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El osciloscopio es un instrumento de medición electrónica de gran utilidad. Como dice el refrán, la electricidad es algo que no se puede ver ni tocar. Pero el osciloscopio nos permite “ver” las señales eléctricas, lo que facilita el estudio de los cambios en los diversos fenómenos eléctricos. Por lo tanto, la función principal del osciloscopio, tal como indica su nombre, es ser un instrumento que permite visualizar la forma de onda de las señales eléctricas. De esta manera, los ingenieros pueden identificar los problemas o evaluar el rendimiento del sistema, entre otras cosas. Y las formas de onda también tienen diversas definiciones; por ejemplo, las formas de onda en el dominio temporal o en el dominio de frecuencia. En el caso de los osciloscopios, la mayoría de las veces se mide cómo varía el voltaje con el tiempo, es decir, la forma de onda en el dominio temporal. Por lo tanto, el osciloscopio puede analizar los cambios en la tensión en los puntos que se están midiendo, lo que le permite ser ampliamente utilizado en diversos sectores y áreas de la industria electrónica. Por lo general, en nuestro sector se clasifican los osciloscopios únicamente como osciloscopios analógicos y digitales. Algunos fabricantes pueden darles otros nombres para resaltar alguna característica específica de sus osciloscopios, como por ejemplo, osciloscopio digital fluorescente. Pero sus principios fundamentales siguen estando dentro de estas 2 categorías principales de osciloscopios. El osciloscopio de simulación pertenece a la categoría de los osciloscopios antiguos; se basa principalmente en un tubo de rayos catódicos (también llamado tubo de imagen, que se utilizaba ampliamente en los televisores y monitores de época). El haz electrónico emitido por este tubo es desviado horizontal y verticalmente, lo que permite que las ondas se muestren sobre la sustancia fluorescente de la pantalla. Sin embargo, en la actualidad, el único beneficio que parecen tener los osciloscopios simulados es su precio. No cuenta con capacidad para almacenar datos ni para analizar formas de onda; su función de disparo también es limitada. Tampoco puede capturar señales únicas o ocasionales. Además, debido a que utiliza una gran cantidad de componentes analógicos en su interior, estos componentes también cambian con las variaciones de temperatura a lo largo del tiempo, por lo que su rendimiento no es estable. En las mediciones electrónicas modernas, los osciloscopios analógicos han sido prácticamente eliminados; por lo tanto, hoy en día nos centraremos principalmente en los osciloscopios digitales. Los osciloscopios digitales de las primeras generaciones, debido a las limitaciones de la tecnología de visualización, seguían utilizando pantallas CRT (Cathode Ray Tube, tubo de rayos catódicos) propios de los osciloscopios analógicos. La principal diferencia entre los osciloscopios digitales y los analógicos radica en que la señal de entrada ya no se muestra directamente en la pantalla. En lugar de eso, la señal es muestreada y procesada digitalmente mediante un ADC (Convertidor Analógico-Digital), y los datos resultantes se almacenan en una memoria caché. Luego, los circuitos de procesamiento de señales extraen esos datos. Dado que los osciloscopios digitales de las primeras generaciones utilizaban un CRT para la visualización, era necesario utilizar un convertidor DAC para transformar los datos digitales en señales analógicas, con el fin de poder mostrarlos en la pantalla del CRT. Los osciloscopios digitales modernos ya casi no utilizan pantallas CRT; en su lugar, emplean pantallas de cristal líquido. Esto permite reducir considerablemente su tamaño. Además, algunos de ellos cuentan con funciones táctiles que facilitan su uso. Tampoco es necesario convertir los puntos de muestreo digitales en señales analógicas. Dado que no existe una diferencia esencial en su estructura funcional, en el sector industrial generalmente no se utilizan los nombres de osciloscopios CRT ni de osciloscopios LCD. Con frecuencia, los osciloscopios digitales se denominan osciloscopios digitales de almacenamiento, ya que un aspecto importante en estos dispositivos es la capacidad de almacenar los datos recopilados por el ADC. El proceso principal mediante el cual los osciloscopios digitales modernos capturan datos se puede comprender de manera intuitiva a través de la placa madre de este osciloscopio inteligente Mackox STO1104C: ① La señal es atenuada por el conector para que llegue al