Comparación de los principios básicos los osciloscopios de 8 bits y de 12 bits y cómo usar los modernos osciloscopios de 12 bits

Hay muchas aplicaciones en las que los diseñadores y los ingenieros de pruebas y mediciones necesitan hacer mediciones de amplio rango dinámico para observar señales muy pequeñas en presencia de grandes amplitudes de señal. La garantía de integridad de la energía, la localización del eco y los sistemas de alcance como el radar y el sonar, los sistemas de imágenes médicas como la resonancia magnética nuclear (NMR) y la resonancia magnética (MRI), así como las pruebas no destructivas mediante ultrasonido, se encuentran entre estos tipos de aplicaciones.

Los osciloscopios son, por supuesto, la herramienta de referencia para hacer estas mediciones en las etapas de desarrollo del sistema y de creación de prototipos, pero están limitados principalmente por la resolución vertical de la parte delantera del osciloscopio. Por ejemplo, un osciloscopio de 8 bits tiene un rango dinámico de 256:1, por lo que en un rango de 1 voltio, la señal mínima teórica es de 3.9 milivoltios (mV). Al tratar de ver señales de ondulación de nivel de milivoltios en un bus de 3.3 voltios, se necesita una mayor sensibilidad y un rango de compensación. Además, cuando se utilizan sondas de alta atenuación para evitar la carga de los circuitos, los niveles de la señal se atenuarán en la entrada del osciloscopio, por lo que será difícil medirlos a menos que el instrumento tenga una alta resolución.

El problema es que una mayor sensibilidad en presencia de una señal más grande o un desplazamiento requiere alcances de mayor resolución, y éstos suelen ser costosos, especialmente para un alcance de calidad con entradas de poco ruido. Una resolución más alta sin un piso de ruido más bajo es inútil.

Lo que los diseñadores y desarrolladores necesitan es un osciloscopio de 12 bits a un precio razonable con un bajo nivel de ruido frontal. Una solución a esta necesidad de alta resolución con bajo ruido frontal a bajo costo es la serie de osciloscopios de alta definición WaveSurfer 4000HD de Teledyne LeCroy. Este artículo tratará la dificultad de las mediciones de alto rango dinámico, el papel de los osciloscopios de alta definición y cómo pueden utilizarse eficazmente para las mediciones de alto rango dinámico.

Resolución vertical del osciloscopio

La resolución vertical del osciloscopio se refiere a la relación entre la señal de entrada más alta que el osciloscopio puede manejar y la amplitud de señal más pequeña que puede detectar. La resolución se cuantifica generalmente por el número de bits del convertidor analógico-digital (ADC). La resolución es igual a 2 elevado a la potencia del número de bits. Como tal, un convertidor de 8 bits tiene una resolución de ²⁸ o 256:1. Un convertidor de 12 bits tiene una resolución de 4096:1, que es 16 veces mayor que un convertidor de 8 bits.

Durante años, los osciloscopios digitales ofrecían una resolución de 8 bits en los osciloscopios de mayor ancho de banda. Esto se debe a un compromiso de ingeniería en las SAE que hace que la resolución, medida por el número de bits, sea inversamente proporcional a la máxima tasa de muestreo de la SAE. Hace unos ocho años, Teledyne LeCroy fue pionero en los osciloscopios de 12 bits llamados osciloscopios de alta definición o "HD". Recientemente han añadido la serie WaveSurfer 4000HD a la línea de productos HD. La serie incluye cuatro osciloscopios con anchos de banda de 200, 350, 500 y 1000 megahercios (MHz). Todos toman muestras a 5 Gigamuestras por segundo (GS/s) lo cual es muy respetable para un osciloscopio de 12 bits. Las entradas digitales internas de señal mixta, el DVM, el generador de funciones y el contador de frecuencias están disponibles para completar esta oferta de múltiples instrumentos. La familia ofrece todo esto junto con una resolución de 12 bits a un precio razonable.

