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Elementos básicos de los osciloscopiosdigitalesTodo osciloscopio digital tiene cuatro bloques funcionalesbásicos: el sistema vertical, el sistema horizontal, el sistema de disparo y el sistema de visualización. Para apreciar la funcionalidad general de un osciloscopio digital, esmuy importante entender las funciones y la importancia decada uno de estos bloques.Una gran parte del panel frontal está dedicada a las funciones vertical, horizontal y de disparo, que abarcan la mayorparte de los ajustes necesarios. La sección vertical seencarga de la atenuación o de la amplificación de señalespor medio de un mando que regula los voltios por divisióny cambia así la atenuación o la amplificación para adaptarla señal a la pantalla. Los mandos horizontales son para labase de tiempo del instrumento y el mando de segundospor división determina la cantidad de tiempo por divisiónque se muestra de manera horizontal en la pantalla. El sistema de disparo realiza la función básica de estabilizar laseñal, iniciar el osciloscopio para realizar una adquisicióny permitir al usuario seleccionar y modificar las accionesde tipos específicos de disparo. Finalmente, el sistema devisualización incluye la propia pantalla y los controladores,así como también el software necesario para implementarlas numerosas funciones de visualización.El sistema verticalEste subsistema del osciloscopio (fig. 3) permite al usuario posicionar y escalar la forma de onda de manera vertical, seleccionar un valor para el acoplamiento de entrada,como también modificar las características de la señalpara configurarlas en la pantalla. El usuario puede colocar la forma de onda en sentido vertical en una posiciónexacta en la pantalla y aumentar o reducir su tamaño.Todas las pantallas de los osciloscopios tienen una cuadrícula que divide la zona visible en 8 o 10 divisiones verticales, cada una de las cuales representa una parte del voltajetotal. Un osciloscopio con 10 divisiones en la cuadrículapuede visualizar un voltaje de señal total de 50 V en divisiones de 5 V.Se puede seleccionar 8, 10 o alguna otra división. Amenudo se elige 10 por simplicidad: es más fácil dividirpor 10 que por 8. Por su parte, las sondas también afectanal escalado de la pantalla, ya que, o bien no atenúan lasseñales (una sonda 1x) o las atenúan 10 veces (una sonda10x) o incluso 1000 veces. Las sondas se describen másadelante.El acoplamiento de entrada antes mencionado define básicamente el modo en que la señal traza el trayecto desdesu captura por la sonda hasta su llegada al instrumentopasando por el cable. El acoplamiento de CC proporciona1 MΩ o 50 Ω de acoplamiento de entrada. Con una selección de 50 Ω se envía la señal de entrada directamenteal amplificador de ganancia vertical del osciloscopiopara poder obtener el mayor ancho de banda posible. Laelección de modo de acoplamiento de CA o CC (con elcorrespondiente valor de terminación de 1 MΩ) sitúa alamplificador frente al amplificador de ganancia vertical, loque generalmente limita el ancho de banda a 500 MHz.La ventaja de esa impedancia tan elevada es la proteccióninherente frente a altos voltajes. Al seleccionar «ground»en el panel frontal, el sistema vertical se desconecta, demodo que el punto de 0 V se visualiza en la pantalla.Otros circuitos relacionados con el sistema vertical incluyen un limitador de ancho de banda, que, además dereducir el ruido en las formas de onda visualizadas, también atenúa el contenido de las señales de alta frecuencia.Muchos osciloscopios utilizan también un filtro de ecualización arbitraria DSP para ampliar el ancho de bandadel instrumento más allá de la respuesta en bruto de sufront-end, dando forma a la respuesta en fase y magnituddel canal del osciloscopio. Sin embargo, estos circuitosrequieren que la velocidad de muestreo cumpla con loscriterios de Nyquist (la velocidad de muestreo debe exceder el doble de la máxima frecuencia fundamental de laseñal). Para lograr esto, se suele bloquear el instrumentoen su máxima velocidad de muestreo, impidiendo queesta baje para visualizar una duración temporal más largasin desactivar el filtro.MemoriaSistema /DSistema dedisparoProceso lificadorFig. 3: El sistema verticalRohde & Schwarz Fundamentos de osciloscopios 5

