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¿Cuál es la diferencia entre los osciloscopios en tiempo real y los osciloscopios de muestreo?

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Al empezar mi carrera como ingeniero acepté un proyecto de investigación cuyo objetivo era caracterizar el comportamiento de la transmisión de la luz a través de fibra óptica de tipo D, con las fibras sometidas a un baño de ácido durante varias horas. Vi que había un osciloscopio nuevo que nadie utilizaba y me hice con él para mi trabajo. Sin haber escrito anteriormente software de control y análisis de medidas de osciloscopios, empecé a trabajar en el nuevo osciloscopio de inmediato. Tras dos semanas de desarrollo de fijaciones para pruebas y de escritura de software, empecé a tener algunos problemas inesperados durante la ejecución de mis primeras pruebas. Como era novato en este tipo de trabajo, pedí ayuda a un ingeniero con experiencia.

Cualesladiferencia1Su primera pregunta fue “¿por qué utilizas un osciloscopio de muestreo para este experimento?”. Esta pregunta me cogió totalmente por sorpresa. Empecé a preguntarme cuál era la diferencia entre un osciloscopio de muestreo y un osciloscopio en tiempo real, en qué aplicaciones se utilizaba cada uno y en qué aspectos se solapaban.


Los osciloscopios en tiempo real suelen denominarse DSO o MSO (osciloscopios con memoria digital u osciloscopios de señales mixtas). La mayoría de los osciloscopios comercializados actualmente son osciloscopios en tiempo real. Este tipo de osciloscopios presentan anchos de banda que van desde algunos MHz hasta decenas de GHz, y sus precios oscilan entre pocos cientos de euros y varios miles de euros. Los osciloscopios de muestreo, normalmente denominados DCA (analizadores de comunicación digital) suelen comenzar en el rango de decenas de GHz de ancho de banda y se utilizan principalmente para el análisis de bus serie de alta velocidad, dispositivos ópticos y señales de reloj. Sin embargo, con el aumento de los anchos de banda, los osciloscopios de muestreo y los osciloscopios en tiempo real han comenzado a solaparse en diversos ámbitos de aplicación.


La ruta hacia la digitalización de los osciloscopios en tiempo real y de los osciloscopios de muestreo es, básicamente, la misma. La señal de entrada pasa a través de la circuitería de acondicionamiento de señal del osciloscopio, se digitaliza, se almacena en memoria y, a continuación, se muestra en la pantalla. Sin embargo, la tecnología empmleada en cada uno de ellos es totalmente distinta.


Osciloscopios en tiempo real
¿Cómo funcionan los osciloscopios en tiempo real? Los osciloscopios en tiempo real incluyen ASIC de disparo que permiten a los usuarios especificar eventos de interés concretos, como el aumento del umbral de tensión, la configuración e infracción de una retención o un disparo de patrón. En el modo de adquisición normal, cuando la circuitería de disparo del osciloscopio detecta este evento, el osciloscopio captura y almacena puntos de muestra contiguos en torno a este punto de disparo, y actualiza en la pantalla los datos capturados. Los osciloscopios en tiempo real pueden funcionar en el modo de un solo disparo o en el modo repetitivo. En el modo de un solo disparo, el osciloscopio adquiere y muestra una única adquisición de muestras consecutivas, determinadas por la profundidad de memoria y la velocidad de muestreo definida en el osciloscopio. El usuario puede desplazar y ampliar cualquier evento interesante que observe en la adquisición del osciloscopio, después de que este capture una única traza. En el modo continuo “run”, el osciloscopio sigue adquiriendo y mostrando cada condición que coincide con la especificación de disparo del osciloscopio. La persistencia variable o infinita permite la superposición de capturas de señal sucesivas sobre la señal original. El modo repetitivo suele utilizarse con mucha frecuencia, ya que ofrece una visión en directo del dispositivo sometido a prueba. Medidas como el tiempo de subida o la anchura de pulso, y análisis como los matemáticos o FFT, pueden realizarse en el modo de un solo disparo o durante un periodo de adquisiciones repetitivas. La mayoría de los osciloscopios en tiempo real situados por debajo del ancho de banda de 6 GHz incluyen entradas tanto de 1 MOhm como de 50 Ohm, lo que permite su utilización con una amplia variedad de sondas y cables.


