"A cosa serve una sonda? La sonda di misurazione in dotazione allo strumento può essere utilizzata per tutte le misurazioni? Quali sono i vantaggi di questo strumento?” Sono queste le domande che molti sviluppatori si pongono quando mettono in funzione un nuovo oscilloscopio
Le sonde aiutano a collegare l'oscilloscopio all'oggetto in fase di sviluppo durante una misurazione. Sono disponibili sonde specifiche per vari tipi di test. Ad esempio, le correnti possono essere misurate con una pinza amperometrica, mentre i segnali digitali possono essere registrati e visualizzati su un MSO ricorrendo a una sonda logica e alla relativa interfaccia. L'obiettivo generale degli strumenti non è solo creare un contatto semplificato tra il dispositivo di misurazione e l'oggetto da misurare, ma anche valutare il segnale con un'accuratezza molto elevata.
Per non sollecitare la sorgente del segnale, ovvero l'oggetto in fase di test, è importante contenere il più possibile l'influenza aggiuntiva legata a qualsiasi tipo di sonda. In una configurazione di misurazione, è anche importante sapere cosa non si desidera misurare. Esempi sono le radiazioni indesiderate, le quali dovrebbero essere ridotte al minimo o completamente evitate.
A differenza di un cavo di misura, la sonda crea una connessione di alta qualità offrendo allo stesso tempo una comoda opzione di connessione. Un'elevata resistenza di misura evita di rilevare interferenze indesiderate o disturbi di rete. L'elevata resistenza di misura ottimizza sia il prelievo di tensione nel punto di connessione della sonda sia il collegamento con l'oscilloscopio.
Resistenza d'ingresso cooperativa
Una sonda passiva, ad esempio, presenta due punti di contatto: il termistore e la connessione di terra. Come contatto per il termistore, le sonde passive prevedono un aggancio che può essere facilmente collegato al circuito. La connessione verso terra avviene tramite un breve spezzone di filo con una clip a coccodrillo. Oltre alla comoda testina di collegamento, la struttura di una sonda è costituita da un cavo coassiale con connettore BNC. Insieme all'oscilloscopio, la sonda definisce la resistenza di ingresso della misura. Un oscilloscopio prevede un'impedenza di ingresso di 1 MΩ e una bassa capacità su larghezze di banda fino a 350 MHz o 500 MHz. Nel caso di una connessione diretta, questa capacità carica il dispositivo sotto test (DUT). Ciò significa che per ridurre al minimo l'entità del carico, la sonda dovrebbe introdurre una capacità ridotta.
Intervallo di tensione e larghezza di banda
Una sonda passiva prevede anche due impostazioni che possono essere utilizzate per creare un partitore di tensione. Nell'impostazione normale (x1), il segnale viene applicato all'oscilloscopio a 1 MΩ utilizzando la sonda senza il partitore di tensione. I valori misurati vengono quindi trasmessi all'oscilloscopio secondo un rapporto 1:1. Qui, risulta limitato non solo l'intervallo di tensione massima, ma anche la larghezza di banda. È possibile ottenere valori di tensione e larghezza di banda più elevati con un rapporto 10:1. In questo caso, tuttavia, per visualizzare l'ampiezza corretta, anche l'impostazione verticale dell'oscilloscopio deve essere configurata su 10:1. Nell'impostazione 1:1, insieme a quella dell'oscilloscopio, risulta la seguente resistenza di misura ZM:
Qui è possibile vedere che il cavo GND è induttivo. Più lungo è questo cavo, maggiore è la sua induttanza. Nella equazione, si può constatare che se ω aumenta (cioè la larghezza di banda), aumenta anche questa resistenza e - di conseguenza - i suoi effetti (Figura 2). Inoltre, nella equazione 1 è evidente che la capacità crea un circuito di risonanza. Di conseguenza, le misure a larghezza di banda più elevate comporteranno una sovraelongazione, che può essere ridotta accorciando il cavo GND.
1 millimetro di cavo GND comporta un'induzione di circa 1 nH. Alle alte frequenze, più corta è la connessione GND, meglio è. Con una molla di terra, è possibile implementare percorsi GND molto br
evi per ridurre al minimo questi effetti. Il fattore di guadagno x1 può essere utilizzato per misure su larghezze di banda e tensioni ridotte. La maggior parte dei requisiti di misurazione nel normale intervallo di tensione/larghezza di banda richiedono preferibilmente il fattore di guadagno x10. Utilizzando l'esempio della sonda PVP2350, il prodotto standard della serie di oscilloscopi MSO5000, è possibile impostare entrambi i fattori di amplificazione. Qui, con l'impostazione x1 è possibile misurare tensioni fino a 30 VRMS; con l'impostazione x10 si arriva fino a 300 VRMS. Quindi, l'intervallo di tensione aumenta di un fattore 10.
