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StationMAX: la profundidad de memoria marca la diferencia

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Muchos usuarios de osciloscopios se preguntan por qué habría de ser importante una mayor profundidad de memoria en una aplicación de medida. Sin embargo, vale la pena estudiarlo con más detenimiento ya que una mayor memoria de adquisición puede aportar un significativo valor añadido, especialmente en aplicaciones de alta frecuencia. Dado que en ellas se pueden acumular cantidades considerable de datos de hasta varios gigabytes, el traslado de tantos datos a un dispositivo de almacenamiento masivo USB o directamente al PC, por ejemplo, es un factor relevante.

Otra ventaja es la variabilidad. Se puede usar una memoria grande pero también se puede ajustar y reducir según las necesidades, lo cual aporta otras ventajas. Por ejemplo, con una memoria más pequeña se pueden tomar medidas a mucha más velocidad para capturar variaciones rápidas (glitches) o formas de ondas no deseadas que cambian con rapidez. La velocidad de captura de la forma de onda o la minimización de los tiempos ciegos desempeñan un importante papel en este sentido.
RIGOL ha anunciado, con la nueva serie DS70000, un nuevo osciloscopio de 3 GHz o 5 GHz basado en la plataforma de nuevo desarrollo UltraVision III. Este osciloscopio, que contiene chips ASIC de desarrollo propio, se presenta a continuación de manera detallada en relación con los aspectos citados y las ventajas de estos parámetros.

Profundidad de memoria de la memoria de adquisición
Para estudiar la memoria de adquisición con más detalle observemos el sistema vertical del osciloscopio. Para llevar una amplitud controlada al convertidor A/D (ADC), la señal de entrada analógica se atenúa o amplifica. Después es necesario un filtrado según el respectivo ancho de banda máximo con el fin de evitar efectos de aliasing que falsificarían la señal debido al muestreo insuficiente de los componentes de alta frecuencia por encima del máximo ancho de banda. Tras el filtrado, el ADC digitaliza los datos a la velocidad de muestreo definida. El DS70000 usa muestreo en tiempo real, lo cual significa que todos los puntos de muestreo se adquieren de manera secuencial tras un disparo. Las muestras discretas (ahora binarias) se almacenan en una memoria de adquisición y los datos se introducen de este modo en el sistema horizontal de un osciloscopio. El sistema horizontal asegura la adquisición de un número suficiente de puntos de muestreo en el momento adecuado. Las muestras se describen como puntos; por ejemplo, un millón de muestras se describen como 1 Mpts (megapuntos). Con un osciloscopio, el tiempo por división, el número de divisiones (DIV), la profundidad de memoria y la velocidad de muestreo están relacionadas en una fórmula (ver fórmula 1):

Fórmula 1: Correlación horizontal de un osciloscopio digital.

En el osciloscopio DS70504 de RIGOL, la pantalla está dividida en 10 divisiones y su velocidad máxima de muestreo en tiempo real es de 20 GS/s. Cuando se usa un solo canal, la máxima profundidad de memoria es de 2 Gpts, por lo que el máximo tiempo resultante es de 10 ms, que corresponde a un tiempo de 100 ms mostrado en la pantalla. Como se puede ver en la Fórmula 1, otros parámetros cambian de manera inevitable en cuanto lo hace una de las variables. Por ejemplo, se puede incrementar la unidad de tiempo. Si ya se está usando la memoria máxima hay que reducir la velocidad de muestreo. En los osciloscopios de RIGOL se pueden cambiar las variables "unidad de tiempo" y "profundidad de memoria"; la velocidad de muestreo automática se obtiene como consecuencia de estos parámetros. Si ahora se mide una señal de 5 GHz (período = 200 ps) con una unidad de tiempo de 10 ms/DIV, se pueden registrar 500 millones de períodos con una sola medida y se pueden mostrar en una pantalla. Con la función zoom se pueden analizar las áreas de interés con más precisión. Gracias a la alta velocidad de muestreo se pueden reconocer muy bien incluso las desviaciones más pequeñas en una señal de 5 GHz. La Figura 1 muestra el registro de una señal de 5 GHz con una amplitud de -10 dBm (100 µW o 200 mVpp). 5 GHz describe el ancho de banda de 3 dB del DS70504. La amplitud muestra este valor de 200 mVpp, que casi corresponde a la amplitud real a 5 GHz.

