Medidas Electrónicas II Osciloscopio Digital DSO (Digital Storage Oscilloscope) UTN FRBA Medidas...

Medidas Electrónicas II

Osciloscopio DigitalDSO (Digital Storage Oscilloscope)

UTN FRBAMedidas Electrónicas II

Rev.5 – 30/10/2012

Características adicionales a los Osciloscopios analógicos


• Memoria para almacenar las capturas• Persistencia de la pantalla configurable• Mediciones incorporadas

-Valor Eficaz-Valor Medio-Valor Pico- Frecuencia- Período-Ancho de Pulso- Tiempo de Crecimiento (Rise Time)- Tiempo de Decrecimiento (Fall Time)

• Conexión a PC para descarga y análisis de datos Off-Line• Mediciones con Ventana (doble B.T.) similar a aquellas que permite la

B.T. demorada de los analógicos

Características adicionales a los Osciloscopios analógicos


• Visualización de la señal antes y después del disparo (Pre/Pos Disparo)• Cursores en pantalla para tomar medidas de Tiempo y Amplitud• Operaciones matemáticas

- Suma- Resta- Multiplicación- FFT- Funciones estadísticas- Scripts de Lenguajes de alto nivel (MATLAB)

• Disparos adicionales:- Por Ancho de pulso, comparándolo con un valor igual, distinto, mayor o menor que un valor seleccionado- Señales de captura de video (NTSC, PAL, HDTV)- Ventanas de Tensión (cuando la señal está dentro del rango especificado)-Combinación de condiciones lógicas junto a condiciones de umbrales de tensión

Diagramas Funcionales


Nótese la arquitectura serie, por la cual los datos productos de la adquisición pasan a través del microprocesador, generando un cuello de botella en los tiempos de refresco del display.

Diagramas Funcionales


Especificaciones Fundamentales


•Sample Rate:Sample Rate: Especifica la máxima velocidad de muestreo que tiene el equipo, debe considerarse bajo que condiciones se especifica si es que no se da para todas las escalas de tensión del equipo (V/div). Para el Tek de la serie TDS1000 es 1GS/s, para la serie TDS2000 es 2GS/s

•Bandwidth: Da el ancho de banda máximo del equipo bajo condiciones específicas, y con un sistema de medición compuesto por dicho equipo y alguna punta recomendada por el fabricante para el mismo. Para la serie Tek TDS1000/2000 va de 60MHz hasta los 200MHz

•Record Length: Cantidad de muestras que son almacenadas en la memoria del equipo durante cada captura (un barrido). Típicamente al usar las B.T. más rápidas, la cantidad comienza a disminuir.

•Acquisition Rate: Cantidad de formas de onda capturas por segundo. Fundamental para detección de transitorios, y típicamente se ve deteriorada si se hace uso de las funciones de mediciones en cada adquisición. Para la serie Tek TDS1000/2000 su valor es 180

Fundamentos: Teoría de Muestreo


• Dada una señal limitada en frecuencia hasta una fmax, lafrecuencia de muestro fs debe ser mayor que dos veces fmax para que a partir de las muestras pueda reconstruirse posteriormente la señal original sin efecto de Alias (Teorema de Nyquist).

• Cuando no cumple con este requisito aparece el efecto de Alias

BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo


• La señal muestreada resultante, presenta una repetición del espectro original espaciados por fs

• A medida que aumenta fs, la repetición del espectro de la señal original se distancia cada vez más facilitando el filtrado del espectro que queda en el origen para recuperar la señal de origen

Respuesta en frecuenia de un filtro ideal pasa bajos (Brick-Wall filter)



• Lamentablemente no existe posibilidad alguna de fabricar un filtro ideal como el mostrado anteriormente.• Todos los filtros reales tal como el mostrado a continuación poseen una frecuencia de corte (por convención -3dB), que no impide el pasaje (aunque atenuado) de las frecuencias superiores a fmax que causan el Alias



• Aumentar la frecuencia de muestreo muy por encima del BW especificado, disminuye el efecto del Alias y permite filtros con respuesta Gaussiana (mucho menos exigentes

Limitando el BW del osciloscopio a fs/4 reduce el efecto del Alias



• Todas las componentes que sobrepasen la fN del gráfico, aparecen como componentes de alta frecuencia en un espectro que resulta de “doblar” todas las frecuencias indicadas en rojo como se indica en punteado. Esto para señales digitales de alta velocidad implica una deformación de los flancos y sus respectivos tiempos

