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¿Qué es un osciloscopio?

osciloscopio

Un osciloscopio es un instrumento de medición para la electrónica. Representa una gráfica de amplitud en el eje vertical y tiempo en el eje horizontal. Es muy utilizado por estudiantes, diseñadores, ingenieros en el campo de la electrónica. Habitualmente se complementa con un multímetro, una fuente de alimentacón y un generador de funciones o bien arbitrario. Ultimemente, con la explosión de dispositivos con tecnologías de de radio frecuencia como WiFi o bien BlueTooth, el banco de trabajo se complementa con un analizador de fantasma.

El osciloscopio presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que por norma general el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La imagen de esta manera conseguida se llama oscilograma. En osciloscopios equivalentes o bien de fosforo digital se acostumbra a incluir otra entrada o bien control, llamado «eje Z» que controla la iluminación del haz, dejando destacar o bien apagar ciertos segmentos de la traza en dependencia de su frecuencia de reiteración o bien velocidad de transicion en tiempo.

Para que sirve un osciloscopio

Entre las características de mayor importancia se encuentran la longitud de memoria, capacidad de análisis exhaustivo y funciones matemáticas, además de las básicas de ancho de banda y velocidad de muestreo.

Los usuarios que busquen un osciloscopio para una tarea determinada tienen ante sí una amplia variedad de proveedores y osciloscopios con innumerables características (p.ej., anchos de banda desde los 50MHz a 1GHz o incluso en alta gama hasta los 100GHz de LeCroy, velocidades de muestreo entre 500MS/s, 5Gs/s y superiores (40Gs/s, 80Gs/s, 250Gs/s) , resoluciones de 8 bits o 12 bits, anchos de banda de entrada mínimos entre 2mV/div y 500µV/div, etc.). Ante este auténtico laberinto de suministradores, que va desde grandes compañías renombradas hasta proveedores más pequeños y menos conocidos, los usuarios potenciales deberían conocer algunos criterios fundamentales de selección que se irán destacando a lo largo de este artículo. Se da por hecho que todos los usuarios potenciales habrán empleado un osciloscopio en algún momento durante su formación. Por tanto podrían estar tentados a pensar que saben todo sobre los osciloscopios. Sin embargo, los osciloscopios actuales hacen mucho más que proporcionar y visualizar señales una única señal, sino que tienen muchas características especialmente dirigidas para análisis y estudio de las señales más complejos. Además, características como la velocidad de muestreo, la profundidad de memoria y funciones matemáticas de un osciloscopio facilitan mucho el trabajo del usuario y le permiten tener más información y más precisa.

A continuación analizaremos las características y funciones principales de las nuevos osciloscopios digitales

Osciloscopio analógico

La tension a medir se aplica a las placas de desviación vertical de un cilindro de rayos catodicos (usando un amplificador con alta impedancia de entrada y ganancia graduable) al paso que a las placas de desviación horizontal se aplica una tensión en diente de sierra (llamada de este modo pues, de forma repetida, medra suavemente y después cae de manera brusca). Esta tensión es producida a través de un circuito oscilador apropiado y su frecuencia puede ajustarse en un extenso rango de valores, lo que deja amoldarse a la frecuencia de la señal a medir. Esto es lo que se llama base de tiempos.

Osciloscopio digital

En nuestros días los osciloscopios analógicos son apartados en buena medida por los osciloscopios digitales, entre otras muchas razones por la sencillez de poder trasferir las medidas a una computadora personal o bien pantalla LCD.

En el osciloscopio digital la señal es anteriormente digitalizada por un conversor analógico digital. Al depender la confiabilidad de la visualización de la calidad de este componente, esta ha de ser cuidada al límite.

Las peculiaridades y procedimientos señalados para los osciloscopios analógicos se pueden aplicar a los digitales. No obstante, en estos se tienen posibilidades auxiliares, como el disparo adelantado (pre-triggering) para la visualización de acontecimientos de corta duración, o bien la memorización del oscilograma trasfiriendo los datos a un computador. Esto deja cotejar medidas efectuadas en exactamente el mismo punto de un circuito o bien elemento. Existen también equipos que combinan etapas analógicas y digitales.

Ancho de banda

El ancho de banda de un osciloscopio influye notablemente sobre la calidad del resultado de la medida y obviamente el rango de señal que puede visualizar. El error de medida también debe ser lo más bajo posible.

Tal como recordará, el ancho de banda de un osciloscopio se define como la frecuencia en el punto de 3dB de una onda sinusoidal con una amplitud determinada (p.ej., 1Vpp). Si la frecuencia de la onda sinusoidal aumenta mientras se mantiene constante la amplitud, la amplitud medida disminuirá. El ancho de banda del instrumento se define como la frecuencia en el punto en que la amplitud ha caído en 3dB. Por tanto, un osciloscopio con un ancho de banda de 100MHz adquirirá una onda sinusoidal de 100MHz con una amplitud de 1Vpp a sólo 0,7Vpp, lo cual equivale a un error del 30%. Para reducir significativamente este error, recuerde que un tercio del ancho de banda corresponde a un error del 5%, una quinta parte corresponde a un 3%, etc. Por tanto debería utilizar un osciloscopio de 300MHz o incluso de 500MHz para medir una señal de 100MHz.

