Los osciloscopios no son sustituibles ...
... sólo estos posibilitan una presentación completa de una señal de medida. ...
sólo estos presentan en el dominio del tiempo las variaciones de las tensiones.
La importancia que tiene una presentación de la forma de una señal se entiende, cuando se comparan las dos alternativas a los osciloscopios – los multímetros y los contadores de frecuencia: Ambos ofrecen una precisión de medida superior, pero la falta de una presentación de la señal lleva fácilmente a interpretaciones erróneas.
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Asi ocurre que p.ej. en las mediciones de tensiones de señales con forma de pulso y cuya frecuencia de repetición no tiene una relación exacta de 1:1, se obtienen resulta­ dos de medida erróneos. Estos errores se agudizan, cuando se miden señales com­ plejas. En mediciones de frecuencia aparecen pro­ blemas similares: para obtener mediciones de precisión, se precisan señales idóneas con forma de onda senoidal, triangular o cuadrada. Señales complejas llevan a mediciones erróneas. Un ejemplo para este tipo de señales es la señal FBAS. Contiene impulsos de sin­ cronismo de imagen de 50 Hz, impulsos de sincronismo de línea de 15,625 kHz y el contenido de la imagen con frecuencias de unos pocos Hz hasta 5 MHz.
Si se mide así una señal con un frecuencí­ metro, se capturará y presentará una fre­ cuencia, dependiendo del punto de disparo casual del equipo. Según se haya elegido el punto de disparo, se medirá la frecuencia de los pulsos de sincronismo o del conteni­ do de la imagen. Esto se puede demostrar especialmente bien con los osciloscopios HM504 y HM507, ya que no solo muestran la señal, si no también disponen de un con­ tador de frecuencias. El ajuste del inicio de dis paro es el mismo en osciloscopio y con­ tador de frecuencias, pero en el frecuencí­ metro no se ve el punto de disparo.
Imagen 1 presenta una señal FBAS. Como se puede ver en el margen izquierdo de la reticulación, se encuentra el símbolo del punto de disparo en el nivel de los impul­ sos de sincronismo. Esta información no la pue de capturar ni presentar ningún fre­ cuen címetro, tampoco el incorporado en el osciloscopio. El resultado de la medida se presenta por lectura en pantalla (readout) arriba a la derecha con (16.00 kHz), pero debería indicar 15.625 kHz (frecuencia de líneas). La causa para esta diferencia son los impulsos previos y posteriores del sin­ cro nismo de imagen, así como la distancia de las medias líneas de los impulsos del sincronismo de imagen. Como se puede observar en la imagen 2, el resultado que se obtiene mediante una medición por cur­ sores de forma manual, es de 64,0 µs y con ello resulta una frecuencia de líneas de 15,625 kHz.
Si el punto de disparo se encuentra a la altura del contenido de imagen o de línea, las variaciones pueden ser aún más impor­ tantes. Según ajuste se pueden obtener valores de medida diferentes. En la imagen 3 se presentan por ejemplo 1,76 MHz aun­ que en esta señal domina la frecuencia de 4,43 MHz. La causa es que la señal de color de 4,43 MHz — como se observa — no se tiene de forma constante, si no que queda interrumpida por impulsos de sincronismo y otras señales. Aquí sólo podrá obtenerse la medición correcta de la frecuencia de la señal, ajustando de forma manual los cursores.
Sin osciloscopio, se deberá confiar ciega­ mente de los resultados de las mediciones que se obtienen de los multímetros y fre­ cuencímetros, en el real sentido de la pala­ bra, lo que puede ser un grave error. Esto puede ser así incluso con señales „sim­ ples“, como una señal senoidal de 50 Hz que proviene de la red eléctrica, que en muchas ocasiones ha mutado a una señal compleja, a causa de sobreposiciones con otras tensiones y porciones de señales des­ fasadas. El significado de la presentación de la señal es por lo tanto muy relevante y con ello la importancia del osciloscopio.
