Equipos de Prueba y Medida

Osciloscopios y alta resolución han dejado de ser incompatibles

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A lo largo de muchos años, la arquitectura del osciloscopio de 8 bits ha sido y sigue siendo la solución óptima para la mayoría de las aplicaciones que se basan en él. Sin embargo, esta arquitectura puede alcanzar sus límites debido al creciente número de medidas de potencia o de análisis de señal con un alto rango dinámico. Para aplicaciones que requieran una arquitectura de 12 bits también son importantes otros parámetros, como el ruido de la etapa de entrada.

La arquitectura de 12 bits aporta ciertas ventajas respecto a la estructura de 8 bits, la cual, si bien es suficiente en muchas aplicaciones de osciloscopios. Por tanto es importante evaluar qué ventajas ofrece una estructura de 12 bits y si son realmente necesarias.
Este artículo describe las ventajas de una arquitectura de 12 bits como la incorporada en los nuevos osciloscopios de la nueva serie DHO4000 de RIGOL y estudia otros aspectos importantes. Dado que la estructura de 8 bits suele ser suficiente para muchas aplicaciones también se presentarán las ventajas y los inconvenientes de ambas arquitecturas.
Las aplicaciones que necesitan una mayor resolución suelen estar relacionadas con la medida de señales con un alto rango dinámico. Esto significa que pueden ser señales con una gran amplitud y que contengan cambios de amplitud muy pequeños que también sea preciso medir. Un ejemplo es la medida de corrientes y tensiones en electrónica de potencia.

En los osciloscopios anteriores de 8 bits se puede activar un modo de alta resolución (High-Res) de 12 bits para medidas con bajo ruido de las señales, calculadas matemáticamente en el osciloscopio tras registrar la señal. Para ello se recurre al sobremuestreo, que genera un valor medio a partir de los valores más finos de la amplitud que ahora se presentan con una mayor resolución. Este promedio reduce los componentes del ruido, por lo que se pueden visualizar desviaciones más finas de la amplitud. No obstante, la arquitectura sigue siendo de 8 bits (=28 = 256 valores) si los datos se guardan en un archivo csv. El segundo inconveniente es que el ancho de banda se be reducido de forma significativa en función del tiempo de estabilización. Además, el nivel de ruido se adapta a una estructura de 8 bits y también influye negativamente sobre la medida.

La serie DHO4000 de RIGOL ofrece la posibilidad de conmutar el equipo a una escala vertical de 1 mV/DIV a 100 µV/DIV. El nivel mínimo de ruido (con un ancho de banda limitado a 20 MHz) en este rango es inferior a 18 µArms (ver Figura 1, con 1 mV/DIV). De esta manera se pueden medir incluso las señales con los valores más pequeños de tensión y corriente (p.ej. a través de una derivación con la impedancia adecuada). 

Las series DHO1000 y DHO4000 de RIGOL usan una arquitectura de 12 bits basada en el nuevo juego de circuitos ASIC "Centaurus" desarrollado por RIGOL. El número de valores verticales aumenta así de 256 niveles a 212 = 4096 valores, es decir, una resolución vertical 16 veces más fina si se compara con una arquitectura de 8 bits. No hace falta llegar a un compromiso, p.ej. la disminución del ancho de banda como en el modo de alta resolución. Además de mejorar la resolución vertical, la serie DHO4000 ofrece una velocidad muy elevada de muestreo en tiempo real de hasta 4 GS/s y una memoria máxima de 500 Mpts. Si el análisis requiere una resolución de 4 GS/s se pueden registrar más de 100 ms con esta memoria y se pueden visualizar en alta resolución mediante la función zoom. Esto significa que hay una óptima combinación de una resolución muy alta tanto vertical como horizontal. Además, gracias a la gran memoria se puede visualizar un elevado número de señales con una sola adquisición. Uno de los inconvenientes de una resolución de 12 bits es que crea conjuntos de datos significativamente más grandes que con una estructura de 8 bits. Esto significa que al seleccionar el osciloscopio es importante comprobar si la aplicación precisa realmente la alta resolución y que como resultado de ello se genera un mayor volumen de datos. El juego de circuitos está constituido por dos ASIC, entre los cuales el  "θ-Centaurus" fue desarrollado para la etapa de entrada analógica para permitir el ancho de banda requerido, las impedancias de 1 MΩ y 50 Ω, una protección frente a sobretensiones muy rápidas y un nivel muy bajo de ruido. Este ASIC tiene un rango dinámico muy alto de hasta 97 dB y ofrece una linealidad muy elevada con una THD (distorsión armónica total) de -55 dBc. Este chip también se caracteriza por su nivel muy bajo de ruido para permitir la resolución de 12 bits, un aspecto fundamental en la plataforma de 12 bits. Si el nivel de ruido no se correspondiera con el mayor número de bits, el incremento del ruido impediría la mayor sensibilidad del ADC.

