Aspectos básicos sobre los osciloscopios portátiles: Parte 2, entrada y procesamiento de la señal

07-10-2013 | Osciloscopios

La segunda de las cinco partes que conforman este conjunto abarca la configuración del acoplamiento de entrada de su osciloscopio y cómo se controla el tamaño de la señal en pantalla. Además, incluye una discusión sobre la digitalización, el almacenamiento y la búsqueda de deformaciones de la señal.

Puede ver la primera sección de este conjunto de artículos en Aspectos básicos sobre los osciloscopios portátiles - Parte 1,multímetros y osciloscopios. También puede con audio y animaciones en el Centro de formación de Fluke.

Arquitectura

Figura 1. Arquitectura de un osciloscopio digital

Empecemos con una descripción general de la arquitectura de un osciloscopio digital. Esto le ayudará a familiarizarse con las funciones principales que controlan la adquisición y visualización de la línea de gráfico de una forma de onda.

El diagrama de bloques de la figura 1 muestra que una señal pasa a través de dos circuitos de acondicionamiento de señal, la sección del acoplamiento de entrada y la sección de control de la amplitud.

(Para realizar mediciones diferenciales [una medición en la que se incorporan dos señales al osciloscopio y se muestra la diferencia entre ellas], algunos osciloscopios incluyen un aislamiento de canal a canal).

La sección del acoplamiento de entrada determina si la señal está acoplada (es decir, conectada) directamente al osciloscopio o si ha pasado a través de un condensador de acoplamiento, que bloquea cualquier CC de la señal.

La sección de control de la amplitud controla el tamaño de la señal de entrada. Puede atenuar señales grandes (es decir, hacerlas más pequeñas) o amplificar señales pequeñas en función de los ajustes que haya establecido en el panel frontal.

En conjunto, la sección de acoplamiento de entrada y la de control de la amplitud acondicionan la entrada, de modo que la señal aplicada al conversor analógico-digital (CAD) del osciloscopio tenga las características deseadas, y pueda procesarse y mostrarse correctamente.

Acoplamiento de entrada

Figura 2. Acoplamiento de entrada

Si elige un acoplamiento de entrada de CA, la señal se conecta al osciloscopio mediante un condensador de acoplamiento (véase la figura 2) y bloquea cualquier componente de CC de la señal. En el osciloscopio, solo se procesa y se muestra la parte de CA de la señal, centrada en la pantalla alrededor del punto de cero voltios.

Si elige un acoplamiento de CC, la señal se acopla directamente al osciloscopio y elude el condensador de acoplamiento de entrada, de modo que se procesan y se muestran los componentes de CA y CC de la señal.

Si no está seguro de que la señal que está observando tenga un componente de CC, puede cambiar los ajustes del acoplamiento de entrada entre CA y CC para ver si la señal tiene un desplazamiento de CC importante. (Si hay desplazamiento de CC, el trazo de la señal "salta" a una nueva posición vertical cuando cambia el acoplamiento de entrada. La altura del salto depende de la cantidad de desplazamiento de CC).

En algunos casos (como cuando observa la salida de CC de un regulador de tensión), quizá quiera empezar con el acoplamiento de CC y, posteriormente, cambiar al de CA. En este ejemplo, después de haber comprobado el nivel de CC de la señal usando el acoplamiento de CC, cambia al acoplamiento de CA y aumenta la sensibilidad vertical para encontrar cualquier ruido de CA en la señal de CC.

Visualización del control de la amplitud

Tras el "acondicionamiento" de la señal, se toma una muestra y se transforma en una representación digital que se almacena en la memoria del osciloscopio. Una vez digitalizada la señal, esta puede manipularse aún más (mediante la calibración de los puntos de datos, la aplicación de operaciones matemáticas, etc.) y mostrarse finalmente en forma de trazo en la pantalla.

Figura 3. Control de la amplitud de la señal de entrada y su tamaño en la pantalla.

El rango de amplitud controla el aumento o la atenuación de los amplificadores de entrada, es decir, si la señal de entrada aumenta su tamaño (amplificada) o lo disminuye (atenuada), como se muestra en la figura 3. De este modo, la señal "se gradúa" y puede mostrarse con el tamaño que usted desee.

A veces querrá aumentar la sensibilidad (amplificación) y ampliar la vista de una señal (cuando busca imperfecciones a lo largo del flanco de subida de una forma de onda de pulso, por ejemplo). (Tenga cuidado de no aumentar la sensibilidad tanto que la línea del gráfico se extienda más allá de los bordes superior o inferior de la pantalla. En un descuido, podría provocar que los amplificadores de entrada se saturen y la forma de onda aparezca distorsionada).

