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Un manual más de NanoVNA

En este apartado, pretende conformar un manual de uso del NanoVNA que poseo, en base a distintas fuentes de información recopiladas desde la red, así cómo también la experiencia personal con el equipo.

Calibración

En este tipo de medidores, lo primero que debe realizarse es la calibración, antes de realizar cualquier medición, ya que la calibración elimina los errores sistemáticos de método. La calibración debe realizarse básicamente siempre que se cambie el rango de frecuencia a medir.

Necesidad de la Calibración

Todos los componentes de un analizador vectorial de redes tienen una respuesta de frecuencia y una respuesta de fase: cada tramo de PCB, cada conector, resistencia. Cuanto mayor sea la frecuencia, más significativos serán los efectos. La corrección de estos efectos aísla el comportamiento del dispositivo a analizar (DUT) del comportamiento de los elementos circundantes. Tener en consideración que uno de los objetivos de estos analizadores es estudiar el comportamiento de DUT en un rango de variación de frecuencias de excitación. Mediante la calibración del analizador, estos errores sistemáticos del método se eliminan por medio de artilugios matemáticos. Luego el analizador puede mostrar los resultados como si estuviera conectado directamente al DUT. Para una calibración exitosa, se pueden conectar estándares de calibración con características eléctricas conocidas (Abierto, Corto, Carga, Pasante) (OSLT por sus siglas en inglés) a las conexiones y medirlos. A partir de estas mediciones, se determina la corrección de errores, que describe los errores del sistema y permite la posterior compensación.

Estos son los estándares de calibración con que cuenta el equipo: image

¿Qué estándares de calibración se utilizan con NanoVNA?

  • CIRCUITO ABIERTO: En el caso del modo ABIERTO (OPEN), como ya sugiere el nombre, la línea de medición está abierta, es decir, no tiene nada en su extremo. El extremo abierto de la línea provoca una reflexión total de toda la señal de medición. En esta medición, se determinan las atenuaciones y los cambios de fase de las líneas, etc.
  • CORTO CIRCUITO (S) : En el caso de un CORTO (SHORT), la línea de medición se cortocircuita, lo que también produce una reflexión total de la señal de medición. La fase de la señal rota \(180°\) en comparación con la medición CIRCUITO ABIERTO.
  • CARGA (L): En el caso de CARGA (LOAD), la línea se cierra con una resistencia de carga definida (en este caso \(50\) \(\Omega\)). Todas las mediciones se compensan en relación con esto.
  • LÍNEA PASANTE (T): Aquí, ambas líneas de medición (puerto CH0 y CH1 del NanoVNA) se conectan entre sí.
  • ISOLN: En este caso, se compensan las perturbaciones que un canal le produce al otro, idealmente debería colocarse una CARGA en ambos puertos para realizar esta calibración.

En el NanoVNA los puntos de calibración se guardan como datos de calibración del usuario. Se pueden guardar en el STATUS 0 y se cargarán automáticamente en el encendido del NanoVNA. También se pueden guardar en otros STATUS 0 recuperarán través del menú RECALL.

Una vez calibrado, se debería lograr los siguientes diagramas de Smith para las condiciones de carga:

  • Open

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  • Short

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  • Load

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  • Thru, no debería excederse de 0.1dB

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Si se encuentran anormalidades groseras, debería recalibrarse.

Por otro lado hay que tener en cuenta que el NanoVNA posee, a lo sumo, de 101 puntos de toma de muestra de frecuencia. Si el error se ha corregido correctamente, la visualización del estado de calibración en la pantalla será Cn D R S T X Pm (n hace referencia al número de calibración almacenado 0, 1 , 2, 3, 4, m hace referencia a la potencia de excitación aplicada a, 2 , 4, 6, 8)

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Por otro lado, NanoVNA puede complementar la información de calibración existente y mostrar hasta cierto punto la corrección. Esto sucederá si se cambia el rango de frecuencia. En ese momento, la visualización del estado de calibración en la pantalla será cn D R S T X Pm. Notar c minúscula.

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El mecanismo para calibrar sería el siguiente, aunque el orden no es importante:

  • Ingrese al menú \(\longrightarrow\) CALIBRATE \(\longrightarrow\) CALIBRATE.

  • Conecte el estándar de circuito abierto (\(\infty\:\Omega\)) al puerto del CH0 y ejecute \(\longrightarrow\) OPEN.

