Comprobación de la respuesta de la fuente con generadores de ondas arbitrarias y digitalizadores en un solo instrumento
Dentro del mundo de la comprobación electrónica existen dos tipos de pruebas. Los dispositivos electrónicos autoalimentados, como fuentes de alimentación, osciladores, transmisores y generadores de señal se comprueban mediante instrumentos que recurren a la adquisición de datos, como digitalizadores, osciloscopios o analizadores de espectro. El segundo tipo de comprobación corresponde a dispositivos como amplificadores, filtros, receptores e interfaces digitales, que deben ser alimentados externamente por medio de una fuente de señal para poder utilizar instrumentos de adquisición de señal. Este tipo de prueba se denomina comprobación de respuesta de la fuente.
| Figura 1: Modelo DN2.806-08 con 8 canales de 16 bit para generación de ondas arbitrarias y digitalización en una carcasa conforme a LXI. |
El hybridNETBOX de Spectrum Instrumentation combina generadores de ondas arbitrarias y digitalizadores multicanal en un instrumento universal conforme a LXI que es capaz de proporcionar medidas de estímulo y respuesta. Se trata de un verdadero sistema de prueba todo en uno. La Figura 1 muestra un hybridNETBOX.
Hay seis configuraciones diferentes del hybridNETBOX con una velocidad de muestreo y del reloj de 40, 80 y 125 megamuestras por segundo (MS/s) en dos, cuatro u ocho canales para generación y adquisición de señal. Cada canal tiene 16 bit de resolución y un ancho de banda de hasta 60 MHz proporcional a la velocidad de muestreo, de manera que aporta la tecnología necesaria para asegurar que los canales de digitalización y generación de ondas arbitrarias ofrezcan unos niveles excepcionales de exactitud y precisión.
El generador de ondas arbitrarias puede tener de dos a ocho canales totalmente sincronizados con reloj y disparador comunes, de generación interna o externa. Los niveles de salida del generador de ondas arbitrarias pueden ser de hasta ±6 V con 50 Ohms o ±12 V en alta impedancia para las versiones de dos o custro canales o hasta ±3 V con 50 Ohms o ±6 V en alta impedancia para la versión de ocho canales. Las prestaciones del generador de ondas arbitrarias se ven potenciadas por la disponibilidad de cuatro líneas de E/S digitales para pulsos de marcador programables por el usuario, así como entradas para reloj y disparador externos.
Dos de los ocho canales del digitalizador manejan un amplio rango de señales de entrada de ± 200 mV a ±10 V con offset de DC ajustable y una impedancia de entrada de 50 Ohm o 1 MOhm seleccionable por el usuario. Los digitalizadores incorporan entradas de terminación sencilla y diferencial. El digitalizador también tiene un reloj externo y entrada para disparador, además de dos líneas de E/S de aplicación general definidas por el usuario.
El hybridNETBOX es totalmente conforme a LXI. Solo hay que conectar el instrumento, o los instrumentos, al ordenador o red a través del puerto Gbit Ethernet situado en el panel trasero y ya listo para funcionar. El hybridNETBOX también es completamente programable y se suministra con drivers para Windows y Linux.
Spectrum Instrumentation suministra su herramienta de software SBench 6 para control, visualización, medida y procesamiento de señal con toda su línea de productos. El software permite asimismo la generación de informes. Además, y con el fin de programar los instrumentos para aplicaciones concretas, se proporcionan ejemplos para C++, LabVIEW, MATLAB, Visual Basic .NET, Python y otros lenguajes de programación populares.
Comprobación de la respuesta de la fuente
El hybridNETBOX, que cuenta con hasta ocho canales de generación y generación de señal, tiene una configuración ideal para sistemas de medida del tipo estímulo-respuesta. Dado que un solo hybridNETBOX puede proporcionar varias señales de transmisión y recepción, es perfecto para comprobar y evaluar sistemas MIMO basados en matrices o en bus. El hybridNETBOX resulta adecuado para aplicaciones ATE al comprobar componentes y subsistemas de forma automática y confirmar la funcionalidad y calibración de los dispositivos.
Pongamos como ejemplo sencillo una medida de la respuesta de una fuente en la que se mide la ganancia en lazo abierto de CA de un amplificador operacional, empleando para ello un generador de ondas arbitrarias y un digitalizador. La Figura 2 muestra el circuito de prueba.
| Figura 2: Circuito de prueba para medir la ganancia en lazo abierto de CA de un amplificador operacional, empleando para ello un generador de ondas arbitrarias como fuente y un digitalizador para medir la respuesta. |
Esta prueba aplica una pequeña forma de onda de CA procedente de un generador de ondas arbitrarias a la entrada del amplificador operacional sometido a la prueba. Dado que la ganancia del amplificador es bastante elevada, la señal de entrada se debe atenuar. Un atenuador resistivo de 10000 a 1 (R1 y R2) disminuye la entrada en 80 dB. El amplificador U1 es el dispositivo sometido a la prueba (DUT). U2 es un amplificador auxiliar que estabiliza el nivel medio de CC a la salida del DUT.
