Clase 10 parte 2 Introducción a los Osciloscopios

Clase 10 – parte 2

Introducción a los Osciloscopios

MEDICIONES ELÉCTRICAS IDepartamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica

Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata

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Tipos de

osciloscopios

digitales

•De memoria (o de almacenamiento) digital (DSO)

Muestrean la señal a medir a intervalos regulares de tiempo,

obteniendo puntos de muestreo. Luego esos puntos se

procesan en un micro procesador y con ellos se construye una

forma de onda que se muestra en pantalla



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Tipos de

osciloscopios

digitales

•De fósforo digital (DPO)Capturan “imágenes” a alta velocidad de la señal a medir y vuelcan

todas esas imágenes en una gran base de datos que se actualiza

constantemente.

Esta base de datos dispone de una “celda” individual de información por

cada pixel en la pantalla del osciloscopio.

Cada vez que se captura una forma de onda – es decir cada vez que el

osciloscopio se dispara - ésta forma de onda queda mapeada en las

celdas de memoria y por ende en un conjunto de pixeles en la pantalla.

A la velocidad que puede percibir el ojo humano (unas 30 veces por

segundo) estos pixeles se actualizan si la celdas se actualizan o de lo

contrario se mantienen en su estado anterior. Esto hace que la

intensidad de los pixeles por donde pasa la onda con mayor frecuencia

se iluminen más que aquellos por lo que pasa menos.

El resultado en una figura como la siguiente:

Se usan para depuración de señales digitales,

comunicaciones, etc. Aplicaciones de alta

velocidad en general.



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Tipos de

osciloscopios

digitales

•De muestreo

El osciloscopio de muestreo es un tipo especial de osciloscopio

que se utiliza para examinar una señal muy rápida.

En los dos modelos anteriores primero se atenua / amplifica la

señal a medir y luego se la muestrea, en cambio en estos

modelos primero se la muestrea y luego eventualmente se la

amplifica. Esta acción hace que los problemas que introduce el

atenuador / amplificador (que varían con la frecuencia) no sean

factores que limitan la frecuencia máxima que se pueden medir.

Como inconveniente, al no atenuar / amplificar andes de realizar

la conversión a digital, el rango de tensiones que se pueden

convertir ronda 1 V pico (mientras que un DSO o un DPO llega a

los 100V aproximadamente).

Se consiguen anchos de banda de hasta 80GHz (10 veces más

que en los otros modelos)

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Funcionamiento del

osciloscopio digital(osciloscopio de memoria digital)



Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales

fs = Frecuencia de muestreo (en muestras/segundo o samples/segundo). 6

Señal

a

medir

Si se conocen una serie de valores discretos de la señal, u(k), tomados a intervalos de

tiempo regulares, puede reconstruirse la señal si se cuenta con la suficiente cantidad de

puntos, y calcular con ella el parámetro que se desee:

Teorema del muestreo

Se puede reconstruir una señal analógica a partir de sus valores instantáneos

equiespaciados (muestras). A partir de estos valores existen ∞ señales que pasan por esos

puntos, pero si la señal original es de banda limitada y las muestras son tomadas con un

periodo suficiente, entonces hay una única señal que se puede extrapolar de esas

muestras (se determina unívocamente).




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El fenómeno de “aliasing” ocurre cuando la frecuencia de muestreo es demasiado

pequeña en comparación a la frecuencia de la señal muestreada.

Si por ejemplo, en una señal senoidal se muestrea a una frecuencia ligeramente menor que la frecuencia de la señal senoidal, se puede reconstruir una señal senoidal de una frecuencia mucho menor, que nada tiene que ver con la señal original. Esta señal incorrecta recibe el nombre de “alias”, “aparente” o “fantasma”




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¿Pero cuanto vale ese período de muestreo para que se pueda reconstruir

unívocamente una señal?