Por supuesto, aumentar la resolución de un osciloscopio requiere algo más que simplemente cambiar el CAD. También requiere mejorar la relación señal-ruido (SNR) del front-end del osciloscopio para que la SAE sensible no se llene de ruido. Un telescopio de 12 bits con un frontal de 8 bits sigue siendo un telescopio de 8 bits. Sin embargo, la familia de osciloscopios WaveSurfer 4000HD ha implementado con éxito el concepto de HD. Su resolución vertical de 12 bits, junto con un front-end de bajo ruido, ofrece un rendimiento de 12 bits que, en el mundo real, es en realidad 16 veces más sensible en cualquier rango de amplitud dado que un telescopio de 8 bits.

Comparación de las mediciones de 12 bits y 8 bits

Los osciloscopios HD están destinados a aplicaciones de medición que tienen formas de onda que exhiben un alto rango dinámico. Son mediciones que incluyen simultáneamente un componente de señal de alta amplitud junto con niveles de señal bajos. Considere una aplicación como un telémetro de ultrasonido. Transmite un pulso de alta amplitud, luego espera un eco de baja amplitud del objetivo. La señal de alta amplitud determina el rango de voltaje del amplificador vertical del telescopio que se requiere. La resolución y el ruido del sistema determinan la señal de eco más pequeña que puede ser medida (Figura 1).

Figura 1: La misma señal ultrasónica con una resolución vertical de 12 y 8 bits. El trazo superior comprende ambas versiones de la señal completa superpuestas entre sí. Los trazos inferiores muestran una porción de la forma de onda ampliada. Hay poca diferencia al observar los componentes de la señal de alta amplitud, pero las señales de menor nivel muestran una clara ventaja para la representación de 12 bits. (Fuente de la imagen: DigiKey)

La cuadrícula superior muestra las señales adquiridas con una resolución superpuesta de 12 y 8 bits. Hay poca diferencia observable entre las formas de onda superpuestas. La cuadrícula central muestra la forma de onda de 12 bits expandida tanto horizontal como verticalmente. La cuadrícula inferior es la misma porción de la forma de onda de 8 bits. La pérdida de detalles de las señales de bajo nivel en la versión de 8 bits es bastante evidente. Obsérvese también que los picos de señal en la representación de 12 bits muestran diferencias obvias que se pierden en la versión de 8 bits.

Aplicaciones de medición de alto rango dinámico

Las mediciones de alto rango dinámico incluyen todas las aplicaciones de localización y alcance de los ecos como el radar, el sonar y el LIDAR. Muchas tecnologías de imágenes médicas como la RMN y la IRM se basan en técnicas similares: hacer rebotar un pulso transmitido de alto nivel en el cuerpo y adquirir y analizar los ecos o las emisiones estimuladas debido a la señal transmitida. De manera similar, la tecnología basada en ultrasonidos, como los ensayos no destructivos (END), utiliza pulsos ultrasónicos reflejados para descubrir grietas y fallos en los materiales sólidos.

Las mediciones de integridad de la energía, en las que se miden pequeñas señales de milivoltios, como el ruido y la ondulación, en voltajes de bus de entre 1 y 48 voltios, o mayores, también necesitan alcances de alto rango dinámico.

Considere la posibilidad de medir las señales incluso con un simple telémetro ultrasónico o una cinta métrica electrónica (Figura 2). El telémetro ultrasónico emite cinco pulsos para cada medición espaciados unos 16.8 ms en el tiempo. En lugar de capturar el tiempo muerto entre estos pulsos, el osciloscopio de 12 bits WaveSurfer 4104HD de Teledyne LeCroy utiliza una adquisición en modo de secuencia que divide la memoria del osciloscopio en un número de segmentos seleccionados por el usuario, cinco en este ejemplo.

Figura 2: Un osciloscopio Teledyne LeCroy WaveSurfer 4104HD utilizado en la adquisición de una señal de telemetría ultrasónica de 40 kilohercios (kHz). En la parte superior muestra cinco pulsos para cada medición espaciados unos 16.8 milisegundos (ms). (Fuente de la imagen: DigiKey)

Cada segmento adquiere un pulso transmitido y el tiempo marca el punto de disparo. El trazo superior es la forma de onda adquirida con cada segmento marcado. Un trazo de zoom (cuadrícula inferior) muestra un segmento seleccionado, en este caso el primero. La tabla en la parte inferior de la pantalla muestra las marcas de tiempo que marcan el tiempo de cada disparador, el tiempo desde el segmento 1, y el tiempo entre segmentos. El pulso transmitido tiene una amplitud de pico a pico de 362 mV, mientras que el eco reflejado tiene una amplitud de pico a pico de solo 21.8 mV. Es esta diferencia en la amplitud lo que hace que esta sea una medición de alto rango dinámico. La figura utiliza una amplitud de eco que puede verse en la pantalla, pero la resolución de 12 bits captura esta señal a amplitudes inferiores a la representación de píxeles del telescopio, como se ve en la figura 1.

