchos componentes diferentes y variará dependiendo de 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, con una precisión del 5 % (o más) para un osciloscopio de 8 bits que funciona con una sonda activa acoplada al osciloscopio mediante 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 resolución, precisión y sensibilidad de un osciloscopio?Consulte la serie de seminarios web "Oscilloscope Coffee Break" de 2024 para obtener más detalles.

La sensibilidad es el cambio de señal más pequeño que se puede observar en el osciloscopio. Un osciloscopio con alta sensibilidad permite observar señales más pequeñas que uno con menor sensibilidad. El ajuste de sensibilidad en el osciloscopio se realiza mediante la configuración de ganancia vertical (voltios/división). Cabe destacar que una alta sensibilidad no implica necesariamente una alta precisión, y que una configuración de ganancia vertical analógica que indique alta sensibilidad (por ejemplo, 1 o 2 mV/div) puede verse limitada en su utilidad por la resolución del convertidor analógico-digital (ADC) o el ruido del osciloscopio. ReferenciaParte 1: ¿Cuál es la diferencia entre resolución, precisión y sensibilidad de un osciloscopio?Consulte la serie de seminarios web "Oscilloscope Coffee Break" de 2024 para obtener más detalles.

Históricamente, un ingeniero consideraba que el tiempo de subida estaba relacionado con el ancho de banda según la fórmula TR(s) = 0.35/Ancho de banda (Hz), donde TR representa el tiempo de subida del 10 al 90 % (según la definición del IEEE). Esta fórmula era (en su mayor parte) válida en una época en la que los anchos de banda de los osciloscopios eran muy bajos (1 GHz o menos) y la atenuación de la amplitud era muy gradual. Esta fórmula aún puede ser válida para osciloscopios de menor ancho de banda.

Los osciloscopios actuales de mayor ancho de banda, o los osciloscopios con rutas de señal más complejas y con menor ruido, podrían 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 tal vez acercarse a TR(s) = 0.45/Ancho de banda (Hz) (o más alto, en algunos casos) para los modelos de ancho de banda máximo. La razón del menor numerador en los modelos de menor ancho de banda es que probablemente utilizan una ruta de señal analógica que tiene mayor margen de alta frecuencia para una atenuación 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, es probable que la ruta de la señal analógica 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 resulta en un tiempo de subida más lento (y un numerador más alto) debido a la respuesta de alta frecuencia altamente atenuada más allá del ancho de banda nominal del osciloscopio.

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

Un osciloscopio digital digitaliza señales mediante convertidores analógico-digitales (ADC) que muestrean y almacenan valores de voltaje para crear puntos de muestreo discretos. Estos puntos 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 de un osciloscopio y cuánta necesito?Consulte la serie de seminarios web "Oscilloscope Coffee Break" de 2023 para obtener más detalles.

Según el teorema de Nyquist, la frecuencia de muestreo mínima necesaria es el doble de la frecuencia que se desea medir. En un osciloscopio digital, esto se suele interpretar como frecuencia de muestreo y debe ser, como mínimo, el doble del ancho de banda del osciloscopio. Sin embargo, el osciloscopio no suele tener una respuesta de amplitud abrupta más allá del ancho de banda, y transmite cierto contenido de alta frecuencia que excede dicho ancho de banda. Por lo tanto, la mayoría de los osciloscopios ofrecen una relación mínima de frecuencia de muestreo a ancho de banda de 2.5. Este valor se considera el mínimo para reconstruir una onda sinusoidal a partir de puntos de muestreo digitales.

Para reconstruir con precisión formas de señal más complejas a partir de puntos de muestreo digitales, los ingenieros suelen desear 5 o quizás hasta 10 puntos de muestreo 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 (Webinar 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, o en las preguntas frecuentes con un título similar), entonces se pueden acomodar fácilmente de 5 a 10 puntos de muestreo en un flanco ascendente.

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

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

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

La profundidad de memoria es solo 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)).

