Todos los osciloscopios digitales miden muestreando las señales de entrada analógicas y digitalizando los valores.
contenido
- 1. Muestreo
- 2. Frecuencia de muestra
- 2.1 Aliasing
- 3. Longitud de registro
- 4. Base de tiempo
- 5. Resolución
Muestreo
Cuando un osciloscopio muestrea una señal de entrada, las muestras se toman a intervalos fijos. En estos intervalos, el tamaño de la señal de entrada se convierte en un número. La precisión de este número depende de la resolución del osciloscopio. Cuanto mayor sea la resolución, menores serán los pasos de voltaje en los que se divide el rango de entrada del instrumento. Los números adquiridos se pueden usar para diversos fines, p. Ej. para crear un gráfico.
La onda sinusoidal en la imagen de arriba se muestrea en las posiciones de punto. Al conectar las muestras adyacentes, la señal original se puede reconstruir a partir de las muestras. Puede ver el resultado en la siguiente ilustración.
Frecuencia de la muestra
La velocidad a la que el osciloscopio toma las muestras se llama frecuencia de muestra, el número de muestras por segundo. Una frecuencia de muestra más alta corresponde a un intervalo más corto entre las muestras. Como se ve en la imagen a continuación, con una frecuencia de muestreo más alta, la señal original se puede reconstruir mucho mejor a partir de las muestras medidas.
La frecuencia de la muestra debe ser superior a 2 veces la frecuencia más alta en la señal de entrada. Esto se llama la frecuencia de Nyquist. Teóricamente es posible reconstruir la señal de entrada con más de 2 muestras por período. En la práctica, se recomiendan al menos 10 a 20 muestras por período para poder examinar la señal a fondo en un osciloscopio. Cuando la frecuencia de la muestra no es lo suficientemente alta, se producirá un alias.
El cambio de la frecuencia de muestreo de un instrumento en el software de osciloscopio multicanal se puede hacer de varias maneras diferentes:
- Al hacer clic en el indicador de frecuencia de muestra 500 MHz en la barra de herramientas del canal y seleccionar la frecuencia de muestra requerida en el menú emergente
- Al hacer clic en los botones para disminuir / aumentar la frecuencia de muestreo en la barra de herramientas del instrumento
- Uso de las teclas de acceso rápido F3 (inferior) y F4 (superior).
- Al hacer clic en la etiqueta Frecuencia de muestra en el indicador combinado Longitud de registro + Frecuencia de muestra + Resolución en la barra de herramientas del instrumento y seleccionar el valor requerido en el menú emergente.
- Al hacer clic en el botón derecho en la barra de desplazamiento horizontal debajo del gráfico que muestra las señales del instrumento y selecciona Frecuencia de muestra y luego el valor apropiado en el menú emergente.
- Al hacer clic en el botón derecho en el instrumento en el Árbol de objetos, seleccione Frecuencia de muestray luego el valor de frecuencia de muestra apropiado en el menú emergente
Información : Dependiendo de la configuración del instrumento, el instrumento puede tener ciertas limitaciones con respecto a las frecuencias de muestra disponibles. Cuando se solicita un valor definido por el usuario que no está disponible, el software utilizará el valor disponible más cercano.
Aliasing
Al muestrear una señal analógica con una determinada frecuencia de muestreo, las señales aparecen en la salida con frecuencias iguales a la suma y diferencia de la frecuencia de la señal y los múltiplos de la frecuencia de muestreo. Por ejemplo, cuando la frecuencia de muestreo es de 1000 Hz y la frecuencia de la señal es de 1250 Hz, las siguientes frecuencias de señal estarán presentes en los datos de salida:
| Múltiple de frecuencia de muestreo | Señal de 1250 Hz | Señal de -1250 Hz |
| … | ||
| -1000 | -1000 + 1250 = 250 | -1000 – 1250 = -2250 |
| 0 | 0 + 1250 = 1250 | 0 – 1250 = -1250 |
| 1000 | 1000 + 1250 = 2250 | 1000 – 1250 = -250 |
| 2000 | 2000 + 1250 = 3250 | 2000 – 1250 = 750 |
| … |
Como se indicó anteriormente, cuando se muestrea una señal, solo se pueden reconstruir las frecuencias inferiores a la mitad de la frecuencia de muestreo. En este caso, la frecuencia de muestreo es de 1000 Hz, por lo que solo podemos observar señales con una frecuencia que oscila entre 0 y 500 Hz. Esto significa que a partir de las frecuencias resultantes en la tabla, solo podemos ver la señal de 250 Hz en los datos muestreados. Esta señal se llama alias de la señal original.