Los osciloscopios en tiempo real se definen por tres especificaciones principales: el ancho de banda, la velocidad de muestreo y la profundidad de memoria. Sin embargo, es obvio que hay muchas otras especificaciones importantes que deben tenerse en cuenta a la hora de observar un osciloscopio en tiempo real.
Los osciloscopios con memoria profunda ofrecen las siguientes tres ventajas distintivas

 

1.    La memoria profunda permite la captura de una ventana de tiempo más prolongada a una velocidad de muestreo concreta. La cantidad de memoria determina el número de muestras que pueden almacenarse por adquisición y, por lo tanto, determina la ventana de tiempo de captura. Cuanto mayor es el número de muestras que pueden adquirirse en una sola adquisición, más posibilidades hay de que se haya producido un evento extraño en la misma.
2.    La memoria profunda permite a los usuarios mantener una velocidad de muestreo más rápida a bases de tiempo más lentas, para aumentar la precisión de medición. Por ejemplo, con una memoria de 10 Mpts y una velocidad de muestreo de 10 Gmuestra/s, un ajuste horizontal de 1 us/div utilizará 1 Gpt de datos (este es el límite absoluto de muchos de los osciloscopios actuales). Si el usuario pasa a un ajuste de base de tiempo de 10 us/div, el osciloscopio realizará el muestreo a la décima parte de la velocidad original para capturar la misma ventana de tiempo. Sin embargo, un osciloscopio con una memoria de 100 Mpts permitiría al usuario conservar la alta velocidad de muestreo de 10 Gmuestra/s y, al mismo tiempo, capturar la ventana de tiempo de 20 us completa.
3.    La memoria profunda permite realizar medidas estadísticas y cálculos más precisos. Al analizar la desviación del tiempo de aumento, FFT y medidas de jitter de una amplia variedad de flancos constatamos que en todos los casos se benefician de la realización de adquisiciones con memoria profunda.


Osciloscopios de muestreo
¿Cómo funcionan los osciloscopios de muestreo? Los osciloscopios de muestreo presentan un diseño único para capturar, mostrar y analizar señales repetitivas. Las capacidades de disparo son también óptimas para señales repetitivas. Un osciloscopio de muestreo capturará una serie de muestras no contiguas separadas en el tiempo cuando observe su primera condición de disparo. El osciloscopio retarda el punto de disparo, captura la siguiente serie de puntos y los representa en la pantalla del osciloscopio junto con la primera serie de puntos. Repite este proceso creando la forma de onda en un modo persistente infinito a través de adquisiciones sucesivas. Uno de los componentes principales de la tecnología es la interpolación de disparo, que controla la resolución de tiempo entre disparos para aumentar la precisión de medida. La profundidad de memoria no resulta un elemento de vital importancia ni tan necesario, ya que en cada disparo solo se capturan y procesan algunos puntos. La velocidad de muestreo tampoco resulta tan importante. El componente más importante es la precisión en la cantidad de tiempo que transcurre desde la primera condición de disparo hasta la siguiente condición de disparo ligeramente retrasada con respecto a la primera.

 

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Osciloscopios de muestreo frente a osciloscopios en tiempo real
Tal y como se ha mencionado anteriormente, el ancho de banda de los osciloscopios en tiempo real actuales es superior a los 60 GHz, mientras que el de los osciloscopios de muestreo supera los 90 GHz. Por ello, para la mayoría de las aplicaciones digitales, el ancho de banda ha dejado de ser el método más sencillo para decidir cuál es el osciloscopio correcto que debemos elegir. Dicho esto, no debemos olvidar que el precio es también un factor determinante. Un osciloscopio de muestreo a 50 GHz con todas las funciones tiene un coste inferior a los 115 000 €, mientras que el precio de un osciloscopio en tiempo real se acerca a los 300 000 €. El diseñador debe analizar si la mayor flexibilidad que ofrece un osciloscopio en tiempo real compensa el aumento de precio.