El sistema horizontalEl sistema horizontal está más relacionado con la adquisición de señal que el sistema vertical, y pone énfasis enparámetros de rendimiento como la velocidad de muestreo y la profundidad de memoria, así como otros vinculados directamente con la adquisición y la conversión de laseñal. El tiempo entre puntos de muestreo se denominaintervalo de muestreo y representa los valores digitalesalmacenados en la memoria para generar la forma deonda respectiva.El tiempo entre puntos de una forma de onda se denomina intervalo de forma de onda. Dado que un punto deuna forma de onda puede generarse a partir de variospuntos de muestreo, ambos están relacionados y puedentener a veces el mismo valor.El menú de modo de adquisición de un osciloscopio típicoes muy limitado, ya que, con solo una forma de onda porcanal, los usuarios pueden escoger un solo tipo de decimación o un tipo de aritmética de forma de onda. Sinembargo, algunos osciloscopios pueden mostrar en paralelo tres formas de onda por canal, de modo que puedencombinarse los tipos de decimación y la aritmética de laforma de onda para cada forma de onda. Los modos másusuales son: Modo de muestreoSe crea un punto de una forma de onda con unamuestra para cada intervalo de forma de onda Modo de alta resoluciónPara cada intervalo se muestra un promedio de lasmuestras del intervalo de forma de onda Modo de valor de picoPara cada intervalo se muestra el mínimo y el máximode los puntos de muestreo dentro de una forma deonda Modo de valor eficazSe muestra el valor eficaz de las muestras dentro delintervalo de forma de onda. Esto es proporcional a lapotencia instantáneaLos modos aritméticos de forma de onda más usualesson: Modo de envolventeUsando las formas de onda capturadas a partir de unmínimo de dos eventos de disparo, el osciloscopio creaun contorno (envolvente) que representa los valoresmáximo y mínimo para una forma de onda Modo de promedioSe forma el promedio de cada muestra de intervalo deforma de onda a partir de un número de adquisicionesEl sistema de disparoEl disparo es uno de los elementos fundamentales de todoosciloscopio digital, ya que captura eventos de señal parasu análisis detallado y proporciona una vista estable delas formas de ondas repetidas. La precisión de un sistemade disparo y su flexibilidad determinan el grado de calidad de su visualización y el análisis de la señal medida.Como ya se ha señalado, el disparo digital aporta ventajassignificativas para el usuario del osciloscopio en términos de precisión de medición, densidad de adquisición yfuncionalidad.El disparo analógicoEl disparo de un osciloscopio (fig. 4) proporciona unavisualización estable de las formas de onda para el monitoreo continuo de las señales repetitivas. Al reaccionara eventos específicos, resulta útil para aislar y visualizarcaracterísticas específicas de las señales, como los niveleslógicos «runt» que no alcanzan la amplitud necesaria y lasperturbaciones de señal causadas por la diafonía, los flancos lentos o una temporización incorrecta entre canales. Elnúmero de eventos de disparo y la flexibilidad del disparohan ido mejorando continuamente con los años.Mientras que en los osciloscopios digitales la señal semuestrea y almacena como una serie continua de valoresdigitales, el disparo ha sido hasta hace poco un circuitoexclusivamente analógico que procesa la señal original. Elamplificador de entrada acondiciona la señal para adaptarsu amplitud al rango de operación del convertidor A/D yPantallaMemoriaSeñal medidaMuestrasTiempo demuestraTiempoSistema dedisparo6Base detiempoDetener la adquisiciónConvertidorA/DMuestras almacenadasPosición de la forma de onda en la pantallaFig. 4: Sistema de disparo analógico

la pantalla, y la señal acondicionada emitida por el amplificador se distribuye en paralelo al convertidor A/D y al sistema de disparo.En un trayecto, el convertidor A/D muestrea la señalmedida y los valores de muestreo digitalizados se grabanen la memoria de adquisición, mientras que en el otro, elsistema de disparo compara la señal con eventos de disparo válidos como el rebase de un umbral de disparo conel disparo por flanco. Cuando se cumple una condición dedisparo válida, el convertidor A/D deja de adquirir muestras y la forma de señal adquirida se procesa y se visualiza.El rebase del nivel de disparo por la señal medida da lugara un evento de disparo válido. Para visualizar de maneracorrecta la señal en la pantalla, la temporización del puntode disparo debe ser precisa. De lo contrario, la forma deonda mostrada no cruza el punto de disparo (el puntode intersección entre el nivel de disparo y la posición dedisparo).Esto puede deberse a varios factores. En primer lugar, enel sistema de disparo la señal se compara con un umbralde disparo por medio de un comparador, y la temporización del flanco a la salida del comparador debe medirsecon precisión usando un convertidor de tiempo a señaldigital (TDC). Si el TDC es impreciso, la forma de ondavisualizada se desviará respecto al punto de disparo, loque causará que la desviación cambie con cada evento dedisparo, lo que da lugar al denominado «jitter» de disparo.Otro factor es la presencia de fuentes de error en los