Transcript DSO_R5

UTN FRBA
Medidas Electrónicas II
Medidas Electrónicas II
Osciloscopio Digital
DSO (Digital Storage Oscilloscope)
Rev.5 – 30/10/2012
UTN FRBA
Medidas Electrónicas II
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
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Medidas Electrónicas II
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
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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.
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Medidas Electrónicas II
Diagramas Funcionales
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Medidas Electrónicas II
Especificaciones Fundamentales
•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
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Medidas Electrónicas II
Fundamentos: Teoría de Muestreo
• Dada una señal limitada en frecuencia hasta una fmax, la
frecuencia 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
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Medidas Electrónicas II
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)
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Medidas Electrónicas II
BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
• 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
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Medidas Electrónicas II
BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
• 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
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BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
• 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
Esta zona del espectro
tiene componentes
producto del Alias que
puede deforman los
flancos señales digitales
de alta velocidad
Efecto de “doblado”
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BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
• 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)
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BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
• 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 la
misma 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
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BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
• 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 aportan
también 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)
Osciloscopio con respuesta en frecuencia Gaussiana
tr = 0,4/BW (Respuesta Max.Planicidad)
Osciloscopio con respuesta en frecuencia de
maxima planicidad (maximally-flat)
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Medidas Electrónicas II
BW del Osciloscopio y Frecuencia de muestreo
•
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
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Medidas Electrónicas II
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 los
fabricación 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)
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Error en la medición de amplitud
• 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%. Una
posible 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
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Medidas Electrónicas II
Error en la medición de amplitud
• Puede realizarse un barrido de frecuencias, para obtener la respuesta en
frecuencia 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 equipo
no específicado de BW de 1,5 GHz
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Medidas Electrónicas II
Cantidad de muestras almacenadas
• Tomando como caso de análisis la serie TDS1000/2000, la cantidad de
muestras 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.
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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
Samples
en 10 Div
en 10 Div
2500
250/500* a
2500
1250/2500*
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
2500
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Medidas Electrónicas II
Factor de B.T, Sample Rate y Record Length
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Medidas Electrónicas II
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.
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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.
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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 de
manera 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 reconstrucción
distorsionada 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
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Medidas Electrónicas II
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
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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)
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Medidas Electrónicas II
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.
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Medidas Electrónicas II
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 se
podría 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
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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
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Funciones de Ventana (simil B.T. Demorada)
• Así como los osciloscopios analógicos lograban ver detalles mediante la
implementación de una segunda B.T, que se llamó B.T. demorada, los DSO
incorporan 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 posteriormente
mostrarse en pantalla.
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Medidas Electrónicas II
Funciones de Ventana (simil B.T. Demorada)
• El siguiente ejemplo muestra una señal compuesta de video, que posee un
detalla 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
Ventana
Señal de video compuesto
Señal de video compuesto
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Medidas Electrónicas II
Funciones de Disparo especiales
Pre 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.
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Medidas Electrónicas II
Funciones de Disparo especiales
Pre 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
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Funciones de Disparo especiales
Disparo 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 característica
muy interesante al trabajar con señales digitales que deban ajustarse a un control de
tiempos estricto.
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Medidas Electrónicas II
Funciones de Disparo especiales
Tiempo 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.
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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 la
realidad.
• 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
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Medidas Electrónicas II
Medición de Señales Digitales
•
•
•
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
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Medidas Electrónicas II
Medición de Señales Digitales
• 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 clock
sino de los flancos. Se considera que toda la energía de la señal llega hasta f_knee
Dr. Howard W.Johnson
“High-speed Digital Design – A
Handbook of Black Magic.”
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Medidas Electrónicas II
Medición de Señales Digitales
• 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
Agilent: Utiliza sus propios coeficientes
para cada caso. En particular f_knee*1.9
para el 3% en respuesta Gaussiana
Tek: Utiliza f_knee*2.33 para el 3% en
respuesta Gaussiana o equivalente BW/0.3
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Medidas Electrónicas II
Medición de Señales Digitales
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
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Medidas Electrónicas II
Medición de Señales Digitales
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.
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Medidas Electrónicas II
Medición de Señales Digitales
• 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, el
abanico de posibilidades y las consideraciones a tener en cuanta al momento de hacer la
medición aumenta considerablemente:
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Medidas Electrónicas II
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
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Medidas Electrónicas II
Diagrama Ojo (Eye Diagram)
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Medidas Electrónicas II
Diagrama Ojo (Eye Diagram)
•
•
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)
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Medidas Electrónicas II
•
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