Ruido y relación señal-ruido
Además de las diferencias que hemos mencionado anteriormente, existen muchas otras entre un osciloscopio de muestreo y un osciloscopio en tiempo real. Los osciloscopios de muestreo incluyen un ADC de 14 bits y, por lo tanto, ofrecen un rango dinámico muy amplio, lo que permite analizar con ellos señales que van desde pocos mV hasta 1 voltio sin necesidad de atenuación. Este es el motivo por el cual los osciloscopios de muestreo presentan un ruido muy bajo a diversos ajustes de voltios por división. El osciloscopio en tiempo real está limitado en su rango dinámico a 8 bits, pero normalmente mostrará un número de bits efectivo de aproximadamente 6. Debido a la limitación de la relación señal-ruido, deberá utilizar atenuadores para mostrar correctamente señales que van desde escasos mV hasta varios voltios. A efectos prácticos, esto significa que los osciloscopios en tiempo real presentan un ruido más alto que los osciloscopios de muestreo. El bajo nivel de ruido de los osciloscopios de muestreo ha supuesto que ahora se consideren el estándar “golden” en el campo de las medidas. Sin embargo, los osciloscopios en tiempo real mejoran constantemente y han comenzado a reducir la brecha en cuanto a la integridad de señal.


Respuesta de frecuencia
Otro de los aspectos que debe tenerse en cuenta a la hora de elegir entre un osciloscopio en tiempo real y un osciloscopio de muestreo es la respuesta de frecuencia de los dos osciloscopios. Normalmente, los osciloscopios de muestreo no utilizan corrección de procesamiento de señal digital (DSP) y, por lo tanto, presentan una respuesta de frecuencia que se atenúa lentamente (respuesta hardware) y su aspecto es más gaussiano. Los osciloscopios en tiempo real pueden implementar DSP y, por consiguiente, pueden corregir su respuesta de frecuencia. Pongamos un ejemplo. El modelo DSOX93304Q de Agilent utiliza una respuesta de frecuencia plana en toda su banda del paso, lo que significa que su ganancia no variará en más de 1 dB en toda la frecuencia del osciloscopio.
Las respuestas en frecuencia de los osciloscopios en tiempo real pueden variar. Algunos proveedores de osciloscopios ofrecen hasta cinco respuestas, cada una con sus características propias. Al realizar un análisis comparativo entre la respuesta plana y la respuesta gaussiana se obtienen dos medidas totalmente distintas. La atenuación gaussiana, por ejemplo, puede tener influencia sobre una medida y añadir interferencia entre símbolos. Una respuesta plana que se atenúa rápidamente puede presentar algo parecido a oscilaciones transitorias en su respuesta si una señal es lo suficientemente rápida como para ir más allá del ancho de banda del osciloscopio. Sea cual sea la situación, hay que conocer el modo en que el hardware puede tener influencia sobre las medidas.


Diferencias de captura de reloj
La captura de reloj es uno de los componentes clave de las medidas con osciloscopio. La captura de reloj permite la creación de un ojo en tiempo real, pruebas de máscaras y separación de jitter. Un reloj capturado es, básicamente, un reloj de referencia utilizado para la comparación de medidas. Hasta hace poco, el osciloscopio de muestreo se basaba únicamente en el hardware para la captura de un reloj. Esto provocaba que, tanto si el reloj era un reloj explícito como si se trataba de un reloj de 10 MHz interno proporcionado por el osciloscopio de muestreo, el sistema de captura fuera propenso a errores. Esta situación ha cambiado, ya que el osciloscopio de muestreo de Agilent ahora puede ofrecer un sistema de captura de reloj basado en software, ideal para realizar capturas de reloj precisas. Los osciloscopios en tiempo real utilizarán, casi en todos los casos, una captura de reloj por software, pero también ofrecen la posibilidad de utilizar captura de reloj explícita. La ventaja de la captura de reloj por software es, una vez más, que no es propensa a errores de hardware, sino que colocará los flancos donde deban estar, sea cual sea la velocidad de los datos.


