Osciloscopios Desde la depuración hasta las pruebas de conformidad con las normas

Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico que se utiliza para medir y visualizar señales eléctricas representadas como tensión en función del tiempo. Los ingenieros utilizan osciloscopios para observar la forma de onda, la amplitud, la frecuencia, la sincronización y la integridad de la señal al diseñar, probar y depurar sistemas electrónicos.

Los osciloscopios digitales modernos, como los diseñados por Keysight, convierten las señales analógicas en datos digitales, lo que permite realizar mediciones precisas, aplicar funciones de disparo avanzadas y llevar a cabo un análisis exhaustivo de las señales.

Los ingenieros de pruebas y los desarrolladores utilizan osciloscopios para visualizar, representar gráficamente y analizar señales eléctricas durante la investigación y el desarrollo, la validación, el control de calidad y la resolución de problemas o la depuración de sistemas electrónicos, placas de circuitos y circuitos integrados. Los osciloscopios desempeñan un papel fundamental en todos los sectores para una gran variedad de aplicaciones y tecnologías, entre las que se incluyen la electrónica digital de alta velocidad, las comunicaciones ópticas, la radiofrecuencia, la electrónica de potencia, la automoción y la industria aeroespacial y de defensa. 

Un osciloscopio es un instrumento de prueba fundamental para observar, analizar o registrar el comportamiento de una señal eléctrica. Algunos casos de uso específicos de los osciloscopios en un laboratorio de electrónica incluyen la medición de formas de onda de tensión, el análisis de señales electrónicas, la detección de ruidos y diafonía no deseados y la evaluación de transitorios perjudiciales en sistemas de alimentación.

En el análisis de señales de alta velocidad, los osciloscopios pueden medir la integridad de la señal mostrando y midiendo diagramas de ojo, incluyendo la altura y la anchura del ojo. Los osciloscopios de señal mixta pueden ayudar a depurar circuitos digitales mostrando el estado lógico y la sincronización de las señales digitales medidas. Los osciloscopios de alto rendimiento pueden incluso ayudar a emular receptores de referencia ideales para pruebas de transmisores, utilizar transceptores ópticos-eléctricos para medir señales de fibra óptica y analizar señales de RF. ​

Debido a su versatilidad, los osciloscopios tienen muchos niveles de rendimiento y características de software diferentes, dependiendo de la aplicación. Son herramientas indispensables para el desarrollo electrónico, la resolución de problemas y el análisis.

A la hora de elegir un osciloscopio, hay que tener en cuenta varias especificaciones, como el ancho de banda, el número de canales, la frecuencia de muestreo, la capacidad de memoria, el tamaño de la pantalla, etc. Estos parámetros determinan la precisión con la que el osciloscopio captura y representa el comportamiento real de la señal. A continuación se indican las cuestiones más importantes que hay que evaluar a la hora de elegir un osciloscopio que se adapte a tus necesidades:

¿Cuál es el ancho de banda del osciloscopio?

El ancho de banda determina el rango de frecuencias que un osciloscopio puede reproducir con precisión. Cuanto mayor sea el ancho de banda, mayores serán las frecuencias que podrá mostrar. Es importante tener en cuenta los requisitos de ancho de banda de su aplicación. Por ejemplo, si trabaja con señales digitales de alta velocidad, necesitará un osciloscopio con un ancho de banda elevado para capturar con precisión todos los detalles transitorios. Un ancho de banda menor puede ser suficiente si utiliza el osciloscopio para la resolución de problemas básicos o el análisis en el dominio del tiempo.

¿Cuál es el número de canales?

El número de canales de un osciloscopio se refiere a la cantidad de señales de entrada que puede medir simultáneamente, y cada canal está dedicado a una entrada analógica o digital. Los canales analógicos capturan y muestran señales continuas en tiempo real, mostrando las fluctuaciones de voltaje como formas de onda, normalmente para señales analógicas como ondas sinusoidales. Por otro lado, los canales digitales observan señales binarias discretas (0 o 1) en circuitos digitales, lo que ayuda a analizar señales lógicas, pulsos y patrones de datos mediante su procesamiento y visualización por pasos para obtener una sincronización precisa y un análisis lógico. Los osciloscopios comunes pueden tener 2, 4 o más canales analógicos y suelen ofrecer hasta 16 o más canales digitales, especialmente en los osciloscopios de señal mixta. Disponer de más canales permite la observación simultánea de múltiples señales, lo que mejora la capacidad de analizar sistemas complejos y detectar interacciones entre diferentes tipos de señales.

¿Cuál es la frecuencia de muestreo?

