osciloscopio digital3987825
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Medidas Electrónicas II
Osciloscopio Digital
DSO (Digital Storage Oscilloscope)
UTN FRBAMedidas Electrónicas II
Rev.5 – 30/10/2012
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Características adicionales a los Osciloscopios analógicos
UTN FRBAMedidas Electrónicas II
• Memoria para almacenar las capturas• Persistencia de la pantalla configurable• Mediciones incorporadas
!alor "fica#!alor Medio
!alor Pico $recuencia Per%odo&nc'o de Pulso (iempo de )recimiento *Rise (ime+
(iempo de ,ecrecimiento *$all (ime+
• )one-in a P) para descarga anlisis de datos ffine• Mediciones con !entana *doble .(.+ similar a a4uellas 4ue permite la
.(. demorada de los analgicos
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Características adicionales a los Osciloscopios analógicos
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• !isuali#acin de la seal antes despu6s del disparo *Pre/Pos ,isparo+• )ursores en pantalla para tomar medidas de (iempo &mplitud• peraciones matemticas
7uma
Resta
Multiplicacin
$$( $unciones estad%sticas
7cripts de engua8es de alto nivel *M&(&+
• ,isparos adicionales9
Por &nc'o de pulso: comparndolo con un valor igual: distinto: maor o menor 4ue un
valor seleccionado
7eales de captura de video *;(7): P&: <,(!+
!entanas de (ensin *cuando la seal est dentro del rango especificado+
)ombinacin de condiciones lgicas 8unto a condiciones de umbrales de tensin
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Diagramas Funcionales
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;tese la ar4uitectura serie: por la cual los datos productos de la ad4uisicin
pasan a trav6s del microprocesador: generando un cuello de botella en los tiempos
de refresco del displa.
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Diagramas Funcionales
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Especificaciones Fundamentales
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•7ample Rate97am
ple Rate9 "specifica la m-ima velocidad de muestreo 4ue tiene el e4uipo: debe
considerarse ba8o 4ue condiciones se especifica si es 4ue no se da para todas las escalas
de tensin del e4uipo *!/div+. Para el (e= de la serie (,71000 es 1>7/s: para la serie
(,72000 es 2>7/s
•and?idt'9 ,a el anc'o de banda m-imo del e4uipo ba8o condiciones espec%ficas:
con un sistema de medicin compuesto por dic'o e4uipo alguna punta recomendada
por el fabricante para el mismo. Para la serie (e= (,71000/2000 va de @0M<# 'asta
los 200M<#
•Record engt'9 )antidad de muestras 4ue son almacenadas en la memoria del e4uipodurante cada captura *un barrido+. (%picamente al usar las .(. ms rpidas: la cantidad
comien#a a disminuir.
•&c4uisition Rate9 )antidad de formas de onda capturas por segundo. $undamental
para deteccin de transitorios: t%picamente se ve deteriorada si se 'ace uso de lasfunciones de mediciones en cada ad4uisicin. Para la serie (e= (,71000/2000 su valor
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Fundamentos: Teoría de Muestreo
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• ,ada una seal limitada en frecuencia 'asta una f ma-: la
frecuencia de muestro f s debe ser maor 4ue dos veces f ma- para 4ue
a partir de las muestras pueda reconstruirse posteriormente la seal
original sin efecto de &lias *(eorema de ;4uist+.
• )uando no cumple con este re4uisito aparece el efecto de &lias
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BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
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• a seal muestreada resultante: presenta una repeticin del
espectro original espaciados por f s• & medida 4ue aumenta f s: la repeticin del espectro de la seal
original se distancia cada ve# ms facilitando el filtrado del espectro
4ue 4ueda en el origen para recuperar la seal de origen
Respuesta en frecuenia de un filtro ideal pasa ba8os *ric=Ball filter+
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BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
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• amentablemente no e-iste posibilidad alguna de fabricar un filtro ideal como
el mostrado anteriormente.• (odos los filtros reales tal como el mostrado a continuacin poseen una
frecuencia de corte *por convencin 3d+: 4ue no impide el pasa8e *aun4ue
atenuado+ de las frecuencias superiores a f ma- 4ue causan el &lias
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BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
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• &umentar la frecuencia de muestreo mu por encima del B especificado:
disminue el efecto del &lias permite filtros con respuesta >aussiana *muc'o
menos e-igentes
imitando el B del osciloscopio a fs/C reduce el efecto del &lias
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BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
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• (odas las componentes 4ue sobrepasen la f ; del grfico: aparecen comocomponentes de alta frecuencia en un espectro 4ue resulta de DdoblarE todas
las frecuencias indicadas en ro8o como se indica en punteado. "sto para seales
digitales de alta velocidad implica una deformacin de los flancos sus respectivos
tiempos
"fecto de DdobladoE
"sta #ona del espectro
tiene componentes
producto del &lias 4ue
puede deforman los
flancos seales digitalesde alta velocidad
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BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
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• a siguiente imagen muestra el efecto de &lias en los flancos de la seal: poniendo en evidencia el efecto mencionado anteriormente
sciloscopio e)ro: B de 500M<# muestreando a 1>7a/s
*&pp.;ote.&gilent+
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BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
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• )uando no se respeta el (eorema de ;4uist: pueden darse mediciones 4ueaun4ue pare#can correctas no lo son. "n los siguientes 2 grficos puede verse la
misma seal senoidal de unos 10M<# muestreada sin cumplir cumpliendo con la
condicin impuesta por ;4uist. 7e aprecia 4ue cuando no se cumple con dic'a
condicin puede tenerse una indicacin estable en pantalla pero 4ue no refle8a la
realidad: induciendo al operador a cometer un error grosero.
