Re-referencia dinámica: mediciones a nivel de los microvoltios con osciloscopios R&S®RTO

Su misión

La tarea es tomar mediciones a largo plazo precisas y repetibles de señales pequeñas con desplazamiento CC o desviación y componentes de ruido de bajo frecuencia.

Ejemplos

• Cambios de señal pequeña «montados» en señales de gran tamaño
• Mediciones precisas de bajo nivel con una media mínima y ruido bajo de traza a traza
• Mediciones repetibles de resolución muy alta con una configuración de escala vertical de gran tamaño para alojar señales con un rango dinámico elevado
• Mediciones a largo plazo con colocación en pantalla consistente para un análisis visual más fácil
• Pruebas de máscara en amplitudes de señal muy pequeñas que requieren una colocación de la traza consistente
• Uso de un tiempo promedio breve para la medición con ruido de baja frecuencia y desviaciones/desajustes
• Mediciones de valor cuadrático medio precisas en señales de bajo nivel
• Cambios de señal que hacen referencia a un cambio de línea de base

Fondo

Los osciloscopios modernos proporcionan herramientas reconocidas que ayudan a reducir los efectos del ruido de alta frecuencia, como la limitación de ancho de banda analógica, el filtrado digital, la decimación y el promedio de traza.

Por el contrario, los métodos que trabajan con ruidos de baja frecuencia (térmico, fluctuación, 1/f) y desviación están limitados.

Un desajuste normalmente es un valor fijo para un canal de sensor/sonda/osciloscopio en concreto, que posiblemente simplemente esté ajustado o compensado con un valor que se utiliza en la ecuación del canal matemático (como la re-escala), el auto-cero o un ajuste de desajuste para una sonda. En algunos casos, el valor de desajuste puede ser demasiado pequeño para las funciones de desajuste o auto-cero cancelen completamente el voltaje de desajuste. Además, el desajuste está sujeto a la desviación y, a menudo, se ve afectado por los cambios en los ajustes de atenuación o ganancia.

La desviación es un fenómeno que es difícil de contrarrestar; es cualquier cambio en el punto cero o ganancia que se produzca a lo largo de un periodo que sea significativamente superior al periodo de muestreo o medición. La desviación puede tener componentes tanto estocásticos como deterministas, provocados por factores como la humedad, la vibración, el envejecimiento del componente, variaciones en la fuente de alimentación (las cuales, a su vez, están sujetas a estos factores), ruido de 1/f, radiación, cambios en las características magnéticas y más.

Ejemplo

• Un sistema de sensor tiene una desviación de punto cero positiva e inducida térmicamente de un 5 % de la amplitud de la señal medida a lo largo de un periodo de 20 minutos y un ruido de 1/f que es significativamente inferior a 1 Hz
• Si un intervalo de adquisición es de un segundo, el promedio de traza de 60 proporciona promedios de un minuto; durante ese periodo, la desviación es del 0,25 %
• En cada periodo promedio, se elimina una desviación de 1/2 del 0,25 % por minuto. Si la desviación es constante, el promedio solo reducirá el desajuste producido por la desviación en un 0,125 % del valor a escala completa, únicamente 1/40º del desajuste producido por la desviación tras 20 minutos
• El ruido de 1/f se reduce pero es posible que no sea eliminado ya que un ruido de 1/f no tiene un límite de frecuencia inferior

Una vez este sistema de sensor alcanza el equilibro térmico, el promedio no tendrá ningún efecto sobre la cantidad de desajuste en el punto cero. El promedio solo puede corregir la desviación o ruido que se produce en un periodo más breve que el periodo promedio.

Solución de prueba y medición: re-referencia dinámica con el osciloscopio R&S®RTO

Para poder capturar señales de nivel de microvoltio, el usuario tiene que utilizar las ventajas del R&S^®RTO, como:

• Terminal de bajo ruido
• Modo HD, que proporciona una resolución de hasta 16 bits a 50 MHz, con control de punto único simultáneo del ancho de banda y la resolución
• Disparo digital preciso en señales tan pequeñas como una amplitud de división de 0,02
• Disparo en buses de datos de serie y paralelos para permitir la medición y evaluación de componentes del sistema «inteligentes»
• Linealidad excelente gracias al rendimiento del terminal y a un convertidor A/D de núcleo único con ENOB de > 7 bits a un ancho de banda de 1 GHz
• Canales matemáticos potentes con las siguientes características:
  • Capacidad para utilizar resultados de medición en definiciones de canal matemático
  • Promedio de traza (en formato numérico de punto flotante)
  • Filtrado digital flexible con región de información de vuelo y promedio de movimiento

El principio

La medición promedio, utilizada con una puerta, se realiza en una parte de la adquisición en la que es estable durante cada adquisición; el valor resultante se resta de la traza.

