¿Alguna vez ha conectado dos osciloscopios a una misma señal y ha obtenido resultados de medida diferentes? Esta diferencia puede repercutir en la capacidad de los ingenieros para obtener información de los diseños, comprenderlos, depurarlos y caracterizarlos. La integridad de las señales (SI) es la principal medida de calidad de las señales y, además de afectar a los diseños, afecta a las herramientas utilizadas para medirlos.

Los osciloscopios están sujetos a diversos problemas de integridad de las señales, como la distorsión, el ruido y la pérdida. Los resultados obtenidos utilizando osciloscopios con una mala integridad de las señales pueden incrementar el riesgo respecto a los tiempos de los ciclos de desarrollo, la calidad de fabricación y los componentes elegidos. Con el fin de minimizar el riesgo, los ingenieros deberían evaluar y elegir osciloscopios con unos atributos elevados de integridad de las señales.
Los osciloscopios con atributos superiores de integridad de las señales ofrecen una mejor representación de las señales sometidas a prueba, tanto por lo que respecta a la representación correcta de las formas de onda como a las medidas derivadas de las formas de onda. Pero, ¿qué criterios puede emplear para evaluar los atributos de integridad de las señales de un osciloscopio? A continuación le indicamos cinco métricas que debería utilizar para determinar con rapidez la calidad de la integridad de las señales de un osciloscopio.
1.    ¿Cuál es su resolución?
2.    ¿Cuál es el rango de escalado vertical?
3.    ¿Cuál es su nivel de ruido?
4.    ¿Cómo de plana es la respuesta de frecuencia?
5.    ¿Cuál es el ENOB (número de bits efectivo) del osciloscopio?

Conviene realizar un repaso rápido de cada métrica y de cómo determinar el valor de un osciloscopio específico con el fin de mejorar nuestra capacidad de evaluación. Para obtener una alta integridad de las señales, el osciloscopio debe obtener una puntuación elevada en todos los criterios. Si se obtiene un buen resultado en un criterio pero se falla en los demás, la integridad de las señales no será óptima.

 
Figura 1. Dos osciloscopios con un mismo ancho de banda y una configuración idéntica obtienen datos diferentes de la altura de ojo cuando se conectan a una misma señal. Dos atributos de integridad de las señales pueden explicar por qué se obtienen diferencias en las medidas. El osciloscopio de la derecha tiene más ruido (traza más gruesa) y una mayor variación de la respuesta de frecuencia, lo que crea algo de distorsión en la forma de onda que se observa en la parte inferior del ojo. El osciloscopio Infiniium Serie S de la derecha tiene un 50% menos de ruido y una respuesta de frecuencia más plana, lo que permite obtener mejores resultados de medida.
Resolución

Cuanto más alto es el número de bits de ADC, más resolución ofrece el osciloscopio. El valor de bits de ADC figura en la ficha de datos de cada fabricante.

La resolución es el nivel de cuantificación mínimo que viene determinado por el convertidor de analógico a digital (ADC) del osciloscopio. Un ADC de osciloscopio con una resolución de 8 bits puede codificar una entrada analógica a 256 niveles diferentes (28) o 256 niveles Q (cuantificación). Un ADC de 10 bits ofrece el cuádruple de resolución que un osciloscopio con un ADC de 8 bits. Del mismo modo, un ADC de 12 bits proporciona cuatro veces más resolución que un ADC de 10 bits.

El ADC actúa sobre el valor vertical a escala completa del osciloscopio. Por lo que respecta a las medidas de corriente y tensión, los niveles de resolución absoluta son una función del escalado a escala completa. Si el usuario establece la configuración vertical en 100 mV por división en un osciloscopio con ocho divisiones verticales, la pantalla completa equivale a 800 mV (8 divisiones * 100 mV/div) y la resolución de los niveles Q es igual a 800 mV divididos entre 256 niveles, es decir, 3.125 mV.