Un mayor número de muestras (o puntos) permite 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 capturarlas 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, 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 cual podría ser aceptable o no.

El ruido de referencia de un osciloscopio es el valor RMS de CA medido en un canal de entrada sin señal conectada. Una prueba sencilla de ruido de referencia proporciona una indicación general del rendimiento del osciloscopio cuando no hay señal en su entrada. Si bien esta prueba es simple y fácil de realizar, no es la más realista para evaluar el rendimiento del osciloscopio, ya que la mayoría se utilizan con señales de entrada conectadas. Sin embargo, el ruido no disminuye al añadir señales de entrada, puesto que la amplitud de la señal añadida solo incrementa el ruido en la medición posterior. Por lo tanto, el ruido de referencia puede ser una prueba útil para evaluar de forma aproximada el rendimiento general.

Tenga en cuenta que en un osciloscopio Teledyne LeCroy, la medición SDEV equivale al valor eficaz de CA (AC 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 de escala completa dividido por el ruido de fondo, expresado en voltios según la siguiente fórmula:

SNR (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 referencia en un ajuste de ganancia V/div determinado.

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

Tenga en cuenta que la medición RMS de CA del Teledyne LeCroy se denomina SDEV, mientras que otros osciloscopios suelen tener una medición RMS que se puede seleccionar como lectura de CA o CC. Asegúrese de usar el valor RMS de CA, ya que de lo contrario el cálculo de la relación señal/ruido (SNR) incluirá incorrectamente el efecto de cualquier pequeño error de desplazamiento 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 para registradores de formas de onda digitales, el SINAD es la relación entre la señal eficaz (rms) y el ruido y la distorsión eficaces (de línea base). El SINAD se mide a una frecuencia y amplitud específicas mediante una entrada sinusoidal, y la amplitud a la que se realizan las mediciones influye en la distorsión, por lo que debe especificarse (el 90 % de la amplitud de escala completa es lo habitual). El SINAD proporciona una medición más completa del rendimiento del osciloscopio en su 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 un osciloscopio es utilizar uno de bajo ruido y alta resolución, con una resolución de 12 bits a ancho de banda completo. Sin embargo, se puede reducir el ruido de cualquier osciloscopio mediante filtros analógicos o digitales, siempre que se acepte la compensación de un menor ancho de banda a cambio de una reducción del ruido.

Los filtros de hardware suelen mostrarse con un límite de ancho de banda de 20 MHz o 200 MHz (o similar) en el menú del canal. Estos filtros tienden a tener una atenuación muy lenta, por lo que su capacidad de reducción de ruido probablemente sea 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 filtro de software en el menú del canal (por ejemplo, la opción 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 (aproximadamente un 30 %, o 0.5 bits efectivos). En ocasiones, los filtros de software digitales interpolan los puntos de muestreo después de la operación de filtrado matemático, pero la frecuencia de muestreo del hardware se ha reducido igualmente.

Desconfíe de los modos de alta resolución que prometen un rendimiento superior al matemáticamente posible, o que son el único medio para lograr una alta resolución (y un menor ruido) en lo que de otro modo sería un osciloscopio con una resolución de 8 bits.

ReferenciasComparación de enfoques de diseño de osciloscopios de alta resoluciónPara obtener más detalles sobre las compensaciones realizadas 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?Consulte la serie de seminarios web "Oscilloscope Coffee Break" de 2023 para obtener más detalles.

El valor ENOB del osciloscopio se obtiene a partir de la medición del valor SINAD del osciloscopio de la siguiente manera:

Osciloscopio ENOB= (SINAD-1.76)/6.02

Si el amplificador de entrada no es la principal fuente de ruido en el sistema del osciloscopio, el ENOB del sistema se aproximará al ENOB del convertidor analógico-digital (ADC). Es importante comprender que el ENOB del ADC representa un límite superior del rendimiento del sistema, pero el rendimiento del sistema es el aspecto crítico a considerar. En la práctica, el ENOB del osciloscopio (sistema) siempre será menor que el ENOB del ADC.

