Se c'è uno strumento davvero essenziale per i progettisti di elettronica, questo è l'oscilloscopio.

L'oscilloscopio permette di guardare all'interno di un circuito e vedere come sta funzionando. Se ci sono problemi di integrità del segnale o anomalie che influenzano il funzionamento del circuito, molto probabilmente appariranno sullo schermo dell’oscilloscopio.

Ma per garantire risultati corretti, è fondamentale assicurarsi che il segnale che entra nella sonda sia della più alta qualità possibile.

Le distorsioni causate da pessime decisioni sulla selezione e il collegamento della sonda possono facilmente ingannare il progettista e non sarebbe ideale fare il debug di una parte di un progetto quando il bug è in realtà una conseguenza dell’esplorazione con la sonda e non è causato dal progetto stesso.

Così come gli strumenti ai quali sono collegate, le sonde sono esempi di ingegneria di precisione che assicurano che il segnale visualizzato sullo schermo sia il più accurato possibile.

È facile pensare a sonde che misurano la tensione su una linea di segnale in un punto particolare e che non hanno alcun effetto sul segnale stesso. Tuttavia, le sonde diventano parte del circuito in prova e introducono carichi resistivi, capacitivi e induttivi, che possono influenzare il comportamento del circuito.

Con un attento controllo, questo impatto può essere minimizzato per garantire che il segnale sia solo leggermente influenzato.

Per ottenere i risultati più accurati, l'obiettivo è selezionare una sonda con il carico più appropriato per il circuito in prova, per minimizzare le interazioni indesiderate e consentire di accedere a tutte le prestazioni, caratteristiche e funzionalità del proprio oscilloscopio.

Scegliere la sonda giusta: Passiva, Attiva o Logica?

Un importante punto di partenza è la scelta del tipo di sonda adatto. Le sonde per oscilloscopi ad alte prestazioni possono essere categorizzate come passive e attive, con suddivisioni in sonde speciali per effettuare misurazioni differenziali, collegandosi a bus logici e linee ad alta potenza.

La sonda passiva è una buona opzione generica per misurare una varietà di tipi di segnale e livelli di tensione.

La sonda passiva, come suggerisce il nome, non ha parti elettroniche attive e imporrà un certo livello di carico sul circuito in prova, ma spesso è la soluzione più conveniente, mentre l'accoppiamento di una sonda di tensione passiva con una sonda di corrente fornirà una buona opzione per la misurazione della potenza in molte situazioni.

Le sonde passive sono tipicamente associate a un fattore di attenuazione, come 10x o 100x.

La sonda di attenuazione 10x imporrà meno carico sul circuito in prova rispetto ad una sonda 1x. Dal momento che il carico dei circuiti diventa più difficile, ad esempio con l'aumento della frequenza dei circuiti con sorgenti di segnale ad impedenza più elevata, scegliere una sonda con un fattore di attenuazione più elevato può aiutare a mantenere l'integrità della misurazione.

Lo svantaggio nell'utilizzare un rapporto di attenuazione più alto è che, sebbene riduca la distorsione del segnale, ci sarà una riduzione dell'ampiezza del segnale all'oscilloscopio. Una sonda 10x ridurrà l'ampiezza dell'ingresso di un fattore di 10.

L'attenuazione di 10x renderà difficile osservare segnali inferiori a 10 mV da picco a picco. Per molti segnali, tuttavia, la sonda attenuatrice 10x è una buona sonda generica e la sonda 1x può essere mantenuta per misurare segnali che cambiano più lentamente con basse ampiezze.

Alcune sonde hanno una funzione conveniente per passare tra l'attenuazione 1X e 10X alla punta della sonda e molti oscilloscopi possono determinare automaticamente quando viene utilizzata una sonda 1x o 10x, ma è importante controllare che le impostazioni di ingresso dello strumento siano adatte alla sonda e che la scala verticale in volt/div sia corretta.

Anche se le sonde passive generiche sono spesso efficaci, sono meno adatte per misurare con precisione segnali con tempi di salita rapidi o circuiti sensibili al carico.

L'aumento costante della velocità di clock del segnale e della velocità di bordo richiede sonde a velocità più elevate con effetti di carico ridotti.Le sonde ad alta velocità attive e differenziali forniscono soluzioni ideali per la misurazione di segnali ad alta velocità e/o differenziali.