Si hay disponible un excedente de velocidad de muestreo y se utiliza una entrada analógica para evitar el aliasing, los osciloscopios suelen ofrecer otro modo llamado “modo de alta resolución”. Las técnicas de sobremuestreo combinadas con filtros de DSP pueden incrementar la resolución vertical. Con frecuencia, los fabricantes presentan este incremento en “bits de resolución”. Para emplear esta técnica se necesita un ADC que haya sido diseñado con un excedente de velocidad de muestreo en relación con el ancho de banda de hardware necesario para realizar una determinada medida.

Con el fin de conseguir la mejor resolución, los ingenieros deben utilizar la configuración de escala vertical más sensible mientras mantienen la forma de onda en pantalla. Si se reduce una señal de modo que ocupe solo la mitad de la pantalla vertical, se reduce el número de bits del ADC que se utilizan en un bit. Si la señal se reduce hasta ocupar una cuarta parte de la pantalla vertical, el número de bits del ADC que se utilizan se reduce en dos bits. Para utilizar todos los bits del ADC del osciloscopio, amplíe la forma de onda hasta ocupar toda la escala vertical.

Rango de escalado vertical
 
La combinación del ADC, la arquitectura de la entrada del osciloscopio y la sonda utilizada determina el nivel mínimo de escalado vertical que permite obtener el osciloscopio. Existe un punto a partir del cual cada familia de osciloscopios no puede reducir la escala vertical interna del osciloscopio, por mucho que los mandos del osciloscopio permitan al usuario establecer un valor más bajo. Los fabricantes suelen denominarlo el punto en el que el osciloscopio usa el aumento de software. Establecer la escala vertical del osciloscopio en un valor más bajo no hace sino aumentar la señal mostrada. De hecho, no aumenta la resolución, como probablemente espere el usuario.

Los fabricantes de osciloscopios no tienen por qué indicar en las fichas de datos de los productos el valor mínimo de escalado de hardware. Si no lo identifica, consulte a su fabricante cuál es la escala vertical a escala completa mínima que admite el hardware y si existe alguna limitación de ancho de banda a valores verticales bajos.
La mayoría de los osciloscopios tradicionales emplean aumento de software por debajo de 10 mV/div. Además, algunos fabricantes de osciloscopios limitan el ancho de banda cuando los valores verticales son bajos (por debajo de 10 mV/div). Esto sucede porque el ruido en la entrada de sus osciloscopios es tan elevado que resultaría prácticamente imposible ver señales pequeñas utilizando el ancho de banda completo. Varios osciloscopios más recientes admiten escalado de hardware de señales de incluso 10 mV a 16 mV.

Ruido

El ruido es el gran enemigo de la resolución, a veces incluso más que los niveles Q mínimos que limitan la capacidad de aprovechar la resolución de un osciloscopio. El ruido puede proceder de varias fuentes, entre ellas, la entrada del osciloscopio, el ADC del osciloscopio y la sonda o el cable que se conectan al dispositivo. Contar con un osciloscopio que ofrezca un bajo nivel de ruido (alto rango dinámico) es esencial para obtener visibilidad de corrientes y tensiones pequeñas o para ver pequeños cambios en señales de gran tamaño. No podrá ver detalles de señal más pequeños que el nivel de ruido del osciloscopio. El ruido repercute tanto en las medidas horizontales como en las verticales. Los valores medidos están sujetos a una desviación máxima del nivel de ruido del osciloscopio. Si los niveles de ruido son mayores que los niveles de cuantificación del ADC, los usuarios no podrán aprovechar los bits adicionales del ADC.