Velocidad de muestreo

La velocidad de muestreo es la segunda característica importante de osciloscopio de almacenamiento digital. Debería ser como mínimo 2,5 o 3 veces mayor que el ancho de banda de señal analógica (mejor si es 4 veces superior).

Según el teorema de muestreo de Nyquist/Shannon, la señal a digitalizar no puede incluir componentes de frecuencia superior a la mitad de la frecuencia de muestreo. Además, la señal se debe muestrear a intervalos de tiempo constante. Si no se cumplen estas condiciones se producirán efectos de solapamiento (aliasing).

Por tanto, la velocidad de muestreo de un osciloscopio utilizado para medir señales «desconocidas» debería ser lo más alta posible, p.ej. 1Gs/s, 2Gs/s, 4Gs/s o más en función de la señal a medir. La velocidad de muestreo es básica para medir señales singulares (no cíclicas) y no perder información de relevancia. Aunque esto no tiene una importancia crítica para señales repetitivas, los osciloscopios también ofrecen características especiales para ellas.

Profundidad de memoria de un Osciloscopio

Tal como se deduce en este artículo, la profundidad de memoria de un osciloscopio también tiene una gran influencia sobre la calidad de los resultados de medida. La señal de entrada se digitaliza por medio del convertidor A/D y el flujo de datos resultante se carga en la memoria de alta velocidad del osciloscopio. Aunque muchos usuarios piensan que la velocidad máxima de muestreo del osciloscopio es aplicable a todos los ajustes de deflexión horizontal, la capacidad de memoria del dispositivo es limitada. Por tanto, la velocidad de muestreo debe reducirse a medida que aumentan los períodos de muestreo, logrando así que el proceso de muestreo sea bastante lento durante largos intervalos. Cuanto mayor sea la capacidad de memoria de un osciloscopio, más tiempo podrá funcionar a su máxima velocidad de muestreo sin perder información importante de la señal.

Por tanto, los usuarios deben comprobar la influencia que tiene el ajuste de la deflexión horizontal sobre la velocidad de muestreo. La profundidad de memoria necesaria se puede calcular multiplicando el período de muestreo por la velocidad de muestreo. Los períodos largos de muestreo y las resoluciones temporales elevadas exigen una mayor capacidad de memoria. Se necesita una profundidad de memoria superior a 100 millones de puntos para trabajar con grandes cantidades de datos. La función zoom integrada permite que el usuario amplíe los detalles de una señal para una evaluación más precisa (la siguiente figura muestra una señal de vídeo). Se supone que un osciloscopio es una valiosa herramienta para llevar a cabo esta tarea.

Las funciones de registro, reproducción y análisis en tiempo real que ofrecen todos los osciloscopios de Rigol se pueden emplear para simplificar el seguimiento de cualquier pulso espurio de tipo transitorio por fuera de una máscara determinada o bien para detectar interferencias de señal (glitches) de tipo repetitivo.

Estas funciones de detección revelan de inmediato cuándo y dónde se producen estos transitorios dentro de una señal. A continuación se pueden inspeccionar los detalles mediante la función zoom, mientras que la función de estadística se puede emplear para evaluar y medir el evento. La evaluación del error se ve facilitada por una escala de porcentajes con codificación por colores (ver la figura inferior).

Los actuales osciloscopios de altas prestaciones proporcionan unas prácticas funciones de evaluación que ofrecen numerosas funciones matemáticas y la capacidad de introducir fórmulas matemáticas complejas (p.ej., integrales, diferenciales, logaritmos, etc.).

Número de canales de un osciloscopio

La selección del número de canales de un osciloscopio suele resultar bastante sencilla ya que los osciloscopios tienen 2 o 4 canales.

Conviene destacar, sin embargo, que la velocidad de muestreo se divide entre dos en muchos osciloscopios de 2 canales, y entre cuatro (o dos a dos) en muchos dispositivos de 4 canales. Si se dispone de dos convertidores A/D separados se puede aplicar la máxima velocidad de muestreo. En un dispositivo de 4 canales se pueden emplear dos canales a la máxima velocidad de muestreo (p.ej., canales 1 y 3), mientras que para los canales 2 y 4 la velocidad de muestreo es la mitad de su valor máximo. También influye sobre la profundidad de memoria ya que solo se podrá disponer de la mitad de la memoria si se duplica el número de canales.

Velocidad de muestreo

Otra característica destacable dentro de las prestaciones de un osciloscopio es la velocidad de captura, que define la frecuencia que utiliza el dispositivo para medir y visualizar los resultados. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será también la probabilidad de capturar transitorios como las interferencias de señal o glitches (ver la figura inferior).