  • Conecte el estándar de circuito cerrado (\(0\:\Omega\)) al puerto CH0 y ejecute \(\longrightarrow\) SHORT.

  • Conecte el estándar de circuito cargado (\(50\:\Omega\)) al puerto CH0 y ejecute \(\longrightarrow\) LOAD.

  • Conecte el estándar de circuito cargado (\(50\:\Omega\)) a los puertos CH0 y CH1 y ejecute \(\longrightarrow\) ISOLN. Si sólo posee un entandar de \(50\:\Omega\), el puerto CH0 se puede dejarse sin conexión.

  • Conecte el estándar de interconexión entre los puertos CH0 y CH1 y ejecute \(\longrightarrow\) THRU.

  • Finalice la calibración y recalcule la corrección de errores con \(\longrightarrow\) DONE

  • Especifique el número de calibración y guárdelo. SAVE \(\longrightarrow\) SAVE x (siendo x el número de la calibración)

Animación del proceso de calibración completo

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Recuperar la calibración y la configuración

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Se pueden guardar hasta 5 configuraciones en base a las calibraciones realizadas.

Los parámetros que se guardarán en cada una son los siguientes:

  • Rango de frecuencia
  • Corrección de errores en cada punto de medición.
  • Estado de configuración de tracking
  • Estado de configuración de los marcadores
  • Configuración del modo de dominio
  • Configuración de la tasa de acortamiento de la longitud de onda.
  • Tiempo de demora

Puede guardarse la configuración actual seleccionando \(\longrightarrow\) CAL \(\longrightarrow\) SAVE \(\longrightarrow\) SAVE n

Puede borrarse los datos de calibración actuales seleccionando \(\longrightarrow\) CAL RESET, Si desea volver a calibrar se debe realizar un \(\longrightarrow\) RESET

\(\longrightarrow\) CAL \(\longrightarrow\) CORRECTION indica si la corrección de errores está actualmente en curso. Puede seleccionar esto para detener temporalmente la corrección de errores.

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Puede recuperarse la configuración guardada seleccionando \(\longrightarrow\) RECALL \(\longrightarrow\) RECALL n

Configuración de dispositivo

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Dentro de \(\longrightarrow\) CONFIG puede realizar ajustes generales para el dispositivo.

Calibración y prueba del panel táctil

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Si observa una gran diferencia entre la posición de toque de pantalla real y la posición detectada, esta función puede resolver el problema.

\(\longrightarrow\) CONFIG \(\longrightarrow\) TOUCH \(\longrightarrow\) CAL Seleccione para calibrar el panel táctil.

Después de hacerlo, en \(\longrightarrow\) TOUCH TEST, puede verificarse. luego guarde la configuración con \(\longrightarrow\) SAVE.

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Para probar el panel táctil seleccione \(\longrightarrow\) CONFIG TOUCH TEST.

Guardar la configuración del instrumento

Seleccione para guardar la configuración general del instrumento: \(\longrightarrow\) CONFIG \(\longrightarrow\) SAVE.

Los ajustes generales del instrumento son datos que contienen la siguiente información:

  • Información de calibración del panel táctil.
  • Color de la cuadrícula.
  • Los datos de calibración cargados por defecto.

Mostrar versión

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Se selecciona para mostrar la información de la versión del dispositivo. \(\longrightarrow\) CONFIG \(\longrightarrow\) VERSION.

Actualización de firmware

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Para restablecer el dispositivo a fábrica e ingresar al modo DFU (actualización de firmware del dispositivo) seleccione \(\longrightarrow\) CONFIG \(\longrightarrow\) DFU \(\longrightarrow\) RESET AND ENTER DFU. La actualización del firmware es posible realizarla través de USB.

Lectura de la pantalla

Pantalla principal

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  • 1. START: Frecuencia de comienzo del barrido.
  • 2. STOP: Frecuencia de finalización del barrido.