 Figura 1: Medida de una señal de 5 GHz (-10 dBm) con el DS70504.


La alta velocidad de muestreo también es necesaria si, por ejemplo, hace falta una medida en el flanco ascendente de la señal de datos de alta frecuencia ya que depende del ancho de banda. El tiempo de subida medido (AZ) depende del AZ del osciloscopio, de la sonda utilizada y de la señal a medir (ver
fórmula 2).

Fórmula 2: Cálculo del tiempo de subida medido de la señal de datos.

La Figura 2 muestra una señal de datos medida con un cable no óptimo de RF en el canal 1 (amarillo) y comparada con una medida realizada con la sonda diferencial de RF PVA8700 de RIGOL (canal 3, rosa). El tiempo de subida se podría medir mucho mejor con la sonda de HF.

 

Figura 2: Medida del tiempo de subida. Rosa: mediante la sonda de RF PVA8700 de RIGOL). Amarillo: mediante cable coaxial (conector BNC).

El tiempo visualizado también se puede incrementar con la máxima memoria, pero entonces la velocidad de muestreo disminuye y ya no se pueden distinguir señales con todo el ancho de banda. Una manera de resolver esto consiste en utilizar la función de registro para descargar la memoria en diferentes tramas y volver a unir esos segmentos. Sin embargo, al utilizar la memoria profunda y alargar los tiempos se reduce la velocidad de adquisición de la forma de onda, es decir, se incrementan los tiempos ciegos entre adquisiciones.

Velocidad de captura de la forma de onda de un osciloscopio
Los osciloscopios digitales requieren un tiempo de procesamiento para el procesamiento digital y la visualización de la señal. El osciloscopio no mide durante este tiempo de procesamiento, lo cual significa que siempre hay tiempos ciegos con un osciloscopio digital. Cuantas más funciones se usen (p.ej., funciones matemáticas, FFT, etc.), mayor es el tiempo ciego. La profundidad de la memoria y el ajuste de tiempo del monitor también influyen. Cuanto mayores son ambos, más largo es el tiempo ciego. Un tiempo ciego tiene un efecto muy negativo sobre la medida, especialmente al medir eventos infrecuentes, ya que la medida debe ser significativamente más larga con el fin de poder visualizar el glitch con una probabilidad P = 99%. El tiempo de medida aparece en la Fórmula 3.

Fórmula 3: Tiempo para detectar el glitch con una probabilidad del 99%.

Esto significa que, con la velocidad de adquisición del DS70504 que es >1 millón de formas de onda/s (valor medido: 1,012 millones de formas de onda/s), un glitch con una velocidad de 10 glitches/s y una probabilidad de detección de P = 99% se puede visualizar en 4,6 segundos. Por tanto, se deben medir 46 eventos para representar un glitch (P = 99%). Para un osciloscopio con una menor velocidad de adquisición de p.ej. 100.000 formas de onda/s se necesitaría un período de 46 segundos o medir 460 eventos para mostrar el glitch.

Por tanto, se puede afirmar que la memoria profunda se puede utilizar para tomar medidas de alta precisión durante un período de tiempo más largo o para una medida muy rápida con una memoria más pequeña y un tiempo más corto. Ambas se pueden implementar muy bien con el osciloscopio DS70504. Los osciloscopios de la serie DS70000 pueden capturar incluso los glitches más pequeños y detectar picos a partir de 200 ps. En este caso la amplitud se monitoriza continuamente y dentro del intervalo de muestreo se registrar y se utilizan para la pantalla los valores extremos positivos y negativos. La envolvente obtenida puede ayudar a mostrar incluso las desviaciones más pequeñas. Al visualizar los valores máximos y mínimos, la configuración mejora de alguna manera la respuesta frente al ruido.
La variación de la memoria de adquisición también se puede aprovechar en la función de registro para almacenar varias adquisiciones de señal en el dispositivo para su análisis posterior.