dostrayectos de la señal medida. La señal se procesa en dosdiferentes trayectos (el trayecto de adquisición del convertidor A/D y el trayecto del disparo), y ambos trayectoscontienen diferentes distorsiones, tanto lineales como nolineales. Esto causa desajustes sistemáticos entre la señalmostrada y el punto de disparo determinado. En el peorde los casos, el disparo podría no reaccionar frente a eventos de disparo válidos, aunque estos sean visibles en lapantalla, o podría reaccionar a eventos de disparo que nopueden ser capturados y visualizados por el trayecto deadquisición.El último factor es la presencia de fuentes de ruido en losdos trayectos, ya que ambos incluyen amplificadores condiferentes niveles de ruido. Esto provoca retardos y variaciones de amplitud que aparecen en la pantalla como desviaciones de la posición de disparo (jitter). Estos erroresno se producen cuando se implementa el disparo por víadigital.El disparo digitalA diferencia de un disparo analógico, un sistema de disparo digital (fig. 5) opera directamente sobre las muestrasdel convertidor A/D, y la señal no se divide en dos trayectos, sino que se procesa la misma señal que se adquiere yvisualiza. Como resultado, se eliminan las deficiencias normales para los sistemas de disparo analógico. Para evaluarun punto de disparo, un disparo digital aplica algoritmosDSP de gran precisión que detectan los eventos de disparo válidos y miden con precisión los sellos de tiempo. Elreto consiste en implementar el procesamiento de señalesen tiempo real para un monitoreo sin interrupciones delas señales medidas. Por ejemplo, el disparo digital de losinstrumentos de la serie R&S RTO emplea un convertidorA/D de 8 bits que muestrea a 10 GSa/s y procesa datos a80 Gbit/s.Dado que el disparo digital utiliza los mismos datos digitalizados que el trayecto de adquisición, puede obtenerseun disparo frente a eventos de señal dentro del rango delconvertidor A/D. En un evento de disparo seleccionado,la señal se compara con el umbral de disparo definido. Enun ejemplo sencillo (un disparo por flanco), se detecta unevento cuando la señal sobrepasa el umbral de disparo enla dirección especificada, tanto si la pendiente es ascendente como descendente. En un sistema digital, la señalse representa mediante muestras y la velocidad de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia máximade la señal. Solo entonces es posible la reconstruccióncompleta de la señal.Una decisión de disparo basada solamente en muestras deun convertidor A/D no es suficiente porque se pueden perder cuando sobrepasan el umbral de disparo. Por ello seaumenta la resolución de tiempo incrementando la velocidad de muestreo de la señal por medio de un interpoladorPantallaBase de Tiempo detiempo aMuestras almacenadasDetener la adquisiciónSeñal medidaMemoriaPosición de la forma de onda en la pantallaFig. 5: Sistema de disparo digitalRohde & Schwarz Fundamentos de osciloscopios 7

hasta un valor de 20 GSa/s. Después del interpolador, elcomparador coteja los valores muestreados con el umbralde disparo definido, y el nivel de salida del comparadorcambia si un evento de disparo se detecta.La figura 6 muestra dónde se reducen las zonas ciegas deuna señal al aumentar la resolución de muestreo medianteun incremento de la velocidad de muestreo en un factordos. A la izquierda, las muestras de forma de onda noincluyen el sobreimpulso en la forma de onda y el umbralde disparo por encima de las muestras del convertidorA/D no puede detectar el sobreimpulso. A la derecha, lavelocidad de muestreo de la forma de señal se duplica pormedio de la interpolación, lo cual hace posible el disparopor sobreimpulso. La frecuencia máxima es de 3.5 GHz,por lo que el sistema de disparo digital puede detectarcomponentes de frecuencia con el convertidor A/D a unavelocidad de hasta 10 GSa/s.En el caso de los eventos de disparo, como glitch o duración de impulso, condicionados por el tiempo, el disparo digital puede activarse de manera muy precisa, yaque determina los puntos de intersección en el umbralen tiempo real. La temporización de eventos de disparopuede configurarse para una resolución de 1 ps y lamínima duración de impulso detectable es de 100 ps.Las ventajas específicas de un disparo digital se muestranen la tabla 1.El proceso de disparoEl barrido activado por disparo se inicia en un punto seleccionado y permite visualizar señales periódicas comoondas senoidales o cuadradas, así como señales aperiódicas como impulsos individuales o impulsos que no serepiten a una velocidad fija. El tipo de disparo más habituales el disparo por flanco, que se habilita cuando el voltajesobrepasa algún valor establecido. El usuario puede escoger entre un flanco ascendente o un flanco descendente.Solo