7eal mal muestreada. Fndicacin G:HAI<# 7eal bien muestreda. Fndicacin 10M<#
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BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
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• )uando la respuesta en frecuencia del filtro es de m-ima planicidad: a4uellascomponentes 4ue se encuentran ms all de la frecuencia de corte 4ue aportan
tambi6n a me8orar el Rise(ime del e4uipo se ven rpidamente atenuadas:
empeorando as% el Rise(ime frente a un e4uipo con respuesta >aussiana• 7i el fabricante no indica lo contrario: puede apro-imarse como9
tr J 0:35/B *Respuesta >aussiana+ tr J 0:C/B *Respuesta Ma-.Planicidad+
sciloscopio con respuesta en frecuencia >aussianasciloscopio con respuesta en frecuencia de
ma-ima planicidad *ma-imallflat+
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BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
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• Para disminuir el efecto del &lias: algunos osciloscopios poseen limitacin del
B mediante filtros seleccionables
• "n osciloscopios de alta gama puede 'aber die#o o ms de filtros posibles
• "n el caso del (,71000/2000 de (e=: slo tiene un filtro 'asta 20M<#
"8emplo de limitacin del B de la serie ,G000 de sciloscopios Ko=oga?a
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Error en la medición de amplitud
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• Por definicin: el B del osciloscopio se da donde la seal a medir cae 3 d respecto a
su valor real. "n este punto se tiene un error cercano al 2G:3L• os fabricantes generalmente slo mencionan la e-actitud en ,) poco o nada
mencionan a mediciones para &). )onsiderndose como peor caso el 2G:3L indicado para
la
frec. de corte.
• Puede verse 4ue generalmente la respuesta en frecuencia de los osciloscopios es
bastante plana muc'o me8or 4ue 3d: pero por distintos problemas de no es conveniente para los
fabricacin asegurar estos valores.
• ,e la grfica anterior puede deducirse la ra#n de la regla del pulgar 4ue indica 4ue para
reali#ar una medicin con una e-actitud del orden del 3L debe ser el B del osciloscopio de
3 a 5 veces maor 4ue el de la seal a medir
"-actitud en la medicin de amplitud vs. $rec *;ormali#ada por B+
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Error en la medición de amplitud
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• )omo se muestra en la tabla comparativa de especificaciones 4ue figura a
continuacin: ninguno de los fabricantes 'ace mencin respecto a la e-actitud para
mediciones en &).• Fncluso normalmente la especificacin es confusa: como en el caso de $lu=e
donde la e-actitud est en el orden del 1:5L del valor le%do considerado la
especificin 'asta el B: cuando por definicin en el B es de 2G:HL. na
posible alternativa ser%a 4ue el B indicado no sea el real sea mu conservativo:lo cual es poco comNn. Podr%a concluirse 4ue slo se aplica para ,)
"specificaciones de 5 osciloscopios distintos
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Error en la medición de amplitud
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• Puede reali#arse un barrido de frecuencias: para obtener la respuesta en
frecuencia del e4uipo: as% visuali#ar su planicidad.• )omo se muestra en las imgenes siguientes proporcionadas por &gilent: su
e4uipo tiene un B 4ue es en e-ceso me8or 4ue los 3d t%picos.• )omo contrapartida: el otro e4uipo muestra una falta de planicidad notable:
aun4ue esto no invalida 4ue cumpla con los 3d especificados
Barrido para ver la respuesta en frec. del equipo Agilent’s MSO7104A (BW de 1!"#$ Barrido para ver la respuesta en frec. de un equipono espec%ficado de BW de 1&' !"#
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Cantidad de muestras almacenadas
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• (omando como caso de anlisis la serie (,71000/2000: la cantidad demuestras almacenadas es 2500
• "n las .(. ms lentas del e4uipo: se cumple 4ue se almacenan las 2500
muestras en un tiempo igual al a D10 div O $(E: es decir: por el tiempo 4ue se est
visuali#ando a pantalla completa. Por lo tanto9
• Por lo anterior adems se tiene 4ue9
• "n las .(. ms rpidas esta relacin a no se cumple dado 4ue la cantidad de
muestras 4ue se toma no alcan#a a llenar la memoria disponible.
