Cómo utilizar sus sondas para osciloscopios: consejos sobre sondas para osciloscopios

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Tipos de sondas para osciloscopios

Autor: Paul Denisowski, ingeniero de gestión de productos

Existen dos principales tipos de sondas para osciloscopios: activas y pasivas. La elección se reduce a un intercambio entre simplicidad y sofisticación.

Las sondas pasivas son más simples, no requieren de una fuente de energía externa, y son más económicas. Son confiables, robustas y muy fáciles de utilizar: conéctelas al osciloscopio, fije el cable a tierra y ya está listo para empezar. Los osciloscopios suelen incluir un juego de sondas pasivas, que les permiten realizar una variedad de mediciones básicas.

Las sondas activas, por otro lado, proporcionan un mayor nivel de precisión y rendimiento a la mesa de trabajo, o mejor dicho al banco de pruebas. Como su nombre lo indica, estas sondas están equipadas con componentes activos que les permiten tratar con señales de alta frecuencia. Esto también significa que su precio sea más elevado, pero tanto su mayor flexibilidad como su sensibilidad mejorada las hacen indispensables para aplicaciones que exigen una alta precisión.

En definitiva, la elección entre sondas pasivas y activas depende de los requisitos específicos de la tarea que va a realizarse. Solo es cuestión de equilibrar las exigencias de la medición con su presupuesto, así como el nivel deseado de rendimiento.

Compensación de sondas para osciloscopios pasivas

La sondas pasivas es fundamental para mejorar la precisión y confiabilidad de las mediciones del osciloscopio. Si se conecta un osciloscopio a una sonda pasiva sin una compensación adecuada, pueden producirse representaciones distorsionadas e imprecisas de la forma de onda. Esta distorsión se vuelve particularmente pronunciada a frecuencias más altas, lo que afecta a la fidelidad de las señales medidas. Al ajustar con precisión la capacitancia de la sonda por medio de la compensación, el objetivo es alcanzar una respuesta en frecuencia plana y precisa, especialmente en todo el ancho de banda del osciloscopio.

EL proceso de compensación consiste en ajustar la capacitancia variable en la sonda pasiva para contrarrestar la capacitancia de entrada inherente del osciloscopio. La mayoría de osciloscopios cuentan con un generador de ondas cuadradas integrado de 1000 Hz para compensar la sonda.

• Paso 1: conecte la punta de sonda a la fuente de señal.
• Paso 2: conecte el cable de puesta a tierra de la sonda a tierra.
• Paso 3: configure el osciloscopio para mostrar la salida de compensación de la sonda.
• Paso 4: inserte una herramienta no conductora en el orificio pequeño que se encuentra en la caja de compensación de la sonda.
• Paso 5: gire esta herramienta para ajustar la capacitancia de la sonda hasta que la onda cuadrada que se muestra sea lo más rectangular posible.

Una sonda está correctamente compensada cuando las partes superiores de la señal de compensación que se muestran están más o menos horizontales. Las sondas sobrecompensadas exhiben sobremodulación en el borde delantero de la señal, mientras que las sondas descompensadas exhiben suboscilaciones en el mismo borde. Para solucionarlo, el condensador de compensación debe ajustarse hasta que los bordes de la forma de onda sean claramente rectangulares. Normalmente, este ajuste solo necesita una pequeña fracción de vuelta.

Utilización de cables para puesta a tierra lo más cortos posibles con sondas para osciloscopios pasivas

Otro consejo importante, cuando se utilicen sondas pasivas, es minimizar la longitud de la conexión a tierra. Las sondas pasivas funcionan de manera «terminación única»: miden el voltaje relativo a tierra y necesitan de una sólida conexión a tierra. Esta conexión normalmente se establece por medio de un cable de puesta a tierra con una pinza cocodrilo, y es importante mantener este cable lo más corto posible. Los cables para puesta a tierra largos introducen inductancia a la señal medida, lo que afecta a los componentes de frecuencia más alta y pueden ocasionar oscilaciones transitorias, sobreoscilaciones o suboscilaciones en las señales de onda cuadrada. Tenga en cuenta que cuando se dispone de un punto a tierra cerca del punto de medición, un cable para puesta a tierra tipo resorte deslizante puede reducir aún más la longitud de la conexión.

Selección de la impedancia de entrada correcta

Ahora, ahondémonos en la configuración de la impedancia de entrada del canal. Con determinados osciloscopios, los usuarios tienen la flexibilidad de elegir entre una impedancia de entrada tanto de 50 ohmios como de 1 megaohmio. La selección de la impedancia de entrada para que coincida con la impedancia de la fuente de señal o la configuración de sondeo se denomina «terminación». Esto se realiza canal por canal a través de la interfaz del osciloscopio. La impedancia «estándar» para la entrada del osciloscopio normalmente se establece en 1 megaohmio, que es la elección adecuada cuando se trabaja con sondas pasivas.

Sin embargo, cuando se utilizan sondas activas o una conexión directa por medio de un cable BNC, la terminación opcional de 50 ohmios cobra importancia. Muchos instrumentos de T&M, así como dispositivos de RF, utilizan 50 ohmios como su terminación estándar. Es crucial seleccionar la impedancia de entrada correcta ya que un ajuste incorrecto puede afectar la amplitud de la señal medida. Por ejemplo, ajustar la terminación a 1 megaohmio en lugar de 50 ohmios puede dar como resultado que se observe el doble del voltaje esperado.