El segundo chip, denominado "α-Centaurus", es un procesador de señal digital de alta precisión con una resolución del ADC de 12 bits y alcanza una velocidad de muestreo de hasta 4 GS/s. Junto con la resolución, este chip también se caracteriza por su estabilidad muy alta respecto a la temperatura de
3,6 µV/°C y su muy alta sincronización (temporización multichip) de diferentes señales con 33 fs. Al igual que la serie DS70000 (5 GHz/20 GS/s), la serie DHO utiliza la nueva plataforma UltraVision III. En muchas aplicaciones que necesiten una resolución muy alta, el ancho de banda se encuentra en el rango más bajo del osciloscopio, donde el valor efectivo de bits es el mismo que el del ADC, es decir, 12 bits. No obstante, a veces es necesario conocer la resolución hasta el máximo ancho de banda. Este valor se define en el valor ENOB (número efectivo de bits), que depende de la frecuencia. Con la serie DHO4000, este valor es superior a 8 bits para todo el ancho de banda. Esto significa que el ENOB cobra importancia con anchos de banda más elevados y alta resolución.
Como se ha señalado antes, la resolución vertical más alta se puede usar para medir señales con un alto rango dinámico, lo cual puede ocurrir en medidas de potencia. Sin embargo, conviene subrayar que el uso óptimo de la mayor resolución se obtiene cuando la señal se puede visualizar a pantalla completa. Esto significa que al medir, por ejemplo, corriente y tensión con los canales 1 y 2, se recomienda aprovechar toda la pantalla para la medida respectiva. No obstante, debido a la representación de la traza con diferentes colores, estas curvas siguen siendo fáciles de reconocer (ver Figura 2).

En el segmento de potencia, incluso las más pequeñas variaciones de la red en la entrada de CA pueden afectar negativamente a varias funciones. Para garantizar en general y por completo las funciones de los dispositivos es importante conocer hasta qué punto son manejadas estas fluctuaciones por la electrónica alimentada; como resultado, por ejemplo, de cortas bajadas de tensión, ruido o el desarrollo de armónicos. Un osciloscopio puede adquirir señales en estas situaciones recurriendo a una sonda diferencial de alta tensión y a una sonda de corriente. Las curvas de tensión y corriente se miden a continuación con el osciloscopio. También hay que tener en cuenta la exactitud y el nivel de ruido de las sondas. Parámetros como los descritos a continuación se pueden registrar y medir. Si bien la medida de los valores máximos/mínimos de los componentes de las señales fuertes es muy similar para 8 bits y
12 bits, la ventaja de un osciloscopio de 12 bits se basa en la medida de pequeñas desviaciones de la señal que no serían visibles en un osciloscopio de 8 bits. El ajuste vertical se puede afinar de manera que estos componentes tan pequeños de la señal se puedan visualizar con una buena resolución, por lo que también se pueden analizar y medir con gran precisión (ver Figura 3).

