Cada medición comienza con un disparador

Un requisito importante para instrumentos como los osciloscopios es la capacidad de detectar y disparar ante un evento de interés dentro de un flujo de señales ordinarias de forma rápida y confiable. Cuanto más rápido se pueda detectar un evento específico, más rápido se puede depurar un problema en un diseño electrónico, reduciendo los tiempos de prueba de desarrollo y fabricación.

Esta importancia no se pierde en los vendedores de osciloscopios. Muchos proveedores ofrecen más de 100 activadores predefinidos para ayudar a los usuarios a aislar rápidamente condiciones de señal muy comunes y menos vistas. Esto agrega flexibilidad, pero elegir el disparador correcto puede ser más difícil que capturar la señal dada la gran variación de disparadores por tipo, velocidad, ancho de banda, espera, software, etc., pero cada uno viene con compensaciones entre flexibilidad y tiempo muerto. Comprender los tipos de desencadenantes y sus respectivas compensaciones puede ayudar a identificar el enfoque de desencadenante ideal para optimizar las posibilidades de un evento desencadenado con éxito.

Dos aspectos determinan el rendimiento de disparo de un osciloscopio:

1. La flexibilidad de activación describe la facilidad con la que se puede definir un umbral o condición de activación para mejorar la eficiencia adaptándose a las condiciones de la señal en ensayo. La mayoría de los osciloscopios proporcionan una variedad de funciones de disparo definidas por el proveedor con ajustes mínimos, como nivel o ancho, pero no proporcionan una manera de personalizarlas.
   
2. El tiempo muerto indica cuánto tiempo el osciloscopio no puede detectar los desencadenantes entre adquisiciones. Esto conduce a la falta de condiciones de activación si un evento de interés cae en este tiempo muerto. El tiempo muerto de disparo es una cualidad inherente a todas las arquitecturas de disparo, pero existen métodos y técnicas para minimizar el tiempo muerto. Muchos proveedores de osciloscopios ofrecen disparadores basados en software para agregar más flexibilidad, pero esto requiere una cantidad significativa de tiempo muerto debido a la necesidad de procesamiento posterior y no es ideal para eventos muy raros e infrecuentes.

El disparo de borde (comenzando una adquisición en una transición de señal ascendente o descendente) es uno de los modos de disparo más comunes en los osciloscopios hoy en día. La mayoría de las funciones simples de depuración y prueba se manejan con un disparador de borde, pero a menudo se requiere un escenario de disparador más complejo para aislar una forma de señal particular o múltiples formas en sucesión. Las opciones de activación más avanzadas también son comunes en los osciloscopios y ofrecen flexibilidad adicional para capturar protocolos en serie como I²C o SPI, así como eventos avanzados y características de señal como fallas, runt, ancho, tasa de rotación y tiempo de espera, por nombrar algunos.

Figura 1. Este diagrama de bloques de un osciloscopio se basa en el procesamiento de señales digitales. La memoria de adquisición y la unidad de procesamiento de señales determinan la tasa de actualización de adquisición y el tiempo muerto del osciloscopio.

Muchas condiciones de disparo se implementan en hardware, pero opciones de disparo más sofisticadas y calificaciones de señal a menudo se realizan en software como se muestra en la Figura 1. Los disparadores de software ofrecen la mayor flexibilidad, pero aumentan el tiempo necesario de transferencia y procesamiento de datos durante el cual los osciloscopios no pueden detectar nuevos disparadores, como se muestra en la Figura 2. Este período en el que el sistema de disparo es ciego se llama tiempo muerto, que puede ser fácilmente una magnitud más larga que el registro de datos adquiridos real, en otras palabras, los sistemas de disparo del osciloscopio pueden ser ciegos más del 95 por ciento del tiempo. Esto hace que sea más difícil detectar eventos raros o poco frecuentes, lo que lleva a tiempos de prueba más largos. Y lo que es peor, los usuarios podrían obtener la falsa suposición de que no hay ninguno de los eventos esperados, porque son tan raros que no se detectaron durante la medición.