La mayoría de los fabricantes de osciloscopios caracterizan el ruido de cada modelo específico e incluyen ese valor en la ficha de datos del producto. Si no es el caso, puede determinarlo usted mismo en cuestión de minutos. Desconecte todas las entradas del panel frontal del osciloscopio y establezca el trayecto de entrada del osciloscopio en 50 Ω. Establezca una buena cantidad de memoria de adquisición, por ejemplo, de 1 Mpt, con una velocidad de muestreo fijada a una velocidad de muestreo alta para asegurarse de que trabaja con todo el ancho de banda del osciloscopio. Cuanto más gruesa es la forma de onda, más ruido genera internamente el osciloscopio. Cada canal del osciloscopio presentará una calidad de ruido única para cada configuración vertical. Realice una medida AC de Vrms en cada ajuste vertical para cuantificarlo. Ahora resulta sencillo comparar el ruido de dos osciloscopios diferentes a 100 mV/div, por ejemplo. En algunas categorías de osciloscopios, el mejor osciloscopio tendrá unas tres veces menos ruido que el peor osciloscopio de la misma categoría.

Respuesta de frecuencia

Los filtros analógicos no son perfectos. En un mundo ideal, todos los osciloscopios tendrían una fase y una respuesta de frecuencia planas. Las respuestas de frecuencia planas indican que el osciloscopio trata todas las frecuencias del mismo modo. En los osciloscopios se caracterizan tanto la magnitud como la fase de la respuesta. En cualquier familia de osciloscopios, los filtros analógicos empleados para la entrada del osciloscopio siempre generan algo de desviación de la magnitud y la fase, lo que provocará algo de distorsión de la señal. Algunos osciloscopios cuentan únicamente con filtros de entrada analógicos que determinan la respuesta de frecuencia, mientras que otros tienen unas respuestas de frecuencia que vienen marcadas por la combinación de las entradas analógicas y los filtros de corrección de DSP. Los filtros de corrección corrigen las imperfecciones en la respuesta de frecuencia para obtener una magnitud y una fase de la respuesta más planas que las conseguidas utilizando solo el filtro analógico. La mayoría de los osciloscopios de gama alta incluyen filtros de corrección para crear una respuesta de frecuencia más plana y uniforme, mientras que los osciloscopios de gama baja suelen excluir los filtros de corrección a causa de su coste y complejidad. Los fabricantes de osciloscopios no suelen publicar las respuestas de frecuencia en las fichas de datos, pero sí las proporcionan si se solicitan. Es importante obtener una traza del ancho de banda específico que se analiza.
 
Figura 2. Los filtros analógicos naturales no son perfectos. Los osciloscopios con una alta integridad de las señales incorporan filtros de corrección de DSP para realizar la compensación, con lo que se obtienen una magnitud y una fase de la respuesta más planas y uniformes.

ENOB (número de bits efectivos)

El ENOB es un estándar IEE y se puede utilizar como métrica para evaluar la calidad de los ADC, los digitalizadores y la integridad de las señales de un osciloscopio. A diferencia de otras métricas descritas que se centran en un único atributo, el ENOB combina atributos verticales y horizontales. ¿Cómo se mide el ENOB? El ENOB se mide como una onda sinusoidal de amplitud fija mediante un barrido de frecuencia. El ENOB se calcula restando a la onda medida la mejor onda sinusoidal teórica. Si el valor del ENOB no figura en la ficha de datos del producto, los fabricantes lo indicarán si se solicita para un número de modelo específico. El valor del ENOB será inferior a los bits de ADC del osciloscopio. Aunque para simplificar la comunicación se indica un valor del ENOB específico, los valores del ENOB varían en todo el rango de ancho de banda especificado del osciloscopio, tal como se indica en la Figura 3.
 

Figura 3. Si bien los fabricantes pueden indicar un valor específico del ENOB, en realidad el ENOB es una serie de trazas, con una curva para cada ajuste vertical. En la figura se muestran trazas del ENOB para dos osciloscopios, ambos establecidos en 100 mV/div y con una especificación de ancho de banda de 1 GHz. Como dato interesante, el osciloscopio Infiniium DSOS104A de Keysight con un ADC de 10 bits ofrece un ENOB más alto que el modelo HDO6014 de LeCroy con un ADC de 12 bits. Esto sucede porque el ENOB incluye una serie de atributos horizontales y verticales y, por tanto, ofrece una métrica mejor para la integridad general de las señales.

Autor: Joel Woodward. Keysight Technologies

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