Ambos se mostrarán si se especifica en la configuración START/STOP

  • 3. Marcador: Muestra la posición del marcador para cada trazo. Los marcadores seleccionados se pueden desplazar de las siguientes formas:
    • a. Arrastrando el marcador en el panel táctil con el lápiz.
    • b. Desplazando el Interruptor Multifunción MFS derecha o a izquierda.
  • 4. Estado de calibración: Muestra el número de la calibración que se está leyendo y la corrección de errores aplicada a saber:

    • C0 C1 C2 C3 C4: Indica el numero correspondiente de la calibración que se encuentra cargada.
    • c0 c1 c2 c3 c4: Indica el numero correspondiente de la calibración que se encuentra cargada, pero el rango de frecuencia se ha cambiado y que se utilizará la interpolación para la corrección de errores.
    • D: indica que se aplica corrección de error de directividad. (Directivity)
    • R: Indica que se aplica la corrección de error de seguimiento de reflexión. (Reflection Tracking)
    • S: indica que se aplica la corrección de error de coincidencia de fuente. (Source Match)
    • T: indica que se aplica la corrección del error de seguimiento de la transmisión. (Transmission Tracking)
    • X: indica que se aplica la corrección de errores de aislamiento (Isolation).
    • Pm: indica la potencia aplicada, será a, 2 , 4, 6, 8.
  • 5. Indicador de posición de referencia: Indica la posición de referencia de la traza correspondiente. \(\longrightarrow\) DISPLAY \(\longrightarrow\) SCALE \(\longrightarrow\) REFERENCE POSITION cambian la posición del mismo.

  • 6. Valores del marcador: Muestra el marcador activo seleccionado y el marcador activado previamente.

  • 7. Valores en las trazas: Muestra el estado de cada formato de trazo y el valor correspondiente al marcador activo.

    Por ejemplo CH0 LOGMAG 10 dB/ 0.02 dB, se debe leer lo siguiente.

    • Canal CH0 (reflexión)
    • Formato Magnitud en dB
    • La escala es 10 dB/div
    • El valor actual es 0.02 dB
  • 8. Estado de la batería: Cuando la batería está instalada, se mostrará un ícono de acuerdo con el estado de carga de la batería.

Pantalla principal 2

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  • 9. CENTER: Frecuencia CENTRAL.
  • 10. SPAN: Ancho de banda mostrado.

Esta pantalla se muestra cuando se especifica CENTER/SPAN en la configuración. Por ejemplo al fijar \(\longrightarrow\) STIMULUS \(\longrightarrow\) CENTER y fijar un valor.

Pantalla de menú

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  • 11. Menú: Puede visualizar el menú mediante la siguiente operación:
    • a. Al presionar un lugar de la pantalla que no sea una marca.
    • b. Al presionar el centro del interruptor MFS

Pantalla del teclado

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  • 12. Teclas numéricas: Seleccione un número presionando la celda correspondiente.
  • 13. Tecla Flecha Atrás: Eliminar un carácter. De estar vacio, cancela la pantalla del teclado y regresa a la pantalla anterior.
  • 14. Tecla de unidad: Multiplica la entrada actual por la unidad apropiada y sale aplicando la entrada correspondiente. En el caso de \(\times1\), el valor numérico introducido se establece tal cual.
  • 15. Campo de entrada: Se muestra el nombre del elemento que se va a introducir y el número introducido.

Realizar una Medición

La secuencia de medición básica que se debería realizar de la siguiente forma.

  • 1. Configurar el rango de frecuencias a medir.
  • 2. Realizar la calibración.
  • 3. Conectar el DUT, para realizar las medición.

Funciones

Visualización de trazas

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Se pueden mostrar hasta cuatro trazos, uno de los cuales será el trazo activo, y se informará en pantalla por medio de un marcador. Las trazas se pueden mostrar solo cuando sea necesario y desactivarlas las que no son necesarias para evitar ensuciar la pantalla.

Para cambiar la traza activa:

  • Toque el marcador de la traza que desea activar \(\longrightarrow\) DISPLAY \(\longrightarrow\) TRACE \(\longrightarrow\) TRACE n para mostrar (Si ya está visible, se ocultará )

Formato de traza

Cada traza puede tener su propio formato. Para cambiar el formato de la traza activa, seleccione \(\longrightarrow\) DISPLAY \(\longrightarrow\) FORMAT y elija el formato al que desea cambiar.