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Factor de BT! "ample #ate y $lias
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• a siguiente tabla tomada del manual de la serie (,71000/2000: muestra unresumen de todo lo mencionado anteriormente
7amples
en 10 ,iv
250/500O a
1250/2500O
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
7amples
en 10 ,iv
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
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Factor de BT! "ample #ate y #ecord %engt&
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Factor de BT! "ample #ate y #ecord %engt&
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• )uando el intervalo de ad4uisicin aumenta: la cantidad de muestras a igual frecuencia de muestro aumenta. 7i el Record engt' no alcan#a para almacenar
tantos puntos: debe ba8arse la frecuencia de muestreo: por lo tanto 'a menor
detalle de la seal a visuali#ar. Por lo tanto el Record engt' es un limitante.
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Muestreo entrela'ado
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• )uando se traba8a con &,)s intentando llevar su frecuencia cada ve# msall: se llega al l%mite tecnolgico 4ue momentneamente no permite avan#ar.• "n estas situaciones los fabricantes recurren a arreglos circuitales 4ue permitan
e-tender el alcance de los mismos: 'aci6ndolos traba8ar en con8unto de manera
entrela#ada como se muestra a continuacin.
• ,e esta manera puede e-tenderse la frecuencia de muestreo ms all de laslimitaciones individuales de un &,).
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Muestreo entrela'ado
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• "n e4uipos con varios canales: generalmente al traba8ar a su m-ima frec. 7lo puede medirse con 1 canal: dado 4ue el &,) del otro canal est traba8ando de
manera entrela#ada para lograr dic'a frecuencia de muestreo• a conversin entrela#ada es mu sensible a problemas de fase entre los
distintos &,)s. )ual4uier imperfeccin se ver como una reconstruccin
distorsionada de la seal original
,iagrama de tiempos mostrando un entrela#ado con
problemas de fase *muestreo no e4uiespaciado+
,iagrama de tiempos 4ue muestra la reconstruccin
distorsionada interpolando mediante 7in*-+/- : por problemas de fase en el muestreo entrela#ado
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Interpolación
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• "l filtro pasa ba8o ideal es a4uel 4ue sirve para recuperar el espectro de banda base de la seal muestreada *a4uel 4ue va de ,) a fs/2+ as% recuperar la seal
original.• Por su carcter no causal del filtro: dado 4ue en el dominio del tiempo tiene la
forma sin*-+/-: este filtro slo puede reali#arse en postprocesamiento. &un4ue esto
impli4ue una actuali#acin retardada no en tiempo real: el operador no lo nota.
Reconstruccin de una seal en tiempo continuousando interpolacin ideal
Reconstruccin de una seal en
tiempo continuo usando interpolacinideal e Fnterpolacin ineal con Retardo
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(elocidad de refresco del Display
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• Pese a alcan#ar con 20 actuali#aciones por segundo para 4ue el operador DveaEel e4uipo DvivoE: la cantidad de capturas por segundo est directamente vinculada
con la capacidad del e4uipo para visuali#ar transitorios o espurios• Para visuali#ar este tipo de transitorios se recurre a otro tipo de ar4uitectura:
dado 4ue el procesamiento serie del ,7 presenta un cuello de botella. 7e utili#a
una ar4uitectura paralela 4ue es la 4ue presentan los e4uipos 4ue se denominan,P *,igital P'osp'or scilloscope+
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Modos de $d)uisición * Modo Muestreo
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• "n este modo la seal es muestreada a intervalos regulares de tiempo: dado porel per%odo de muestreo 4ue sur8a de la .(.• "s el modo 4ue tiene maor e-actitud normalmente• Puede presentar &lias si no se respeta la frec. M-ima• ;o es capa# de capturar pulsos estrec'os 4ue puedan ocurrir entre las muestras
sucesivas: debiendo recurrirse en tal caso al modo D,eteccin de PicosE• )uando la .(. es mu alta la cantidad de muestras no completa la memoria
disponible: se recurre a la interpolacin para completar las 2500 muestras.