Si la frecuencia de muestreo es inferior a 2 veces la frecuencia de la señal de entrada, se producirá un alias . La siguiente ilustración muestra lo que sucede.
En esta imagen, la señal de entrada verde (arriba) es una señal triangular con una frecuencia de 1,25 kHz. La señal se muestrea con una frecuencia de 1 kHz. El intervalo de muestreo correspondiente es 1 / (1000 Hz) = 1 ms. Las posiciones en las que se muestrea la señal se representan con los puntos azules.
La señal punteada roja (abajo) es el resultado de la reconstrucción. El período de tiempo de esta señal triangular parece ser de 4 ms, lo que corresponde a una frecuencia aparente (alias) de 250 Hz (1.25 kHz – 1 kHz).
En la práctica, para evitar el alias, siempre comience a medir a la frecuencia de muestreo más alta y baje la frecuencia de muestreo si es necesario. Use las teclas de función F3 (inferior) y F4 (superior) para cambiar la frecuencia de muestreo de una manera rápida y fácil. La siguiente ilustración da un ejemplo de cómo puede ser el aliasing.
En esta imagen, una señal de onda sinusoidal con una frecuencia de 257 kHz se muestrea a una frecuencia de 50 kHz. La frecuencia mínima de muestreo para la reconstrucción correcta es 514 kHz. Para un análisis adecuado, la frecuencia de muestreo debería haber sido de aproximadamente 5 MHz.
Longitud de registro
Con una frecuencia de muestreo dada, el número de muestras que se toman determina la duración de la medición. Este número de muestras se llama longitud de registro . Al aumentar la longitud del registro, aumentará el tiempo total de medición. El resultado es que más de la señal medida es visible. En las imágenes a continuación, se muestran tres mediciones, una con una longitud de registro de 12 muestras, una con 24 muestras y otra con 36 muestras.
La duración total de una medición se puede calcular fácilmente, utilizando la frecuencia de muestreo y la longitud del registro:
El cambio de la longitud del registro de un instrumento en el software de osciloscopio multicanal se puede hacer de varias maneras diferentes:
- Al hacer clic en el indicador de longitud de registro en la barra de herramientas del instrumento y seleccionar el valor requerido en el menú emergente.
- Al hacer clic en los botones para disminuir / aumentar la longitud del registro en la barra de herramientas del instrumento .
- Usando las teclas de acceso rápido F11 (más corto) y F12(más largo).
- Al hacer clic en la etiqueta Longitud de registro en el indicador combinado Longitud de registro + Frecuencia de muestra + Resolución en la barra de herramientas del instrumento y seleccionar el valor requerido en el menú emergente.
- Al hacer clic en el botón derecho en la barra de desplazamiento horizontal debajo del gráfico que muestra las señales del instrumento y selecciona Longitud de registro y luego el valor apropiado en el menú emergente.
- cer clic en el botón derecho en el instrumento en el Árbol de objetos, seleccione Longitud de registro y luego el valor apropiado en el menú emergente .
Información : Dependiendo de la configuración del instrumento, el instrumento puede tener ciertas limitaciones con respecto a las longitudes de grabación disponibles. Cuando se solicita un valor definido por el usuario que no está disponible, el software utilizará el valor disponible más cercano.
