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¿Hasta dónde puede llegar? Siete consejos para mejorar la resolución vertical de los osciloscopios

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¿Necesita que su osciloscopio pueda ver detalles de señales electrónicas cada vez más pequeñas? No es el único. El interés por obtener visibilidad de señales pequeñas, tanto de corriente como de tensión, está aumentando. En concreto, los usuarios de osciloscopios desean ser capaces de ver los pequeños cambios de señal que se producen en señales grandes (medidas de rango dinámico alto), o ver señales pequeñas que no precisan de rango dinámico alto. Con frecuencia esas señales cambian en cuestión de pocos milivoltios o miliamperios. Entre los ejemplos industriales se incluyen pruebas de raíles de corriente de alta calidad, tecnologías médicas desarrolladas para interactuar con la fisiología humana, experimentos únicos de física de alta energía que generan pulsos pequeños y dispositivos móviles en los que son fundamentales el consumo global de energía y corriente en el modo de suspensión.

Hastadonde1La medida de señales muy pequeñas puede plantear dificultades, puesto que la capacidad de verlas se ve afectada, además de por el ruido del osciloscopio, por su configuración y la sonda empleada. Las siete técnicas descritas a continuación pueden ayudarle a ver con su osciloscopio señales más pequeñas que las observadas hasta ahora.


1. Empiece con un osciloscopio que tenga un bajo nivel de ruido
Si bien el proveedor del osciloscopio no influye en las otras técnicas descritas para ver señales pequeñas, contar con un osciloscopio que ofrezca un bajo nivel de ruido es esencial para obtener visibilidad de corrientes y tensiones pequeñas. No podrá ver detalles de señal más pequeños que el nivel de ruido del osciloscopio.


¿Cómo puede comprobarse de forma rápida el ruido que tiene un osciloscopio concreto? La mayoría de los proveedores de osciloscopios caracterizan el ruido de cada modelo específico e incluyen ese valor en la ficha de datos del producto. Si no es el caso de su osciloscopio, puede pedir la información al proveedor o averiguar este dato usted mismo. No se tarda más que unos minutos en medirlo. Desconecte todas las entradas del panel frontal del osciloscopio y establezca el trayecto de entrada del osciloscopio en 50 W. También puede realizar la prueba con un trayecto de 1 MW. Active una buena cantidad de memoria de adquisición (entre 100 kpts y 1 Mpts), utilice el osciloscopio con persistencia infinita y observe el grosor de la forma de onda resultante. Cuanto más gruesa es la forma de onda, más ruido genera internamente el osciloscopio.


Cada canal del osciloscopio presentará una calidad de ruido única para cada configuración vertical. Puede examinar el ruido visualmente observando el grosor de la forma de onda, o puede adoptar un enfoque más analítico realizando una medida de AC de Vrms para cuantificarlo. Cree un gráfico como el que se muestra en la Figura 1. Estas medidas le permitirán saber el ruido que genera cada osciloscopio en las distintas configuraciones verticales. Evidentemente, no podrá medir señales inferiores al ruido del osciloscopio.


Actualmente hay en el mercado varios osciloscopios que ofrecen más de 8 bits de resolución. ¿Qué valor aportan esos bits extra? Siempre y cuando se disponga de una relación señal-ruido (SNR) suficiente, cuanto mayor sea el número de bits del convertidor de analógico a digital (ADC), más pequeños serán los detalles de la señal que podrán verse. El ruido suele ser uno de los principales factores a los que se atribuye la limitación de la efectividad de los bits de resolución adicionales.


Hastadonde22. Amplíe las formas de onda para conseguir la máxima resolución del ADC
La resolución es el nivel de cuantificación mínimo del osciloscopio. Un ADC de 8 bits puede codificar una entrada analógica a 256 niveles diferentes, puesto que 28 = 256. El ADC actúa sobre el valor vertical a escala completa del osciloscopio. Por tanto, los pasos de los niveles Q están asociados a la configuración vertical a escala completa del osciloscopio. Si el usuario establece la configuración vertical en 100 mV por división, la pantalla completa equivale a 800 mV (8 divisiones * 100 mV/div) y la resolución de los niveles Q es igual a 3,125 mV/nivel (800 mV dividido entre 256 niveles).


