CAPITULO V EL OSCILOSCOPIO DIGITAL

Transcripción

1 CAPITULO V EL OSCILOSCOPIO DIGITAL Cuando se requiere que un osciloscopio tenga capacidad para retener (memorizar) la información de una señal con el fin de realizar mediciones sobre ella, el osciloscopio digital es el instrumento indicado. En los últimos años, gracias a su versatilidad y al explosivo crecimiento de los sistemas de cómputo, este tipo de aparatos han desplazado definitivamente a los osciloscopios con memoria analógica. A diferencia de este último, que empleaba un CRT con pantalla fosforescente de largo tiempo de decaimiento, el osciloscopio digital se organiza alrededor una microcomputadora integrada que controla un circuito de conversión analógico/digital (A/D) y cuya salida se almacena en memoria RAM. En la figura 5.1 se ilustra este esquema. Figura 5.1 Osciloscopio Digital Como ya se mencionó en el capítulo II, cuando se pretende visualizar señales de muy baja frecuencia o que no son periódicas, resulta imperativo el empleo del algún tipo de memoria para retener (grabar) la información de la señal. En el caso de los

2 osciloscopios digitales la parte que permite efectuar esta retención es un módulo de memoria RAM similar a la empleada en las computadoras. Con el fin de transformar la señal de entrada de voltaje en información compatible con esta memoria se emplea un sistema denominado convertidor analógico-digital o simplemente convertidor A/D. En este convertidor se recibe la señal que se desea analizar (señal analógica) y se va dividiendo en múltiples partes muy cercanas entre sí (muestras) cuyos valores de digitalizan. Esto es, a cada muestra de la señal se le asigna un número proporcional a su altura o nivel de voltaje en un procedimiento similar al que emplea un voltímetro digital cuando realiza una medición. La diferencia es que el voltímetro necesita una señal de voltaje constante y estable mientras que el convertidor A/D lo que hace es tomar fotos instantáneas de cada muestra. Con estos valores se integra un registro de n muestras tal como se muestra en la figura 5.2. Figura 5.2 Digitalización de una señal analógica Este registro lo almacena la microcomputadora en la memoria RAM, para inmediatamente después pasarlo a la unidad de control del CRT que se encargará de su exhibición utilizando un mecanismo de conversión inverso digital-analógico (D/A). Aunque en la figura 5.2 se ilustra el proceso de digitalización en una forma un poco burda, en la realidad las cosas son mas refinadas. Por ejemplo, la separación temporal de las muestras suele ser mucho más reducida con el objeto de no perder detalle de las fluctuaciones de la señal. Lo mismo sucede con la medición de los niveles de voltaje de cada muestra. Su exactitud puede llegar a ser de una parte en mil.

3 Parámetros en el Osciloscopio Digital Aunque el mecanismo de operación de un osciloscopio digital es muy diferente al de un osciloscopio analógico, sus controles se han mantenido muy semejantes con el fin de facilitar su manejo. Los principales parámetros que caracterizan a un osciloscopio digital son los siguientes: Ancho de Banda Analógico. Es el equivalente del ancho de banda del osciloscopio analógico. Se refiere al rango máximo de frecuencias de la señal de entrada que puede manejar el osciloscopio sin introducir error significativo al momento de digitalizar la señal. Está determinado por las características de los elementos analógicos que reciben la señal: punta de prueba, atenuador y amplificador vertical. Se mide en megahertz. Rapidez de Muestreo. Esta es la velocidad, en muestras por segundo, con la que el convertidor A/D puede muestrear una señal con el fin de digitalizarla. Entre mas alta sea la rapidez de muestreo, con mas precisión se puede reconstruir una señal en el CRT. Esta frecuencia debe ser por lo menos cuatro veces mayor que la frecuencia mas alta contenida en la señal de entrada para que pueda ser reconstruida fielmente. Sensibilidad Vertical. El cambio mas pequeño en la señal de entrada que puede detectar el osciloscopio es la sensibilidad vertical. Este parámetro lo determina la ganancia máxima del amplificador vertical y el rango del voltaje que se pretende manejar. Resolución del Convertidor. La sensibilidad del convertidor A/D respecto a su señal de entrada referida al rango de voltaje que maneja se conoce como resolución de convertidor. Se puede especificar en bits o como un porcentaje del rango de voltaje propio del convertidor. Valors típicos son 8, 10 y 12 bits que corresponden a 0.39%, 0.1% y 0.02% respectivamente. La resolución está directamente relacionada con la precisión del instrumento. Longitud del Registro. Cantidad de memoria destinada al almacenamiento de las muestras de la señal digitalizada (salida del convertidor A/D). Esta memoria determina la máxima duración que puede tener un evento aislado

4 para poder ser capturado en su totalidad. Por ejemplo, si se tiene una velocidad de adquisición de 20 Ms/s y un registro de 1000 celdas, la máxima duración de una señal que se puede almacenar en memoria es de 50 µs (1000/20x10-6 ). Con el fin de almacenar y procesar una señal con todo el poder digital que ofrece una computadora, algunos osciloscopios digitales cuentan con mecanismos de comunicación a PCs que les permite transferir la información de su registros por medio de circuitos especializados (interfases) como el puerto serial RS-232, el Puerto Paralelo, las trjetas GPIB y las conexiones USB. Las características básicas de cada una de ellas se mencionan a continuación. RS-232 Esta es la antigua interfase de puerto serial que emplea el protocolo RS-232. Se trata de una conexión lenta pero segura debida al amplio respaldo que ha tenido a lo largo de muchas genraciones de PCs. Es económica y el software asociado es relativamente sencillo. Puerto Paralelo. También conocido como puerto de la impresora. Es una interfase también muy antigua pero más rápida que la RS-232. Presenta el inconveniente de está por lo general ocupada por la impresora del sistema. GPIB. Interfase desarrollada por la IEEE para el control de instrumentos por computadora. Es muy rápida pues puede transferir varioa MB por segundo y se pueden conectar varios instrumetos a una PC. En contraparte, esta interfase requiere el empleo de una tarjeta y un cable de comunicaciones especializados. El sistema así se vuelve relativamente caro. USB Se trata un conexión serial diseñada recientemente con el fin de sustituir al puerto RS-232. Es mucho mas rápida y está soportada por los sitemas operativos Windows 98, Windows ME, Windows 2000 y Windows XP. Como ya se ha estandarizado, su costo es bajo y su nivel de confiabilidad va mejorando. Algunos osciloscopios digitales, con el fin de reducir su costo y simplificar sus controles, simplemente se organizan como una tarjeta periférica de PC. Todo su

5 control se lleva a cabo desde la computadora por medio de un programa diseñado con ese propósito. Controles en un Osciloscopio Digital En el osciloscopio digital se dispone de controles similares a los encontrados en el osciloscopio analógico: control de la base de tiempo, control del factor de amplificación vertical, modalidades del disparo y controles para la forma de exhibir las señales. Además de éstos, en los osciloscopios digitales se encuentran una serie de opciones de control que permiten automatizar la medición de los diferentes parámetros de una señal. Por ejemplo, las mediciones de tiempo y de amplitud se efectúan con la ayuda de cursores cuya posición el usuario establece mediante controles presentes en la carátula del mismo osciloscopio. Esto facilita la medición de período, frecuencia, intervalos de tiempo, tiempos de subida, picos de voltaje, valores promedio, ruido y ángulo de fase.