Las 10 mejores cosas a considerar al elegir un osciloscopio

El ancho de banda del osciloscopio se refiere al rango de frecuencias que puede medir el dispositivo. Específicamente, el ancho de banda describe el rango de frecuencias de una señal de entrada que puede pasar a través de la etapa de entrada analógica con una pérdida de amplitud mínima, desde la punta de pruebas o el accesorio de prueba hasta la entrada del ADC. El ancho de banda se define como la frecuencia a la que una señal de entrada sinusoidal se atenúa al 70.7 por ciento de su amplitud original, que también se conoce como el punto -3 dB.

En general, se recomienda que utilice un osciloscopio con un ancho de banda al menos dos veces mayor que el componente de frecuencia más alta en su señal.

Los osciloscopios se utilizan comúnmente para medir el tiempo de subida de señales como pulsos digitales u otras señales con bordes agudos. Estas señales están compuestas por contenido de alta frecuencia. Para capturar la forma de onda real de la señal, necesita un osciloscopio de alto ancho de banda. Por ejemplo, una onda cuadrada de 10 MHz se compone de una onda sinusoidal de 10 MHz y un número infinito de sus armónicos. Para capturar la verdadera forma de esta señal, debe usar un osciloscopio con ancho de banda lo suficientemente grande como para capturar varios de estos armónicos. De lo contrario, la señal se distorsiona y sus mediciones son incorrectas.

Como regla general, utilice la siguiente fórmula para calcular el ancho de banda de su señal en función de su tiempo de subida (definido como el tiempo necesario para la transición del 10 al 90 por ciento de la amplitud de la señal).

Idealmente, debe utilizar un digitalizador con tres a cinco veces el ancho de banda de su señal como se calcula en la ecuación anterior. En otras palabras, el tiempo de elevación de su osciloscopio debe ser de 1/5 a 1/3 del tiempo de elevación de su señal para adquirir su señal con un error mínimo. Siempre puede retroceder para determinar el ancho de banda real de su señal basándose en la siguiente fórmula:

En la sección anterior, aprendiste sobre el ancho de banda, que es una de las especificaciones más importantes de un osciloscopio. Sin embargo, un ancho de banda alto puede ser mucho menos útil si la frecuencia de muestreo es insuficiente.

Mientras que el ancho de banda describe la onda sinusoidal de frecuencia más alta que se puede digitalizar con una atenuación mínima, la frecuencia de muestreo es simplemente la velocidad a la que se sincroniza el convertidor analógico-digital (ADC) en el osciloscopio para digitalizar la señal entrante. Tenga en cuenta que la frecuencia de muestreo y el ancho de banda no están directamente relacionados. Sin embargo, hay una regla general para la relación deseada entre estas dos especificaciones importantes:

Frecuencia de muestreo en tiempo real del osciloscopio = 3 a 4 veces el ancho de banda del osciloscopio

El teorema de Nyquist establece que para evitar el aliasing, la frecuencia de muestreo de un microscopio debe ser al menos el doble de rápida que la componente de frecuencia más alta en la señal que se está midiendo. Sin embargo, el muestreo a solo el doble de la componente de frecuencia más alta no es suficiente para reproducir con precisión las señales en el dominio del tiempo. Para digitalizar con precisión la señal entrante, la frecuencia de muestreo en tiempo real de los microscopios debe ser al menos de tres a cuatro veces su ancho de banda. Para entender por qué, mira la figura a continuación y piensa en qué señal digitalizada preferirías ver en tu osciloscopio.

Hay dos modos principales de muestreo: muestreo en tiempo real y muestreo en tiempo equivalente (ETS).

