Come utilizzare le sonde degli oscilloscopi: suggerimenti sulle sonde degli oscilloscopi

R&S®ESSENTIALS | Nozioni fondamentali su oscilloscopi digitali e sonde

Tipi di sonde per oscilloscopi

Autore: Paul Denisowski, Ingegnere gestione prodotti

Esistono due tipi principali di sonde per oscilloscopi: le sonde attive e quelle passive. La scelta tra i due si riduce a un compromesso tra semplicità e sofisticazione.

Le sonde passive sono più semplici: non richiedono alcuna fonte di alimentazione esterna e sono economiche. Sono affidabili, resistenti e molto facili da utilizzare: basta collegarle all'oscilloscopio, collegare il cavo di massa e il gioco è fatto. Un set di sonde passive viene spesso fornito in dotazione con gli oscilloscopi, rendendole facilmente disponibili per effettuare una serie di misure di base.

Le sonde attive, dal canto loro, offrono un livello superiore di precisione e prestazioni sul banco di prova. Come suggerisce il nome, queste sonde sono dotate di componenti attivi che consentono loro di gestire segnali ad alta frequenza. Questo significa anche che hanno un prezzo più alto, ma la loro maggiore flessibilità e sensibilità le rende indispensabili per le applicazioni che richiedono un'elevata accuratezza.

In definitiva, la scelta tra sonde passive e attive dipende dai requisiti specifici del compito da svolgere. Si tratta di bilanciare le esigenze di misura con il budget e il livello di prestazioni desiderato.

Compensazione delle sonde passive per oscilloscopi

La compensazione della sonda passiva è fondamentale per garantire l'accuratezza e l'affidabilità delle misure dell'oscilloscopio.. Quando un oscilloscopio è collegato a una sonda passiva senza un'adeguata compensazione, ciò può portare a rappresentazioni distorte e inaccurate delle forme d'onda. Questa distorsione diventa particolarmente evidente alle frequenze più elevate, compromettendo così la fedeltà dei segnali misurati. Ottimizzando la capacità della sonda tramite compensazione, si persegue l'obiettivo di ottenere una risposta in frequenza lineare e accurata, in particolare su tutta la larghezza di banda dell'oscilloscopio.

Il processo di compensazione consiste nel regolare la capacità variabile all'interno della sonda passiva per controbilanciare la capacità di ingresso intrinseca dell'oscilloscopio. La maggior parte degli oscilloscopi ha un generatore di onde quadre da 1.000 Hz integrato per la compensazione della sonda.

• Passaggio 1: Collegare la punta della sonda alla sorgente di segnale.
• Passaggio 2: Collegare il cavo di massa della sonda alla massa.
• Passaggio 3: Configurare l'oscilloscopio per visualizzare l'uscita di compensazione della sonda.
• Passaggio 4: Inserire un cacciavite non conduttivo nel piccolo foro dedicato alla compensazione presente sull'involucro della sonda.
• Passaggio 5: Ruotare il cacciavite per regolare la capacità della sonda fino a quando l'onda quadra visualizzata è il più rettangolare possibile.

Una sonda è correttamente compensata quando la parte superiore del segnale di compensazione visualizzato è più o meno orizzontale. Le sonde sovracompensate presentano una sovraelongazione sul fronte di salita del segnale, mentre le sonde sottocompensate presentano una sottoelongazione su tale fronte. Per risolvere questo problema, il condensatore di compensazione deve essere regolato fino a quando i bordi della forma d'onda sono nettamente rettangolari. In genere, questa messa a punto richiede solo una piccola frazione di giro.

