MEDICIONES ELÉCTRICAS IDepartamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica
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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)
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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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Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales
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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”
Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales
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¿Pero cuanto vale ese período de muestreo para que se pueda reconstruir
unívocamente una señal?
Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales
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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
Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales
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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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Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales
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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
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Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales
– 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
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Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales
– 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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Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales
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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
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Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales
– 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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Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales
– 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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Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales
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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
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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)
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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.
5
medida señalla de rápido más subidade Tiempo
ioosciloscop el en requerido subidade Tiempo
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Regla práctica:
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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