Señales digitales, analizadores lógicos y compatibilidad electromagnética
Dos relojes de 25 MHz iguales emiten muy distinto a 300 MHz si uno tiene flancos de 1 ns y el otro de 5 ns. Lo que decide las emisiones altas es el tiempo de subida, no la frecuencia.
01El analizador lógico
Un sistema digital tiene decenas de líneas que cambian a la vez. El osciloscopio muestra pocas con detalle analógico; el analizador lógico muestra muchas, 16, 32 o más, pero solo como ceros y unos, comparando cada entrada con un umbral. Trabaja en dos modos:
| Modo | Reloj de muestreo | Para qué sirve |
|---|---|---|
| Temporización | Interno, asincrónico, varias veces más rápido que la señal | Ver relaciones de tiempo, pulsos espurios, violaciones de tiempos de preparación |
| Estado | El reloj del propio sistema | Ver qué valores tenían los buses en cada ciclo, como lo ve el circuito |
En modo temporización, la resolución es el período de muestreo: para ver un flanco con un error de 10 % del período de la señal hay que muestrear al menos diez veces más rápido. Los analizadores y osciloscopios de señal mixta decodifican protocolos (UART, SPI, I²C, CAN, USB) y disparan por contenidos, como se vio en protocolos seriales. Para enlaces rápidos, la herramienta es el diagrama de ojo de modulación digital.
02Compatibilidad electromagnética
Un equipo es electromagnéticamente compatible si funciona bien en su ambiente sin perturbar a otros. La compatibilidad electromagnética (EMC) tiene dos caras: las emisiones, lo que el equipo produce, y la inmunidad, lo que soporta. Cada una se divide en conducida, por los cables, y radiada, por el aire:
| Ensayo | Rango típico | Cómo se mide |
|---|---|---|
| Emisiones conducidas | 150 kHz a 30 MHz | Con una red de estabilización de impedancia de línea (LISN) entre la red y el equipo |
| Emisiones radiadas | 30 MHz a 1 GHz y más | Con antenas a 3 o 10 m, en cámara semianecoica o sitio abierto |
| Inmunidad | Descargas electrostáticas, transitorios rápidos, campos de RF, sobretensiones | Aplicando la perturbación y verificando el funcionamiento |
Los límites de emisión de los equipos multimedia están en la norma CISPR 32. Para uso residencial, clase B, las emisiones radiadas medidas a 10 m no deben pasar de 30 dBμV/m entre 30 y 230 MHz, ni de 37 dBμV/m entre 230 MHz y 1 GHz, con detector de cuasipico. Las mediciones previas en el laboratorio de desarrollo, con un analizador de espectro y sondas de campo cercano, ahorran repetir ensayos formales costosos.
03El espectro de un reloj
La fuente de emisiones más común de un circuito digital es su reloj. Una onda cuadrada ideal tiene armónicas impares que decrecen 20 dB por década; una real, con flancos de duración finita, es un trapecio. Su envolvente espectral tiene dos quiebres:
Las armónicas de un reloj con ciclo de trabajo del 50 %, en dBμV, y su envolvente. La zona sombreada es la banda de emisiones radiadas de 30 MHz a 1 GHz.
Las medidas que siguen de este resultado son las del diseño para EMC: flancos no más rápidos que lo necesario, resistencias en serie en las salidas de reloj, planos de masa continuos que acorten los lazos de corriente, y capacitores de desacople cerca de cada integrado.
04En el laboratorio
Capturar un bus SPI con un analizador lógico en los dos modos y comparar lo que se ve en cada uno.
Recorrer una placa con microcontrolador con una sonda de campo cercano conectada a un analizador de espectro y encontrar la fuente de las armónicas del reloj.
Agregar una resistencia de 33 Ω en serie con la salida de reloj y medir la reducción de las armónicas altas.
05Errores frecuentes
- Muestrear en modo temporización apenas más rápido que la señal. Se pierden pulsos y la posición de los flancos es imprecisa.
- Pensar que bajar la frecuencia del reloj reduce todas las emisiones. Las altas las fija el tiempo de subida.
- Dejar la EMC para el ensayo final. Corregir un diseño terminado es caro; se previene en el trazado.
- Confundir la medición con sonda de campo cercano con el ensayo normativo. Sirve para comparar, no para certificar.
06Autoevaluación
¿Dónde está el segundo quiebre de la envolvente de un reloj con flancos de 2 ns?
\( 1/(\pi \cdot 2\cdot10^{-9}) \approx 159 \) MHz.
¿Cuánto cae la envolvente entre 300 MHz y 1 GHz si el segundo quiebre está en 100 MHz?
40 dB por década: unos 21 dB.
¿Qué límite de emisión radiada fija CISPR 32 clase B a 100 MHz, medido a 10 m?
30 dBμV/m en cuasipico.
¿Qué diferencia hay entre el modo de estado y el de temporización?
En estado se muestrea con el reloj del sistema; en temporización, con un reloj interno más rápido.
07Para ampliar
- Clayton R. Paul. Introduction to Electromagnetic Compatibility. 2.ª ed., Wiley, 2006. El espectro de las señales digitales, las emisiones y la reducción de interferencias.
- Henry W. Ott. Electromagnetic Compatibility Engineering. Wiley, 2009. El diseño para compatibilidad: masas, blindajes, filtros y trazado de placas.
- Keysight Technologies. Feeling Comfortable with Logic Analyzers. Nota de aplicación 1337, Keysight. Los modos de estado y temporización y el disparo en analizadores lógicos.