La ganancia en lazo abierto de CA se expresa como una función de la frecuencia. La forma de onda de entrada tiene que ser una respuesta de frecuencia plana a lo largo del rango deseado de frecuencias de prueba. Las formas de onda que cumplen este requisito podrían ser una frecuencia de barrido lineal o una función de impulso. El generador de ondas arbitrarias se puede programar fácilmente para que proporcione alguna de estas señales mediante el software de control y procesamiento de señal SBench6 de Spectrum. SBench 6 permite crear formas de onda por medio de funciones estándar, ecuaciones matemáticas o se pueden importar desde un digitalizador u osciloscopio. En este caso se crea un barrido senoidal de 100 Hz a 100 kHz con un tiempo de barrido de un segundo mediante ecuaciones. Se escoge el barrido senoidal porque ofrece un mayor rango dinámico que una función de impulso. La señal de barrido se aplica al circuito de prueba y un digitalizador mide la salida del circuito durante el barrido. Los resultados se resumen en la Figura 3.
| Figura 3: Los cuatro pasos principales en la medida de la ganancia en lazo abierto de CA: generación de señal (sup. izq.), verificación del rango de frecuencia de la señal de entrada (sup. dcha.), adquisición de la señal de salida (inf. izq.) y extracción de la respuesta de frecuencia de la señal de salida (inf. dcha.) que es la ganancia en lazo abierto de CA. |
El gráfico superior izquierdo muestra la señal de entrada senoidal de barrido a lo largo de su duración total de
1 segundo para verificar lo plana que es su amplitud con el paso del tiempo. La capacidad de procesamiento de señal de SBench 6 incluye el cálculo de la transformada rápida de Fourier (FFT). La FFT muestra la potencia de la señal respecto a la frecuencia como un analizador de espectro. El gráfico superior derecho contiene la FFT de la señal de entrada, verificando así la respuesta de frecuencia plana entre 100 Hz y 100 kHz. La respuesta del amplificador operacional a la señal de entrada atenuada aparece en el gráfico inferior izquierdo. El espectro de la señal de entrada corresponde al gráfico inferior derecho e incluye la corrección de amplitud para el atenuador de 80 dB. Esta representación espectral es la ganancia en lazo abierto de CA. Se muestra la ganancia de CA entre
100 Hz y 100 kHz con una ganancia máxima de 112 dB. La amplitud cae respecto a la frecuencia a -6 dB por octava o -20 dB por década, que es lo esperado para el amplificador operacional.
El hybridNETBOX, que contiene tanto el hardware para la generación y la adquisición de la señal, facilita esta prueba. Hay que tener en cuenta que existen hasta ocho canales de fuentes de señal y digitalizadores, y que se pueden ejecutar hasta ocho pruebas en paralelo de forma simultánea.
Aplicación de registro y reproducción
| Figura 4: Ejemplo de estrategia de prueba de registro y reproducción mediante un registrador de electrocardiagrama Holter de tres cables. Los tres gráficos superiores se adquieren en los cables 1 a 3. Las señales se copian y reproducen como canales del generador de ondas arbitrarias. |
Otra función práctica del hybridNETBOX es su capacidad de adquirir una o más señales y luego reproducirlas cuando se desee para una simulación cuando sea necesario para sustituir un subsistema ausente. Pensemos por ejemplo en adquirir y reproducir las señales de un electrocardiograma procedentes de un registrador Holter de tres cables. Esto permitiría desarrollar el circuito sin que un paciente llevara puesto el dispositivo. Una biblioteca de señales previamente registradas potencia esta capacidad de simulación. La Figura 4 ofrece un ejemplo.
Los tres gráficos superiores muestran la señal adquirida en los cables 1 a 3 del registrador. Estos gráficos se copian en los canales del generador de ondas arbitrarias denominados Function, Function_01 y Function_02. Los canales adquiridos también podrían ser mejorados gracias a las funciones de filtrado y procesamiento de señal de SBench6 antes de salir del generador de ondas arbitrarias.
De forma parecida, se pueden introducir anomalías en estas señales y luego se pueden transferir a los canales del generador de ondas arbitrarias para suministrarlas cuando así se solicite. La Figura 5 ilustra la incorporación de una anomalía de 50 Hz a la señal del cable 1.
| Figura 5: Incorporación de una señal de interferencia de 50 Hz a la señal del cable 1 del Holter. |
La señal original del cable 1 aparece en el gráfico superior izquierdo, donde se ha ampliado horizontalmente para ver cada ciclo cardíaco. La FFT de la señal entera se muestra en el gráfico central superior. El gráfico superior derecho ofrece una representación ampliada horizontalmente de la FFT alrededor de 50 Hz. Obsérvese que la señal original tiene un pequeño componente de 50 Hz. El gráfico inferior izquierdo muestra la misma señal del cable 1 tras añadir una anomalía de 0,1 V y 50 Hz. La FFT de la señal con la anomalía de 50 Hz se representa en el gráfico central. Un recuadro anaranjado marca los 50 Hz, que ahora muestra una mayor amplitud debido a la anomalía añadida. El gráfico inferior derecho amplía la FFT horizontalmente en unos 50 Hz. La mayor amplitud de la interferencia de 50 Hz está marcada y destacada. La capacidad de modificar la señal adquirida antes de reproducirla permite a los usuarios evaluar la efectividad de los circuitos de filtrado y corrección de errores cuando lo deseen.