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Modos de $d)uisición * Modo Detección de +icos
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• "n este modo de ad4uisicin: el ,7 busca el valor m%nimo m-imo en cada
per%odo de ad4uisicin• ,e esta forma pueden detectarse picos 4ue ocurren durante el per%odo de
ad4uisicin: 4ue en el caso de la serie (,72000 *2>7a/s+ llegan a ser tan angostos
como 10ns. ;otar 4ue este tiempo es muc'o maor 4ue 2O(s: 4ue es lo 4ue se
podr%a llegar a tardar para encontrar los 3 puntos 4ue definen el glitc'. "sto se debe
al tiempo de procesamiento necesario para determinar si es el m-imo o el m%nimo.Por lo tanto se deduce 4ue en este modo no muestrea a la fs m-ima• "n las .(. ms rpidas esta funcin se des'abilita de manera automtica
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Modos de $d)uisición * Modo +romediado
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• "n este modo de ad4uisicin: el ,7 toma sucesivas capturas en el modo demuestreo anteriormente mencionado
• uego se reali#a el promediado de las mismas: se muestra el resultado• "s de suma utilidad cuando se tiene seales con ruido aleatorio. a8o estas
circunstancias el mismo se ve disminuido notablemente: permitiendo ver con
claridad la seal de interes.
7eal en modo ,eteccin de Picos 7eal en modo Promediado
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Funciones de (entana ,simil BT Demorada-
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• &s% como los osciloscopios analgicos lograban ver detalles mediante laimplementacin de una segunda .(: 4ue se llam .(. demorada: los ,7
incorporan una funcionalidad similar llamada D!entanaE
• 7e define mediante cursores en pantalla una #ona sobre la cual se desea
obtener una ampliacin para ver un detalla
• "l anc'o de la ventana define la .(. a usar en la misma *.(. rpida+ : aun4ue
en los ,7 nunca se menciona esta segunda .(
• na ve# 4ue el procesador detecta el disparo: espera 'asta 4ue se llegue almomento indicado por el inicio de la ventana para comen#ar la captura de la seal.
• uego utili#ando la .(.rpida se muestrea la seal para posteriormente
mostrarse en pantalla.
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Funciones de (entana ,simil BT Demorada-
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• "l siguiente e8emplo muestra una seal compuesta de video: 4ue posee un
detalla 4ue necesita ampliarse• "n este caso particular se ampl%an los pulsos de burst 4ue proveen al e4uipo
receptor de una seal de referencia en fase para seal de crominancia• 7e selecciona la ventana sobre la .(. principal• &mpl%ese luego la ventana 'asta cubrir la #ona del detalle de inter6s.
• Psese a la funcin para ampliar la ventana
7eal de video compuesto 7eal de video compuesto
!entana
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Funciones de Disparo especiales+re y +os Disparo
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• os osciloscopios digitales poseen la gran venta8a de permitir capturar la sealincluso antes 4ue se produ#ca el disparo: reali#ando un muestreo permanente
previa
a la deteccin de la condicin de disparo.
• "sta caracter%stica distintiva permite ver la seal a visuali#ar incluso antes 4uedispare *Pre,isparo+: dando la posibilidad de encontrar mediante mNltiples
canales
incluso la causa del disparo.
•(ambi6n puede visuali#arse la seal muc'o despu6s del disparo: generando lo4ue se denomina Pos,isparo. "ste caso no de8a de ser una simplificacin de la
funcin de ventana: donde se toma un offset de tiempo a partir del disparo pero
luego la .( no se modifica.
• Puede configurarse el e4uipo para traba8ar en cual4uier punto intermedio:
siendo por e8emplo un caso t%pico la ubicacin del punto de disparo en el centro de
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Funciones de Disparo especiales+re y +os Disparo
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• a funcin de Pre Pos disparo: se implementa mediante una cola circular enla cual se acumulan las muestras en forma permanete.• na ve# 4ue se detecta el punto de disparo: los datos acumulado 'asta el
momento corresponden a lo 4ue se toma como Pre,isparo.• Posteriormente se tomarn muestras 'asta completar lo 4ue 4ueda del buffer
segNn sea el porcenta8e asignado para Pre Pos ,isparo
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Funciones de Disparo especialesDisparo por anc&o de pulso
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• os osciloscopios digitales entre muc'os otros tipos de disparo nuevo: permiten disparar ba8o condiciones de anc'o de pulso. "sta es una caracter%stica
mu interesante al traba8ar con seales digitales 4ue deban a8ustarse a un control de
tiempos estricto.