Resulta difícil responder a todas estas preguntas por adelantado para definir las especificaciones deseadas de un osciloscopio. Después de todo, estos criterios son de igual importancia y están vinculados a grandes cantidades de datos. Por tanto, la profundidad de memoria es un criterio de selección muy significativo ya que con un alta velocidad de muestreo se obtienen mucho más puntos de información sobre la señal para almacenar. Una memoria muy profunda permitirá que los usuarios capturen grandes corrientes de datos y las tareas de análisis, incluyendo la decodificación de buses serie y otras operaciones estadísticas se pueden llevar a cabo posteriormente.

Decodificación de bus serie

Por esta razón, las aplicaciones que manejan protocolos aprovechan una gran memoria de osciloscopio. Después de todo, las aplicaciones con protocolos se encuentran entre las funciones más importantes para el osciloscopio.

¿A qué protocolos ofrece soporte el dispositivo?

Los buses serie, como I²C, SPI, CAN, FlexRay y RS-232, se utilizan cada vez más en aplicaciones y dispositivos técnicos/electrónicos. Si bien los principales suministradores de osciloscopios ofrecen funciones de decodificación de protocolos y la capacidad de disparo para eventos relacionados con protocolos, las prestaciones de estos programas difieren ampliamente.

Si alguna vez ha tenido que decodificar manualmente un protocolo, sin duda apreciará el valor de una función de decodificación en tiempo real.

Las aplicaciones con protocolos se suministran generalmente como opciones de software que se pueden adquirir junto al osciloscopio o bien se pueden adaptar más tarde. Las hojas de datos suelen incluir información detallada sobre los protocolos con soporte por parte de una determinada familia de osciloscopios. En el caso del protocolo SPI, es interesante conocer la velocidad máxima de transmisión de los datos que ofrece el osciloscopio o bien si el soporte incluye SPI de 2, 3 o 4 hilos, o bien si se trata tan sólo de un subconjunto. En el contexto de I²C, se debería saber también si hay soporte para el protocolo que ha de leer/escribir el bit en al campo de dirección.

A menudo se necesita decodificar más de un bus serie al mismo tiempo. ¿Cómo se puede configurar el osciloscopio en cuestión para este caso? ¿Cómo se puede conmutar entre buses y seleccionar uno de ellos como fuente de disparo?

Además de las funciones de decodificación, una gran profundidad de memoria es un importante requisito previo para la captura, entre otras, de señales de vídeo de gran tamaño. Facilita el registro de un segmento completo de señal seguido de la ampliación adecuada y de un detallado análisis posterior. Siempre es importante capturar por completo todos los datos en bruto para los análisis consiguientes.

UltraVision: con memoria más profunda (estándar 140Mpts)
Por tanto, la elevada velocidad de muestreo que proporcionan los osciloscopios de Rigol mejora significativamente la calidad de visualización. Junto con la función de modulación del brillo de los osciloscopios Ultra Vision de Rigol (visualizador WVGA de alta resolución, 800×400 píxels, 256 niveles de brillo) se hacen visibles los detalles más diminutos, como el ruido o la fluctuación (jitter).

Vayamos por último a las funciones de disparo como otra función destacable de un osciloscopio que permita un disparo preciso para eventos relacionados con protocolos (líneas de bus, bits individuales) o señales de vídeo.

Funciones de disparo de un osciloscopio

Si bien todo osciloscopio de aplicación general ofrece disparo por flanco, otras funciones de disparo han demostrado ser también muy prácticas como runt, ventana, video, o cualquier otro evento.

Para los desarrolladores de circuitos con enlaces de datos serie, los osciloscopios deberían ofrecer funciones de disparo para estándares como I²C, SPI, RS-232/UART, USB, CAN o FlexRay. Las funciones de disparo orientadas a protocolos pueden ser de ayuda para los ingenieros de medida en sus tareas de depuración.

Además, una función de disparo por interferencia de señal (glitch) puede activar el disparar en caso de que haya una interferencia positiva o negativa, o bien pulsos que sean más anchos o más estrechos.

Conclusión

La elevada velocidad de captura de hasta 180.000 formas de onda por segundo que ofrecen los osciloscopios Ultra Vision de Rigol, junto con la mejor profundidad de memoria dentro de su categoría que caracteriza a estos dispositivos, cubren todas las necesidades para la detección de interferencias de señal (glitches), análisis de fallos y decodificación de protocolos de bus serie o bien para el análisis de grandes cantidades de datos (p.ej., señales de vídeo). A ello hay que añadir que el disparo preciso de diferentes combinaciones de señal asegura que los datos capturados se puedan analizar y evaluar con la máxima precisión y fiabilidad.

Y como última, pero no menos importante, especificación del osciloscopio está el precio, que debe ser el más adecuado posible sin penalizar ninguna de las características que hemos visto anteriormente tal y como ocurre con los osciloscopio UltraVision de Rigol.

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