Exploración y localización de eco
Las aplicaciones que utilizan señales de “eco” para localización y exploración como las de radar, sonar, lidar o ultrasonidos se ajustan bien a las capacidades del hybridNETBOX. La fuente del generador de ondas arbitrarias puede suministrar estas señales complejas y los digitalizadores de 16 bit proporcionan el rango dinámico necesario para ver las señales de eco como se muestra en la Figura 6.
| Figura 6: Pulso de ultrasonidos transmitido y múltiples ecos reflejados. |
Este es un pulso de ultrasonidos de 40 kHz adquirido de un telémetro junto con sus ecos posteriores. La amplitud de los pulsos del eco está unos 36 dB por debajo del pulso transmitido para que se puedan distinguir visualmente en la figura. ¡En la práctica suelen ser mucho más reducidos! La resolución de la amplitud de 16 bit del hybridNETBOX es importante en aplicaciones como esta en las cuales las señales de eco son mucho más pequeñas que la señal transmitida y se necesita el rango dinámico para generar o detectar los ecos de baja amplitud.
Los múltiples ecos se deben a la mala direccionalidad del transductor de ultrasonidos. Todas las aplicaciones de localización y telemetría sufren este problema y tratan de mejorar la direccionalidad y la ganancia mediante matrices de transductores o antenas en fase. Como el hybridNETBOX puede generar varias señales de transmisión y recibir varios canales, es ideal para comprobar y evaluar estos sistemas basados en matrices.
Pensemos en un sistema que procesa imágenes de ultrasonidos en el que se generan varias señales que se introducen en una matriz de transductores. Se pueden ajustar el retardo y la atenuación de cada señal para controlar la salida de la matriz de transductores. Los sistemas de antenas en fase, tanto si consisten en antenas para señales de RF como en transductores de ultrasonidos, son un tipo de sistema MIMO (multiple input multiple output) de uso habitual. Los generadores de ondas arbitrarias multicanal pueden suministrar las señales necesarias para controlar estos sistemas y permitir la orientación de las señales emitidas. Del mismo modo, un digitalizador multicanal es capaz de recibir las señales transmitidas. La Figura 7 muestra los componentes básicos de la señal en un sistema de transmisión en fase de ultrasonidos de ocho elementos.
| Figura 7: Estas ocho formas de onda de ultrasonidos, cada una de ellas con un retardo de 25 µs procedente del anterior, se crean mediante ocho ecuaciones, una de las cuales aparece en el recuadro de la parte inferior izquierda. El otro recuadro muestra las opciones de orientación o concentración dependiendo del retardo programado para cada forma de onda. |
La generación de un gran número de formas de onda de señal se ve facilitada gracias al editor de ecuaciones de SBench6, como en el recuadro de la parte inferior izquierda en la Figura 7. La amplitud de cada forma de onda se modula en ondas cosenoidales de 40 kHz. Cada una de las ocho formas de onda tiene un retardo de 25 µs respecto a la anterior. La envolvente de modulación está constituida por la rampa total, que controla el tiempo de ataque, y un elemento exponencial que determina el tiempo de caída. Todos ellos están sincronizados a 10 MHz y cada forma de onda utiliza 16 kilomuestras (kS) de los 512 MS de memoria del generador de ondas arbitrarias. Es importante que la memoria de formas de ondas sea grande ya que para una velocidad de muestreo determinada establece la duración de la forma de onda analógica de salida.
Si las ocho señales están fase para llegar a los transductores al mismo tiempo se propaga un frente de onda uniforme o de costado como se puede ver en el recuadro derecho en la Figura 7. La señal transmitida desde una matriz de transductores acústicos de ultrasonidos se puede orientar mediante retardos secuenciales de cada señal de control. Los frentes de onda esféricos emitidos por los transductores tienen un retardo espacial que dirige la señal compuesta hacia abajo en el ejemplo. De forma parecida, si las señales de control sufren un retardo desde la parte exterior de la matriz hacia el interior, como en el esquema de la parte inferior del recuadro, el haz se puede concentrar hacia el centro. Estas matrices en fase permiten orientar y mover los haces radiados por medios no mecánicos. Las formas de onda en el ejemplo aplican la función de orientación y los ajustes aplicados sobre la amplitud de las señales de control, además del retardo, permiten obtener otros efectos. Los usuarios del generador de ondas arbitrarias controlan por completo las características de la forma de onda y la sincronización, ofreciendo así una total flexibilidad para establecer el frente de onda emitido.
Conclusión
Estos ejemplos muestran la potencia del hybridNETBOX para proporcionar tanto la fuente de señal como en instrumento de medida en un solo instrumento que se puede utilizar de manera autónoma o como instrumento programado dentro de un sistema de prueba totalmente integrado.