Qué resulta del significado de la presentación de la señal? La contestación es simple: La presenta­ ción de la señal debe presentar la señal de medida así como existe en el punto de medida, para que el contenido de la infor­ mación sea lo más alto y exacto posible! Lamentablemente esta exigencia es en principio incumplible; pero los ingenieros de I+D de Hameg prueban de llegar lo más
Imagen 1: Señal FBAS (Equipo HAMEG )
Imagen 2: Medición de tiempo con cur­ sores Cursorlinien (Equipo HAMEG)
Imagen 3: El frecuencímetro indica 1,76 MHz (Equipo HAMEG)
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cerca posible a esa exigencia. Existen múl­ tiples criterios, que por razones de espacio no se pueden describir aquí todos, pero nombraremos los más importantes:
Tiempo de subida propio No se puede evitar que, con un ancho de banda limitado, también los amplificadores de medida de los osciloscopios HAMEG presenten un tiempo de subida propio. No obstante se puede minimizar el tiempo de subida propio adquiriendo un osciloscopio
con un ancho de banda superior. (= tiempo de subida inferior), de forma que la medi­ ciones de tiempo de subida en objetos bajo medida se realizan de forma más precisa. La imagen 4 presenta así un ejemplo de aplicación.
Sobreoscilación Un ejemplo que los osciloscopios HAMEG corresponden a la necesidad de presentar señales de forma fidedigna, es la res­ puesta de los amplificadores de medida con señales quadradas. Se efectúa una compro bación con una señal quadrada, que
no tiene sobeoscilación propia, aunque su tiempo de subida sea inferior a 1 ns. Si esta señal cuadrada se presenta con una sobreoscilación, existe un fallo de diseño del amplificador de medida. La imagen 5 muestra la presentación de un osciloscopio que proviene de un país asiático. Con este equipo, el usuario no tendrá la posibilidad de controlar la calidad de una señal cuadrada respecto a su sobreoscilación, ya que las porciones de la sobreoscilación de la señal y del osciloscopio no se pueden separar en la presentación de la señal. Así como se muestra en la imagen 6, un osciloscopio HAMEG, con el mismo ancho de banda, muestra la misma señal sin sobreos­ cilación y ofrece así la base para una evalua­ ción fundamentada de la señal. Si el oscilos­ copio HAMEG muestra una sobreoscilación, esta no proviene del propio equipo.
Jitter La imagen 7 presenta una foto de una pan­ tal la de un equipo existente en el mercado. El ancho del flanco de subida nos indica, que hay una jitter, aunque en la realidad este no exista. A causa del jitter del os ci los copio se pierde la información del jitter original de la fuente de la señal. Pero la magnitud del jitter, es en muchos casos prácticos, una fuente de información im por tante. Lamentablemente no se puede evitar el jitter y en los osciloscopios se genera por ejemplo por ruidos, comparadores de dis­ paro y el generador de la base de tiempos. También aquí, se probará de mantener por buen diseño lo más bajo posible. Si no, no se podrán separar las partes que provienen del osciloscopio y las que provienen de la señal de entrada. Mediante imagen 8 se documen­ ta, que un HM2005 presenta la misma señal sin jitter.
Ruidos HAMEG da mucha importancia a fabricar osciloscopios con amplificadores de medi­ da con bajo ruido. Es suficiente con que el objeto bajo medida emita ruidos. La utilización de convertidores costosos flash A/D en los osciloscopios combinados analógicos/digitales, lleva a la situación, que en la mayoría de veces se deberá con­ trolar en el readout, si se está trabajando en modo analógico o digital. Con oscilosco­ pios digitales sencillos, no se tiene ese tipo de „problemas“, ya que emiten ruido contí­
Imagen 4: Señal cuadrada con tiempo de subida ‹ 1 ns (Equipo HAMEG)
Imagen 5: Equipo de otra marca, distorsionando la pre­ sentación de la señal con una sobreoscilación
Imagen 6: Presentación de señal con un buen amplificador de medida (Equipo HAMEG)
Imagen 7: Equipo de otra marca pre­ senta el flanco de subida con jitter, ...
Imagen8: ... aunque el flanco de subida no contenga jitter! (Equipo Hameg)
Imagen 10: Casi ningún ruido en modo digital (Equipo Hameg)
Imagen 9: Ruido de un osciloscopio „sólo“ digital (Equipo de otra marca)
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nuamente, como se visualiza en la imagen 9. En cambio en la imagen 10 se presenta el trazo en modo digital de un osciloscopio HAMEG. Casi no hay ruido visible. Naturalmente que el ruido se puede eli­ minar efectuando promediados (Average). Pero con ello se elimina también la infor­ mación del ruido real de la fuente de la señal.