Además de las diferencias existentes entre una captura de reloj por hardware y una captura de reloj por software, debe tenerse en cuenta el algoritmo de captura de reloj que se está empleando. Normalmente, los osciloscopios de muestreo utilizan una función de transferencia de jitter (JTF), mientras que los osciloscopios en tiempo real utilizan una OJTF. La OJTF recortará mayor cantidad de jitter de baja frecuencia que una JTF. Por ello, las cifras de jitter son significativamente más bajas en el osciloscopio en tiempo real que en el osciloscopio de muestreo. Las cifras pueden restablecerse con solo cambiar ambos osciloscopios a la misma función de transferencia. Gracias a los recientes avances en la tecnología de los osciloscopios de muestreo, esto ya es posible y facilita significativamente las comparaciones de jitter.


Cuándo utilizar un osciloscopio de muestreo y cuándo utilizar un osciloscopio en tiempo real
Históricamente, los osciloscopios de muestreo han ofrecido muchas más ventajas que los osciloscopios en tiempo real en términos de ancho de banda máximo y jitter intrínseco. Sin embargo, durante la última década, los osciloscopios en tiempo real han recortado distancias, hasta el punto de ofrecer a los usuarios que realizan pruebas de transceptores la posibilidad de elegir entre un osciloscopio en tiempo real y uno de muestreo. El osciloscopio de muestreo sigue presentando un jitter más bajo y un rango dinámico mucho más alto, por lo que resulta ideal para la caracterización dentro de un entorno controlado. Suponiendo que la señal sea repetible o que pueda capturarse con un ojo en tiempo real, el osciloscopio de muestreo ofrecerá una representación fidedigna de su señal.


En el caso de un osciloscopio en tiempo real, su flexibilidad hace que resulte atractivo. Si el usuario realiza tareas de depuración y desea que el disparo se realice basándose en eventos difíciles de encontrar, el osciloscopio en tiempo real resulta ideal. Los usuarios de osciloscopios en tiempo real pueden elegir entre una enorme variedad de aplicaciones de conformidad, decodificación y disparo de protocolos y análisis. El osciloscopio en tiempo real también puede medir el jitter en adquisiciones únicas, por lo que se presenta como una opción excelente para el análisis de la causa original de los fallos. La mayoría de los métodos de implementaciones en estándares utilizan los osciloscopios en tiempo real también para pruebas de transmisores, lo que significa que es posible que un usuario tenga que utilizar un osciloscopio en tiempo real para asegurarse de que sus dispositivos sean conformes.


Conclusión
Los osciloscopios en tiempo real se presentan como una opción excelente para la mayoría de las aplicaciones. Estos osciloscopios están disponibles en una amplia variedad de anchos de banda, ofrecen la posibilidad de capturar eventos de un único disparo y señales repetitivas, y han mejorado en las medidas de alta frecuencia, como el jitter y la caracterización de transmisores. Si su aplicación incluye una forma de onda repetitiva que requiere jitter más bajo y un rango dinámico elevado, el osciloscopio de muestreo es una opción óptima. Los osciloscopios de muestreo ofrecen, además, la ventaja de tener un coste inicial más bajo y la posibilidad de realizar actualizaciones modulares, por lo que son una opción idónea para las aplicaciones de pruebas de fabricación eléctrica y óptica. Si trabaja con frecuencias superiores a los 20 GHz y no está seguro del tipo de osciloscopio que debe elegir, le recomendamos que se ponga en contacto con un proveedor de osciloscopios que ofrezca osciloscopios tanto de muestreo como en tiempo real, ya que compartirá con usted el interés de ofrecerle el dispositivo que mejor resuelva sus necesidades, a diferencia de la situación que podría darse con un proveedor que solo ofrezca osciloscopios en tiempo real o disponga de una oferta limitada de osciloscopios de muestreo.

Autores:

Joel Woodward y Brig Asay. Oscilloscopes Product Division Agilent Technologies

 

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