Como nota final, es bueno tener en cuenta que el voltaje de entrada máximo seguro puede diferir en gran medida entre las dos terminaciones. Ajustar la terminación a 50 ohmios, en lugar de 1 megaohmio, a menudo impone un umbral más bajo para el voltaje de entrada máximo seguro. A algunos osciloscopios les puede faltar compatibilidad nativa para una terminación de 50 ohmios, pero en ambos casos pueden utilizarse adaptadores de paso especializados para proporcionar la terminación de 50 ohmios cuando sea necesario.

Desmagnetizar y poner a cero las sondas de corriente

Centrémonos ahora en las sondas de corriente: es importante saber que la sonda ferromagnética de una sonda de corriente tiene el potencial de retener el magnetismo o «flujo» incluso en la ausencia de corriente. Este es un fenómeno común y sucede con frecuencia tras haber utilizado una sonda para medir una corriente que se encendía y apagaba. El magnetismo prolongado puede introducir un offset e influir en la precisión de la medición. A fin de solucionar este problema, la mayoría de las sondas de corriente vienen equipadas con una función de desmagnetización o «degauss», la cual puede activarse directamente en la sonda o por medio de la interfaz de usuario del osciloscopio.

Al inciarla, la función «degauss» genera una forma de onda especializada que crea un campo magnético esencialmente aleatorio que «elimina» cualquier magnetismo residual en la sonda. Esto suele ser un proceso muy rápido que toma solo unos pocos segundos. Por lo tanto, es una buena idea desmagnetizar la sonda de corriente tanto antes de su puesta cero como antes de realizar mediciones.

Bobinar varias veces para una mejor sensibilidad

He aquí otro consejo para utilizar sondas de corriente: puede enrollar el conductor a lo largo de la sonda varias veces para mejorar la sensibilidad de medición. La sensibilidad de esta sonda incrementa linealmente con el número de bucles. Por ejemplo, si se enrolla el conductor cuatro veces, se incrementa la sensibilidad por un factor de cuatro. Dado que un osciloscopio no puede determinar de manera automática el número de bucles, el valor adecuado de ajuste de escala debe introducirse manualmente.

Estos bucles incrementan la impedancia de manera considerable, al cuadrado del número bucles, pero el impacto en las mediciones a bajo niveles de corriente es insignificante. El aumento de la impedancia de inserción permanece relativamente pequeño y no afecta de manera sustancial la precisión de la medición.

Corrección de sesgo de sondas para mediciones de potencia

Para mediciones de potencia, las sondas de corriente suelen utilizarse con sondas de voltaje. Esto se debe a que las evaluaciones precisas de potencia requieren de la medición tanto de voltaje como de corriente. Sin embargo, discrepancias en los tiempos de propagación a través de los cables de las sondas pueden introducir un desajuste de tiempo o «sesgo» entre las formas de onda del voltaje y la corriente que se han medido, lo que posiblemente puede dar lugar a lecturas de potencia inexactas.

La solución es utilizar accesorios especiales de corrección de sesgo, que detecten y compensen el sesgo por medio de la generación de pulsos de voltaje y corriente alineados en el tiempo. Las sondas de corriente y voltaje conectadas miden en simultáneo estos pulsos sincronizados. Si las formas de onda de la prueba muestran algún desajuste, puede introducirse en el osciloscopio un valor de corrección de sesgo o de desajuste de tiempo adecuado. Esta corrección vuelve a alinear las formas de onda de corriente y voltaje, lo que mejora la precisión de medición.

Utilización de sondas diferenciales para realizar mediciones flotantes

Las sondas para osciloscopios por lo general miden el voltaje con respecto a tierra; esto se conoce como «mediciones de un solo extremo». Sin embargo, es sumamente importante realizar «mediciones diferenciales» en caso de que se desee medir el voltaje entre componentes que no estén conectados a tierra.. Estas mediciones a veces se denominan «mediciones flotantes»

Una manera de realizar una medición referencial es utilizar dos sondas de terminación única con respecto a tierra en dos puntos, y luego restar estos voltajes en el osciloscopio. Esto se denomina medición «cuasi-diferencial».

Un enfoque más efectivo es utilizar una sonda diferencial especial equipada con un amplificador diferencial interno. Esta sonda produce un voltaje que corresponde a la diferencia entre los voltajes y los dos puntos de conexión. Las sondas diferenciales sobresalen en las mediciones flotantes por diversas razones:

• Pueden medir el voltaje entre dos puntos cualesquiera.
• Ofrecen una mayor precisión al rechazar el ruido de modo común, es decir, el ruido que es común a ambas entradas.
• Juegan un papel fundamental a la hora de proteger tanto los dispositivos como a sus operadores de las corrientes altas que resultan de conexiones a tierra accidentales o inadvertidas.

Utilización de sondas activas para mediciones exigentes

Nuestro consejo final: utilice una sonda activa para las mediciones más exigentes. Como se mencionó anteriormente, las sondas activas cuentan con componentes de potencia, por lo general un transistor de efecto de campo (FET) en la punta de la sonda. El diseño de las sondas activas da lugar a una capacitancia de entrada considerablemente menor en comparación con las sondas pasivas. Esta capacitancia reducida ofrece dos ventajas importantes:

• Minimiza la carga del circuito, lo que permite una reproducción más fidedigna de la señal medida en el osciloscopio, así como un menor impacto en el funcionamiento del circuito.
• Proporciona un ancho de banda mayor, fundamental para medir con precisión señales de alta velocidad, especialmente aquellas con componentes destacados de alta frecuencia, como ondas cuadradas o pulsadas.

Además, algunas sondas activas pueden introducir un offset considerable a la señal. Esta característica es invaluable al momento de medir pequeñas señales de corriente alterna superpuestas sobre señales de corriente continua más grandes, como el rizado de la fuente de poder.