Captura de señales y frecuencia de presentación Otro de los criterios es la frecuencia con la que se captura y presenta una señal. Con una frecuencia superior de captura y presentación, aumenta la posibilidad de poder visualizar informaciones adicionales. La cantidad de presentaciones de señal por segundo depende de la frecuencia de la señal y el ajuste de la base de tiempos del osciloscopio. En modo analógico pue­ den ejecutarse entre 500.000 hasta 2,5 millones de presentaciones de señales por segundo. Este número explica las ventajas de un tubo de rayos catódicos. Estos valo­ res no los alcanza ninguna tarjeta gráfica o ningún LCD. Con un número inferior de presen taciones de señal por segundo, no se presentarían de forma completa en modo digital, los sobreposicionamientos de una señal. (ver imagen 11). La imagen 12 mues­ tra la mis ma señal en modo analógico y con ello las condiciones reales. La siguiente imagen (imagen 13) muestra esta situación de forma todavía más clara: En modo analógico se presenta una señal modulada en amplitud. De la presentación de la señal se entiende con facilidad que se trabaja con un grado de modulación del 100 % y que la frecuencia de modulación es de 1 kHz. En contrapartida, en modo digital es incluso dificil reconocer que se trata de una señal modulada en amplitud (imagen 14). Si la captura de la señal de modulación en am plitud (AM) se realiza en modo envol­ vente (envelope) parece, como se presenta en la imagen 15, que se ha resuelto el pro­ blema del reconocimiento de la señal. Pero esto sólo es válido para el caso, en el que no varíen el grado de modulación y la fre­ cuencia de modulación, ya que en el modo de envelope se presenta siempre el valor máximo capturado. Por lo tanto, el modo envelope tampoco es una solución para realizar mediciones en señales moduladas. Las desventajas que se describen aqui del modo digital corresponden a equipos „sólo­
digitales“ de la competencia, que no se pueden conmutar a modo analógico.
Nitidez y luminosidad Una buena presentación de señal precisa naturalmente de una buena visualización en pantalla, lo que a su vez precisa de una buena nitidez y luminosidad de imagen. Hoy en día esto ya se cumple con tubos de rayos catódicos (TRC) que trabajan con tensiones de aceleración de 2.000 Voltios, como se utilizan en los HM303­6, HM504 y HM507.
Los osciloscopios HM1004­3, HM2005 y HM1507­3 tienen incluso características su periores, ya que vienen equipados con TRC’s con tensiones de aceleración de 2.000 Voltios y post­aceleraciones de 12.000 Voltios. Con ello se tiene una gran reserva de luminosidad. Es especialmente impor­ tante en osciloscopios con una segunda base de tiempos, para poder presentar partes de señales muy ampliadas. La segunda base de tiempos es utilizable
en el modelo HM1000, HM1008, HM1500 y HM1508, incluso en modo digital y permite una expansión en horizontal (X) de 200.000 veces de una señal senoidal de 10 MHz (ver imagen 16), que se presenta con la base de tiempos A con 20 ms/cm y con la base de tiempos B con 100 ns/cm. Así una expan­ sión, sólo es realizable de forma práctica en modo digital, ya que no se re duce la intensidad del trazo con una ex ten sión superior, como pasaría en el modo analógi­ co. Con un osciloscopio puramente analógi­ co, no se vería practicamente el trazo bajo estas condiciones.
Imagen 16: Señal en el sector de borrado 200.000 veces ampliada
Imagen 11: Aparentemente sobre po­ sicio na miento de baja frecuencia „sal­ tante“ (Equipo HAMEG)
Imagen 12: El modo analógico muestra la realidad: La frecuencia de sobre po­ sicionamiento es alta (Equipo HAMEG)
Imagen 13: AM con un grado de mo du­ la ción del 100 % en modo analógico (Equipo Hameg)
Imagen 14: Señal modulada en ampli­ tud y presentada en modo digital (Equipo HAMEG)
Imagen 15: Modo digital, pero con mo do de captura „Envelope (Equipo HAMEG)
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Resolución Los límites de la resolución en oscilo sco­ pios analógicos quedan marcados por la propia vista del usuario, ya que el rayo de electrones puede ser dirigido a cualquier punto de la pantalla. Por lo tanto no hay limitaciones en resolución X o Y.