La frecuencia de muestreo en tiempo real es la que se ha analizado anteriormente, que describe la frecuencia de reloj del ADC e indica la velocidad máxima que se puede adquirir una señal entrante en una adquisición de un solo disparo. Por otro lado, el muestreo de tiempo equivalente es un método de reconstrucción de una señal basado en una serie de formas de onda disparadas que se adquieren cada una en modo de disparo único. La ventaja de ETS es que ofrece una mayor frecuencia de muestreo efectiva. La desventaja, sin embargo, es que toma más tiempo y es aplicable solo para señales repetitivas. Tenga en cuenta que ETS no aumenta el ancho de banda analógico del osciloscopio y, en cambio, solo es útil cuando necesita reconstruir la señal a una frecuencia de muestreo más alta. Una implementación común del ETS es el muestreo aleatorio intercalado (RIS), que está disponible en la mayoría de los osciloscopios de NI que se enumeran en el cuadro siguiente.

Como se ha descrito anteriormente, los osciloscopios digitales tienen ADC que convierten la señal de analógica a digital. El número de bits devueltos por el ADC es la resolución del osciloscopio. Para cualquier rango de entrada dado, el número de niveles discretos posibles utilizados para representar la señal digitalmente es 2^b, donde b es la resolución. El rango de entrada se divide en pasos de 2 ^b y el voltaje más pequeño posible que es detectable por el osciloscopio se indica por (rango de entrada/2 ^b). Por ejemplo, un alcance de 8 bits divide un rango de entrada de 10 Vpp en 2⁸ = 256 niveles de 39 mV cada uno, mientras que un alcance de 24 bits divide el mismo rango de entrada de 10 Vpp en 2²⁴ = 16.777.216 niveles de 596 nV (aproximadamente 65.000 veces más pequeño que en el caso de 8 bits).

Una de las razones para usar un osciloscopio de alta resolución es medir señales pequeñas. La pregunta a veces se hace, ¿por qué no usar un instrumento de menor resolución y un rango más pequeño para “acercar” la señal para medir tensiones pequeñas? Sin embargo, muchas señales tienen una señal pequeña y un componente de señal grande. Usando un rango grande, podría medir la señal grande, pero la señal pequeña estaría en el ruido de la señal grande. Por otro lado, si usas un rango pequeño, cortarías la señal grande y tu medición se distorsionaría y no sería válida. Por lo tanto, para aplicaciones que involucran señales dinámicas (señales con componentes de voltaje grandes y pequeños), necesita un instrumento de alta resolución, que tenga un rango dinámico grande (la capacidad del osciloscopio para medir señales pequeñas en presencia de grandes)

Por lo general, los osciloscopios se utilizan para adquirir una señal basada en un evento determinado. La capacidad de disparo del instrumento le permite aislar este evento y capturar la señal antes y después del evento. La mayoría de los osciloscopios incluyen disparos de borde analógico, digitales y de software. Otras opciones de activación incluyen ventana, histéresis y activación de video.

Los osciloscopios de gama alta cuentan con tiempos de rearme rápidos entre disparadores, lo que permite un modo de captura de múltiples registros, donde el microscopio captura el número especificado de puntos en un disparador dado, se rearma rápidamente y espera el siguiente disparador. Un tiempo de rearme rápido garantiza que el visor no pierda el evento o el desencadenante. El modo multigrabación es muy útil para capturar y almacenar solo los datos que necesita, optimizando así el uso de la memoria integrada y limitando la actividad del bus del PC.

A menudo, los datos se transfieren del osciloscopio a la PC para mediciones y análisis. Aunque estos instrumentos pueden muestrear a su velocidad máxima, que puede estar en el rango de varios GS/s, la velocidad con la que los datos se pueden transferir al PC está limitada por el ancho de banda del bus de conexión como PCI, LAN, GPIB, etc. Si bien hoy en día ninguno de estos buses puede soportar tasas multi-GS/s, esto puede convertirse en un problema ya que PCI Express y PXI Express evolucionan para permitir varias tasas de datos GB/s.

Si el bus de interfaz no puede soportar la transferencia continua de datos a la velocidad de muestreo de la adquisición, la memoria integrada en el instrumento proporciona la capacidad de adquirir las señales a la velocidad máxima y más tarde traer los datos al PC para su procesamiento.

