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¿Tiene un buen osciloscopio?

¿Puede confiar en lo que aparece en la pantalla de su osciloscopio y en las medidas que toma? La integridad de señal del osciloscopio afecta a los valores de la medida y a la forma de la señal. Evalúe la integridad de señal de su osciloscopio y tome medidas en las que pueda confiar plenamente.

La integridad de señal es un elemento básico para medir la calidad de la señal. Su importancia es mayor a medida que aumenta la velocidad de la señal, el ancho de banda del osciloscopio, la necesidad de detectar señales pequeñas o la necesidad de apreciar pequeños cambios en señales mayores. La integridad de señal afecta a todas las medidas del osciloscopio. Además, con relación a la integridad de señal, los propios osciloscopios están sujetos a las dificultades que plantean la distorsión, el ruido y las pérdidas. Los osciloscopios con atributos de integridad de señal superiores ofrecen una mejor representación de las señales que se están comprobando, mientras que la representación que ofrecen aquellos con atributos de integridad de señal deficientes es de calidad inferior.

Esta diferencia repercute en la capacidad de los ingenieros de obtener información, entender, depurar y caracterizar los diseños. Seleccionar un osciloscopio con buenos atributos de integridad de señal es importante, ya que los osciloscopios con una integridad de señal deficiente pueden afectar a los plazos del ciclo de desarrollo, a la calidad de la producción y a los componentes elegidos. Para evaluar la integridad de señal de un osciloscopio, examinamos los bits del conversor de analógico a digital (ADC), la escala vertical, el ruido, la frecuencia y la respuesta de fase, el número efectivo de bits (ENOB) y el jitter intrínseco.

Bits del ADC

La resolución es el nivel de cuantificación (Q) menor determinado por el convertidor de analógico a digital (ADC) en el osciloscopio. A mayor número de bits de ADC, mayor resolución tiene el osciloscopio. Por ejemplo, un ADC de 8 bits puede codificar una entrada analógica en una digital en 256 niveles diferentes (puesto que 28 = 256) mientras que un ADC de 10 bits idealmente proporciona una resolución 4 veces mayor que la que se obtiene con 210 = 1024 niveles Q.

Escala vertical

Puesto que el ADC actúa sobre el valor vertical a escala completa, una escala vertical adecuada también ayuda a mejorar la resolución del osciloscopio. La Figura 1 muestra una pantalla completa de 800 mV (8 divisiones * 100 mV/div). Un osciloscopio con un ADC de 8 bits tiene una resolución de 3,125 mV (800 mV/256 niveles Q), mientras que un ADC de 10 bits tiene 0,781 mV. Un osciloscopio no permite detectar señales más pequeñas que el mínimo nivel Q. Para obtener la máxima resolución, utilice el valor de escala vertical más sensible mientras mantiene la forma de onda en pantalla. Amplíe la forma de onda hasta ocupar prácticamente toda la pantalla vertical y estará aprovechando al máximo el ADC del osciloscopio. Si amplía una señal de modo que ocupe solo la mitad o menos de la pantalla vertical, perderá 1 o más bits del ADC. La combinación del ADC, la arquitectura front-end del osciloscopio y la sonda utilizada determinan el límite de escala vertical que admite el hardware del osciloscopio. Todos los osciloscopios tienen una escala vertical limitada.

Los fabricantes se referirán a ello como el punto en que el osciloscopio pasa a amplificación por software. Seleccionar un número inferior en la escala vertical del osciloscopio simplemente amplifica la señal visualizada, pero no tiene como resultado un aumento de la resolución. La Figura 2 muestra, a modo de ejemplo, dos osciloscopios que evalúan una señal pequeña con una magnitud tal que una escala vertical de pantalla completa de 16 mV permite que la señal consuma prácticamente toda la altura de visualización vertical. El osciloscopio tradicional de 8 bits entra en el modo de aumento de software a 7 mV div y, como resultado, se obtiene una resolución mínima de 218 μV (7 mV/div * 8 div/256 niveles Q). Un osciloscopio de 10 bits como el Infiniium Serie-S de Keysight permanece en hardware hasta 2 mV/div y proporciona una resolución mínima de 16,6 uV (2 mV/div * 8 divI/1024 niveles Q), es decir multiplica por 13 la resolución del osciloscopio de 8 bits.

Ruido

El ruido afecta a las medidas horizontales y verticales. Cuanto menor sea el ruido, mejor integridad de señal cabrá esperar. Si los niveles de ruido son mayores que los niveles de cuantificación ADC, no podrá aprovechar los bits adicionales del ADC. Tener un osciloscopio con poco ruido (alto rango dinámico) es esencial para ver corrientes y tensiones pequeñas o detectar pequeños cambios en señales mayores. El ruido puede tener diversas procedencias, incluido el front-end del osciloscopio, su ADC y la sonda o el cable que utiliza para conectar el dispositivo. El propio ADC tiene ruido de cuantificación pero, en la contribución al ruido global, este normalmente juega un papel menor que el front-end. La mayoría de proveedores de osciloscopios caracterizan el ruido e incluyen estos valores en la hoja técnica del producto.