En contrapartida, los osciloscopios digi­ tales tienen limitada la resolución, por el propio principio de funcionamiento. La resolución en vertical (Y) se determina por el convertidor analógico/digital de 8 Bit, que es utilizado para el muestreo de la señal de medida. En dirección vertical se dispone por lo tanto sólo de 256 posiciones, 200 po si ciones para el margen completo vertical de reticulación. Esto se correspon­ de con una resolución en Y de 25 posicio­ nes de señales posibles por reticulación (división de re tí cula). El gráfico 1 muestra la perspec tiva general de una completa retícula de medida de 8 x 10 (pantalla com­ pleta) y la gráfica 2 muestra la ampliación de una división de retícula.
Los osciloscopios „sólo digitales“­ provis­ tos de pantallas LCD, tienen normalmente una limitación en resolución X para la presentación de la señal de 250 puntos. La resolución de una división de retícula es entonces – como se presenta en el gráfico 2 – en dirección X e Y de 25 puntos por divi­ sión de retícula.
Con 500 puntos de resolución en X, disper­ sos en las 10 divisiones de reticulación, la presentación con tubos de monitorizado mejora (por división 50 puntos en direc­ ción X­ y 25 puntos en dirección Y), pero no alcanza todavía la resolución de los os ciloscopios Hameg en modo digital.
La ventaja de un TRC es que permite presen tar, también en modo digital, la tota­ lidad del contenido de la memoria, o sea las 2.000 muestras, sobre la totalidad de la re tícula de medida. La resolución por división de retícula es entonces de 200 puntos en dirección X y 25 puntos en direc­ ción Y. Así como se presenta en la gráfica 3, la re so lución en dirección X es 8 – veces mayor que en una pantalla LCD, por lo que la fre cuencia de muestreo debería ser mayor por ese mismo factor, para obtener la misma re solución.
Gráfico 1: Reticula de medida completa
Gráfico 2: Una retícula de medida con 25 puntos en Y­ y 25 puntos en X­(LCD)
Gráfico 3: Resolución 8 veces superior = espacios de muestras más pequeñas
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Resolución de memoria y de presentación, y frecuencia de muestreo Estos tres parámetros estan relacionados directamente. Como se ha descrito bajo „resolución“, la profundidad de memoria en los osciloscopios combinados analó gico/ digitales de HAMEG es de 2.000 puntos de muestra (por canal), todos ellos presenta­ dos. Esto quiere decir que, la profundidad de memoria es igual a la resolución de pantalla. Esto es importante, ya que existen equipos de la competencia que trabajan con una frecuencia de muestreo superior y las memorizan, pero que después sólo mues­ tran cada décimo punto. Esto se correspon­ dería a trabajar sólo con una presentación total de una décima parte de la frecuencia de muestreo ofrecida. La resolución más elevada de la presenta­ ción ofrece también la ventaja, que la cap­ tura de la señal en osciloscopios HAMEG, deberá realizarse con una frecuencia de muestreo superior. Con ello se reduce sen­ siblemente la presentación de señales con deformación de aliasing. La frecuencia de muestreo, con la que se realiza la captura de una señal, depende en los osciloscopios digitales del ajuste de la base de tiempos, de la profundidad de memo ria seleccionada y/o de la canti­ dad de muestras presentadas (profundidad de presentación). Como la profundidad de memoria y la de presentación quedan prede ter minadas, el usuario sólo podrá variar el ajuste de la base de tiempos, y esta misma, sólo en un margen relativa­ mente reducido. Es la propia señal, la que determina el ajuste de base de tiempos utilizable, ya que se deberá presentar al menos un periodo de la señal que se desea visualizar. Con una profundidad de memoria de 2.000 puntos y su visualización completa, en un TRC, la resolución será de 200 puntos por división de retícula en dirección horizontal X. Si la base de tiempos se ha ajustado a 10 µs/cm (por división), esto quiere decir que cada 200 muestras se deberán de reali­ zar en un tiempo de 10 µs. El intervalo en tiempo es entonces de 10 µs : 200 = 50 ns; es decir, se muestrea la señal en intervalos de 50 ns. Así la frecuencia de muestreo máxima es 1/50 ns = 20 MSa/s (20 millones de muestras (Samples) por segundo). El proceso de muestreo en se realiza en rea­
lidad en pocos picosegundos. Variaciones de señal entre 2 procesos de muestreo normalmente no quedan registrados. Por lo contrario, las pantallas de LCD, sólo pueden mostrar 25 muestreos por división. Si utilizamos los mismos 10 µs/cm de ajuste de base de tiempos, el intervalo de mues­ treo será de 10 µs : 25 = 400 ns. Esto se corres ponde a una frecuencia de muestreo de 2,5 MSa/s. Una profundidad de presen­ tación inferior (resolución) obtiene así una fre cuen cia de muestreo inferior.