Figura 2. Esto muestra la adquisición y análisis de formas de onda en osciloscopios tradicionales con tiempos muertos entre las instantáneas de forma de onda (arriba) y el procesamiento continuo (abajo).

Si el disparador disponible o la capacidad de análisis de señal de un osciloscopio no es suficiente para una tarea, la única opción restante para los usuarios es adquirir segmentos de forma de onda larga y descargar estos datos brutos adquiridos a un PC para el postprocesamiento para encontrar un evento específico. Pero esto añade una capa adicional de complejidad al diseño general del sistema y también causa tiempos de prueba más largos debido a la latencia de transferencia de datos y el tiempo de procesamiento necesario.

Aunque la mayoría de las opciones de disparadores inteligentes o basados en software pueden satisfacer las necesidades en el diseño y prueba de circuitos eléctricos, a menudo hay eventos raros que pueden ralentizar el desarrollo de productos significativamente si no se aíslan y corrigen rápidamente. Debido a la limitación de la mayoría de las funciones de disparo del osciloscopio, el usuario puede acceder solo a lo que está disponible del proveedor.

Con la capacidad de implementar sus propios algoritmos dentro de un osciloscopio, los usuarios pueden personalizar el instrumento para tareas específicas y no limitarse a la funcionalidad definida por el proveedor del instrumento. Por ejemplo, los usuarios pueden definir sus propias condiciones de activación específicas de la aplicación para capturar específicamente una condición de señal, lo que puede ayudar a reducir significativamente el tiempo de prueba al eliminar la necesidad de postprocesamiento de datos en el PC, como se muestra en la Figura 3.

La principal tecnología habilitadora que proporciona tanto el procesamiento de datos en línea en los osciloscopios como la flexibilidad para reprogramar los algoritmos son los FPGA, que son chips esencialmente programables que pueden realizar algoritmos de procesamiento y control de señales personalizados a altas tasas de rendimiento de manera verdaderamente paralela. La flexibilidad de las FPGA permite modificar o agregar algoritmos de activación específicos del usuario, mientras que el procesamiento de alto rendimiento permite analizar muestras de datos en tiempo real durante la adquisición, en lugar de en el postprocesamiento. Esto elimina el tiempo muerto, evita que falten desencadenantes y ayuda a detectar eventos raros mucho más rápido.

Un ejemplo de un disparador definido por el usuario es uno que detecta formas de señal o transiciones que no encajan en las definiciones de disparador estándar, como la señal mostrada en la Figura 3. Esta señal digital muestra un borde no monótono como puede ser causado por reflexiones de señal o una fuente de alimentación defectuosa del circuito probado. Un disparador de borde o ancho estándar no detectaría esta señal no deseada, y la detección dentro de los medios normales es casi imposible. Para capturar de manera precisa y consistente este evento, es necesario crear un nuevo desencadenante. Para abordar escenarios como este, se puede desarrollar un disparador de software; sin embargo, debido al gran tiempo muerto del disparador asociado con este método, un evento raro no se detecta rápidamente. Alternativamente, se puede emplear un FPGA programable por el usuario para proporcionar una serie de disparadores de ventana que comparan los puntos de muestra adquiridos con una máscara de manera que cada vez que todos los disparadores de ventana detectan simultáneamente una condición de disparador válida, se emite un disparador combinado y se adquiere la señal.

Debido a que la FPGA evalúa la señal continuamente y en tiempo real, el osciloscopio puede capturar eventos individuales, así como eventos sucesivos sin tiempo muerto entre adquisiciones.

Figura 3. Una transición de señal específica se captura utilizando un disparador definido por el usuario; la función se implementa dentro del FPGA de un osciloscopio reconfigurable.

