Hola:
Hace poco empecé a diseñar un sistema de captura de datos con "aspiraciones"
de osciloscopio digital. El sistema proyectado tiene como característica principal
la posibilidad de ser construido con materiales no críticos. Esto es, principalmente,
en lo que se refiere al reloj de captura, y la velocidad de acceso de componentes
como memorias, compuertas, etc.
Trabajando con lógica TTL, y usando la serie HC, es posible pensar en gatillar un
conversor digital con un reloj de 32 MHz. A esta velocidad es relativamente sencillo
manejar contadores digitales TTL y memorias RAM de 12 ns de tiempo de grabación.
Sin embargo, con 32 MSPS el ancho de banda nominal según el teorema de Nyquist
sería de no más de 16 MHz, y teniendo en cuenta consideraciones más prácticas, en
realidad nunca se verían demasiado bien, señales de más de 3 MHz. Para una
herramienta de laboratorio, esto limitaba las aplicaciones a algunas mediciones en
audio, pero no mucho más.
Averiguando acerca de cómo se las arreglan los osciloscopios digitales para gestionar
las enormes cantidades de datos que generan los conversores A/D de más de 1 GSPS,
encuentro una agradable noticia (ver referencias 1 y 2).
Resulta que los osc. digitales no necesariamente trabajan siempre a tiempo real.
No es novedad que se suele componer un barrido de mayor resolución a partir de varios
barridos efectuados con retrasos prestablecidos. Este método de compaginación es sólo
aplicable a señales repetitivas y se denomina de "tiempo equivalente".
Lo que sí es novedad, al menos para mí, es que habiendo conversores más que rápidos
(> 1 GSPS) algunos osciloscopios muy conocidos como Tektronix y Agilent, trabajen con
conversores de 200 kSPS y 40 kSPS, y aún así logren anchos de banda de 70 y 65 GHz,
respectivamente.
Esto muestra a las claras que la mayor énfasis del circuito se pone en generar los retrasos
entre dos barridos consecutivos. La precisión debe ser alta ya que, para un mismo barrido,
el valor del retraso debe mantenerse constante dentro del margen de tiempo admitido por
el jitter (aleatoriedad de fase del disparo del trigger).
Asimismo, la diferencia de retraso entre dos barridos sucesivos debe establecerse con la
misma precisión a fin de no complicar el compaginado que le sigue.
Por si faltaba algo, tengamos en cuenta que para lograr anchos de banda del orden de los
60-70 GHz es necesario separar dos barridos varias decenas de ps. Este tiempo debe ser
ajustado como mínimo al 1 por mil, ya que los números de muestras tomadas en el barrido
rondan los varios miles. Estamos hablando de precisiones del orden del femtosegundo
(10^-15 seg).!!!!
Todo esto no hace más que alentarme a continuar mi desarrollo de un sistema de 32 MSPS
de tasa de captura, que ahora ya no me parece tan baja. Aunque simple en principio, en un
futuro no tan lejano, este sistema podría mejorarse sustancialmente con un mecanismo de
tiempo equivalente, gestionado en baja frecuencia por un micro. A todo esto recordemos la
propuesta de retardo variable (RVAR) en mi diseño original, en especial la figura 2.
Armando un barrido compuesto con apenas 8 barridos simples retrasados, se alcanzaría un
ancho de banda de aprox. 25 MHz (250 MSPS). Los retrasos necesarios entre cada dos
barridos deberían ser de aprox. 4 ns.
La cosa pasa entonces por generar digitalmente, retardos idénticos del orden de unos pocos
ns, y con precisiones de ps. Casi nada!
Lo bueno del método de tiempo equivalente es que para lograr buenos anchos de banda no
se requieren componentes demasiado rápidos.
Últimamente Tektronix ha resuelto el problema de otra forma (ver Ref. 2) definiendo el
Tiempo Real Digital (DRT): en lugar de hacer digamos 200 barridos diferentes y desfasados,
para luego superponer las muestras en tiempo equivalente, directamente pone (no lo dice
explícitamente) 200 conversores desfasados a trabajar en paralelo sobre el mismo barrido
y obtiene ancho de banda en tiempo real.
El otro detalle que queda para considerar con mayor cuidado es la respuesta en frecuencia
de la parte analógica. Por rápida y bien gestionada que sea la conversión AD, si la circuitería
analógica distorsiona la señal, entonces la calidad del sistema se viene irremediablemente
abajo.
Hasta pronto.
Referencias:
1.- SEQUENTIAL EQUIVALENT-TIME SAMPLING WITH AN ASYNCHRONOUS REFERENCE CLOCK - U. S. Patent Application 20090237072
2.- Tecnología digital de tiempo real Tektronix y mercado de osciloscopios de bajo costo
3.- DESARROLLO DE UN SISTEMA AUTÓNOMO DE CAPTURA DIGITAL A 32 MHz
Lecturas adicionales:
Osciloscopios con Memoria Digital (DSO)
Hace poco empecé a diseñar un sistema de captura de datos con "aspiraciones"
de osciloscopio digital. El sistema proyectado tiene como característica principal
la posibilidad de ser construido con materiales no críticos. Esto es, principalmente,
en lo que se refiere al reloj de captura, y la velocidad de acceso de componentes
como memorias, compuertas, etc.