La visualización de cada formato es la siguiente:

  • LOGMAG: Logaritmo del valor absoluto de módulo del valor medido. [dB/div]
  • PHASE: Fase en el rango -180 a +180 90 grados por defecto
  • DELAY: Tiempo de demora. [ps o ns]
  • SMITH: Carta de Smith. [la escala se normaliza al calibrar]
  • SWR: Relación de onda estacionaria (ROE). [puede escalarse para mostrar 1, 0.1 o 0.001 por división]
  • RESISTANCE: Componente resistivo de la impedancia medida. [\(\Omega/div\)]
  • REACTANCE: Componente reactivo de la impedancia medida. [\(\Omega/div\)]
  • POLAR: Formato de coordenadas polares. [la escala se normaliza al calibrar]
  • LINEAR: Valor absoluto de módulo del valor medido.
  • REAL: Parte real den valor medido.
  • IMAG: El número imaginario del valor medido
  • |Z|: Módulo de la impedancia medida.
  • Q FACTOR: Factor de mérito.

Canal

NanoVNA tiene dos puertos o canales CH0 y CH1. Las trazas pueden realizarse en base a los parámetros S que se pueden medir en cada puerto.

Seleccione \(\longrightarrow\) DISPLAY \(\longrightarrow\) CHANNEL, las opciones son:

  • CH0 S11 (reflexión)
  • CH1 S21 (transmisión)

Marcadores

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Se pueden mostrar hasta cuatro marcadores. La visualización del marcador se activa/desactiva con MARKER \(\longrightarrow\) SELECT MARKER \(\longrightarrow\) MARKER n. Al seleccionar un marcador se establece el marcador activo en el marcador mostrado.

Operaciones en el dominio del tiempo

NanoVNA puede simular mediciones en el dominio del tiempo mediante el procesamiento de señales en el dominio de la frecuencia.

Para convertir las mediciones al dominio del tiempo selecciones \(\longrightarrow\) DISPLAY \(\longrightarrow\) TRANSOFRM \(\longrightarrow\) TRANSFORM ON. Al habilitarse, la información presentada se convierte inmediatamente al dominio del tiempo.

El dominio temporal y el dominio frecuencial tienen la siguiente relación:

  • Cuanto mayor sea la frecuencia máxima, mayor será la resolución de tempo.
  • Cuanto más estrecho sea el intervalo de frecuencia de medición (es decir, cuanto menor sea la frecuencia máxima), mayor será la duración de tiempo.

Por lo tanto, existe una relación de compensación entre la duración máxima de tiempo y la resolución de tiempo.

Si comparamos el tiempo con la longitud, podemos decir lo siguiente.

  • Si se desea aumentar la longitud máxima de medición, debe reducir la frecuencia máxima.
  • Si desea especificar la longitud con buena precisión, debe aumentar la frecuencia máxima.

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En la animación anterior puede observase que reduciendo a la mitad la frecuencia máxima, el tiempo, y por tanto, la longitud se duplican.

Respuesta al impulso en el dominio del tiempo

El modo de LOW PASS IMPULSE le permite simular un TDR. En el modo pasa bajos, la frecuencia de inicio debe establecerse en 50 kHz y la frecuencia de máxima debe establecerse de acuerdo con la distancia que desea medir.

Puede establecer el formato de traza en magnitud en \(\longrightarrow\) REAL

A continuación se muestra un ejemplo de respuesta de una linea abierta en su extremo, cargada y cortocircuitada.

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image

Respuesta al escalón en el en el dominio del tiempo

El modo \(\longrightarrow\) LOW PASS STEP le permite simular un TDR. En el modo pasa bajo, la frecuencia de inicio debe establecerse en 50 kHz y la frecuencia final debe establecerse de acuerdo con la distancia que desea medir.

Puede establecer el formato de traza en magnitud en REAL

A continuación se muestra un ejemplo de respuesta de una linea abierta en su extremo y cortocircuitada.

image

image

Ejemplo de respuesta a una terminación capacitiva:

image

Ejemplo de respuesta a una terminación inductiva:

image

Ejemplo de respuesta a una discontinuidad capacitiva en una parte de la línea:

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Ventanas

Hay un número finito de puntos en dónde se realiza la medición, y una resolución espectral dada, por lo tanto, usar ventanas, cuando se realiza la transformada permite suavizar las discontinuidades en las trazas y disminuir el ruido.

El instrumento posee tres ventantas.

  • MINIMUM (sin ventana, es decir, igual que la ventana rectangular o uniforme). Brinda la máxima resolución.