La memoria profunda no solo aumenta el tiempo de adquisición, sino que también proporciona beneficios en el dominio de la frecuencia. La medición más común en el dominio de la frecuencia es la transformada rápida de Fourier (FFT), que muestra el contenido de frecuencia de una señal. Si una FFT tiene una resolución de frecuencia más fina, las frecuencias discretas se detectan más fácilmente.

En la ecuación anterior, hay dos maneras de mejorar la resolución de frecuencia: reducir la frecuencia de muestreo o aumentar el número de puntos en la FFT. Reducir la frecuencia de muestreo a menudo no es la solución ideal porque esto también reducirá su intervalo de frecuencia. En este caso, la única solución es adquirir más puntos para la FFT, lo que requiere una memoria integrada más profunda.

Un factor importante en una decisión de compra del osciloscopio es el número de canales en el instrumento o la capacidad de agregar canales sincronizando múltiples instrumentos. La mayoría de los osciloscopios tienen de dos a cuatro canales, cada uno simultáneamente muestreado a una cierta velocidad. Es importante tener cuidado de cómo se ve afectada la frecuencia de muestreo cuando se utilizan todos los canales. Esto se debe a una técnica comúnmente utilizada llamada muestreo intercalado en el tiempo, que intercala múltiples canales para lograr una mayor frecuencia de muestreo. Si el osciloscopio utiliza este método y usted está utilizando todos los canales, es posible que no pueda adquirir a la tasa máxima de adquisición.

El número de canales necesarios depende totalmente de su aplicación en particular. Frecuentemente los dos o cuatro canales tradicionales pueden no ser suficientes para una aplicación dada, en cuyo caso hay dos opciones. El primero es utilizar un producto de mayor densidad de canal como el osciloscopio NI PXIe-5105 de ocho canales (simultáneo) de 12 bits, 60 MS/s y 60 MHz. Si no puede encontrar un instrumento que coincida con sus requisitos de resolución, velocidad y ancho de banda, debe considerar la posibilidad de utilizar una plataforma que le permita escalar su sistema de prueba al proporcionar una sincronización ajustada y permitir que se compartan activadores y relojes. Si bien es prácticamente imposible sincronizar múltiples osciloscopios en caja a través de GPIB o LAN debido a la alta latencia, el rendimiento limitado y la necesidad de cableado externo, PXI proporciona una solución superior. PXI es un estándar de la industria que agrega tecnología de sincronización de clase mundial a los buses de mayor velocidad existentes, como PCI y PCI Express.

La sincronización de múltiples dispositivos es un requisito clave de muchas aplicaciones, que a menudo puede aumentar el tiempo de desarrollo de software. Sin embargo, los osciloscopios NI que se basan en la arquitectura Synchronization and Memory Core (SMC) pueden utilizar NI-TClk para lograr una sincronización precisa con un esfuerzo mínimo de desarrollo. NI-TClk proporciona una interfaz de alto nivel para programar la sincronización de múltiples osciloscopios NI, generadores de formas de onda arbitrarias y dispositivos de E/S digitales de alta velocidad. Además, hay una variedad de ejemplos preescritos para realizar este tipo de sincronización, lo que hace que ponerse en marcha sea aún más fácil. A continuación se muestran las tres funciones (niTClk Configure for Homogeneous Triggers, niTClk Synchronize, niTClk Initiate) necesarias para realizar una sincronización homogénea en múltiples osciloscopios PXI según lo programado en el entorno LabVIEW:

Casi todas las pruebas automatizadas y muchas aplicaciones de sobremesa involucran múltiples tipos de instrumentos como osciloscopios, generadores de señales, analizadores digitales de formas de onda, generadores digitales de formas de onda e interruptores.

La capacidad inherente de sincronización y sincronización de los instrumentos modulares PXI y NI le permite sincronizar todos estos tipos de instrumentos sin necesidad de cableado externo. Por ejemplo, puede integrar un osciloscopio PXI y un generador de formas de onda PXI para realizar barridos de parámetros, lo que es útil para caracterizar la respuesta de frecuencia y fase del dispositivo bajo prueba. Todo el barrido se puede automatizar, lo que evita la necesidad de establecer parámetros manuales en el alcance y el generador, seguido de análisis fuera de línea. Un enfoque modular con PXI da como resultado una mejora de los órdenes de magnitud en la velocidad y mejora su eficiencia al permitirle centrarse en los resultados en lugar de los engorrosos pasos necesarios para obtener esos resultados.