muestras originalesEl disparo por glitch permite al instrumento disparar sobreun impulso de un ancho superior o inferior a un intervalode tiempo especificado. Esto se emplea habitualmentepara localizar errores que ocurren de manera aleatoriao intermitente y que por eso resultan muy difíciles dedetectar.El disparo por duración de impulso es muy similar al disparo por glitch en cuanto a su objetivo, que es localizaranchos de impulsos específicos y permite especificarimpulsos de cualquier ancho, ya sean negativos o positivos, junto con una posición horizontal de disparo. La ventaja radica en que el usuario puede ver lo que ha sucedidoantes o después del disparo, algo muy útil, ya que estainformación puede facilitar la comprensión de las causasde un error. Si se ajusta el retardo horizontal a 0, el eventode disparo aparecerá en el centro de la pantalla, los eventos previos al disparo se mostrarán a la izquierda, y losposteriores, a la derecha.Además de estos disparos, existen otros muchos tiposreservados para situaciones específicas, que permitendetectar eventos de interés. Por ejemplo, dependiendodel instrumento, el usuario puede configurar el disparopara impulsos definidos por amplitud, tiempo (duraciónde impulso, glitch, velocidad de rotación, configuración«setup & hold», así como tiempo de espera), o bien porestado lógico o patrón. Otras funciones de disparo incluyen el disparo en patrones serie, el disparo A B y el disparo en bus paralelo o serie.Los osciloscopios digitales pueden disparar en eventosindividuales o retardados, pueden controlar el momentoen que deben buscarse dichos eventos, y pueden reiniciarel proceso de disparo para volver a empezar la secuenciadespués de un tiempo, estado o transición específicos.Como resultado, se pueden capturar eventos incluso enlas señales más complejas.con muestras interpoladasZona ciegaMuestrasdel convertidor A/DFig. 6: Reducción de la zona ciega8Muestrasinterpoladas

Los osciloscopios digitales ofrecen un control de posiciónde disparo, que ajusta la posición horizontal del disparo enel registro de la forma de onda. Al modificarlo, el usuariopuede capturar el aspecto que presentaba la señal antesde que se produjera el evento. También determina la longitud de la señal visible antes y después del punto de disparo. El control de pendiente del osciloscopio ajusta enqué lugar de la señal se producirá el disparo (ya sea en elflanco ascendente o en el flanco descendente).de disparo a fin de prevenir disparos falsos. Garantizar queel osciloscopio dispare en la parte correcta de la señal, aveces no es fácil, por lo que la mayoría de instrumentossimplifican esta tarea con la función de retención de disparo (holdoff). Se trata de un periodo de tiempo que sepuede definir después de un disparo durante el cual elosciloscopio no puede disparar. Esto resulta útil cuando sedispara en formas de onda complejas, ya que asegura queel osciloscopio solo dispare en el punto deseado.Modos de disparoEl modo de disparo determina si el osciloscopio muestrauna forma de onda y cuándo lo hace. Todos los osciloscopios tienen dos modos de disparo: un modo normaly un modo automático (auto). Cuando está ajustado elmodo normal, el osciloscopio dispara solo cuando la señalalcanza un punto determinado. En modo automático, elinstrumento barre, aunque el disparo no esté definido.El sistema de visualización y la interfaz de usuarioAcoplamiento y retención de disparoAlgunos osciloscopios permiten seleccionar el tipo deacoplamiento (CA o CC) para la señal de disparo y otrosademás el acoplamiento para el rechazo de alta frecuencia, el rechazo de baja frecuencia y el rechazo de ruido.Las configuraciones más avanzadas están diseñadas paraeliminar ruido y otros componentes espectrales de la señalComo su nombre indica, el sistema de visualización controla todos los aspectos relacionados con la presentaciónde la señal al usuario. El conjunto de líneas que divide lapantalla se denomina una cuadrícula o retícula. Los osciloscopios digitales y sus tareas son complejos, por lo quela interfaz de usuario debe ser extensa pero fácil de entender. Por ejemplo, la pantalla táctil de la serie R&S RTO utiliza elementos de control codificados por color, estructurasde menú planas y teclas para funciones de uso frecuente.En la serie R&S RTM, basta con presionar un botón parainiciar una función de medición rápida que muestra losvalores de una señal activa. También ofrece

osciloscopio analógico, se han escrito cientos de documentos y miles de artículos útiles que explican en qué consiste, cómo funciona y cómo se utiliza y que muestran al osciloscopio en acción a través de ejemplos específicos de aplicación. Por lo tanto, este manual básico se enfocará en los osciloscopios digitales, los