El osciloscopio digital
Un osciloscopio de 1 GS/s con 1000 puntos de memoria, en 10 µs/div, muestrea a solo 10 MS/s. Una señal de 10,1 MHz aparece entonces como una senoidal limpia de 100 kHz que no existe.
01Del haz a la memoria
Un osciloscopio digital de almacenamiento (DSO) conserva el canal vertical del analógico —atenuador, amplificador, ancho de banda— pero en lugar de desviar un haz, digitaliza la señal con un ADC rápido y guarda las muestras en una memoria de adquisición. El disparo decide qué parte de esa memoria se muestra, y un procesador arma la imagen, calcula mediciones y guarda la forma de onda. La ventaja es enorme: se puede ver lo que pasó antes del disparo, capturar un evento único, medir automáticamente, calcular la FFT y decodificar buses serie.
El precio es que ahora hay un muestreo, con todas sus consecuencias: la señal que se ve es una reconstrucción a partir de muestras, y puede no parecerse a la real.
02Frecuencia de muestreo y memoria
La frecuencia de muestreo máxima figura en la especificación, pero la que realmente se usa depende de la base de tiempo, porque la memoria tiene que alcanzar para llenar las diez divisiones de la pantalla:
Para reconstruir bien una senoidal hacen falta más de dos muestras por período, por el teorema del muestreo. Los osciloscopios interpolan entre muestras con la función \( \sin(x)/x \) y necesitan en la práctica unas 2,5 muestras por período de la frecuencia más alta; sin interpolación, uniendo puntos con rectas, hacen falta unas diez. Si la frecuencia de muestreo baja de dos veces la de la señal, aparece un alias: una forma de onda estable, de frecuencia más baja, que no existe.
Un osciloscopio de 1 GS/s máximo. Elegís la señal, la base de tiempo y el largo de la memoria; la pantalla muestra la señal real en gris y lo que el osciloscopio reconstruye con sus muestras, en verde.
Contra el alias hay dos defensas: mirar primero con la base de tiempo más rápida, para saber qué frecuencias tiene la señal, y usar el modo de detección de picos, que guarda el máximo y el mínimo de cada intervalo en lugar de una muestra y no deja pasar un glitch ni una frecuencia alta sin mostrarla.
03Modos de adquisición
| Modo | Qué hace | Para qué |
|---|---|---|
| Normal | Una muestra por intervalo | Uso general |
| Detección de picos | Máximo y mínimo de cada intervalo, muestreando al máximo | Glitches y alias en bases de tiempo lentas |
| Alta resolución | Promedia las muestras de cada intervalo | Menos ruido y más bits efectivos en señales lentas |
| Promedio | Promedia varias adquisiciones sucesivas | Reduce el ruido aleatorio en \( \sqrt{n} \), con señales repetitivas |
| Memoria segmentada | Guarda solo los tramos alrededor de cada disparo | Ráfagas espaciadas, como paquetes de un bus |
04Resolución vertical y ancho de banda
La mayoría de los osciloscopios usa conversores de 8 bits: 256 niveles en toda la pantalla, unos 32 por división. Para no perder resolución, la señal tiene que ocupar casi toda la altura: una señal que ocupa una división se digitaliza con apenas 5 bits. Los modelos recientes tienen 10 o 12 bits, útiles para ver detalles pequeños sobre señales grandes, como la ondulación de una fuente.
La respuesta en frecuencia de un osciloscopio digital suele ser más abrupta que la de un analógico, para aprovechar la frecuencia de muestreo sin dejar pasar alias. Por eso la relación entre tiempo de subida y ancho de banda es \( t_r \approx 0{,}4/BW \) a \( 0{,}45/BW \) en lugar de 0,35.
05Disparo, mediciones y análisis
El disparo digital va más allá del flanco: puede esperar un pulso más ancho o más angosto que un valor, un pulso que no llegó al nivel lógico (runt), un patrón en varios canales o una trama con cierto dato en un bus serie. Las mediciones automáticas —frecuencia, tiempo de subida, valor eficaz— se calculan sobre las muestras, y su exactitud depende de que haya suficientes muestras por flanco y de que el cálculo abarque un número entero de períodos. La FFT convierte al osciloscopio en un analizador de espectro básico, con la limitación de sus 8 bits.
06En el laboratorio
Con un generador de 10 MHz, reducir la memoria del osciloscopio y alargar la base de tiempo hasta ver una señal de baja frecuencia. Verificar la frecuencia aparente con la fórmula y eliminarla con detección de picos.
Medir una señal de 1 mV con ruido en modo normal y promediando 16 y 256 adquisiciones. Estimar cuánto baja el ruido.
Capturar una transacción I²C, configurar la decodificación y disparar en una dirección específica.
07Errores frecuentes
- Confiar en una forma de onda estable en una base de tiempo lenta. Puede ser un alias.
- Usar una señal chica en pantalla. Se pierden bits de resolución.
- Medir un tiempo de subida con pocas muestras por flanco. La interpolación inventa la forma.
- Dejar la memoria en el mínimo. Obliga a bajar la frecuencia de muestreo en bases de tiempo lentas.
08Autoevaluación
¿A qué frecuencia muestrea un osciloscopio de 2 GS/s con 20 000 puntos en 50 µs/div?
\( 20\,000 / (10 \cdot 50\ \mu\text{s}) = 40 \) MS/s.
¿Qué frecuencia aparente muestra una senoidal de 10,1 MHz muestreada a 10 MS/s?
100 kHz, la distancia al múltiplo más cercano de la frecuencia de muestreo.
¿Cuántos niveles de cuantización usa una señal que ocupa dos divisiones con un ADC de 8 bits y ocho divisiones?
Unos 64, el equivalente a 6 bits.
¿Cuánto baja el ruido aleatorio al promediar 100 adquisiciones?
Diez veces: 20 dB.
09Para ampliar
- Tektronix. XYZs of Oscilloscopes. Tektronix, primer técnico. Muestreo, memoria, modos de adquisición y disparo en los osciloscopios digitales.
- Keysight Technologies. Evaluating Oscilloscope Sample Rates vs. Sampling Fidelity. Nota de aplicación 1587. Cuántas muestras por período hacen falta en realidad, con mediciones.
- Ian Hickman. Oscilloscopes: How to Use Them, How They Work. 5.ª ed., Newnes, 2001. Los osciloscopios digitales comparados con los analógicos.