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

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

De esta ecuación se puede inferir una regla general de 6 dB SINAD por bit efectivo. Por lo tanto, una mejora de medio bit efectivo equivale a una reducción de ruido de 3 dB (30 %), y una mejora de un bit efectivo completo equivale a una reducción de ruido de 6 dB (50 %). Pequeñas diferencias en el ENOB tienen un gran impacto 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 no se alcanza completamente el número de bits nominal del ADC cuando se implementa en digitalizadores u osciloscopios.

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

El ENOB del ADC representa un límite superior para el ENOB del osciloscopio, pero este último es el parámetro de rendimiento fundamental que se debe comprender. En la práctica, el ENOB del osciloscopio siempre será menor que el ENOB del ADC. Si un osciloscopio especifica el rendimiento ENOB de su ADC, probablemente sea una señal de alerta de que el rendimiento ENOB del osciloscopio en su conjunto 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 no se alcanza completamente el número de bits nominal del ADC cuando se implementa en digitalizadores u osciloscopios.

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

El teorema de Nyquist establece que una señal sinusoidal puede reconstruirse sin pérdida de información si se muestrea digitalmente al doble (o más) de su frecuencia. 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 frecuencia de muestreo/ancho de banda (SR/BW) de 2.5:1 se utiliza (en lugar del mínimo de 2) para tener en cuenta que el osciloscopio no tendrá un filtro de pared de ladrillo perfecto en el ancho de banda nominal. Una relación SR/BW inferior a 2:1 conlleva el riesgo de aliasing en la señal de entrada muestreada digitalmente.

Si no se cumplen los requisitos de frecuencia de muestreo de Nyquist, la señal se considera submuestreada y no se puede reconstruir sin pérdida de información. En su lugar, la reconstrucción de la señal se producirá, pero será incorrecta, un fenómeno conocido como aliasing.

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

El rango dinámico libre de espurios (SFDR, por sus siglas en inglés) es la relación (generalmente expresada en dB) entre la amplitud cuadrática media (RMS) de una señal de entrada fundamental del osciloscopio y la amplitud RMS de la siguiente señal espuria de mayor amplitud en la salida del osciloscopio. El SFDR se suele medir en el osciloscopio mediante una visualización de amplitud frente a frecuencia similar a la de un analizador de espectro o una transformada rápida de Fourier (FFT). Las señales espurias pueden deberse a distorsión u otros componentes de ruido, o bien tener una frecuencia compatible con la frecuencia de muestreo del convertidor analógico-digital (ADC) principal.

La SFDR es una de las comprobaciones de calidad que los ingenieros realizan en los osciloscopios con mayor frecuencia de error. Cualquier convertidor analógico-digital (ADC) presentará espurios en las frecuencias de muestreo, y estos espurios suelen tener una amplitud tan baja (en comparación con la fundamental de entrada) y una banda de frecuencia tan estrecha que la relación SFDR es muy superior (aunque no tan mala) a la relación señal-ruido de referencia o a la relación señal-ruido y distorsión (SINAD) para una frecuencia de entrada determinada. En ocasiones, un osciloscopio puede presentar componentes de distorsión importantes en frecuencias específicas, que se detectan fácilmente con una prueba SFDR, pero esto no es habitual.

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) de un osciloscopio?Consulte la serie de seminarios web "Oscilloscope Coffee Break" de 2024 para obtener más detalles.

Un osciloscopio de muestreo, denominado propiamente dicho osciloscopio de tiempo equivalente, proporciona una muestra por cada disparo, con un pequeño retardo añadido tras cada disparo para reconstruir una forma de onda repetitiva a partir de múltiples eventos. El ancho de banda de medición solo está limitado por la respuesta en frecuencia del muestreador, que puede ser muy alta a un coste muy bajo. La limitación reside en 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 único registro de muestra continuo.