Ejemplos:

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En la práctica, para tener una reproducción adecuada y lo más fiel posible de la

señal, suele sugerirse como regla empírica optar por usar una frecuencia de muestreo

igual o mayor a 10 veces la frecuencia de la señal. Es decir:𝑓𝑀𝐴𝑋

𝑓𝑆 ≥ 10𝑓𝑀𝐴𝑋




Criterio de Nyquist

El criterio de Nyquist (basado en el Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon)

afirma que para evitar el efecto aliasing al muestrear una señal que no posee

componentes de frecuencia mayores que , la frecuencia de muestreo debe

ser igual o mayor la frecuencia máxima (o de Nyquist), definida como:

𝑓𝑀𝐴𝑋 𝑓𝑆

𝑓𝑆 ≥ 2𝑓𝑀𝐴𝑋

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Adquisición de muestras Construcción de la forma de onda

(Técnicas o métodos

de muestreo)

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Muestreo en tiempo real

Muestreo en tiempo real interpolado

Muestreo en tiempo equivalente




– Métodos de muestreo

Muestreo en tiempo real: El osciloscopio es capaz de adquirir la cantidad necesaria de

puntos durante un barrido de la forma de onda

Muestreo en tiempo real interpolado:En este método se recolectan unas pocas

muestras o puntos de la señal en un solo

barrido (en modo de tiempo real) y se

utiliza interpolación para llenar los “gaps”

o espacios entre muestras. Se suele usar

una interpolación basada en la función

(sen x)/x.12




– Métodos de muestreo

Muestreo en tiempo equivalente: Con esta técnica se reconstruye la señal

adquiriendo un punto diferente en cada ciclo de muestreo. Esta técnica no-

secuencial asume que la señal es completamente periódica y su utilización es

conveniente en casos en que la frecuencia de la señal es superior a la mitad de la

tasa de muestreo fs máxima del osciloscopio

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Adquisición de muestras Construcción de la forma de onda

(Técnicas o métodos de

reconstrucción de una

forma de onda)

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Sample Mode

Peak Detect Mode

Hi Res Mode

Envelope Mode

Average Mode




– Métodos de reconstrucción de una forma de onda

Las muestras almacenadas en la memoria se muestran en la pantalla usandodistintas técnicas. Se puede crear un punto en la forma de onda mostrada apartir muestras tomadas en diferentes adquisiciones, lo que representadistintas alternativas. Entre las más comunes tenemos:

Sample Mode (muestreo): Esta es la forma de muestreo más simple. El osciloscopiocrea el punto de forma de onda (un punto en la pantalla) a partir de un puntomuestreado en cada ciclo.

Peak Detect Mode (detección de pico): El OD guarda el mínimo y el máximo de lospuntos muestreados tomados durante dos intervalos de forma de onda, y usa estospuntos como los dos puntos de forma de onda correspondientes

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– Métodos de reconstrucción de una forma de onda

Hi Res Mode (alta resolución): Como la detección de pico, este modo es una formade obtener más información cuando el ADC puede muestrear a mayor velocidadde lo que requiere la base de tiempo. En este caso, son promediadas entre símúltiples puntos muestreados dentro de un intervalo de forma de onda, paraproducir un punto de forma de onda. El resultado es una disminución en ruido, yuna mejora en resolución para señales de baja velocidad.

Envelope Mode (envolvente): El modo de adquisición envolvente es similar a ladetección de pico. Sin embargo, en este modo el mínimo y el máximo de lospuntos de forma de onda de múltiples adquisiciones son combinados para formaruna forma de onda que muestre cambios de mínimo/máximo en el tiempo.

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Average Mode (promedio): En este modo, el OD almacena un punto muestreado durantecada intervalo de forma de onda, tal cual como se efectúa en Sample Mode (muestreo).Sin embargo, los puntos de forma de onda de adquisiciones consecutivas sonpromediados entre sí para producir la forma de onda que finalmente se presenta enpantalla. Este modo es útil para reducir el ruido pero requiere que la señal seaperiódica/repetitiva. Por ejemplo, este modo es útil para realizar simples mediciones deamplitud de una señal (medición de tensión pico – pico).

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Principales especificaciones

de un osciloscopio



Ancho de banda (AB)

El ancho de banda determina la capacidad básica de un osciloscopio para medir

una señal:

El ancho de banda de un osciloscopio se define como la frecuencia a la cual una

señal sinusoidal se presenta atenuada a 70.7% respecto a la amplitud real de la

señal.