La frecuencia de muestreo de un osciloscopio es el número de muestras tomadas por segundo. Cuanto mayor sea la frecuencia de muestreo, mayor será la resolución de la señal. Según el teorema de Nyquist, la frecuencia de muestreo del osciloscopio debe ser al menos dos veces superior a la frecuencia más alta de la señal que se desea medir para muestrear sin aliasing. En la práctica, se recomienda una frecuencia de muestreo más alta, de al menos tres a cinco veces el ancho de banda, para capturar señales de alta velocidad. Por eso es ideal encontrar un equilibrio entre la resolución y la velocidad al configurar la frecuencia de muestreo. Algunos detalles de la señal se pueden capturar con precisión con una frecuencia de muestreo más baja, mientras que otros pueden requerir una frecuencia más alta para representarse correctamente. Por ejemplo, si está probando un circuito digital con una velocidad de flanco rápida, necesitará utilizar un osciloscopio con una frecuencia de muestreo alta para capturar todos los detalles con precisión. Por otro lado, si está observando una señal de movimiento lento, puede arreglárselas con una frecuencia de muestreo más baja.

¿Cuál es la profundidad de la memoria?

La profundidad de memoria es la cantidad de datos que un osciloscopio puede almacenar y mostrar. Cuanto mayor sea la profundidad de memoria, mayor será el intervalo de tiempo de los datos de señal que se pueden capturar con alta resolución. Esto es importante porque un osciloscopio con poca memoria solo puede almacenar unos pocos segundos de datos, lo que puede no ser suficiente para ver realmente lo que está sucediendo. Sin embargo, un osciloscopio con una memoria profunda puede capturar varias horas, o incluso días, de datos, lo que le permite ampliar la imagen para obtener una vista de alta resolución de cualquier parte específica de la señal que le interese ver. Tener una memoria más profunda puede ser útil cuando se intenta localizar un problema intermitente que solo ocurre de vez en cuando. Es posible que una memoria poco profunda no capture el evento en absoluto, pero una memoria profunda le permitirá retroceder y observar detenidamente lo que ocurrió antes y después del evento.

¿Cuál es el tamaño de la pantalla?

El tamaño de la pantalla es un factor importante a tener en cuenta, ya que influye en la experiencia del usuario y en la precisión de las mediciones, y facilita el análisis en tiempo real. Un tamaño de pantalla mayor es especialmente importante para señales de alta frecuencia, análisis de señales multicanal e interpretación detallada de formas de onda. Por ejemplo, una pantalla más grande mejora la claridad de los detalles de las formas de onda, lo que permite detectar más fácilmente problemas intermitentes y localizar el momento exacto en que se produce un fallo o una anomalía.

Los osciloscopios miden una señal eléctrica, la convierten en una forma de onda visual y la muestran en una pantalla con el voltaje en el eje vertical y el tiempo en el eje horizontal. Esto permite a los ingenieros observar cómo varía una señal a lo largo del tiempo y evaluar el comportamiento de la forma de onda en los circuitos electrónicos.

La señal de entrada pasa primero por circuitos de atenuación, amplificación y acondicionamiento. En los osciloscopios digitales, la señal se convierte a continuación en muestras digitales mediante un convertidor analógico-digital (ADC) y se almacena en la memoria. El instrumento utiliza estas muestras para reconstruir y mostrar la forma de onda en la pantalla. Los sistemas de disparo ayudan a estabilizar las señales repetitivas o a capturar eventos específicos, lo que permite a los ingenieros analizar fallos, ruido o anomalías de sincronización en los circuitos.

Un osciloscopio permite realizar una amplia variedad de mediciones eléctricas a partir de las formas de onda captadas. Entre las mediciones más habituales se incluyen la amplitud de tensión, la frecuencia, el periodo, el tiempo de subida, el tiempo de bajada, la anchura de pulso, el ciclo de trabajo, la diferencia de fase entre señales y las variaciones de sincronización, como la fluctuación.

Los osciloscopios digitales modernos también permiten realizar mediciones automatizadas y análisis más avanzados del comportamiento de las formas de onda, la integridad de la señal y las relaciones de sincronización. Los ingenieros utilizan estas funciones para evaluar el rendimiento de los circuitos, comparar señales entre canales e investigar problemas de diseño a alta velocidad. Los osciloscopios de Keysight ofrecen herramientas de medición y análisis tanto para la depuración general como para aplicaciones de pruebas electrónicas más avanzadas.

