El osciloscopio digital avanzado
Un osciloscopio de 5 GS/s con 10 000 puntos de memoria muestrea a 1 MS/s cuando se lo pone en 1 ms por división. La memoria, no el conversor, decide qué se ve.
01Tres números que definen un osciloscopio digital
El osciloscopio digital de Medidas I se describió por su ancho de banda y su frecuencia de muestreo. Un instrumento avanzado se juzga por tres números que interactúan: el ancho de banda analógico del frente, la frecuencia de muestreo máxima del conversor y la profundidad de memoria, la cantidad de muestras que guarda en una adquisición. Con interpolación sen(x)/x, hace falta muestrear a unas 2,5 veces el ancho de banda para reconstruir bien una señal de banda completa.
La memoria es la que suele olvidarse. La pantalla muestra diez divisiones horizontales; para llenarlas, el osciloscopio necesita guardar muestras durante todo ese tiempo:
Un osciloscopio de 500 MHz y 5 GS/s. Al alargar la base de tiempo, la frecuencia de muestreo real depende de la memoria. Se observa una señal de 100,03 MHz: si la mitad de la frecuencia de muestreo queda por debajo, aparece un alias.
02Disparo avanzado y memoria segmentada
Encontrar un evento raro es más difícil que verlo. Los osciloscopios avanzados disparan por condiciones: un pulso más angosto o más ancho que un valor, un pulso enano que no llega a nivel lógico, una violación de tiempos de preparación y retención entre datos y reloj, o un campo determinado de una trama serie decodificada. La memoria segmentada divide la memoria en miles de adquisiciones cortas, una por cada disparo, y guarda la hora de cada una: sirve para registrar ráfagas separadas por tiempos muertos largos sin desperdiciar memoria.
Otra especificación importante es la tasa de actualización, en formas de onda por segundo. Entre una adquisición y la siguiente el instrumento procesa y no ve la señal: con 1000 formas de onda por segundo y 1 μs de ventana, está ciego el 99,9 % del tiempo. Los equipos de tasa alta, con cientos de miles por segundo, encuentran fallas intermitentes mucho antes.
03Medidas, FFT y resolución vertical
Las medidas automáticas (tiempo de subida, frecuencia, valor eficaz) se calculan sobre las muestras, y su exactitud depende de la cantidad de puntos por flanco. La FFT convierte el registro en un espectro con una resolución en frecuencia igual a la inversa del tiempo registrado: memoria profunda significa resolución fina. El conversor de 8 bits da 256 niveles; en el modo de alta resolución, el instrumento muestrea más rápido de lo necesario y promedia muestras vecinas, y gana medio bit por cada duplicación del promedio, a costa de ancho de banda. Los efectos del muestreo se estudiaron en aliasing.
04En el laboratorio
Observar una señal de 50 MHz con memoria mínima y bases de tiempo crecientes. Anotar la frecuencia de muestreo que informa el instrumento y el momento en que la forma de onda deja de ser la real.
Capturar ráfagas de una comunicación serie con memoria segmentada y medir el tiempo entre ellas con las marcas de tiempo.
Generar un pulso enano ocasional con un generador de funciones arbitrarias y encontrarlo con el disparo por pulso enano y con persistencia infinita.
05Errores frecuentes
- Mirar solo la frecuencia de muestreo máxima. Con bases de tiempo largas, la memoria la reduce.
- Confiar en la pantalla sin mirar la frecuencia de muestreo real. Un alias puede parecer una señal estable.
- Buscar fallas raras con una tasa de actualización baja. El instrumento no ve la mayor parte del tiempo.
- Usar alta resolución con señales rápidas. El promedio reduce el ancho de banda.
06Autoevaluación
¿Qué frecuencia de muestreo usa un osciloscopio de 1 M puntos a 100 μs/div?
\( 10^6/(10 \cdot 10^{-4}) = 1 \) GS/s.
¿Qué resolución tiene la FFT de un registro de 10 ms?
100 Hz.
¿Cuántos bits efectivos se ganan en alta resolución promediando 16 muestras?
Unos 2 bits: medio bit por cada duplicación.
¿Para qué sirve la memoria segmentada?
Para registrar muchos eventos cortos separados por tiempos muertos largos, sin gastar memoria en los tiempos muertos.
07Para ampliar
- Tektronix. XYZs of Oscilloscopes. Tektronix, nota introductoria. Los conceptos de muestreo, memoria y disparo explicados por un fabricante.
- Keysight Technologies. Evaluating Oscilloscope Sample Rates vs. Sampling Fidelity. Nota de aplicación, Keysight. Por qué no alcanza con muestrear al doble del ancho de banda.
- Clyde F. Coombs Jr. (ed.). Electronic Instrument Handbook. 3.ª ed., McGraw-Hill, 1999. El osciloscopio digital y sus modos de adquisición.