Ampliar la forma de onda hasta ocupar toda la pantalla del osciloscopio le permite sacar más partido del ADC interno. Si amplía una señal de modo que ocupe solo la mitad de la pantalla vertical, el número de bits del ADC que se utilizan pasa de 8 a 7. Si la señal se amplía a solo una cuarta parte de la pantalla vertical, el número de bits del ADC que se utilizan pasa de 8 a 6. Para aprovechar los 8 bits del ADC del osciloscopio, amplíe la forma de onda hasta ocupar toda la pantalla vertical. Mientras mantenga la forma de onda en pantalla, utilice la configuración de escala vertical más sensible.


Son muchos los proveedores de osciloscopios que ofrecen a los usuarios la posibilidad de incorporar varias retículas al instrumento. El objetivo es permitir que los usuarios vean formas de onda individuales en lugar de formas de onda superpuestas. En cada cuadrícula pueden colocarse y ampliarse una o varias formas de onda, por lo que resulta más sencillo observar la pantalla del osciloscopio. Con una retícula como la mostrada en la Figura 2, cada forma de onda puede ampliarse hasta el valor vertical de escala completa.


¿Se pueden ver señales pequeñas con un ADC de más bits? Teóricamente, sí. En la práctica, los osciloscopios con ADC de 12 bits presentan niveles de ruido con los niveles de cuantificación más pequeños. Por consiguiente, no se pueden utilizar los 4.096 niveles disponibles, puesto que los dígitos menos significativos no son más que ruido de cuantificación. Los ADC de 8 bits que utilizan el modo de alta resolución logran niveles de ruido similares a los de osciloscopios con ADC de 12 bits. Esto se debe a que el ruido de cuantificación se ve eclipsado por el ruido de entrada del osciloscopio.


Hastadonde33. Saque el máximo partido a la especificación de rango dinámico (fuera de pantalla) del osciloscopio
Ampliar una forma de onda para utilizar la escala completa de los 8 bits del ADC del osciloscopio es una medida acertada. Pero, ¿por qué no incrementar todavía más el zoom vertical? Si queda una parte demasiado grande de la señal por encima o por debajo de los límites verticales de la pantalla del osciloscopio, el ADC se saturará. Al saturarse, el ADC deja de proporcionar resultados válidos. El osciloscopio precisa una cantidad de tiempo no especificada para recuperarse de la saturación y las medidas realizadas durante ese tiempo de recuperación no son válidas.


Los proveedores de osciloscopios especifican un rango dinámico fuera de pantalla. Este valor suele expresarse como el número de divisiones de una señal que pueden quedar por encima o por debajo de los límites de la pantalla sin provocar una saturación del osciloscopio. Esta técnica proporciona a los usuarios un zoom vertical adicional con el fin de aplicar más resolución vertical a la parte de la señal que se ve en pantalla. La Figura 3 muestra un ejemplo en el que el usuario estaba a punto de duplicar la resolución vertical desplazando la señal 4 divisiones fuera de la pantalla y, a continuación, ajustando la configuración vertical para duplicar la resolución.


Hastadonde44. Utilice funciones matemáticas como la ampliación para agrandar la visualización vertical
Cuando haya conseguido utilizar el máximo de bits del ADC del osciloscopio, el paso siguiente consiste en agrandar el evento objeto de
estudio.


En el caso de las señales con un rango dinámico alto, resulta útil crear una función que amplíe la parte de la forma de onda que le interese.
Casi todos los osciloscopios de hoy en día van equipados con una o varias funciones matemáticas, o permiten agrandar ventanas de modo que la ventana agrandada incluya escalas verticales y horizontales independientes de las de la ventana principal.