La misma tecnología T-Clk que permite crear sistemas con hasta 136 canales sincronizados en un solo chasis PXI o hasta 5000 canales utilizando múltiples chasis (como se describe en la sección anterior) también permite la sincronización de instrumentos de diferentes tipos. Por ejemplo, un osciloscopio NI puede sincronizarse con T-Clk con generadores de señal, generadores de forma de onda digitales y analizadores de forma de onda digitales para construir sistemas de señal mixta.

En lugar de conformarse con un osciloscopio de señal mixta con funcionalidad digital limitada, puede usar un osciloscopio PXI modular con generadores de formas de onda arbitrarias y generadores/analizadores de formas de onda digitales para construir una aplicación completa de señal mixta con los beneficios de un osciloscopio y un analizador lógico.

Determinar las capacidades de software y análisis es muy importante a la hora de elegir un osciloscopio modular o independiente para su aplicación, y este factor puede ayudarle a elegir entre los dos instrumentos.

Los osciloscopios independientes están definidos por el proveedor, mientras que los visores modulares están definidos por el usuario y son flexibles en las aplicaciones que pueden resolver. Un osciloscopio en caja proporciona muchas de las funciones estándar que son comunes a las necesidades de muchos ingenieros. Como puede imaginar, estas funciones estándar no resolverán todas las aplicaciones, especialmente para aplicaciones de prueba automatizadas. Si necesita definir las mediciones que realiza su osciloscopio, puede seleccionar un osciloscopio modular, que aprovecha la arquitectura del PC y le permite personalizar una aplicación según sus requisitos, en lugar de la funcionalidad fija de un osciloscopio independiente.

Los osciloscopios NI están todos programados utilizando el software controlador gratuito NI-SCOPE. Este controlador viene con más de 50 programas de ejemplo predefinidos que destacan la funcionalidad completa de cualquier osciloscopio de NI, y el panel frontal de software NI-SCOPE incluido proporciona una interfaz familiar similar a la de un osciloscopio. El mismo hardware también se puede programar tanto para mediciones comunes como personalizadas en una amplia gama de aplicaciones utilizando lenguajes de programación incluyendo NI LabVIEW, LabWindows/CVI, Visual Basic y .NET. El controlador también admite funciones basadas en configuración expresa en LabVIEW.

Si necesita más personalización que un osciloscopio, como el procesamiento FPGA en línea, un digitalizador puede ser más adecuado para su aplicación que un osciloscopio. Por ejemplo, los digitalizadores FlexRIO también cuentan con convertidores analógico-digital de alto rendimiento, pero permiten una mayor personalización. Mientras que los osciloscopios se utilizan como equipo de prueba de uso general, con un frontal flexible y rangos y ajustes de entrada seleccionables, los digitalizadores se utilizan normalmente como una solución más específica para una aplicación específica, por ejemplo, al diseñar o prototipar instrumentación científica o médica.

A diferencia de los osciloscopios modulares, los digitalizadores FlexRIO tienen front-ends analógicos fijos, funcionalidad mínima de software listo para usar y especificaciones típicas/medidas (a diferencia de los certificados NIST). Sin embargo, normalmente están disponibles con velocidades de adquisición y permiten una mayor personalización o procesamiento de señales en línea a través de la FPGA.

Aunque tanto los osciloscopios modulares como los independientes se utilizan para adquirir tensiones, los instrumentos ofrecen diferentes beneficios. Sin embargo, las consideraciones examinadas anteriormente son importantes a la hora de comprar cualquiera de los instrumentos.  Pensar con anticipación en los requisitos de la aplicación, las limitaciones de costos, el rendimiento y la capacidad de expansión futura puede ayudarlo a elegir el instrumento que mejor satisfaga todas sus necesidades.

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