osc dig dso

Osciloscopio Memoria Digital Pg 1 de 8

Osciloscopios con Memoria Digital (DSO) La persistencia del fsforo normalmente utilizado en los CRT de los osciloscopios analgicos es menor a 1 ms para el P31 y de aproximadamente 300ms para el Fsforo P7. Por consiguiente la imagen se puede mantener iluminada slo por este tiempo que este tiempo y luego aparecer difusa hasta desaparecer. Cuando la seal es de muy baja frecuencia, unos pocos ciclos por segundo, o si es un evento que ocurre una sola vez, es casi imposible visualizarla con osciloscopios analgicos. En estos casos es necesario utilizar osciloscopios con tubos especiales llamados tubos de almacenamiento que utilizan una malla cargada elctricamente para almacenar la informacin proveniente del haz electrnico. Estos Tubos son muy caros y delicados y pueden retener el trazo durante un tiempo limitado. Los osciloscopios de almacenamiento digital (Digital Storage Osciloscope) (DSO) constituyen una solucin a todas las desventajas y agregan algunas ventajas que se describen a continuacin: Pueden almacenar informacin anterior al disparo Pueden visualizar seales por tiempo indefinido La informacin almacenada puede ser transferida a un computador para realizar un mejor anlisis Se pueden realizar copias impresas de la informacin La informacin nueva puede ser comparada con la anterior en forma automtica o por medio de un operador La informacin puede ser procesada matemticamente. Descripcin funcional del DSO Como el nombre lo sugiere el osciloscopio digital almacena la imagen codificada digitalmente. Cuando la seal entra al osciloscopio es atenuada por medio de los circuitos atenuadores y es muestreada a intervalos regulares. Estas muestras de tensin (valores instantneos) son convertidas a palabras digitales por el Conversor Anlogo Digital (ADC). Cada palabra representa entonces una muestra digital del valor instantneo de la tensin medida en el instante que se tom la muestra. Las sucesivas muestras digitalizadas son guardadas en la memoria digital (RAM) ordenadas de acuerdo al orden de llegada. La informacin se desplaza en la memoria FIFO a medida que ella va ingresando en la memoria. La velocidad a la que son tomadas las muestras es llamada Sample Rate velocidad de muestreo y es controlada por el reloj de muestreo (SAMPLE CLOCK). El rango de la velocidad de muestreo (SR) es en general de 20 Ms/s (megamuestras por segundo) a 200 Ms/s. El dato almacenado en la memoria es utilizado para reconstruir la forma de onda en la pantalla o display. Desde el punto de vista de la presentacin, la diferencia con los Osc. Analgicos, es precisamente que en estos equipos la seal es almacenada previamente en la memoria y luego reconstruida para ser presentada en el display. Es decir que la presentacin no es inmediata. En la figura 1 se puede observar el esquema en bloques de un osciloscopio digital bsico que consta de dos canales. La seal ingresa al atenuador luego al circuito de sample and hold donde el dato es retenido para ser convertido en digital por el conversor anlogo-digital (ADC). El dato es ingresado en la memoria en forma ordenada por la base de tiempo y luego, para ser mostrado en la pantalla, es convertido a una seal analgica y amplificada por el amplificador vertical, antes de ser aplicado a las placas verticales del osciloscopio.


La base de tiempo contiene tambin el circuito lgico de control de conversin y lectura-escritura de la memoria. El canal horizontal dispone de un circuito de disparo (trigger), la base de tiempo, el conversor digital-analgico y un amplificador de canal horizontal, que amplifica la seal antes de ser aplicada a las placas deflectoras de dicho canal. .

Figura 1 MUESTREO Y DIGITALIZACION (sampling and digitization) El almacenamiento digital se realiza en dos pasos. Primero, las muestras son tomadas de la tensin de entrada y retenidas en el circuito de sample and hold (ver figura 2). El amplificador de entrada A1 carga y descarga el capacitor de retencin de muestra (hold capacitor) via switch S, cuando este se cierra.

Figura 2

Cuando S se abre, la tensin en el capacitor se mantiene por un tiempo sin variaciones y el amplificador buffer A2 alimenta esta muestra al conversor anlogo-digital (ADC). El conversor ADC mide la amplitud de la muestra y la convierte en una palabra digital (en la mayora de los osciloscopios de ocho bits). CONVERSOR ANALOGO DIGITAL El ADC mostrado en la figura 3 es construido en base a un arreglo de comparadores. Cada comparador chequea si la muestra es mayor o menor que la tensin de referencia; si es mayor la salida se activa, si es menor la salida es inactiva. Todos los comparadores tienen diferentes voltajes de referencia derivados de la fuente de referencia y la cadena de resistores utilizados, para un determinado valor de muestra un nmero de comparadores ser activos y los dems inactivos.