Utilizzo di conduttori di massa quanto più corti possibile con le sonde passive dell'oscilloscopio

Un altro consiglio importante quando si utilizzano sonde passive è quello di ridurre al minimo la lunghezza del collegamento a massa. Le sonde passive funzionano in modo "single-ended", o sbilanciato: misurano la tensione rispetto alla massa e richiedono una solida connessione a massa. Questo collegamento viene in genere stabilito tramite un cavo di massa con un morsetto a coccodrillo, ed è importante che tale cavo sia il più corto possibile. I cavi di massa lunghi introducono un'induttanza nel segnale misurato, influenzando i componenti a più alta frequenza e causando potenzialmente fenomeni oscillatori come ringing, sovraelongazione o sottoelongazione sui segnali a onda quadra. Quando è disponibile un punto di messa a massa vicino al punto di misura, un cavo di massa a molla agganciato sul corpo della sonda può ridurre ulteriormente la lunghezza del collegamento di massa.

Selezione della corretta impedenza di ingresso

Passiamo ora alla configurazione dell'impedenza d'ingresso dei canali. Con alcuni oscilloscopi, gli utenti hanno la possibilità di scegliere tra un'impedenza di ingresso di 50 ohm e 1 megaohm. La selezione dell'impedenza di ingresso in modo che corrisponda all'impedenza della sorgente del segnale o dell'impostazione della sonda è chiamata "terminazione" Questa operazione viene eseguita per ogni canale attraverso l'interfaccia dell'oscilloscopio. L'impedenza "standard" per l'ingresso di un oscilloscopio è in genere impostata a 1 megaohm, che è la scelta appropriata quando si lavora con sonde passive.

Tuttavia, quando si utilizzano sonde attive o un collegamento diretto tramite cavo BNC, entra in gioco la terminazione opzionale da 50 ohm. Molti strumenti di misura e collaudo, così come i dispositivi RF, utilizzano il valore di 50 ohm come terminazione standard. La selezione della corretta impedenza d'ingresso è fondamentale perché un'impostazione errata può influire sull'ampiezza del segnale misurato. Ad esempio, impostando la terminazione a 1 megaohm invece che a 50 ohm si potrebbe osservare il doppio della tensione prevista.

Come nota finale, è bene tenere presente che la tensione massima di ingresso sicura può differire in modo significativo tra le due terminazioni. L'impostazione della terminazione a 50 ohm, anziché a 1 megaohm, spesso impone una soglia più bassa per la massima tensione di ingresso sicura. Alcuni oscilloscopi potrebbero non supportare nativamente una terminazione da 50 ohm, ma in questi casi è possibile utilizzare appositi adattatori passanti per ottenere la terminazione da 50 ohm richiesta, se necessario.

Demagnetizzazione (Degaussing) e azzeramento delle sonde di corrente

Spostiamo la nostra attenzione sulle sonde di corrente: è importante sapere che la sonda ferromagnetica di una sonda di corrente ha la capacità di conservare il magnetismo o il "flusso" anche in assenza di corrente. Questo fenomeno è comune e si verifica spesso dopo che una sonda è stata utilizzata per misurare una corrente che è stata attivata e disattivata. Il magnetismo residuo può causare uno scostamento sistematico del valore misurato e influire sull'accuratezza della misura. Per risolvere questo problema, la maggior parte delle sonde di corrente è dotata di una funzione di smagnetizzazione o "degauss", che può essere attivata direttamente sulla sonda o attraverso l'interfaccia utente dell'oscilloscopio.

Quando viene avviata, la funzione degauss genera una forma d'onda specializzata, creando un campo magnetico essenzialmente casuale che "cancella" qualsiasi magnetismo residuo nella sonda. Di solito si tratta di un’operazione molto veloce che richiede solo pochi secondi. Pertanto, è buona norma eseguire il degaussing di una sonda di corrente sia prima dell'azzeramento che prima di eseguire le misure.

Utilizzo di avvolgimenti multipli per una migliore sensibilità

Ecco un altro suggerimento per l'uso delle sonde di corrente: è possibile avvolgere più volte il conduttore attorno alla sonda per migliorare la sensibilità della misura. La sensibilità della sonda aumenta in modo lineare con il numero di spire. Ad esempio, se il conduttore viene avvolto quattro volte, la sensibilità aumenta di quattro volte. Poiché un oscilloscopio non è in grado di determinare automaticamente il numero di spire, è necessario è necessario inserire manualmente il valore di scala appropriato.