Efecto de “doblado”

Esta zona del espectrotiene componentesproducto del Alias que puede deforman losflancos señales digitales de alta velocidad



• La siguiente imagen muestra el efecto de Alias en los flancos de la señal, poniendo en evidencia el efecto mencionado anteriormente

Osciloscopio LeCroy, BW de 500MHz muestreando a 1GSa/s (App.Note.Agilent)



• Cuando no se respeta el Teorema de Nyquist, pueden darse mediciones que aunque parezcan correctas no lo son. En los siguientes 2 gráficos puede verse lamisma señal senoidal de unos 10MHz muestreada sin cumplir y cumpliendo con la condición impuesta por Nyquist. Se aprecia que cuando no se cumple con dicha condición puede tenerse una indicación estable en pantalla pero que no refleja la realidad, induciendo al operador a cometer un error grosero.

Señal mal muestreada. Indicación 9,78KHz Señal bien muestreda. Indicación 10MHz



• Cuando la respuesta en frecuencia del filtro es de máxima planicidad, aquellas componentes que se encuentran más allá de la frecuencia de corte y que aportantambién a mejorar el Rise-Time del equipo se ven rápidamente atenuadas, empeorando así el Rise-Time frente a un equipo con respuesta Gaussiana• Si el fabricante no indica lo contrario, puede aproximarse como:

tr = 0,35/BW (Respuesta Gaussiana) tr = 0,4/BW (Respuesta Max.Planicidad)

Osciloscopio con respuesta en frecuencia GaussianaOsciloscopio con respuesta en frecuencia de

maxima planicidad (maximally-flat)



• Para disminuir el efecto del Alias, algunos osciloscopios poseen limitación del BW mediante filtros seleccionables

• En osciloscopios de alta gama puede haber diezo o más de filtros posibles

• En el caso del TDS1000/2000 de Tek, sólo tiene un filtro hasta 20MHz

Ejemplo de limitación del BW de la serie DL9000 de Osciloscopios Yokogawa

Error en la medición de amplitud


• Por definición, el BW del osciloscopio se da donde la señal a medir cae 3 dB respecto a su valor real. En este punto se tiene un error cercano al 29,3%• Los fabricantes generalmente sólo mencionan la exactitud en DC y poco o nada mencionan a mediciones para AC. Considerándose como peor caso el 29,3% indicado para

la frec. de corte.• Puede verse que generalmente la respuesta en frecuencia de los osciloscopios es

bastante plana y mucho mejor que 3dB, pero por distintos problemas de no es conveniente para losfabricación asegurar estos valores.• De la gráfica anterior puede deducirse la razón de la regla del pulgar que indica que para realizar una medición con una exactitud del orden del 3% debe ser el BW del osciloscopio de 3 a 5 veces mayor que el de la señal a medir

Exactitud en la medición de amplitud vs. Frec (Normalizada por BW)



• Como se muestra en la tabla comparativa de especificaciones que figura a continuación, ninguno de los fabricantes hace mención respecto a la exactitud para mediciones en AC.• Incluso normalmente la especificación es confusa, como en el caso de Fluke donde la exactitud está en el orden del 1,5% del valor leído considerado la especifición hasta el BW, cuando por definición en el BW es de 29,7%. Unaposible alternativa sería que el BW indicado no sea el real y sea muy conservativo, lo cual es poco común. Podría concluirse que sólo se aplica para DC

Especificaciones de 5 osciloscopios distintos



• Puede realizarse un barrido de frecuencias, para obtener la respuesta enfrecuencia del equipo, y así visualizar su planicidad.• Como se muestra en las imágenes siguientes proporcionadas por Agilent, su equipo tiene un BW que es en exceso mejor que los 3dB típicos.• Como contrapartida, el otro equipo muestra una falta de planicidad notable, aunque esto no invalida que cumpla con los 3dB especificados

Barrido para ver la respuesta en frec. del equipo Agilent’s MSO7104A (BW de 1-GHz)

Barrido para ver la respuesta en frec. de un equipono específicado de BW de 1,5 GHz

Cantidad de muestras almacenadas


• Tomando como caso de análisis la serie TDS1000/2000, la cantidad demuestras almacenadas es 2500

• En las B.T. más lentas del equipo, se cumple que se almacenan las 2500 muestras en un tiempo igual al a “10 div * FBT”, es decir, por el tiempo que se está visualizando a pantalla completa. Por lo tanto:

• Por lo anterior además se tiene que:

• En las B.T. más rápidas esta relación ya no se cumple dado que la cantidad de muestras que se toma no alcanza a llenar la memoria disponible.