Función de registro
La serie DS70000 permite almacenar adquisiciones de la forma de onda en sus tramas respectivas dentro de la memoria RAM. Estas tramas se pueden recuperar tantas veces como se desee para su análisis posterior y realizar medidas como análisis de frecuencia o decodificar una señal de bus (p.ej., CAN-FD). El tamaño de la memoria de adquisición define el número máximo de tramas a adquirir. Por ejemplo, con una memoria de 1 kpts se pueden registrar hasta 2 millones de tramas. Si se necesita una memoria aún más pequeña, por ejemplo para registrar un tiempo muy corto, se pueden registrar 2,4 millones de tramas con una profundidad de memoria de 400 pts. El intervalo mínimo entre cada trama es de 10 ns y el intervalo de tiempo entre estas tramas es muy pequeño. Con la función de registro, y configurando hábilmente el disparo (normal), se pueden ajustar el disparo y el registro de manera que solo registre cuando haya un disparo. De este modo se pueden registrar y guardar eventos esporádicos durante pruebas a largo plazo y analizarlos más tarde tantas veces como sea necesario tras finalizar la prueba. La memoria total también se puede ampliar por segmentación con la función de registro. Por ejemplo, con una memoria de 1 Gpts es posible capturar hasta 5 tramas, que corresponden a una memoria máxima de 5 Gpts. Aquí se puede ver que se acumulan muchos datos en varios Gbytes. En muchas aplicaciones es necesario guardar los datos en una memoria interna no volátil y en último término en el PC. La velocidad del proceso de almacenamiento y la transmisión de los datos al PC suponen una gran dificultad para muchos osciloscopios ya que puede requerir mucho tiempo. RIGOL ha optimizado la serie DS70000 exactamente para este proceso con el fin de que sea lo más sencillo y rápido posible.

Disponibilidad de los datos
La serie DS70000 integra interfaces como USB3.0 (Host y Device) y Gigabit Ethernet para una disponibilidad buena y rápida de los datos, que se pueden transferir directamente al PC o a través de una unidad USB 3.0. En cuanto el dispositivo de medida se conecta al PC por medio de Ethernet se puede utilizar el control web mediante el navegador sin necesidad de instalar software adicional. La velocidad de actualización de la imagen es de 9 imágenes por segundo y el resultado es una visualización muy rápida en el PC. Con este control web se puede manejar el dispositivo por completo (ver figura 3).

 

Figura 3: Pantalla y funcionamiento por medio de la interfaz de control web.

Por otro lado, se puede efectuar un registro como un archivo mp4 y guardarlo directamente en el PC. Esta interfaz también ofrece la opción de enviar comandos SCPI al dispositivo. Para almacenar las grandes cantidades de datos también se puede utilizar el dispositivo como un servidor ftp a través de la IP y abrirlos en Explorer. Aquí todos los archivos locales guardados, como imágenes, archivos csv, vídeos, etc. se pueden transferir fácilmente del dispositivo al PC.

La velocidad del almacenamiento interno del dispositivo también se ha optimizado en la serie DS70000.
Como ejemplo se usa una memoria de 10 Mpts, que se puede almacenar en el osciloscopio en menos de 10 segundos. Transferir estos datos al PC por medio de FTP necesita menos de un minuto. Se pueden almacenar 2 Gpts de memoria (correspondientes aproximadamente a 29,8 Gbytes de datos) en el dispositivo en 5 minutos y 26 segundos. La transferencia FTP al PC tarda luego otros 6 minutos y 50 segundos. Los datos binarios de la forma de onda se pueden guardar en el dispositivo a una velocidad aún mayor. Por ejemplo, se puede copiar una memoria de 2 Gpts en la memoria interna del dispositivo en 46 segundos y copiarla en el PC a través de FTP en 63 segundos. RIGOL ofrece una de las mejores relaciones precio/rendimiento con la excelente calidad de RIGOL como resultado de nuestros más de 20 años de experiencia en pruebas y medidas.

La serie DS70000 es el primer dispositivo de medida StationMAX y permite disponer de otras funciones, como análisis de espectro en tiempo real, diversos modos de disparo/decodificación de sistemas de bus y pruebas de conformidad para USB 2.0 y 100-Base-T Ethernet, por ejemplo. También es posible realizar funciones de análisis, como visualizar el diagrama de ojo en tiempo real o analizar el jitter. El hardware está diseñado de manera que el dispositivo pueda incorporar otras funciones en el futuro sin necesidad de cambiar el hardware. Por tanto, la fiabilidad funcional está garantizada durante muchos años. RIGOL también ofrece una amplia gama de sondas, como la serie PVA8000 de sondas activas de HF, que garantiza un ancho de banda lineal de hasta 7 GHz y contiene un chip ASIC de desarrollo propio.

Boris Adlung, RIGOL Technologies Europe 

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