Por ejemplo, para agrandar una imagen con una función, asigne una función que amplíe el canal 1 del osciloscopio. El usuario puede cambiar la posición y la escala de la función de ampliación tal como se muestra en la Figura 4. De este modo, la ventana principal muestra toda la forma de onda, mientras que la función de ampliación agranda la zona objeto de estudio. La función matemática (zoom) no ofrecerá una resolución mejor que la generada por el osciloscopio con la forma de onda del canal, pero agrandarla le permitirá ver detalles que le habría resultado imposible observar en la forma de onda completa.


Hastadonde55. Utilice el modo de alta resolución para reducir el ruido
Todos los proveedores de primera fila ofrecen osciloscopios con modo de alta resolución. Se trata de un modo que incrementa los bits de resolución al tiempo que reduce el ruido. En este modo, el ADC realiza un sobremuestreo y, después, aplica un filtro. Suele utilizarse un filtro boxcar para promediar las hipermuestras intermedias. En muchos osciloscopios, el modo de alta resolución permite al usuario especificar los bits de resolución, lo que determinará la longitud de cada filtro boxcar. Por ejemplo, si en un osciloscopio con un ADC de 8 bits se activa el modo de alta resolución con un valor de 11 bits de resolución, cada boxcar estará compuesto por 8 (23) puntos de muestreo de ADC.


Un filtro DSP boxcar promediará las muestras y almacenará el valor vertical medio resultante en la memoria de adquisición del osciloscopio como la velocidad de muestreo mostrada en la pantalla del osciloscopio. Esta tecnología permite eliminar de forma estadística una buena parte del ruido interno del osciloscopio, tal como puede verse en la Figura 6. El atributo más importante del modo de alta resolución es la capacidad para reducir el ruido total del osciloscopio. El modo de alta resolución puede dividir el ruido interno del osciloscopio por tres.


Los inconvenientes del modo de alta resolución son un ancho de banda reducido y una disminución del rendimiento. Dado que el osciloscopio debe realizar más tareas de procesamiento con los filtros DSP, se pierde velocidad de actualización.


Hastadonde66. Limite el ancho de banda para reducir el ruido
Reducir el ancho de banda de entrada del osciloscopio elimina el ruido de banda ancha que puede mermar la capacidad del osciloscopio de ver señales pequeñas. Lo ideal sería establecer el ancho de banda en tan solo 1 Hz por encima de lo que necesita el osciloscopio. Si el resto de las especificaciones son idénticas, al ver un detalle de señal de una onda sinusoidal de 10 MHz, un osciloscopio de 11 MHz obtendrá mejores resultados que uno de 50 GHz. ¿Por qué? Porque un mayor ancho de banda conlleva más ruido de banda ancha.


Muchos osciloscopios están equipados con parámetros de ajuste del ancho de banda. Para ver señales pequeñas, minimice el ruido del osciloscopio ajustando el ancho de banda al valor más bajo que satisfaga sus criterios de medida. Si su osciloscopio no ofrece anchos de banda ajustables, otra técnica para limitar el ancho de banda consiste en utilizar el modo de alta resolución.


Si no, el osciloscopio permitirá elegir entre limitar el ancho de banda por hardware o por software. Se recomienda limitar el ancho de banda por hardware, puesto que de este modo el osciloscopio mantiene su capacidad de respuesta, mientras que las técnicas basadas en software conllevan tareas de procesamiento adicionales.


Hastadonde77. Calcule la media cuando las señales sean repetitivas
Los osciloscopios incorporan otro modo llamado promediado. Activar el promediado hace que el osciloscopio calcule la media de los valores verticales de cada forma de onda capturada con los valores verticales de formas de onda sucesivas. Los osciloscopios permiten al usuario especificar cuántas formas de onda desea promediar. El promediado es otra técnica que permite a los usuarios reducir el ruido del osciloscopio. A diferencia del modo de alta resolución que emplea técnicas de sobremuestreo, el promediado no funciona con adquisiciones de disparo único. El promediado precisa de una señal repetitiva y detectará cualquier anomalía poco frecuente que se produzca. Esta técnica reduce el ruido del osciloscopio y permite ver mejor las señales pequeñas.

 

Autor:

Autor: Joel Woodward. Senior Product Manager. División de Osciloscopios  en Agilent Technologies

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