Queste spire aumentano in modo significativo l'impedenza di inserzione, proporzionale al quadrato del numero di spire, ma l'impatto sulle misure a bassi livelli di corrente è trascurabile. L'aumento dell'impedenza di inserzione rimane relativamente modesto e non influisce in modo significativo sull'accuratezza della misura.

Allineamento delle sonde per misure di potenza

Per le misure di potenza, le sonde di corrente sono spesso utilizzate insieme alle sonde di tensione. Questo perché per una valutazione accurata della potenza è necessario misurare sia la tensione che la corrente. Tuttavia, le discrepanze nei tempi di propagazione attraverso i conduttori della sonda possono introdurre uno sfasamento temporale o "skew" tra le forme d'onda di tensione e corrente misurate, comportando potenzialmente letture di potenza imprecise.

La soluzione consiste nell'utilizzare adattatori di deskew speciali, che rilevano e compensano il disallineamento temporale generando impulsi di tensione e corrente allineati nel tempo. Questi impulsi sincronizzati vengono misurati contemporaneamente da sonde di corrente e tensione collegate. Se le forme d'onda di prova presentano uno skew, è possibile inserire nell'oscilloscopio un valore di deskew o di offset temporale appropriato. Questa correzione riporta le forme d'onda di corrente e tensione in allineamento, migliorando l'accuratezza della misura.

Utilizzo di sonde differenziali per effettuare misure flottanti

Le sonde degli oscilloscopi misurano normalmente la tensione con riferimento alla massa; questa è chiamata "misura single-ended" Tuttavia, se si desidera misurare la tensione tra componenti non collegati a terra, è necessario ricorrere alle "misure differenziali". Tali misure sono talvolta definite "misure flottanti".

Un modo per effettuare una misura differenziale prevede l'utilizzo di due sonde single-ended, la misura rispetto alla massa in due punti e la successiva sottrazione di queste tensioni all'interno dell'oscilloscopio. Si tratta di una misura detta "quasi-differenziale".

Un approccio più efficace consiste nell'utilizzare una sonda differenziale dedicata dotata di un amplificatore differenziale interno. Questa sonda produce una tensione corrispondente alla differenza tra le tensioni dei due punti di collegamento. Le sonde differenziali eccellono nelle misure flottanti per diversi motivi:

• Possono misurare la tensione tra due punti qualsiasi.
• Offrono una maggiore accuratezza respingendo il rumore di modo comune, cioè il rumore comune a entrambi gli ingressi.
• Svolgono un ruolo fondamentale nel salvaguardare i dispositivi e gli operatori da correnti elevate derivanti da collegamenti a massa accidentali o involontari.

Utilizzo di sonde attive per misure complesse

Il nostro suggerimento finale: utilizzate una sonda attiva per le misure più impegnative. Come accennato in precedenza, le sonde attive sono dotate di componenti alimentati, in genere un transistor a effetto di campo (FET) nella punta della sonda stessa. La progettazione delle sonde attive permette di ottenere una capacità di ingresso notevolmente inferiore rispetto a quella delle sonde passive. Questa capacità ridotta offre due notevoli vantaggi:

• Riduce al minimo il carico sul circuito, consentendo una riproduzione più fedele del segnale misurato sull'oscilloscopio e un minore impatto sul funzionamento del circuito.
• Offre una maggiore larghezza di banda, fondamentale per misurare con precisione i segnali ad alta velocità, in particolare quelli con componenti ad alta frequenza importanti come le onde quadre o pulsate.

Inoltre, alcune sonde attive possono applicare un offset significativo al segnale. Questa funzione è preziosa quando si misurano piccoli segnali AC sovrapposti a segnali DC più grandi, come l'ondulazione sulla linee di alimentazione.