Para elegir el osciloscopio adecuado, lo primero es adaptar el instrumento a las señales, las interfaces y las mediciones que requiere su aplicación. Por lo general, los ingenieros evalúan el ancho de banda, la frecuencia de muestreo, el número de canales, la profundidad de memoria, los criterios de disparo y el análisis por software en función del comportamiento de las formas de onda que necesitan observar.

En el diseño de sistemas embebidos, los ingenieros suelen dar prioridad a los canales de señal mixta, la decodificación de protocolos serie y las opciones de disparo. En el ámbito de la electrónica de potencia, suelen centrarse en la medición de alta tensión, las mediciones aisladas y el análisis de potencia. En el diseño digital de alta velocidad, la integridad de la señal, el ruido de fondo, la precisión de sincronización y la memoria profunda suelen ser los aspectos más importantes. Los osciloscopios de Keysight se utilizan en todos estos casos de uso, desde la depuración general hasta las pruebas avanzadas de validación y conformidad.

El ancho de banda y la frecuencia de muestreo determinan la precisión con la que un osciloscopio captura el contenido de la señal. El ancho de banda del osciloscopio describe el rango de frecuencias que el instrumento puede medir con una fidelidad aceptable y suele especificarse en su punto de −3 dB. La frecuencia de muestreo es el número de muestras capturadas por segundo al convertir una señal analógica en datos digitales.

Para obtener mediciones precisas, los ingenieros eligen el ancho de banda del osciloscopio en función de la frecuencia más alta y los detalles de la señal que necesitan observar. Por lo general, se requieren osciloscopios con un ancho de banda mayor para velocidades de flanco rápidas, detalles transitorios y señales digitales de alta velocidad, mientras que un ancho de banda menor puede ser suficiente para la resolución básica de problemas o para análisis en el dominio del tiempo más lentos. La frecuencia de muestreo debe ser lo suficientemente alta como para evitar el aliasing; aunque el doble de la frecuencia de señal más alta es el mínimo teórico, en la práctica los ingenieros suelen utilizar una frecuencia de muestreo de al menos tres a cinco veces el ancho de banda del osciloscopio para preservar los detalles de la forma de onda, las transiciones de flanco y la precisión de sincronización.

Los osciloscopios digitales, analógicos y de señal mixta se diferencian en la forma en que adquieren, visualizan y analizan las señales. Los osciloscopios analógicos visualizan las señales directamente mediante una amplificación continua de la tensión y suelen utilizar una pantalla de tubo de rayos catódicos (CRT), mientras que los osciloscopios digitales convierten las señales en datos digitales para su visualización, almacenamiento y análisis. Los osciloscopios de señal mixta combinan canales de medición analógicos con entradas digitales para analizar tanto las formas de onda como la actividad lógica. 

Los osciloscopios analógicos permiten visualizar formas de onda en tiempo real, pero tienen una capacidad limitada de almacenamiento y análisis. Los osciloscopios digitales admiten el almacenamiento de formas de onda, mediciones automatizadas, decodificación de protocolos y análisis de señales más avanzados, por lo que se utilizan ampliamente en las pruebas y el diseño de la electrónica moderna. Los osciloscopios de señal mixta amplían la capacidad de los osciloscopios digitales al permitir a los ingenieros correlacionar formas de onda analógicas con señales lógicas digitales en sistemas integrados y de dominio mixto. Keysight ofrece osciloscopios de almacenamiento digital, osciloscopios de señal mixta, osciloscopios modulares y osciloscopios de muestreo para diferentes necesidades de medición.

El uso de un osciloscopio para medir y solucionar problemas en las señales comienza por seleccionar la sonda adecuada, ajustar los parámetros de tensión y tiempo, establecer un disparador estable y, a continuación, examinar las características de la forma de onda, tales como la amplitud, la frecuencia, el tiempo de subida, la sincronización, el ruido, la distorsión o el comportamiento del protocolo.

Los ingenieros recurren a los osciloscopios para investigar problemas como el sobreimpulso, el oscilado, la fluctuación, las violaciones de sincronización, los fallos intermitentes, la inestabilidad de los raíles de alimentación y los errores de comunicación. Un procedimiento habitual consiste en conectar y compensar la sonda, ajustar la pantalla para obtener una captura clara de la forma de onda, seleccionar la condición de disparo adecuada y, a continuación, aplicar mediciones, cursores, funciones matemáticas o decodificación de protocolos para aislar el origen del problema. Los osciloscopios de Keysight admiten este flujo de trabajo con funciones de medición de ingeniería estándar y herramientas de análisis avanzadas utilizadas en la validación del diseño, la depuración y las pruebas.