Meno errori con la giusta sonda

OSCILLOSCOPI –

La scelta della sonda più appropriata consente di ridurre al minimo la possibilità di errori nella misura con l’oscilloscopio.

Nell'impiego dell'oscilloscopio, divenuto ormai lo strumento di misura più diffuso nella progettazione elettronica, troppo spesso viene sottovalutata l'importanza di un corretto prelievo del segnale. Nessun dubbio che, ad esempio, l'elevato data rate di una porta Usb 3.0 da 5GBit/s imponga sonde e metodi di connessione speciali. Ma, dal momento che la maggior parte dei progettisti ha comunque a che fare con frequenze molto più moderate, perché preoccuparsi tanto dell'integrità del segnale, di metodi di collegamento delle sonde, o di sonde speciali se il clock rate del microprocessore è di soli 30 MHz? Per un tale clock rate, delle buone sonde passive con larghezza di banda di 350 MHz possono essere perfettamente adeguate. Bisogna comunque tener presente che, prelevando il segnale con una sonda, il circuito viene caricato e, quindi, l'immagine del segnale che vedremo sull'oscilloscopio non sarà mai l'esatta riproduzione della realtà. Dovremo quindi porre la massima attenzione a ridurre al minimo l'influenza della sonda sul circuito in esame affinchè la forma d'onda che appare sul display si avvicini il più fedelmente possibile all'originale. Per riuscire in questo intento è indispensabile prendere in considerazione tutti gli effetti che connessioni di terra e carichi capacitivi e induttivi hanno sui vari circuiti. Poiché la maggior parte delle distorsioni dei segnali è provocata da connessioni a terra non ottimali, vale la seguente regola: tenere le connessioni a terra più corte possibili.

La connessione a massa
Ma cosa sta effettivamente alla base di questa regola generale e universalmente riconosciuta? La sonda rappresenta un circuito risonante, con una capacità d'ingresso e una induttanza. Le sonde passive di solito presentano una capacità dell'ordine di 10…13pF, difficilmente modificabile. L'induttanza è invece determinata dalla lunghezza del collegamento a terra, e sarà tanto più bassa quanto più corta sarà la connessione. E riducendo l'induttanza si aumenterà la frequenza di risonanza, con il buon risultato di farla cadere oltre l'intervallo di frequenza che ci interessa. L'esempio illustrato in Fig. 1 riproduce un segnale presente all'uscita di un Fpga. La figura mostra sopra l'intero segnale e sotto una sua porzione con il fronte molto ingrandito. Il valore di ripetizione del segnale è di appena 2,23 KHz e, a prima vista, non ci si aspetterebbe alcuna influenza sul segnale stesso. Dal momento che stiamo osservando l'uscita di un moderno Fpga e considerata l'elevata larghezza di banda e la capacità di memoria dell'oscilloscopio a disposizione, possiamo misurare la pendenza del segnale: 3,2ns.
La Fig. 2 mostra invece la larghezza di banda del segnale in relazione al suo tempo di salita e come sia possibile da questo ricavare la larghezza di banda. La curva conferma l'equazione: larghezza di banda = 0,35/tempo di salita, che è valida per la maggior parte delle forme d'onda a gradino. In questo esempio, il segnale ha una larghezza di banda di 120MHz. Se questo segnale viene prelevato con una sonda passiva, se si cambia la modalità di collegamento a terra, verranno ottenuti risultati differenti. Al fine di semplificare il confronto, la figura seguente mostra sulla stessa schermata tutte le misure effettuate in sequenza. La curva superiore è stata acquisita con una sonda senza alcuna connessione a terra (ovvero, l'oggetto della misura e l'oscilloscopio erano connessi solamente tramite chassis), mentre le due successive si riferiscono al medesimo segnale, con un collegamento di massa rispettivamente di 20 e 30 cm. Per l'ultima curva è stato utilizzato un cavo di soli 2 cm come collegamento alla più vicina presa di terra: appare evidente come il percorso più corto producendo una minore risonanza, renda possibile una rappresentazione più fedele del segnale.

Larghezza di banda e carico
Oltre agli effetti della connessione a massa, è necessario prendere in considerazione anche la larghezza di banda della sonda e il carico che la sua capacità determina sul circuito in esame. Ad esempio, se il circuito da testare contiene componenti in tecnologia Cmos a bassa corrente, il carico capacitivo della sonda passiva deve essere analizzato accuratamente: una capacità di 13 pF rappresenta un carico significativo per questo tipo di tecnologia, caratterizzata da una ridotta potenzialità di pilotaggio. In questo caso verranno registrati un maggiore ritardo del segnale e valori più elevati dei tempi di salita e discesa. È comunque vero che, negli ultimi anni, le moderne tecnologie di semiconduttori hanno molto migliorato la situazione, da questo punto di vista. Qualora la capacità della sonda passiva influenzi pesantemente il circuito, non resta che orientarsi verso l'uso di una sonda attiva. La figura mostra tre curve: la bianca, di riferimento, è stata acquisita da una sonda attiva con capacità d'ingresso di 0,9 pF e connessione a terra più corta possibile. La curva gialla sul canale 1 è stata presa con la stessa sonda attiva, con il punto di misura caricato ulteriormente con una sonda passiva, la cui uscita è rappresentata sul canale 2, dalla curva blu. La curva bianca raffigura l'andamento più vicino alla realtà, caratterizzato dal tempo di salita più breve. L'influenza della sonda passiva sul segnale è chiaramente dimostrata dalla differenza tra la curva bianca e la gialla. La variazione del tempo di salita da 1,84 a 2,64 ns ammonta a un considerevole 43%, che in alcuni circuiti potrebbe provocare malfunzionamenti. Considerando la curva blu, è evidente che non è solo il segnale all'interno del circuito ad essere influenzato, ma anche la sua rappresentazione sul display, discostandosi dalla realtà. Da quanto osservato, si può dedurre la seguente regola generale sul collegamento di terra: una sonda attiva consente di ottenere una riproduzione del segnale quanto più corrispondente al vero nel punto di misura (minima alterazione del segnale). Ciò è tanto più valido quanto più veloce è il segnale e quanto più la tecnologia usata è sensibile ai carichi capacitivi.

L'importanza di una sonda attiva
In molti casi una sonda passiva può creare diversi problemi; inoltre, un collegamento di terra più corto possibile è essenziale per riprodurre la forma d'onda del segnale con la necessaria fedeltà. Molte sonde, come la HZ355 di Hameg, sono provviste di speciali connessioni di massa a molla per rendere possibile un collegamento di lunghezza minima. Il più delle volte, anche un corto spezzone di filo può essere d'aiuto. Oggi segnali con tempi di salita tra 1 e 2 ns sono abbastanza comuni anche in circuiti standard: ciò significa che la loro rappresentazione verrà pesantemente influenzata da una sonda passiva e, per questo, è opportuno usare una sonda attiva con capacità d'ingresso inferiore a 1pF, e con un'appropriata larghezza di banda (più elevata di quella dell'oscilloscopio). Attualmente sono disponibili sonde attive, come la HZO30, con caratteristiche tali da soddisfare questi requisiti e in grado di fornire ottimi risultati con 0.9 pF e resistenza d'ingresso di 1 MOhm: provviste di connettori BNC e alimentatore esterno a meno di 700 euro, possono essere utilizzate con qualsiasi oscilloscopio.

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