frente del osciloscopio en una proporción adecuada. La capacidad del osciloscopio para medir voltajes elevados depende, en general, de la sonda utilizada. La sonda permite reducir las señales de voltaje de decenas de miles de voltios a unos pocos decenios de voltios, gracias a su función de atenuación. ②La señal llega al atenuador y al amplificador de la parte frontal a través de circuitos de acoplamiento. En el software del osciloscopio, esto se manifiesta como un ajuste del nivel vertical, de modo que la forma de onda ocupe todo la pantalla. De esta manera, se mejora la precisión vertical y las mediciones resultan más exactas. La parte frontal determina en gran medida el primer indicador del osciloscopio: la anchura de banda. ③El procesador ARM controla al FPGA para que ajuste la tasa de muestreo del convertidor analógico-digital ADC. En el software del osciloscopio, esto se manifiesta como un ajuste del tiempo base. Dado que la profundidad de almacenamiento es un valor fijo, la tasa de muestreo se calcula como: profundidad de almacenamiento ÷ duración de grabación de la señal. Por lo general, los cambios en el tiempo base se logran mediante ajustes en la tasa de muestreo. Por lo tanto, la tasa de muestreo indicada por el fabricante suele ser válida solo bajo una configuración específica de tiempo de muestreo; en un tiempo de muestreo más largo, debido a la profundidad de almacenamiento, la tasa de muestreo debe reducirse. Los convertidores ADC de conversión analógico-a-numérico y la memoria RAM de alta velocidad influyen en otros dos parámetros importantes del osciloscopio: la tasa de muestreo y la profundidad de almacenamiento. ④A continuación, el FPGA controla la toma de muestras sincronizada del ADC; este, a su vez, convierte los datos recopilados en formato binario y los guarda en la caché de alta velocidad. La memoria caché es lo que se conoce como profundidad de almacenamiento. Por lo general, el tamaño de la memoria es cuatro veces mayor que el valor indicado por el osciloscopio para representar dicha profundidad de almacenamiento. Dado que el FPGA no puede controlar el disparo del osciloscopio, las señales capturadas son primero el doble de la profundidad de almacenamiento indicada; posteriormente, se selecciona una parte de esa señal según los parámetros de disparo. De esta manera, el osciloscopio puede mostrar la forma de onda anterior al momento en que ocurre el disparo. Además, dado que el osciloscopio debe seguir capturando las formas de onda antes de realizar la selección, no puede detenerse; de lo contrario, la tasa de captura de las formas de onda será muy baja. Por eso, también es necesario seguir capturando puntos de muestreo de la misma longitud. Al repetir este proceso, la cantidad de datos obtenidos se multiplica por cuatro. ⑤Una vez recibida la instrucción de activación, la memoria transfiere los datos al procesador ARM para que los procese. El procesador ARM, a su vez, procesa los datos y los envía a la pantalla de visualización a través de la interfaz de display, para que el usuario pueda verlos. Mediante cálculos, el osciloscopio también puede imitar una visualización de brillo en múltiples niveles, similar a la de los osciloscopos analógicos, así como los efectos de temperatura de color y de resplandor característicos de los osciloscopos digitales. ⑦Después de que el osciloscopio procesa los datos, es posible guardar la imagen de la forma de onda actual o los datos en la memoria. Cabe señalar que este tipo de almacenamiento es completamente diferente del caché de alta velocidad. La mayoría de los osciloscopos utilizan memorias externas como unidades USB, tarjetas SD o ordenadores. Actualmente, algunos osciloscopos modernos cuentan con una gran capacidad de almacenamiento integrada, lo que permite guardar los datos directamente en el propio osciloscopio. En este proceso, ②③④ se procesan de forma paralela. Debido a las limitaciones en la velocidad de procesamiento de los osciloscopios digitales, no es posible mostrar continuamente y en tiempo real la forma de onda de la señal que se está analizando en la pantalla. Entre dos formas de onda consecutivas, se produce una pérdida de datos relacionados con dichas formas de onda; esto se conoce como tiempo de muerte. Este es el mayor defecto de los osciloscopios digitales en comparación con los osciloscopios analógicos. Sin embargo, a medida que aumenta la capacidad de procesamiento de los osciloscopios y mejora la tasa de captura de las formas de onda, este defecto también se va corrigiendo poco a poco.