Atenuador ADC

ADC

Memoria DAC

DAC C. Lgico y Base de Tiempo DAC

Trigger

Amplificador Horizontal

Amplificador Vertical

PreAmplificador

PreAmplificador

Atenuador


El cdigo convertido en el ADC constituye la palabra digital que se enva a memoria. Este tipo de ADC es denominado flash converter porque convierte una tensin de entrada analgica en un tiempo muy pequeo, en una palabra digital. Otros conversores son tambin utilizados pero con mayor tiempo de conversin por lo que se usan solamente para seales de bajas frecuencias.

Figura 3

RESOLUCION VERTICAL DEL ADC El ADC tiene que comparar la amplitud de la muestra con un nmero de voltajes de referencias. La mayora de los comparadores estn construidos dentro del ADC, como as tambin en la actualidad los resistores de la cadena de comparacin. Los distintos niveles de tensin generados en la cadena de comparacin permiten determinar la llamada resolucin vertical. Cuanto ms alta es la resolucin vertical ms detalles pequeos pueden ser reconocidos de la forma de onda. La resolucin vertical se expresa en bits. Este es el nmero total de bits que puede tener una palabra de salida. El nmero de niveles de tensin que se puede reconocer y codificar se calcula con la siguiente expresin Nmero de niveles = nmero de palabras digitales = 2n donde n es el nmero de bits del conversor. La mayora de los osciloscopios utilizan conversores de ocho bits y por lo tanto son capaces de describir una seal en 28 = 256 niveles diferentes de tensin Esto provee suficiente detalle para estudiar seales y realizar mediciones. De este modo, la seal ms pequea mostrada en un osciloscopio es similar al dimetro de un punto en la pantalla. Una palabra de salida del ADC de 8 bits, se llama byte. Si consideramos una misma tensin de referencia, la resolucin es mayor cuando mayor es n (nmero de bits del conversor), ya que por ejemplo para una tensin de referencia de 10 volts y n = 8 bits, el dgito menos significativo (LSB) valdr 10/256 =0.0390625 volts y para un conversor con n=12 bits el LSB valdr 10/2048 =0.0048828125 volts.

Tensin de Referencia

Conversor

Salida Digital

Seal Analgica de Entrada

Conparadores


Una limitacin prctica para aumentar la resolucin es el costo del ADC que tambin se ve aumentado por un mayor nmero de comparadores, adems de ocupara mayor lugar en el circuito y requerir una mayor fuente de alimentacin.

Figura 4

BASE DE TIEMPO Y RESOLUCION HORIZONTAL Una tarea del sistema horizontal en un osciloscopio DSO (digital storage osciloscope) es asegurar que la cantidad de muestras sea suficiente y cada una sea adquirida en el momento correcto. Como en un osciloscopio analgico, la velocidad de la deflexin horizontal depende de la seleccin de la base de tiempos (s/div) El grupo total de muestras que conforman una onda es llamado Record. Un record puede ser usado para reconstruir una o ms pantallas. El numero de muestras que pueden ser almacenadas es llamado record lenght (longitud de registro) expresado en byte o Kbyte = 1024 muestras. Usualmente los DSO despliegan 512 muestras a travs del eje horizontal .Para un uso mas fcil este numero de muestras es mostrado con una resolucin de 50 muestras por divisin .Esto significa que el eje horizontal esta dividido en 512 muestras / 50muestras por div = 10.24 divisiones El intervalo de muestreo puede ser calculado por Intervalo de muestreo = Sampling interval = Coloc. de la base de tiempo / numero de muestras Ej. Si seleccionamos 1ms por divisin, el SI ser 1ms/50 = 20 us


La velocidad de muestreo (sample rate) es la inversa del intervalo de muestreo, por lo tanto ser: Velocidad de muestreo =sample rate= 1/interv de muestreo Como se mencion anteriormente, el numero de muestras que puede ser mostrado en pantalla normalmente es fijado (50 muestras por divisin), por lo que un cambio en la base de tiempo implica un cambio en la velocidad de muestreo .Por lo tanto la velocidad de muestreo especificada para un osciloscopio es valida solamente para un valor de la base de tiempo seleccionada. Para un determinado osciloscopio que posee un sample rate de 100Msample /segundo (Ms/s), la base de tiempo debe ser seleccionada en Seleccin de base de tiempo = 50/100x106 = 500ns/div Es importante conocer esta seleccin de base de tiempo porque de ella depende una mejor resolucin horizontal para seales no repetitivas. El valor de mxima velocidad de muestreo es el especificado para un osciloscopio como un indicador de performance del equipo.