Factor de B.T, Sample Rate y Alias


• La siguiente tabla tomada del manual de la serie TDS1000/2000, muestra un resumen de todo lo mencionado anteriormente

Samples

en 10 Div

250/500* a

1250/2500*

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

Samples

en 10 Div

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

Factor de B.T, Sample Rate y Record Length


Factor de B.T, Sample Rate y Record Length


• Cuando el intervalo de adquisición aumenta, la cantidad de muestras a igual frecuencia de muestro aumenta. Si el Record Length no alcanza para almacenar tantos puntos, debe bajarse la frecuencia de muestreo, y por lo tanto hay menor detalle de la señal a visualizar. Por lo tanto el Record Length es un limitante.

Muestreo entrelazado


• Cuando se trabaja con ADC’s intentando llevar su frecuencia cada vez más allá, se llega al límite tecnológico que momentáneamente no permite avanzar.• En estas situaciones los fabricantes recurren a arreglos circuitales que permitan extender el alcance de los mismos, haciéndolos trabajar en conjunto de manera entrelazada como se muestra a continuación.• De esta manera puede extenderse la frecuencia de muestreo más allá de las limitaciones individuales de un ADC.

Muestreo entrelazado


• En equipos con varios canales, generalmente al trabajar a su máxima frec. Sólo puede medirse con 1 canal, dado que el ADC del otro canal está trabajando demanera entrelazada para lograr dicha frecuencia de muestreo• La conversión entrelazada es muy sensible a problemas de fase entre los distintos ADC’s. Cualquier imperfección se verá como una reconstruccióndistorsionada de la señal original

Diagrama de tiempos mostrando un entrelazado con problemas de fase (muestreo no equi-espaciado)

Diagrama de tiempos que muestra la reconstrucción distorsionada interpolando mediante Sin(x)/x , por

problemas de fase en el muestreo entrelazado

Interpolación


• El filtro pasa bajo ideal es aquel que sirve para recuperar el espectro de banda base de la señal muestreada (aquel que va de DC a fs/2) y así recuperar la señal original.• Por su carácter no causal del filtro, dado que en el dominio del tiempo tiene la forma sin(x)/x, este filtro sólo puede realizarse en post-procesamiento. Aunque

esto implique una actualización retardada y no en tiempo real, el operador no lo nota.

Reconstrucción de una señal en tiempo continuo usando interpolación ideal

Reconstrucción de una señal en tiempo continuo usando interpolación

ideal e Interpolación Lineal con Retardo

Velocidad de refresco del Display


• Pese a alcanzar con 20 actualizaciones por segundo para que el operador “vea” el equipo “vivo”, la cantidad de capturas por segundo está directamente vinculada con la capacidad del equipo para visualizar transitorios o espurios• Para visualizar este tipo de transitorios se recurre a otro tipo de arquitectura, dado que el procesamiento serie del DSO presenta un cuello de botella. Se utiliza una arquitectura paralela que es la que presentan los equipos que se denominan DPO (Digital Phosphor Oscilloscope)

Modos de Adquisición – Modo Muestreo


• En este modo la señal es muestreada a intervalos regulares de tiempo, dado por el período de muestreo que surja de la B.T.• Es el modo que tiene mayor exactitud normalmente• Puede presentar Alias si no se respeta la frec. Máxima• No es capaz de capturar pulsos estrechos que puedan ocurrir entre las muestras

sucesivas, debiendo recurrirse en tal caso al modo “Detección de Picos”• Cuando la B.T. es muy alta y la cantidad de muestras no completa la memoria disponible, se recurre a la interpolación para completar las 2500 muestras.