Las mediciones de integridad de la energía también requieren alcances con un alto rango dinámico. Las mediciones de voltaje de ondulación requieren poder medir las señales de milivoltios que circulan en los autobuses de energía. En el ejemplo de la figura 3, el trazo superior mide la ondulación en un bus de 5 voltios. El voltaje de ondulación es de 45 mV _{pico a pico} en un voltaje de bus de 4,98 voltios como se lee directamente usando los parámetros de medición P2 y P1 del WaveSurfer 4104HD, respectivamente. El rastro inferior es la rápida transformación de Fourier (FFT) del voltaje de rizado que muestra un espectro rico en armónicos con un componente fundamental de 982 Hz.

Figura 3: Una medición de la integridad de la potencia en un bus de 5 voltios para una tarjeta dependiente muestra el voltaje de ondulación y la FFT de ondulación. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Además de la alta resolución, esta aplicación requiere un osciloscopio con un buen rango de compensación. En este ejemplo, el telescopio tiene un rango de compensación de ±8 voltios en la escala de 10 mV. El rango de desplazamiento se escala con el rango vertical del osciloscopio. Si se requiere un mayor rango de compensación, Teledyne LeCroy tiene la sonda ferroviaria RP4030 con un rango de compensación de 30 voltios. Las sondas de rieles están diseñadas específicamente para sondear los rieles de energía de baja impedancia. Presentan un gran desplazamiento incorporado, alta impedancia de entrada, y baja atenuación y ruido. Esta sonda en particular tiene un ancho de banda de 4 gigahertz (GHz), una atenuación de 1.2, y una impedancia de entrada de 50 kilohmios (kΩ).

Los osciloscopios de alta definición también pueden manejar medidas de alto voltaje como las que se encuentran en los convertidores de potencia de modo conmutado (SMPC). Los SMPC incluyen fuentes de alimentación, inversores y controladores industriales. Controlan la energía ajustando el ciclo de trabajo o la frecuencia de una forma de onda conmutada. Las principales mediciones implican el voltaje pasante y la corriente a través de(l) dispositivo(s) de conmutación de energía, generalmente un transistor de efecto de campo (FET). Para ayudar a los desarrolladores con las mediciones de SMPC, Teledyne LeCroy proporciona software específico de aplicación y sondas de voltaje y corriente. En la figura 4 se muestra una medición típica.

Figura 4: La caracterización de las pérdidas de un SMPC implica la medición del voltaje y la corriente de los dispositivos de conmutación de energía y luego el cálculo de la pérdida de energía en cada fase del ciclo de conmutación de energía. (Fuente de la imagen: DigiKey)

La corriente, el rastro rosa, se mide con una sonda de corriente Teledyne LeCroy modelo CP030A. Esta sonda con pinza tiene una entrada de corriente máxima de 30 amperios (A) y un ancho de banda de 50 MHz. La forma de onda de voltaje, que se muestra como un rastro beige, se mide con una sonda diferencial de alto voltaje Teledyne LeCroy HVP1306. Esta sonda está clasificada para un voltaje CATIII máximo de 1000 voltios a un ancho de banda de 120 MHz. Ambas sondas son reconocidas por el osciloscopio WaveSurfer, que escala automáticamente las formas de onda medidas para tener en cuenta las ganancias y unidades de medida de la sonda.