La traza del canal matemático quedará bloqueada a nivel de referencia. Este proceso elimina de forma efectiva el ruido en frecuencias por debajo del intervalo de adquisición, incluidos la desviación y el desajuste.

Si la referencia seleccionada es a 0 V, la traza del canal matemático quedará re-referenciada como «tierra». Si el nivel de referencia es un nivel conocido distinto a 0 V, entonces el voltaje del nivel de referencia medida simplemente se añadirá a la definición del canal matemático como una constante.

Configuración del R&S^®RTO para re-referencia

Disparo

Cuando la señal medida tiene cambios de nivel de división > 0,02 el R&S^®RTO puede proporcionar un disparador estable.

Si la señal tiene divisiones < 0,02 de amplitud o desviaciones significativas, normalmente es posible encontrar otra fuente de disparo que esté sincronizada con la señal de interés, como por ejemplo:

• Un cambio en el voltaje de alimentación
• Un cambio en el estado de la señal de un activado u otra línea de control
• Una señal de comando aplicada al dispositivo bajo prueba a través de un bus de serie, como I2C, o una de las muchas otras interfaces que pueden utilizarse como fuentes de disparo en el R&S^®RTO

Configuración de la medición de referencia

Normalmente, se utiliza una medición de media para filtrar el ruido que puede estar presente en la señal muestreada y se le asigna una puerta para seleccionar una porción estable de la traza como referencia.

La configuración de la medición requiere la primera configuración del canal fuente de la medición, el tipo de medición y, finalmente, el periodo de puerta. (Nota: El canal fuente debe estar activo y debe estar marcada la casilla de estado para que la selección de puerta esté visible en pantalla.)

El tiempo de inicio y de finalización de apertura de puerta se ajusta para concordar con la parte de referencia deseada de la traza medida. En el ejemplo mostrado, la sección de voltios cero de la traza de disparo (Ch3Wfm1, en verde) se corresponde con la parte de corriente cero de la traza medida (Ch1Wfm1, en amarillo). Como resultado, es fácil ver dónde debe colocarse la puerta.

Configuración del canal matemático

Una vez se ha definido la medición, está lista para utilizarla en una fórmula del canal matemático. Cuando la parte estable de la señal es cero o se debe utilizar como línea base, la fórmula del canal matemático (utilizando canales y mediciones como los anteriores) es la siguiente:

C1FdO1 – Med

Cuando la referencia distinta a cero es un valor conocido, como un valor medido de 3,65 V, la fórmula sería:

C1FdO1 – Med1 + 3,65 V

En la pestaña Setup del canal matemático, es aconsejable seleccionar Vertical scale > Manual.

El usuario también puede seleccionar opciones de procesamiento de señales adicionales con el botón Modo/menú desplegable: envolvente/promedio/valor cuadrático medio

Un ejemplo

El siguiente ejemplo es un buen ejemplo de re-referencia, con un factor de ampliación del canal matemático de 500 y una amplitud de nivel de señal medida de 1/500º de una división.

La traza a medir es repetitiva, una señal de 256 Hz con un cambio de nivel de 200 μV que está superpuesto en una señal de 80 mV con dos pasos de 40 mV (traza roja inferior). Muestra el gran rango dinámico posible con el R&S^®RTO, con la medición de una señal de tan solo el 0,02 % del valor de escala completa de 1 V.

El modo HD se utiliza con un ancho de banda de 20 kHz. El canal matemático está establecido en 20× de promedio.

En la pantalla del osciloscopio (configuración de 10 s de persistencia), la señal de 200 μV es claramente visible con un desajuste equivalente a 400 divisiones. La persistencia muestra la estabilidad de la señal y las estadísticas de medición confirman la desviación típica de la señal de 44 μV (aproximadamente 0,004 % del valor a escala completa de, > 14 bits).

Resumen

La re-referencia dinámica mejora el uso del amplio rango dinámico proporcionado en el R&S®RTO, permite una mayor precisión y facilidad de uso y reduce los errores de medición a largo plazo.