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Funciones de Disparo especialesTiempo de #etención
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• )omo algunos osciloscopios analgicos avan#ados: los osciloscopios digitales
poseen la caracter%stica de brindar un tiempo de retencin *<oldoff+ a8ustable
• "ste tiempo de retencin facilita el disparo de seales comple8as 4ue re4uieran
in'ibir el disparo por un tiempo como se muestra a continuacin.
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Medición de "e.ales Digitales
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• Para tener una visuali#acin ra#onable de la seal 4ue se desea medir: pero no
apta para reali#ar mediciones por su escasa e-actitud: deber%an al menos verse
la seal fundamental los primeros armnicos *(%picamente 'asta el 5to+.
• Para cumplir con ello se utili#a la siguiente regla del pulgar *rule of t'umb+
• Pero esta regla nos permite tener una idea global de la seal: pero no es lo
suficientemente estricta como para 4ue la seal sea una fiel reproduccin de larealidad.
• a realidad es 4ue las componentes de alta frecuencia de la seal son a4uellas
4ue definen la rapide# de sus flancos: es por ello 4ue son 6stos los 4ue deben
anali#arse para conseguirse una estimacin del B del osciloscopio
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Medición de "e.ales Digitales
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• ,ebe obtenerse una estimacin de la m-ima frecuencia presente en la seal• )omo punto de partida debe encontrarse el flanco de maor pendiente• uego se utili#a la frecuencia de rodilla de la forma indicada en el paso 2: para
obtener una estimacin de la frecuencia m-ima
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Medición de "e.ales Digitales
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• $recuencia de Rodilla9 se denomina as% a la frecuencia donde el espectro de
una seal cuadrada de8a de caer a 20d/dec para 'acerlo muc'o ms abruptamente."n dic'o valor: se produce una atenuacin de @.Ad por deba8o de la recta 4ue
acompaa la ca%da de 20d/dec. ;tese 4ue f Q=nee no es funcin de la frec. del
cloc=
sino de los flancos. 7e considera 4ue toda la energ%a de la seal llega 'asta f Q=nee
,r. <o?ard B.o'nson
D<ig'speed ,igital ,esign – &
<andboo= of lac= Magic.E
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Medición de "e.ales Digitales
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Respuesta en frecuencia de 2
osciloscopios de B J 1><# con
distinto tipo de amplificador
vertical
os dos factores 4ue interesan
fundamentalmente de las
transferencias son la planicidad el contenido de &lias
Respuesta a un escalon mu
rpido de 2 osciloscopios de
B J 1><# con distinto tipo de
amplificador vertical
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"nsao sobre 2 ,7 de 1><#: con un
generador con trJH00ps.
"l ,7 con respuesta Plana tiene un
3L de error
"l ,7 con respuesta >aussiana tiene
un GL de error
)ontinuando con el ensao: para
mediciones de buen e-actitud *menos
al 15L de error+: el ,7 de respuesta
Plana mide me8or para igual B delos ,7. &un4ue pare#ca no intuitivo
por tener peor ts el ,7 de respuesta
Plana: si la seal a medir entra
completamente dentro de su B lo
'ace me8or por no sufrir gran
atenuacin en la banda de interes.
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Medición de "e.ales Digitales
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• )omo resumen se muestra la siguiente tabla: no perderse de vista 4ue debe con la
incorporacin de los ,7 la aparicin de los amplificadores de respuesta Plana: elabanico de posibilidades las consideraciones a tener en cuanta al momento de 'acer la
medicin aumenta considerablemente9
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Diagrama O/o ,Eye Diagram-
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• "s una t6cnica para caracteri#ar seales digitales de alta velocidad
• &porta informacin sobre 7;R: itter *aleatorio deterministico+: permiteobtener una idea clara de la calidad de de seal 4ue se tiene• "s una t6cnica simple econmica 4ue en general slo re4uiere de un generador
de pulsos con salida de datos pseudoaleatoria cloc=: ms un osciloscopio digital• "s importante la persistencia del osciloscopio: de poseer: reali#ar clculos
estad%sticos sobre las mediciones del diagrama
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Diagrama O/o ,Eye Diagram-
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Diagrama O/o ,Eye Diagram-
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• os osciloscopios de gamma media alta: e incluso los ms modernos de la
gamma econmica: incluen las plantillas de validacin 4ue e-igen algunascertificaciones• Muc'os standard incluen este tipo de ensaos *7: <,MF: 7;"(: etc+
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Osciloscopios de $lta gama
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• 7on verdaderas computadoras: con una etapa analgica de entrada de B un
procesamiento digital e-traordinarios. (ienen 'asta 7istema perativo similares
cone-iones de "/7