  • NORMAL (corresponde a \(\beta=6\) en la ventana Kaiser)

  • MAXIMUM (corresponde a la ventana Kaiser \(\beta=13\)). Brinda el máximo rango dinámico.

Configuración del factor de velocidad en el dominio del tiempo

La velocidad de transmisión de ondas electromagnéticas en una línea varía según material dieléctrico. La relación con la velocidad de transmisión de las ondas electromagnéticas en el vacío se denomina tasa de acortamiento de la longitud de onda (Factor de velocidad, Velocidad de propagación). Esto siempre se indica en la especificación del cable. Por ejemplo para el cable RG174U es 0,78.

Por lo tanto, el tiempo mostrado se convierte en longitud. La tasa de acortamiento de la longitud de onda utilizada para la visualización de la distancia se puede configurar con \(\longrightarrow\)DISPLAY \(\longrightarrow\)TRANSFORM \(\longrightarrow\)VELOCITY FACTOR. Por ejemplo, si se mide un cable con una tasa de acortamiento de longitud de onda del 78%, especifique \(\longrightarrow\) VELOCITY FACTOR 78.

Establecer frecuencia a frecuencia del marcador

Puede utilizarse la frecuencia de los marcadores para fijar:

  • \(\longrightarrow\) MARKER \(\longrightarrow\) START Establece la frecuencia del marcador activo a la frecuencia de inicio.

  • \(\longrightarrow\) MARKER \(\longrightarrow\) STOP Establece la frecuencia del marcador activo a la frecuencia final.

  • \(\longrightarrow\) MARKER \(\longrightarrow\) CENTER Establece la frecuencia del marcador activo en la frecuencia central. Intentando mantener el SPAN.

  • \(\longrightarrow\) MARKER \(\longrightarrow\) SPAN Establece los dos marcadores visibles en el intervalo, incluido el marcador activo. No sucede nada si solo se ve un marcador.

Ajuste del rango de medición

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Hay tres tipos de ajustes para la excitación que se aplica para realizar la medición.

  • Configuración de la frecuencia de inicio y la frecuencia de parada.

  • Configuración de la frecuencia central y el intervalo SPAN

  • Configuración de un tono continuo.

Configuración de la frecuencia de inicio y la frecuencia final

Seleccionar y configurar , respectivamente \(\longrightarrow\) STIMULUS \(\longrightarrow\)START y \(\longrightarrow\) STIMULUS \(\longrightarrow\)STOP.

Configuración de la frecuencia central y el intervalo SPAN

Seleccionar y configurar, respectivamente \(\longrightarrow\)STIMULUS \(\longrightarrow\) CENTER y \(\longrightarrow\)STIMULUS \(\longrightarrow\)SPAN.

Configuración de un tono continuo (CW)

El Zero SPAN o Continuous Wave es un modo en el que una frecuencia es siempre la misma es decir no se realiza barrido.

Entonces, se puede utilizar el CH0 como fuente de señal con una frecuencia fija, pero es importante tener en cuenta que NanoVNA utiliza el generador de señal S5351 y la señal de salida es rectangular, es decir contiene armónicos impares de importante amplitud.

Seleccionar y configurar \(\longrightarrow\)STIMULUS \(\longrightarrow\)CW FREQ.

Detener temporalmente la medición

Seleccionar y configurar \(\longrightarrow\)STIMULUS \(\longrightarrow\)PAUSE SWEEP para detener temporalmente la medición.

Comandos

  • help: Reporta la lista de comandos disponibles.

    • Resultado:

      <lista de comandos>
      
    • Ejemplo:

      ch> help
      Commands: scan scan_bin data frequencies freq sweep power bandwidth time sd_list sd_read sd_delete saveconfig clearconfig dump touchcal touchtest pause resume cal save recall trace marker edelay capture vbat tcxo reset smooth usart_cfg usart vbat_offset transform threshold help info version color
      
  • version: Reporta la version de firmware.

    • Ejemplo:
      ch> info
      Board: NanoVNA-H
      2019-2021 Copyright NanoVNA.com
      based on  @DiSlord @edy555 ... source
      Licensed under GPL.
      Version: 1.1 [p:101, IF:24k, ADC:192k, Lcd:320x240]
      Build Time: Dec 21 2021 - 13:46:37
      Architecture: ARMv6-M Core Variant: Cortex-M0
      Platform: STM32F072xB Entry Level Medium Density devices
      
  • version: Reporta la version de firmware.