Modos de Adquisición – Modo Detección de Picos


• En este modo de adquisición, el DSO busca el valor mínimo y máximo en cada período de adquisición

• De esta forma pueden detectarse picos que ocurren durante el período de adquisición, que en el caso de la serie TDS2000 (2GSa/s) llegan a ser tan angostos como 10ns. Notar que este tiempo es mucho mayor que 2*Ts, que es lo que sepodría llegar a tardar para encontrar los 3 puntos que definen el glitch. Esto se debe al tiempo de procesamiento necesario para determinar si es el máximo o el mínimo.Por lo tanto se deduce que en este modo no muestrea a la fs máxima• En las B.T. más rápidas esta función se deshabilita de manera automática

Modos de Adquisición – Modo Promediado


• En este modo de adquisición, el DSO toma sucesivas capturas en el modo de muestreo anteriormente mencionado

• Luego se realiza el promediado de las mismas, y se muestra el resultado• Es de suma utilidad cuando se tiene señales con ruido aleatorio. Bajo estas circunstancias el mismo se ve disminuido notablemente, permitiendo ver con claridad la señal de interes.

Señal en modo Detección de Picos Señal en modo Promediado

Funciones de Ventana (simil B.T. Demorada)


• Así como los osciloscopios analógicos lograban ver detalles mediante laimplementación de una segunda B.T, que se llamó B.T. demorada, los DSOincorporan una funcionalidad similar llamada “Ventana”

• Se define mediante cursores en pantalla una zona sobre la cual se desea obtener una ampliación para ver un detalla

• El ancho de la ventana define la B.T. a usar en la misma (B.T. rápida) , aunque en los DSO nunca se menciona esta segunda B.T

• Una vez que el procesador detecta el disparo, espera hasta que se llegue al momento indicado por el inicio de la ventana para comenzar la captura de la señal.

• Luego utilizando la B.T.rápida se muestrea la señal para posteriormentemostrarse en pantalla.

Funciones de Ventana (simil B.T. Demorada)


• El siguiente ejemplo muestra una señal compuesta de video, que posee undetalla que necesita ampliarse• En este caso particular se amplían los pulsos de burst que proveen al equipo receptor de una señal de referencia en fase para señal de crominancia• Se selecciona la ventana sobre la B.T. principal• Amplíese luego la ventana hasta cubrir la zona del detalle de interés.• Pásese a la función para ampliar la ventana

Señal de video compuesto Señal de video compuesto

Ventana

Funciones de Disparo especialesPre y Pos Disparo


• Los osciloscopios digitales poseen la gran ventaja de permitir capturar la señal incluso antes que se produzca el disparo, realizando un muestreo permanente

previa a la detección de la condición de disparo.

• Esta característica distintiva permite ver la señal a visualizar incluso antes que dispare (Pre-Disparo), dando la posibilidad de encontrar mediante múltiples

canales incluso la causa del disparo.

• También puede visualizarse la señal mucho después del disparo, generando lo que se denomina Pos-Disparo. Este caso no deja de ser una simplificación de la función de ventana, donde se toma un offset de tiempo a partir del disparo pero luego la B.T no se modifica.

• Puede configurarse el equipo para trabajar en cualquier punto intermedio, siendo por ejemplo un caso típico la ubicación del punto de disparo en el centro de la pantalla. Esto permite ver la señal 5 divisiones antes del disparo y 5 posteriores

al mismo.

Funciones de Disparo especialesPre y Pos Disparo


• La función de Pre y Pos disparo, se implementa mediante una cola circular en la cual se acumulan las muestras en forma permanete.• Una vez que se detecta el punto de disparo, los datos acumulado hasta el momento corresponden a lo que se toma como Pre-Disparo.• Posteriormente se tomarán muestras hasta completar lo que queda del buffer según sea el porcentaje asignado para Pre y Pos Disparo

Funciones de Disparo especialesDisparo por ancho de pulso


• Los osciloscopios digitales entre muchos otros tipos de disparo nuevo, permiten disparar bajo condiciones de ancho de pulso. Esta es una característicamuy interesante al trabajar con señales digitales que deban ajustarse a un control de tiempos estricto.

Funciones de Disparo especialesTiempo de Retención


• Como algunos osciloscopios analógicos avanzados, los osciloscopios digitales poseen la característica de brindar un tiempo de retención (Holdoff) ajustable

• Este tiempo de retención facilita el disparo de señales complejas que requieran inhibir el disparo por un tiempo como se muestra a continuación.