Reloj de muestreo -Criterio de Shannon Los primeros anlisis que se realizaron para la digitalizacin de seales revelaron que para recuperar la seal digitalizada se requera una frecuencia del reloj de muestreo de al menos el doble de la mayor frecuencia contenida en la seal. Esta condicin se la denomin criterio de Shannon. Este estudio se realiz para aplicaciones de comunicaciones digitales. El osciloscopio se utiliza para la medicin y visualizacin de seales por lo que se debe tener una recuperacin fiel de la seal original a partir de la seal digital. En el caso de una onda senoidal pura, una frecuencia de reloj de dos o tres veces la frecuencia de la seal nos dar como resultado una onda como la mostrada en la Fig. 5, que aunque provee informacin de la onda original sigue teniendo una importante distorsin.

Figura 5


FIG 6

Se puede establecer como una regla bsica que con diez muestras por ciclo se puede obtener suficiente detalle de la seal y en los casos en que se requiere menos detalle, se puede adoptar hasta cinco muestras por ciclo. Aplicando este criterio para un osciloscopio con una velocidad de muestreo de 200Ms/s puede obtenerse seales de 20 Mhz a 40 Mhz. En algunos casos se puede mejorar la forma de onda aplicando sistemas denominados de interpolacin senoidal.

FIG 7

Aliasing: Cuando la velocidad de muestreo es muy baja en relacin con la frecuencia de la seal muestreada, se produce un efecto conocido como seal fantasma (ghost signal) o aliasing. La seal recuperada (Fig. 25), puede representar la correcta forma de onda y puede tener la amplitud correcta, pero tiene una frecuencia completamente diferente de la seal original.

FIG. 8


La mayora de los osciloscopios modernos estn equipados con una funcin auto set que automticamente selecciona la base de tiempos de acuerdo con la seal de entrada. Cuando la frecuencia de la seal de entrada es muy variable el efecto de aliasing puede aparecer y desaparecer al variar la frecuencia .Este efecto no se produce en los osciloscopios analgicos, por lo que esto aparece como una desventaja en los osciloscopios digitales. La utilizacin de osciloscopios combinados analgicos /digitales resuelve esta situacin para seales complejas, permitiendo obtener en el modo analgico mejor calidad de imagen. MUESTREO EN TIEMPO REAL Y EN TIEMPO EQUIVALENTE La digitalizacin descripta hasta ahora es llamada de tiempo real porque las muestras se obtienen en el mismo orden en que aparecen en la pantalla. En muchas aplicaciones la resolucin de tiempo que es disponible con muestreo de tiempo real no es suficiente. Por ejemplo en aplicaciones de seales repetitivas o peridicas de alta frecuencia. Para estas seales se puede construir una onda a partir de grupos de muestras adquiridos en distintos ciclos de la seal. Cada nuevo grupo de muestras es adquirido por un nuevo trigger o disparo. En cada disparo se almacenan en memoria un grupo de muestras. Al cabo de varios disparos quedan en memoria las muestras necesarias para reconstruir la seal original. Este modo es llamado muestreo de tiempo equivalente y da una alta resolucin para altos valores de base de tiempos. Se genera una velocidad de muestreo virtual o sample rate equivalente mucho mayor que la velocidad de muestreo real. La posibilidad de seleccionar un alto valor de base de tiempos Nos permite obtener una mayor cantidad de muestras por unidad de tiempo, es decir una mayor resolucin en tiempo. Ej.: Para una seleccin de base de tiempos de 50 ns podemos obtener una velocidad de muestreo equivalente de:

SR equivalente = 50 m/div / 5x10 9 ns = 10Gs/seg MODOS DE MUESTREO SECUENCIAL Y ALEATORIO Hay dos modos de muestreo equivalente: a) muestreo secuencial y b) muestreo aleatorio En el muestreo secuencial las muestras son tomadas en un orden secuencial fijo y dibujado en pantalla en el mismo orden.


FIG 9

En el muestreo aleatorio, las muestras son tomadas a partir de cada disparo manteniendo el intervalo de muestreo, de esta forma son ordenadas por orden de llegada, tomando como punto de referencia el disparo prximo anterior.

FIG 10

osc dig dso

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