Conversión analógica-digital

Figura 4. Conversión de una señal de entrada analógica a una representación digital en la memoria

Como ya estudiamos en la Parte 1 de este conjunto, un osciloscopio usa técnicas de conversión analógica-digital de alta velocidad para muestrear una señal de entrada a fin de digitalizar la forma de onda de entrada lo más rápidamente posible. Esto se debe a que cuanto menos se tarde en tomar una muestra de la señal, mayor será su resolución en el eje horizontal (tiempo). (Véase la figura 4).

Pueden darse problemas si no se ha muestreado la señal con la rapidez suficiente. Estos problemas incluyen:

  • Escalonamiento. Si solo muestrea una onda sinusoidal, una o dos veces por periodo, la forma de onda resultante tendrá un aspecto muy diferente a original (se parecerá más a una onda triangular).
  • Puede que no se detecten los transitorios o fallos.
  • Se producirá una reducción de la frecuencia o del ancho de banda, lo que puede afectar al nivel de ruido mostrado (al igual que antes, cuando buscábamos ruido de CA de alta frecuencia en la salida de una fuente de alimentación de CC)

Para minimizar estos problemas y reproducir la forma de onda en una pantalla de la manera más precisa posible, el osciloscopio debe tomar muestras de la entrada lo más rápido posible (con un costo razonable, por supuesto).

Velocidad de muestreo y memoria

Figura 5. El costo y la resolución aumentan con el tamaño de la memoria del osciloscopio

Un aspecto fundamental del osciloscopio de almacenamiento digital que debe tenerse en cuenta es la velocidad de muestreo en comparación con la capacidad de memoria y su impacto en el proceso de adquisición. (Véase la figura 5). Imagine, por ejemplo, un osciloscopio con una velocidad de muestreo de 1 gigamuestra por segundo (1GS/s, o 1000 millones de muestras por segundo). Con la base de tiempo del osciloscopio ajustada a 100 milisegundos por división, con 10 divisiones, un tiempo total de visualización de 1 segundo y un muestreo a 1000 millones de veces por segundo, el osciloscopio necesitaría 1000 millones de puntos de memoria.

Esto no es práctico debido al costo y a las velocidades de registro de la memoria. Con una memoria más práctica (y asequible) de 1000 puntos, el intervalo de muestreo se reduciría a 1000 muestras por segundo (1kS/s).

A/D – Detección de fallos

Figura 6. Detección de fallos

La detección de fallas es una técnica usada para superar los dos errores críticos que se producen con los CAD digitales: el escalonamiento y los transitorios de ausencia (véase la figura 6).

En algunos osciloscopios, el detector de fallas es básicamente un CAD secundario que funciona de forma continua y almacena temporalmente en la memoria puntos de muestreo que permiten al microprocesador capturar todos los valores de muestreo mínimos y máximos durante un periodo.

Dado que el osciloscopio solo almacena y usa los puntos mínimo y máximo, limitamos la cantidad de memoria necesaria, pero seguimos capturando los transitorios y realizando un sobremuestreo de la señal, con lo que se evita mostrar una forma de onda con error de escalonamiento.

Ancho de banda del osciloscopio

Figura 7. Disminución en el volumen de señal percibida con limitación de ancho de banda

Una de las especificaciones más importantes de un osciloscopio es su ancho de banda. Al igual que el oído humano, los equipos electrónicos (como los osciloscopios) tienen ciertos límites; una vez superados, no son capaces de "oír" la señal. (Véase la figura 7).

Imagine, por ejemplo, que acude a una prueba de audición. Se pone unos auriculares y el técnico ajusta el volumen de una señal de prueba para que la oiga con claridad. A continuación, el técnico aumenta lentamente la frecuencia (tono) de la señal sin modificar el volumen. En un momento dado, sus oídos le avisarán de que el volumen ha disminuido aunque no lo haya hecho realmente. Si la frecuencia sigue aumentando, excediendo su "ancho de banda de audición", finalmente dejará de oírla por completo.

La frecuencia en la que el osciloscopio indica que la entrada ha disminuido en amplitud (volumen) 3dB (alrededor del 30 %) se denomina ancho de banda. Básicamente, el ancho de banda es una forma de declarar el rendimiento de los circuitos electrónicos que hay dentro del osciloscopio (es decir, los amplificadores, atenuadores, etc.).

Osciloscopios de Fluke

Los conceptos y las técnicas presentados aquí pueden encontrarse en la gama de osciloscopios portátiles de Fluke. Los ScopeMeter de Fluke están disponibles con anchos de banda de entre 20 y 200 MHz, con rendimiento y funciones suficientes para llevar a cabo una gran variedad de mediciones rutinarias o incluso tareas extremas, como buscar eventos aleatorios

Los osciloscopios de Fluke han sido específicamente diseñados para funcionar en entornos adversos, lejos de las mesas de laboratorio.