Trabajando con lógica TTL, y usando la serie HC, es posible pensar en gatillar un
conversor digital con un reloj de 32 MHz. A esta velocidad es relativamente sencillo
manejar contadores digitales TTL y memorias RAM de 12 ns de tiempo de grabación.
Sin embargo, con 32 MSPS el ancho de banda nominal según el teorema de Nyquist
sería de no más de 16 MHz, y teniendo en cuenta consideraciones más prácticas, en
realidad nunca se verían demasiado bien, señales de más de 3 MHz. Para una
herramienta de laboratorio, esto limitaba las aplicaciones a algunas mediciones en
audio, pero no mucho más.
Averiguando acerca de cómo se las arreglan los osciloscopios digitales para gestionar
las enormes cantidades de datos que generan los conversores A/D de más de 1 GSPS,
encuentro una agradable noticia (ver referencias 1 y 2).
Resulta que los osc. digitales no necesariamente trabajan siempre a tiempo real.
No es novedad que se suele componer un barrido de mayor resolución a partir de varios
barridos efectuados con retrasos prestablecidos. Este método de compaginación es sólo
aplicable a señales repetitivas y se denomina de "tiempo equivalente".
Lo que sí es novedad, al menos para mí, es que habiendo conversores más que rápidos
(> 1 GSPS) algunos osciloscopios muy conocidos como Tektronix y Agilent, trabajen con
conversores de 200 kSPS y 40 kSPS, y aún así logren anchos de banda de 70 y 65 GHz,
respectivamente.
Esto muestra a las claras que la mayor énfasis del circuito se pone en generar los retrasos
entre dos barridos consecutivos. La precisión debe ser alta ya que, para un mismo barrido,
el valor del retraso debe mantenerse constante dentro del margen de tiempo admitido por
el jitter (aleatoriedad de fase del disparo del trigger).
Asimismo, la diferencia de retraso entre dos barridos sucesivos debe establecerse con la
misma precisión a fin de no complicar el compaginado que le sigue.
Por si faltaba algo, tengamos en cuenta que para lograr anchos de banda del orden de los
60-70 GHz es necesario separar dos barridos varias decenas de ps. Este tiempo debe ser
ajustado como mínimo al 1 por mil, ya que los números de muestras tomadas en el barrido
rondan los varios miles. Estamos hablando de precisiones del orden del femtosegundo
(10^-15 seg).!!!!
Todo esto no hace más que alentarme a continuar mi desarrollo de un sistema de 32 MSPS
de tasa de captura, que ahora ya no me parece tan baja. Aunque simple en principio, en un
futuro no tan lejano, este sistema podría mejorarse sustancialmente con un mecanismo de
tiempo equivalente, gestionado en baja frecuencia por un micro. A todo esto recordemos la
propuesta de retardo variable (RVAR) en mi diseño original, en especial la figura 2.
Armando un barrido compuesto con apenas 8 barridos simples retrasados, se alcanzaría un
ancho de banda de aprox. 25 MHz (250 MSPS). Los retrasos necesarios entre cada dos
barridos deberían ser de aprox. 4 ns.
La cosa pasa entonces por generar digitalmente, retardos idénticos del orden de unos pocos
ns, y con precisiones de ps. Casi nada!
Lo bueno del método de tiempo equivalente es que para lograr buenos anchos de banda no
se requieren componentes demasiado rápidos.
Últimamente Tektronix ha resuelto el problema de otra forma (ver Ref. 2) definiendo el
Tiempo Real Digital (DRT): en lugar de hacer digamos 200 barridos diferentes y desfasados,
para luego superponer las muestras en tiempo equivalente, directamente pone (no lo dice
explícitamente) 200 conversores desfasados a trabajar en paralelo sobre el mismo barrido
y obtiene ancho de banda en tiempo real.
El otro detalle que queda para considerar con mayor cuidado es la respuesta en frecuencia
de la parte analógica. Por rápida y bien gestionada que sea la conversión AD, si la circuitería
analógica distorsiona la señal, entonces la calidad del sistema se viene irremediablemente
abajo.
Hasta pronto.
Referencias:
1.- SEQUENTIAL EQUIVALENT-TIME SAMPLING WITH AN ASYNCHRONOUS REFERENCE CLOCK - U. S. Patent Application 20090237072
2.- Tecnología digital de tiempo real Tektronix y mercado de osciloscopios de bajo costo
3.- DESARROLLO DE UN SISTEMA AUTÓNOMO DE CAPTURA DIGITAL A 32 MHz
Lecturas adicionales:
Osciloscopios con Memoria Digital (DSO)
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