Conforme aumenta la frecuencia de la señal, disminuye la capacidad del

osciloscopio para presentar la señal con exactitud. Esta especificación indica la

frecuencia que el osciloscopio puede medir con precisión.

5 x medir a señalla de frecuencia

alta más componente ioosciloscop del requerido banda de Ancho

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Regla de las 5 veces:

(≈30% de atenuación)



Tiempo de subida

En el mundo digital, las medidas de tiempo de subida son críticas. Por

convención, se define al tiempo de subida de una señal como el tiempo

que demora la señal en pasar del 10% al 90% de su amplitud final .

El tiempo se subida puede ser una consideración de prestaciones más

apropiada cuando se van a medir señales digitales, tales como pulsos y

escalones. El osciloscopio deberá tener un tiempo de subida

suficientemente pequeño para capturar con precisión los detalles de las

transiciones rápidas.

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medida señalla de rápido más subidade Tiempo

ioosciloscop el en requerido subidade Tiempo

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Regla práctica:



Velocidad de muestreo (especificación válida para digitales)

Especifica con que frecuencia un osciloscopio digital tomará una muestra de la

señal a medir. Se especifica en samples / segundo.

Cuanto más rápida es la velocidad de muestreo, mayor será el detalle de la

forma de onda presentada, y menor la probabilidad de que se pierda información

crítica o eventos de interés.

Para que no se produzca el efecto aliasing se recomienda que la velocidad de

muestreo sea al menos 2,5 veces la componente de mayor frecuencia de la señal

a medir utilizando la interpolación (sen x)/x y 10 veces mayor que la componente

de mayor frecuencia de la señal a medir utilizando la interpolación lineal.

Para minimizar el muestreo de componentes de frecuencia por encima de la

frecuencia de Nyquist y así prevenir el efecto aliasing, la mayoría de los

fabricantes de ODs especifican por diseño el AB de sus equipos en 1/4 o 1/5

menos de la máxima frecuencia de muestreo .

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Velocidad de captura de forma de onda (especificación válida para digitales)

Todos los osciloscopio “parpadean”, es decir todos los osciloscopio “abren y

cierran sus ojos” un determinado número de veces para capturar la señal. Esto

es la velocidad de captura de formas de onda. Se expresa en formas de onda

por segundo (wfms/s).

Mientras que la velocidad de muestreo indica con qué frecuencia el osciloscopio

toma muestras de la señal de entrada dentro de una forma de onda o ciclo, la

velocidad de captura indica la rapidez con la que un osciloscopio adquiere formas

de ondas complejas.

Algunos osciloscopio digitales pueden adquirir millones de formas de ondas en

cuestión de segundos, lo que aumenta de forma significativa la probabilidad de

captura de eventos infrecuentes e intermitentes.

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Longitud de registro (especificación válida para digitales)

Expresa el número de puntos que conforman un registro completo de longitud

de onda. Determina la cantidad de datos que se pueden capturar en cada canal.

Puesto que un osciloscopio puede almacenar solamente un número limitado de

muestras, la duración (el tiempo) de la forma de onda capturada será

inversamente proporcional a la velocidad de muestreo del osciloscopio.

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muestreo de Velocidad

registro del Longuitud tiempo de Intervalo

Exactitud de la ganancia

Indica la exactitud con la que el sistema vertical atenúa o amplifica una señal.

Exactitud horizontal

Indica la exactitud con la que el sistema horizontal (la base de tiempo) presenta

la temporización de una señal.

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– Las cubiertas / referencias de losconectores BNC de los canales deentrada se encuentran generalmentepuenteadas entre sí y conectadas a latierra de la alimentación delosciloscopio.

– Por lo tanto, debe tenerse laprecaución de no conectar las puntasde referencia de ambas sondaspasivas de tensión a potencialesdiferentes entre sí.

– Además, en mediciones de circuitoscon alimentación referenciada atierra, debe procurarse no conectarla punta de referencia de la sondapasiva de tensión a un punto conpotencial respecto a tierra.



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Canales aislados o canales no aislados

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