    • Ejemplo:
      ch> version
      1.1
      
  • marker: Reporta la configuración actual de la marca actual o fija una configuración.

    • Resultado:

      <Número de Marca> <índice> <Frecuencia>
      
    • Ejemplo:

      ch> marker 1
      1 39 351030500
      ch> marker 1 500000000
      ch> marker 1 10 500000000
      ch> marker ?
      marker [n] [on|off|{index}]
      marker [lin|log|ri|rx|rlc]
      ch> marker 1 off
      ch> marker 2 on
      ch> marker 1 on
      ch> marker 1 50
      ch> marker 1 99
      ch> marker 1
      1 99 891000500
      
  • trace: Reporta/configura formato, canal, ganancia mostrada y offset para las trazas habilitadas.

    • Formato:

      <Número de traza> <FORMATO> <CANAL> <GANANCIA> <OFFSET>
      
    • Ejemplo:

      ch> trace 4
      trace {0|1|2|3|all} [logmag|phase|delay|smith|polar|linear|swr|real|imag|r|x|z|q|off] [src]
      trace {0|1|2|3} {scale|refpos} {value}
      ch> trace
      0 LOGMAG S11 10.000000000 7.000000000
      1 LOGMAG S21 10.000000000 7.000000000
      2 SMITH S11 1.000000000 0.000000000
      3 PHASE S21 90.000000000 4.000000000
      
  • sweep: reporta/configura el barrido recurrente comienzo [Hz], final [Hz], cantidad 1 a 101 puntos

    • Formato:

      <comienzo> <fin> <puntos>
      
    • Ejemplo:

      ch> sweep
      50000 900000000 101
      
  • transform: Configura la visualización en el dominio temporal realizando la transformada inversa de Fourier.

    • Ejemplo:
      ch> transform
      usage: transform {on|off|impulse|step|bandpass|minimum|normal|maximum} [...]
      
      ch> transform on
      ch> transform off
      
  • recall: Restaura configuración.

    • Formato:

      recall <0-4 número de configuración>
      
    • Ejemplo:

      ch> recall 0
      ch> recall 1
      
  • save: Guarda los datos de calibración, así como la configuración de barrido, trazas, marcadores. save 0 se restaura automáticamente al encender o reiniciar.

    • Formato:

      save <0-4 número de configuración>
      
    • Ejemplo:

      ch> save 0
      
  • color: Personaliza los colores de los trazos. Sin argumentos retorna la lista del ejemplo. Los colores pueden cambiarse y se revierte con apagar y encender. Si desea almacenar los colores seleccionados de forma permanente, debe usar el menú \(\longrightarrow\)CONFIG \(\longrightarrow\)SAV

    • Formato:

      color <número> 0xRRGGBB
      
    • Ejemplo:

      ch> color
        0: 0x000000
        1: 0xF8FCF8
        2: 0x808080
        3: 0xE0E4E0
        4: 0x000000
        5: 0xD0D0D0
        6: 0xF8FC00
        7: 0x00FCF8
        8: 0x00FC00
        9: 0xF800F8
       10: 0xF80000
       11: 0x0000F8
       12: 0x18E000
       13: 0xF80000
       14: 0x80FC80
       15: 0xF8FCF8
       16: 0x808080
       17: 0x0000F8
       18: 0xC0C4C0
       19: 0x000000
       20: 0xF8FCF8
       21: 0xF8FCF8
       22: 0x606060
       23: 0x18E000
       24: 0xF80000
       25: 0x0000C0
       26: 0x000000
       27: 0x000000
       28: 0x000000
       29: 0x000000
       30: 0x000000
       31: 0x000000
      ch> color 3 0x808080 # cambia la traza 3 a gris
      ch> color 0 0xff0000 # cambia el fondo a rojo
      
  • vbat: Indica la tensión de la batería.

    • Ejemplo:
      ch> vbat
      4052 mV
      
  • cal: Alternativa para calibrar, luego de calibrar, utilizar el comando save para almacenar. in realiza interpolación y data retorna los datos de calibración

    • Formato:
      cal [load|open|short|thru|isoln|done|reset|on|off|in|data]
      

Fuentes