La minore capacità nella sonda comporta anche un aumento della larghezza di banda, che passa da 35 MHz a 350 MHz. In Figura 1 è riportato anche un percorso x10. Trascurando la resistenza del cavo coassiale (poichè molto inferiore rispetto a RO e rP), il partitore di tensione secondo la equazione 2 viene creato non appena si tiene conto della costante di tempo secondo la equazione 3.
Nella maggior parte delle applicazioni è possibile effettuare la misurazione con questa larghezza di banda e dei valori di tensione a x10. Qui, occorre anche impostazione la risoluzione verticale a x10 sull'oscilloscopio. Quando si utilizza una sonda con un oscilloscopio, è sempre necessario considerare la larghezza di banda di entrambi gli elementi (sonda e oscilloscopio). La larghezza di banda a 3 dB è significativamente influenzata dalla sonda, la quale - quando si acquista l'oscilloscopio - deve essere oggetto di attenta valutazione. Se la larghezza di banda del sistema è troppo bassa per l'applicazione, è necessario ricorrere a una sonda con una larghezza di banda maggiore.
In Figura 1 è prevista una compensazione. In questo caso, nella sonda è installata una capacità regolabile. Per quanto concerne la sonda PVP2350, tale capacità può essere regolata tra 10 pF e 25 pF con un cacciavite in dotazione.
Nelle applicazioni con larghezza di banda più elevata, non vengono più utilizzate misurazioni ad alta impedenza. Lo scopo è quello di ottenere una regolazione del circuito (di solito 50 Ohm) per evitare riflessioni indesiderate. Se è necessaria una sonda per applicazioni HF, è possibile ricorrere a prodotti attivi invece che passivi. Decisivo per la scelta giusta è disporre di un fattore di amplificazione su una determinata larghezza di banda senza allo stesso tempo influenzare troppo il circuito.
Amplificatori e pinze amperometriche
Le sonde attive prevedono un amplificatore lineare integrato a banda larga che deve essere alimentato. Oltre alla larghezza di banda, la parte attiva offre un'elevata precisione e una bassa capacità di ingresso. Lo svantaggio è che la tensione di ingresso è limitata, (con la sonda PVA8000 il massimo che può essere misurato è 30 Vpeak).
Le pinze amperometriche offrono un'opzione di connessione per le misure delle correnti. Poiché l'oscilloscopio è fondamentalmente un voltmetro, queste correnti devono essere tradotte in un valore di tensione. Essendo la traslazione tensione/corrente nota dalla scheda tecnica della pinza amperometrica, la corrente può essere visualizzata e misurata con l'oscilloscopio utilizzando l'amplificazione e l'unità [Ampere].
Il principio delle pinze amperometriche si basa su un trasformatore, dove la linea di misura rappresenta l'avvolgimento primario e la pinza amperometrica rappresenta l'avvolgimento secondario. In questo modo è possibile misurare le correnti alternate. Le correnti continue vengono registrate utilizzando una sonda Hall.
Sonde differenziali
Le sonde differenziali sono necessarie quando la misurazione riguarda due valori di potenziale di tensione. In tale contesto sono previste due situazioni. Da un lato, i segnali dati differenziali veloci, come Ethernet o LVDS, per i quali è necessaria una sonda HF differenziale. Dall'altro, le differenze di tensione non legate alla terra, per le quali sono necessarie sonde differenziali nel campo dell'alta tensione. Per frequenze inferiori, tali misure possono essere visualizzate anche con due sonde passive (canale 1: potenziale 1, canale 2: potenziale 2) e tramite una funzione matematica (canale 2 – canale 1). Tuttavia, queste misurazioni sono rumorose, possono verificarsi errori di runtime e deve essere rispettata la massima tensione di ingresso delle sonde passive.
Una considerazione chiave nelle sonde differenziali è il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR). Le variazioni di modo comune sono variazioni simultanee indesiderate dei potenziali 1 e 2 rispetto alla terra, visibili all'uscita poiché viene misurata solo la variazione tra i potenziali 1 e 2. Ciò riguarda il fattore di amplificazione di modo differenziale rispetto a quello di modo comune, che dovrebbe essere molto più alto. Questo valore dipende dalla larghezza di banda. La sonda differenziale ad alta tensione PHA2150 presenta una larghezza di banda di 200 MHz e una tensione differenziale massima di 1500 volt. Il CMRRCC è >80 dB mentre il CMRR1MHz è >50 dB.