Medición de Señales Digitales


• Para tener una visualización razonable de la señal que se desea medir, pero no apta para realizar mediciones por su escasa exactitud, deberían al menos verse la señal fundamental y los primeros armónicos (Típicamente hasta el 5to).

• Para cumplir con ello se utiliza la siguiente regla del pulgar (rule of thumb)

• Pero esta regla nos permite tener una idea global de la señal, pero no es lo suficientemente estricta como para que la señal sea una fiel reproducción de larealidad.

• La realidad es que las componentes de alta frecuencia de la señal son aquellas que definen la rapidez de sus flancos, y es por ello que son éstos los que deben analizarse para conseguirse una estimación del BW del osciloscopio



• Debe obtenerse una estimación de la máxima frecuencia presente en la señal• Como punto de partida debe encontrarse el flanco de mayor pendiente• Luego se utiliza la frecuencia de rodilla de la forma indicada en el paso 2, para

obtener una estimación de la frecuencia máxima



• Frecuencia de Rodilla: se denomina así a la frecuencia donde el espectro de una señal cuadrada deja de caer a 20dB/dec para hacerlo mucho más abruptamente. En dicho valor, se produce una atenuación de 6.8dB por debajo de la recta que acompaña la caída de 20dB/dec. Nótese que f_knee no es función de la frec. del

clocksino de los flancos. Se considera que toda la energía de la señal llega hasta f_knee

Dr. Howard W.Johnson“High-speed Digital Design – AHandbook of Black Magic.”



• Finalmente, se toma un coeficiente para alejarse de zona de curva del amplificador del Osciloscopio, y de esta forma acotar la inexactitud• Como se mencionó anteriormente, según sea el tipo de amplificador del equipo, es la forma de la respuesta en frecuencia y por ende el coeficiente.• Para equipos con respuesta No-Gaussiana el viejo valor de 0,35 no aplica más y debe usarse el valor indicado como System BW (punta y DSO) dado por el fabricante o considerar 0,4 a 0,5 según corresponda

Tek: Utiliza f_knee*2.33 para el 3% en respuesta Gaussiana o equivalente BW/0.3

Agilent: Utiliza sus propios coeficientes para cada caso. En particular f_knee*1.9 para el 3% en respuesta Gaussiana



Respuesta en frecuencia de 2 osciloscopios de BW = 1GHz con

distinto tipo de amplificador vertical

Los dos factores que interesan fundamentalmente de las

transferencias son la planicidad y el contenido de Alias

Respuesta a un escalon muy rápido de 2 osciloscopios de

BW = 1GHz con distinto tipo de amplificador vertical



Ensayo sobre 2 DSO de 1GHz, con un generador con tr=700ps.

El DSO con respuesta Plana tiene un 3% de error

El DSO con respuesta Gaussiana tiene un 9% de error

Continuando con el ensayo, para mediciones de buen exactitud (menos al 15% de error), el DSO de respuesta Plana mide mejor para igual BW de

los DSO. Aunque parezca no intuitivo por tener peor ts el DSO de respuesta

Plana, si la señal a medir entra completamente dentro de su BW lo

hace mejor por no sufrir gran atenuación en la banda de interes.



• Como resumen se muestra la siguiente tabla, y no perderse de vista que debe con la incorporación de los DSO y la aparición de los amplificadores de respuesta Plana, elabanico de posibilidades y las consideraciones a tener en cuanta al momento de hacer la medición aumenta considerablemente:

Diagrama Ojo (Eye Diagram)


• Es una técnica para caracterizar señales digitales de alta velocidad• Aporta información sobre SNR, Jitter (aleatorio y deterministico), y permite

obtener una idea clara de la calidad de de señal que se tiene• Es una técnica simple y económica que en general sólo requiere de un generador

de pulsos con salida de datos pseudo-aleatoria y clock, más un osciloscopio digital• Es importante la persistencia del osciloscopio, y de poseer, realizar cálculos

estadísticos sobre las mediciones del diagrama



• Los osciloscopios de gamma media y alta, e incluso los más modernos de la gamma económica, incluyen las plantillas de validación que exigen algunas certificaciones

• Muchos standard incluyen este tipo de ensayos (USB, HDMI, SONET, etc)

Osciloscopios de Alta gama


• Son verdaderas computadoras, con una etapa analógica de entrada de BW y un procesamiento digital extraordinarios. Tienen hasta Sistema Operativo y similares conexiones de E/S

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