Durante muchos años, los ingenieros de pruebas han utilizado herramientas de software como LabVIEW, en lugar del software fijo en los instrumentos en caja tradicionales, para automatizar los sistemas de prueba, analizar y presentar mediciones y reducir el costo de la prueba. Este enfoque proporciona flexibilidad y aprovecha las últimas tecnologías de PC y CPU. Sin embargo, muy a menudo los usuarios exigen ir un paso más allá y también modificar la forma en que los instrumentos toman medidas para satisfacer mejor las necesidades de una aplicación.

Tradicionalmente, los instrumentos listos para usar están definidos por el proveedor y solo proporcionan capacidad fija; sin embargo, NI está liderando el camino en instrumentos más abiertos y flexibles basados en la tecnología FPGA. El resultado es hardware comercial que tiene lo mejor de ambos mundos, tecnología de medidas fijas y de alta calidad; la integración más reciente del bus digital y lógica personalizada por el usuario que es altamente paralela; ofrece baja latencia y está vinculado directamente a E/S para procesamiento en línea.

Figura 4. Este es el diagrama de bloques del osciloscopio reconfigurable NI PXIe-5171R.

En el pasado, la tecnología FPGA solo estaba disponible para ingenieros con un profundo conocimiento del diseño de hardware digital utilizando herramientas como Verilog o VHDL. El auge de las herramientas de diseño de sistemas de alto nivel, como LabVIEW, cambia las reglas de la programación FPGA, entregando nuevas tecnologías que convierten diagramas de bloques gráficos en circuitería de hardware digital. Todos los equipos informáticos NI FPGA (incluido el NI PXIe-5171R) se basan en la arquitectura LabVIEW reconfigurable I/O (RIO), que cuenta con potentes procesadores de coma flotante, FPGA reconfigurables y E/S modulares. La arquitectura LabVIEW RIO simplifica el desarrollo y acorta el tiempo de comercialización al diseñar aplicaciones avanzadas de control, monitoreo y prueba. Con LabVIEW, los usuarios pueden ampliar las capacidades del instrumento, por ejemplo, con activadores personalizados o señales de temporización o control adicionales. Los usuarios también pueden implementar sus propios algoritmos en la FPGA de instrumentos diseñados por software para reutilizar el hardware para una tarea completamente diferente. Un osciloscopio, por ejemplo, se puede convertir en un analizador de espectro en tiempo real, registrador transitorio, analizador de protocolos, receptor de RF y mucho más.

Esto ayuda a reducir el coste del equipo porque es necesario comprar y mantener menos instrumentos, lo que es un aspecto de coste significativo en los sistemas de prueba. Esto puede ser especialmente útil siempre que haya necesidad de proporcionar capacidades de prueba e instrumentos durante un tiempo muy largo (mayor de 10 años), por ejemplo en sistemas de prueba militares o aeroespaciales. Estas aplicaciones a menudo requieren recrear el comportamiento de instrumentos antiguos que ya no están disponibles (final de su vida útil).

Los instrumentos reconfigurables son útiles para esta aplicación porque se pueden reprogramar para imitar el comportamiento de un instrumento antiguo. Esto ayuda a ahorrar costes, porque el software del sistema de pruebas requiere mucho menos retrabajo y recertificación para trabajar con este nuevo instrumento.

Un ejemplo de este tipo de instrumento es el osciloscopio reconfigurable NI PXIe-5171R, que utiliza un FPGA Xilinx Kintex-7 para procesar muestras adquiridas de las ocho entradas en tiempo real. La Figura 4 ilustra cómo la FPGA programable por el usuario se integra en la ruta de datos y también proporciona acceso a las señales de control y temporización del instrumento.

Los métodos de activación convencionales en los osciloscopios son difíciles de capturar eventos muy raros o complejos debido a la falta de flexibilidad y análisis en tiempo real. Los nuevos enfoques pueden aprovechar la tecnología FPGA para definir funciones de activación personalizadas para cumplir con las condiciones de activación más complejas, así como procesar y analizar la señal en tiempo real.

Vea la demostración para descubrir cómo puede eliminar el tiempo muerto al personalizar su disparador.