 

Con una estructura de 8 bits, la resolución teórica con los 256 niveles y una representación vertical de  8 V (1 V/DIV) es de 31,25 mV. En un osciloscopio de 12 bits, el número de pasos es 4096, lo cual corresponde a una resolución de 1,95 mV con el mismo ajuste vertical. Esto significa que ahora se pueden medir los componentes del ruido y otras desviaciones en las secciones de paso, algo que no está al alcance de un osciloscopio de 8 bits.
Al igual que con el osciloscopio de 8 bits, la serie DHO de RIGOL integra un modo de Alta Resolución (High-Res) que se puede establecer en 14 o 16 bits para visualizar las señales con una nitidez aún mayor. Por tanto, esta tecnología de promediado es superior a la resolución de 12 bits (High-Res) de los osciloscopios de 8 bits. En los equipos DHO de RIGOL se muestra el menor ancho de banda resultante junto con la resolución.
La función opcional de análisis de potencia también se puede usar para medidas en general de la entrada de CA de una fuente de alimentación conmutada. En concreto permite medir valores de corriente y tensión como potencia activa, aparente y reactiva, así como el factor de cresta. Con la función matemática también es posible mostrar el resultado en una curva. A la salida de una fuente de alimentación conmutada, el análisis de potencia se puede utilizar para analizar el rizado de salida con el fin de medir la calidad de la señal.
En el análisis de la señal, y especialmente el análisis de error, tiene mucho sentido concentrarse no solo en el análisis del tiempo sino también de la frecuencia ya que de este modo se pueden representar bien, por ejemplo, no linealidades indeseadas o armónicos. El mejor rango dinámico libre de interferencias del osciloscopio de 12 bits respecto al osciloscopio de 8 bits también permite analizar la frecuencia en un rango dinámico más alto. Por tanto, en el análisis de frecuencia, el nivel de ruido y las amplitudes de la interferencia generada internamente son inferiores a las registradas con un osciloscopio de 8 bits. Como se ha indicado antes, además de mejorar el nivel de ruido también se logra una mayor linealidad. La FFT puede convertir hasta un millón de muestras en el espectro de frecuencia y obtener por tanto una resolución de frecuencia muy elevada. Al igual que con un analizador de espectro, el espectro se puede establecer por medio de frecuencias de inicio y fin o con un centro y un intervalo. Cuando el osciloscopio se ajusta en 50 Ω, la unidad vertical también puede representar dBm (representación logarítmica con la referencia "m" por "mW").

 

La Figura 4 muestra el análisis de frecuencia de una onda sinusoidal de  1 MHz.

 

Junto con la mayor resolución vertical y con una resolución horizontal mucho mayor, el osciloscopio ofrece la posibilidad de tomar medidas con la nueva función "UltraAcquire", que divide la memoria en diferentes segmentos, cada uno de los cuales integra diferentes tipos de disparos. De este modo se puede alcanzar una velocidad muy alta de captura de formas de onda de 1,5M formas de onda/s. Con esta función, el usuario puede decidir cuántos disparos se han de registrar (hasta el número máximo). Las señales adquiridas se pueden visualizar luego en diferentes tipos de representación (p.ej. en cascada o con una perspectiva tridimensional), por lo que se pueden analizar mejor las señales que cambian con mucha rapidez y que de otro modo serían difíciles de detectar debido al largo tiempo ciego. Este análisis se puede emplear, entre otras cosas, para un pulso de transmisión que genera varios ecos mucho más pequeños y el rango dinámico se puede aprovechar de nuevo para medir bastante bien los ecos más pequeños o bien para visualizar las interferencias (glitches) con mucha más velocidad (ver figura 5).


Con las series DHO1000 y DHO4000, RIGOL amplía su amplio catálogo de productos destinados a más aplicaciones. Además de un manejo sencillo por medio pantalla táctil, teclado o control web, los osciloscopios se caracterizan por su uso versátil en diferentes ámbitos, como I+D, educación u otras aplicaciones industriales que exijan una resolución horizontal o vertical muy elevada. Gracias a estos osciloscopios de alta resolución, RIGOL se posiciona en el mercado con una relación precio/rendimiento extraordinariamente atractiva así como unos niveles muy elevados de calidad y versatilidad frente a otros equipos costosos del mercado.

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