Base de tiempo
La combinación de frecuencia de muestreo y longitud de registro forma la base de tiempo de un osciloscopio. Para configurar la base de tiempo correctamente, se debe tener en cuenta la duración total de la medición y la resolución de tiempo requerida.
Hay varias formas de encontrar la configuración de base de tiempo requerida. Con la duración de medición requerida y la frecuencia de muestreo, se puede determinar el número requerido de muestras:
Con una longitud de registro conocida en las muestras y la duración de medición requerida, se puede calcular la frecuencia de muestreo necesaria:
En el software de osciloscopio multicanal , tanto la longitud de registro como la frecuencia de muestreo se pueden configurar de forma independiente, para brindar la mejor flexibilidad. Se pueden seleccionar desde el menú, utilizando los botones de la barra de herramientas, pero también están disponibles los atajos de teclado.
El software de osciloscopio multicanal también proporciona controles para cambiar la longitud de registro y la frecuencia de muestreo simultáneamente a combinaciones específicas para obtener ciertos valores de base de tiempo (Time/Div).
- Al hacer clic en los botones disminución/aumento Time/div en la barra de herramientas del instrumento.
- Al hacer clic en Time/div en la barra de herramientas del instrumento y seleccionando el tiempo requerido en el menú emergente.
- Uso de las teclas de acceso rápido Ctrl + F11 (inferior) y Ctrl + F12 (superior)
Debido a que se puede crear una determinada configuración de time/div de longitud de registro y frecuencia de muestreo, el software de osciloscopio multicanal debe decidir qué combinación se utiliza. El software intentará usar la frecuencia de muestreo más alta posible y ajustará la longitud del registro en consecuencia para obtener la configuración time/div requerida.
Para evitar que la longitud del registro sea tan larga que la recopilación de los valores medidos demore más, lo que hace que el alcance responda más lentamente, la longitud del registro para la configuración time/div se limita a un valor que se puede establecer en la configuración del programa . Cuando la configuración se ajusta mediante uno de los controles correspondientes, la longitud máxima de registro se limita a este valor.
Este límite no se aplica al ajuste manual de la longitud del registro.
Resolución
Al digitalizar las muestras, el voltaje en cada tiempo de muestra se convierte en un número. Esto se hace comparando el voltaje con varios niveles. El número resultante es el número del nivel más alto que aún es más bajo que el voltaje. El número de niveles está determinado por la resolución. Cuanto mayor sea la resolución , más niveles estarán disponibles y más precisa se podrá reconstruir la señal de entrada. En la imagen a continuación, se digitaliza la misma señal, usando tres cantidades diferentes de niveles: 16, 32 y 64.
El número de niveles disponibles está determinado por la resolución :
Las resoluciones utilizadas en la imagen anterior son respectivamente: 4 bits, 5 bits y 6 bits.
La menor diferencia de voltaje detectable depende de la resolución y el rango de entrada. Este voltaje se puede calcular como:
En el rango de 200 mV, la escala completa varía de -200 mV a +200 mV, el rango completo es de 400 mV. Cuando se utiliza una resolución de 12 bits, hay 2 12 = 4096 niveles. Esto da como resultado un paso de voltaje detectable más pequeño de 0.400 V / 4096 = 97.7 µV. En una resolución de 16 bits, este paso es 0.400 V / 65536 = 6.1 µV
El cambio de la resolución de un instrumento en el software de osciloscopio multicanal se puede hacer de varias maneras diferentes:
- Haga clic derecho en el árbol de objetos del instrumento , seleccione Resolución y luego el valor de resolución apropiado en el menú emergente.
- Al hacer clic en los botones de disminución / aumento de resolución Disminución de la resolución y Aumentar la resolución en la barra de herramientas del instrumento.
- Al hacer clic en el indicador de resolución en la barra de herramientas del instrumento y seleccionar la resolución requerida en el menú emergente.