El resultado en la utilización cotidiana se muestra con el ejemplo siguiente, teniendo en cuenta los siguientes factores:
1. El tiempo del periodo de la señal deter­ mina el ajuste de la base de tiempos.
2. Al capturar señales senoidales se debe rán realizar por lo menos 10 muestras por periodo de señal, o no sería posible diferenciar entre una señal de forma senoidal y una de forma triangular.
De ello resulta, que la frecuencia de mues­ treo de una señal senoidal de 5 MHz deberá ser de 50 MSa/s (frecuencia de muestreo
Imagen 17: Señal de vídeo­TV presentado con LCD (Gráfica de vectores de otra marca)
Imagen 18: LCD presenta señal de vídeo­TV en presenta­ ción por puntos (Otra marca)
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el ajuste en la base de tiempos deberá ser de 10 µs/cm. Un osciloscopio de tipo „Sólo­Digital“ con LCD, como se muestra en la imagen 17, tiene una frecuencia de muestreo entonces de 2,5 MHz. En conse­ cuencia la frecuencia de señal más elevada sólo puede tener los 250 kHz. La imagen 18 presenta la misma señal en modo de pre­ sentación por puntos (dots). En el osciloscopio HAMEG, resulta que la resolución de 200 puntos de muestreo/cm en combinación con los 10 µs/cm obtienen una frecuencia de muestreo de 20 MSa/s, con los que una señal de 2 MHz se presen­ tan con 10 puntos por período. La presen­ tación superior (base de tiempos A) de la imagen 19 muestra una media imagen de TV; la presentación inferior (base de tiem­ pos B) muestra una línea. Por cierto: Al conmutar a modo analógico se dispone de la totalidad del ancho de banda del osciloscopio y con ello se obtiene la presentación óptima de la señal, que naturalmente no depende del tiempo ajus­ tado en la base de tiempos. La imagen 20 lo de muestra. Esto es válido naturalmente, no sólo para señales de vídeo, si no también para otro tipo de señales. La imagen 21 presenta una señal senoidal con un ruido de mayor fre­ cuencia sobrepuesto, que se ha registrado en modo analógico. En el margen del vér­ tice, la amplitud de los ruidos es de aprox. 67 mVpp. La misma señal, pero re gis trada en modo digital, muestra el ruido con una amplitud inferior. En el margen del vértice positivo X, casi ya no se aprecian los ruidos (imagen 22). Resúmen Toda la exposición técnica realizada anterior mente, sólo describen una pequeña parte de las características de calidad más importantes en un osciloscopio. Al mismo tiempo contrarestan la afirmación, de que los osciloscopios analógicos ya no son con­ temporáneos. Es natural, que un osciloscopio digital ofrezca ventajas en la captura de señales únicas, en el registro de procesos de varia­ ción muy lenta y en la documentación de se ñales en general. La posibilidad de utili­ zar una segya base de tiempos sin pérdida de luminosidad con una señal muy expandi­ da, así como disponer de funciones de pre­ y post­disparo en los osciloscopios digita­
de 50 MHz). En la mayoría de los casos se regis tran señales con frecuencias de repe­ tición relativamente bajas, pero que con­ tienen partes o zonas en las que aparecen frecuencias mucho más elevadas.
Un ejemplo sería la señal de vídeo TV, que puede contener señales de 5 MHz, aunque su frecuencia de media imagen sólo sea de 50 Hz y la frecuencia de línea tenga sólo 15,625 kHz (duración de periodo 64 µs). Para poder presentar una línea completa,
Imagen 22: La captura digital origina una amplitud de ruido errónea (Equipo HAMEG)
Imagen 19: Señal de vídeo presentada con TRC (Equipo HAMEG)
Imagen 20: Presentación óptima ana ló gica de una señal de vídeo (Equipo HAMEG)
Imagen 21: Presentación analógica de ruidos sobrepues­ tos (Equipo HAMEG)
les, son características a las que el ususario ya no quiere/ puede renunciar. Pero ello ha creado desventajas en la pre sentación de señales repetitivas. Eliminar esas desventajas es en muchas ocasiones imposible o se tiene que pagar muy caro, en el real sentido de la palabra.