Si no es así, pida esta información o averígüela usted mismo. Medir el ruido es fácil, solo le llevará unos minutos. Cada canal del osciloscopio presentará una calidad de ruido única para cada configuración vertical. Desconecte todas las entradas del panel frontal del osciloscopio y establezca el trayecto de entrada del osciloscopio en 50 Ω (también puede realizar la prueba con un trayecto de 1 MΩ). Active una buena cantidad de memoria de adquisición, p. ej., 1 Mpt, fije una frecuencia de muestreo alta para asegurarse de que obtiene todo el ancho de banda del osciloscopio. Puede examinar el ruido visualmente observando el grosor de la forma de onda resultante o bien puede realizar una medida de CA de Vrms para cuantificarlo. Estos métodos le permitirán saber el ruido que genera cada canal del osciloscopio en las distintas configuraciones verticales.

Respuesta de frecuencia

Es deseable tener una respuesta de frecuencia del osciloscopio uniforme y plana para la integridad de señal. Todos los modelos de osciloscopio tienen una respuesta de frecuencia única que corresponde a una medida cuantitativa de la capacidad del osciloscopio de adquirir con precisión señales hasta el ancho de banda nominal. Tres requisitos imprescindibles que deben tener los osciloscopios para adquirir las formas de onda con precisión son: 1. Una respuesta en frecuencia plana. 2. Una respuesta plana en fase. 3. Las señales capturadas deben estar dentro del ancho de banda del osciloscopio. Una respuesta en frecuencia plana indica que el osciloscopio trata por igual todas las frecuencias y una respuesta plana de fase significa que la señal se retrasa precisamente el mismo intervalo de tiempo en todas las frecuencias. Una desviación de uno o varios de estos requisitos provocará que el osciloscopio adquiera y dibuje una forma de onda incorrectamente.

Algunos osciloscopios tienen filtros de corrección que normalmente se implementan en bloques DSP de hardware y se sintonizan para una familia de osciloscopios. La Figura 3 muestra el modo en que los filtros de corrección pueden mejorar la integridad de señal de la medida creando una magnitud y respuesta de fase planas. El osciloscopio de la derecha muestra una forma de onda que refleja con precisión el contenido espectral de la señal, mientras que el de la izquierda no. La respuesta de frecuencia global de su osciloscopio será una combinación de la respuesta de frecuencia del osciloscopio combinada con la respuesta de frecuencia de las sondas o los cables conectados entre el dispositivo que se está comprobando (DUT) y el instrumento. Si conecta un cable BNC con un ancho de banda de 1,5 GHz en el panel frontal de un osciloscopio de 4 GHz, el ancho de banda global del sistema está limitado por el cable BNC y no por el osciloscopio. Compruebe que las sondas, accesorios y cables que utiliza no son un factor limitante para una medida de precisión.

Número efectivo de bits (ENOB)

ENOB es una medida del rendimiento dinámico del osciloscopio que se expresa en una serie de curvas de bits respecto a frecuencia. Cada curva se crea en una configuración vertical específica, mientras que la frecuencia varía. Las medidas de tensión resultantes se capturan y evalúan. Por regla general, es preferible tener un ENOB más alto (expresado en bits). Mientras que algunos proveedores pueden indicar el valor de ENOB del ADC del osciloscopio por sí mismo, esta imagen no incluye el valor. Lo que es importante es el ENOB de todo el sistema. EL ADC podría tener un ENOB alto pero un ruido deficiente del front-end del osciloscopio reduciría drásticamente el ENOB de todo el sistema. Los ingenieros que se basan exclusivamente en el ENOB para calibrar la integridad de señal deben ser cautos. El ENOB no tiene en cuenta los errores de offset o distorsión de fase que puede inyectar el osciloscopio. Un osciloscopio no tiene únicamente un número de ENOB, sino que tiene diferentes valores de ENOB para cada frecuencia y configuración vertical.

Jitter intrínseco

El jitter describe la desviación de la posición horizontal ideal y se mide en ps rms o ps pico a pico. Las fuentes de jitter incluyen ruido térmico y mecánico aleatorio procedente de la vibración del cristal. Los trazados, los cables y los conectores también pueden añadir jitter a un sistema mediante la interferencia entre símbolos. Los propios osciloscopios tienen jitter. El término “suelo de medición de jitter” se refiere al valor de jitter que indica un osciloscopio cuando mide una señal perfecta sin inestabilidad. El valor de suelo de medición de jitter está formado por el jitter de reloj de muestreo y fuentes de error verticales, como ruido vertical y armónicos de señal con aliasing. Estas fuentes de error verticales afectan a las medidas de tiempo horizontales porque cambian la señal de los cruces de umbral. Un jitter excesivo es perjudicial porque puede provocar errores de temporización que tengan como resultado un comportamiento incorrecto del sistema o elevada tasa de error en los bits (BER) en los sistemas de comunicación que provoquen errores en las transmisiones. Medir el jitter es necesario para garantizar la fiabilidad del sistema de alta velocidad. Comprender la precisión del osciloscopio al realizar esas medidas es vital para poder interpretar los resultados de las mediciones del jitter.

Resumen

Aunque cada atributo es importante, el osciloscopio con mayor precisión global será aquel que tenga una mejor combinación general de los 7 atributos que aparecen en la Tabla 1. Considerar un único atributo de integridad de señal puede llevar a falsas conclusiones sobre la calidad del osciloscopio y conlleva un riesgo innecesario en la comercialización de un producto o el cumplimiento de los requisitos de rendimiento del producto.

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