El software de medición de potencia automatiza las mediciones más comunes de SMPC. La figura 4 muestra el cálculo de la disipación de energía del dispositivo como el trazo amarillo. Esto se calcula a partir de las formas de onda de corriente y voltaje para todo el ciclo de conmutación. Los parámetros de medición aíslan y muestran las pérdidas de encendido, conducción, apagado y apagado en función de las formas de onda adquiridas, con cada zona claramente delimitada por una capa de color. También muestra la pérdida total de todas las zonas así como la frecuencia de conmutación. Otras mediciones disponibles, además de las mediciones de los dispositivos que se muestran en la figura, ayudan a caracterizar la dinámica del bucle de control, la potencia de la línea y las características de rendimiento como la eficiencia.

La resolución de 12 bits también es útil en las mediciones de potencia cuando se calcula la resistencia de la fuente de drenaje (Rds) de la potencia FET. Esto requiere medir un voltaje del orden de uno o dos voltios en una forma de onda con una oscilación pico a pico del orden de 400 voltios. La serie WaveSurfer 4000HD es compatible con todas las sondas LeCroy de Teledyne compatibles con el rango de ancho de banda del telescopio (Figura 5).

Figura 5: Los osciloscopios Teledyne LeCroy WaveSurfer 4000HD son compatibles con la extensa línea de sondas de la compañía, incluyendo las sondas relacionadas con la medición de potencia que se muestran aquí. (Fuente de la imagen: Teledyne LeCroy)

La amplia gama de aplicaciones establece un estándar más alto para el alcance del "caballo de fuerza".

La serie WaveSurfer 4000HD no se limita sólo a aplicaciones de alto rango dinámico. Es un excelente alcance por derecho propio y puede establecer un estándar más alto para los alcances de "caballo de fuerza". Es una buena elección para la resolución de problemas de datos en serie a baja velocidad, ofreciendo paquetes de análisis y sondas para soportar buses en serie como SPI, I²C, enlaces basados en UART, así como buses de automoción como LIN, CAN y FLEXRAY.

El análisis de bus serial requiere la capacidad de adquirir y decodificar el protocolo de bus y de leer el contenido de los datos (Figura 6). La superposición codificada por colores muestra cada paquete. La superposición roja indica los datos de dirección mientras que las superposiciones azules marcan los paquetes de datos. La dirección y el contenido de los datos aparecen dentro de la superposición. La información de la decodificación está disponible en formato binario, hexadecimal o ASCII. En el cuadro que figura en la parte inferior de la pantalla se resumen las transacciones adquiridas y se indica el tiempo relativo al punto de activación, la longitud de la dirección, la dirección, la dirección (lectura o escritura), el número de paquetes y el contenido de los datos. El desencadenamiento puede basarse en la actividad, la dirección, el contenido de los datos o una combinación de dirección y datos.

La sonda diferencial activa Teledyne LeCroy ZD200 es una buena elección para medir los datos de la serie. Esta sonda 10:1 tiene una impedancia de entrada de 1 megaohmio, tiene un ancho de banda de 200 MHz, y puede manejar voltajes diferenciales de hasta 20 voltios y voltajes de modo común de hasta 50 voltios. Está especialmente bien adaptado a los buses diferenciales como el CAN.

Figura 6: El disparo y decodificación en serie de baja velocidad del bus I²C incluye la capacidad de leer el contenido de los datos del bus. Se muestra la adquisición y decodificación de una señal de bus I²C para una operación de lectura y escritura. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Conclusión

Si bien los osciloscopios de 8 bits siempre tendrán cabida, hay muchas aplicaciones que podrían utilizar la alta definición y el amplio rango dinámico de un verdadero osciloscopio de 12 bits, pero su costo relativamente alto los ha mantenido fuera del alcance de muchos diseñadores e ingenieros de pruebas. Los osciloscopios Teledyne LeCroy WaveSurfer serie 4000HD son una gran ayuda para resolver ese problema con un punto de entrada de mucho menor costo.

Proporciona mediciones de alta definición basadas en una resolución vertical de 12 bits, una tasa de muestreo máxima de 5 GS/s y un suelo de bajo ruido. También es compatible con las sondas y los paquetes de software de análisis de Teledyne LeCroy. Como tal, los visores abren la puerta a mediciones de alto rango dinámico rentables y trasladan su disponibilidad del laboratorio de investigación al banco de ingenieros o a la fábrica.