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

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

Otros fabricantes de osciloscopios ofrecen características similares. Todos ellos optimizan la actualización de la pantalla (refresco) a costa del almacenamiento de datos, por lo que si se observa una anomalía durante la actualización rápida de la pantalla, no se puede guardar ni recuperar para su posterior análisis. Además, todavía se basan en técnicas de captura digital y, por lo tanto, tienen grandes periodos de tiempo muerto durante los cuales no capturan (ni muestran) formas de onda (o anomalías). Los osciloscopios con actualización rápida suelen ser útiles únicamente para adquisiciones muy cortas de señales repetitivas, y la velocidad de actualización se degrada en periodos de tiempo más largos (y más útiles), por lo que no son muy útiles para visualizar más de una señal a la vez. En esencia, esta función se concibió en una época en la que los osciloscopios analógicos estaban en transición hacia los digitales, y actualmente no tiene mucha utilidad práctica para la mayoría de los clientes.

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

Una pantalla con alta frecuencia de actualización puede resultar práctica y cómoda para quienes están acostumbrados a un osciloscopio analógico (aunque la mayoría de estos ingenieros ya se han jubilado). También puede ser útil para un ingeniero que visualiza una señal repetitiva de muy corta duración con muchas anomalías evidentes. Los ingenieros que capturan intervalos de tiempo más largos y no repetitivos probablemente encontrarán en las altas frecuencias de actualización una característica interesante, aunque poco utilizada en la depuración práctica.

Los diagramas de ojo y los patrones de ojo son herramientas de visualización que se utilizan para evaluar la calidad de una señal digital superponiendo los niveles digitales de cada bit (junto con las transiciones anteriores o posteriores a cada bit) para proporcionar una evaluación visual rápida de la calidad de la señal digital. Idealmente, el diagrama/patrón de ojo es muy abierto en el centro, con una parte superior (nivel digital 1), una base (nivel digital 0) y transiciones (flancos ascendentes y descendentes de las transiciones de nivel digital) bien definidas. Las señales multinivel, como PAM-3 o PAM-4, también se pueden visualizar como diagramas de ojo.

Un diagrama ocular y un patrón ocular son dos maneras de describir lo mismo.

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

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

El primer método es el más básico, pero también el que presenta mayores limitaciones. Se utiliza un disparador de flanco para activarse al nivel del 50% de un flanco ascendente o descendente de una señal digital, con la base de tiempo del osciloscopio configurada para ser ligeramente mayor que un período de bit, y el punto de disparo del osciloscopio configurado aproximadamente a un cuarto del borde izquierdo de la cuadrícula del osciloscopio. Se utiliza la persistencia de visualización para capturar múltiples adquisiciones cortas de un solo período de bit, y las señales disparadas se superponen para su 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 las anomalías en el diagrama de ojo y se ve afectado por la fluctuación de disparo adicional del osciloscopio. Es una buena y rápida manera de comprobar si una señal digital tiene buena calidad.

El segundo método es más robusto y de uso más extendido, especialmente con señales de datos seriales 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 dividir 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 de reloj, calcular la fluctuación (jitter), medir diversos aspectos de la apertura del diagrama de ojo (amplitud, ancho, etc.) y corregir cualquier anomalía presente.

Un osciloscopio de muestreo (descrito en una sección de preguntas frecuentes anterior) genera un diagrama de ojo mediante un circuito de recuperación de reloj por hardware que trabaja con el módulo de muestreo. Este método se considera obsoleto y no se utiliza ampliamente a menos que la señal de datos seriales de alta velocidad pueda analizarse y evaluarse completamente con adquisiciones de datos no continuas (no en tiempo real). En ese caso, este método es perfectamente satisfactorio y de muy bajo costo para el ancho de banda del osciloscopio. Sin embargo, requiere hardware diferente cuando la señal tiene diferentes velocidades de bits o requisitos de PLL.