Le sonde attive e differenziali incorporano circuiti integrati progettati specificamente per collegare il circuito in prova al cavo della sonda e mantenere la massima integrità del segnale. Le ultime generazioni di sonde attive possono effettuare una varietà di misurazioni (differenziale, single-ended e modo comune), senza regolare le connessioni sonda-punta.

Le sonde logiche offrono un metodo conveniente per osservare i bus digitali, in quanto forniscono sonde di segnale e un sistema per collegare le connessioni a massa in modo compatto.

La misurazione di un segnale richiede due connessioni: una per la punta della sonda e l'altra per una connessione a massa, e questo aggiunge la quantità di spazio necessaria sul PCB in fase di prova per stabilire una buona connessione. Le sonde logiche dedicate riducono lo spazio richiesto utilizzando connettori speciali: ogni canale termina con una punta da sonda con un collegamento di massa separato, che semplifica il collegamento al circuito in prova.

Con una serie di connessioni di segnale in una sonda logica, è quindi possibile ridurre lo spazio totale richiesto attraverso l'uso di una connessione a massa comune. Un tipo di design ha un connettore da auto che facilita la creazione di soluzioni personalizzate. Ad esempio, quando si collega a pin quadrati, un adattatore che si collega alla testa della sonda consente di collegarsi a un header. Queste sonde offrono buone caratteristiche elettriche con un carico capacitivo minimo.

Altre famiglie di sonde particolari comprendono le sonde di corrente, le sonde per alte tensioni e le sonde per segnali ottici, che vengono utilizzate per misure più specializzate, come i bus di alimentazione ad alta tensione in corrente alternata o in corrente continua.

Le interfacce delle sonde degli oscilloscopi digitali più avanzati riconoscono automaticamente il tipo di sonda e configurano lo strumento in modo appropriato, compresa l'alimentazione. Le sonde attive hanno un proprio amplificatore e circuito buffer che richiede una sorgente di alimentazione in corrente continua.

Sono inoltre disponibili accessori per punte e punte di tipo particolare per migliorare l'integrità del segnale durante la misurazione dei segnali ad alta velocità. Ad esempio, gli adattatori del cavo di massa offrono flessibilità per la spaziatura tra la punta della sonda e le connessioni del cavo di massa al circuito in prova e mantengono lunghezze del cavo molto corte dalla punta della sonda al circuito in trova, per evitare di compromettere l'integrità della misurazione.

Comprendere le funzioni di misura integrate in un oscilloscopio

Una volta collegate le sonde, il passo successivo è quello di utilizzare le funzioni di misura presenti all'interno dell'oscilloscopio per valutare i parametri che ci interessano.

La maggior parte degli oscilloscopi digitali includono funzioni di misura automatizzate che semplificano e accelerano le attività di analisi comuni. Tuttavia, ci sono principi importanti dietro queste tecniche automatiche e comprendere come effettuare tali misurazioni manualmente aiuta a garantire la corretta configurazione dello strumento.

L'oscilloscopio è principalmente un dispositivo di misurazione della tensione, ma le misurazioni della tensione forniscono anche la possibilità di calcolare i valori di altri parametri, come la corrente e la potenza attraverso la legge di Ohm e la legge di potenza.

Anche se questi calcoli possono essere eseguiti a mano, molti degli strumenti odierni consentono di derivare queste proprietà automaticamente. L'analisi della forma del segnale può anche fornire importanti indizi sul comportamento del circuito in prova. Ad esempio, nei circuiti digitali, gli impulsi possono diventare distorti e causare un malfunzionamento del circuito digitale: una ragione importante per mantenere al minimo la distorsione dovuta all'effetto delle sonde.

Un'altra modalità utile è la visualizzazione XY. Questa modalità su un oscilloscopio fornisce un modo utile di analizzare le variazioni di fase tra due segnali periodici altrimenti identici.

Per eseguire questa misurazione, un segnale viene inviato come standard al sistema verticale, mentre l'altro è diretto al sistema orizzontale che normalmente sarebbe utilizzato per base dei tempi. La forma d'onda che risulta da questa disposizione è chiamata curva di Lissajous e diverse forme caratteristiche appariranno come modelli visivamente distinti.

Tradizionalmente, gli oscilloscopi a memoria digitale (DSO) possono avere qualche difficoltà a visualizzare in tempo reale i segnali in modalità XY e alcuni strumenti creano un'immagine XY accumulando punti di dati tramite cicli di acqusizione successivi nel tempo e quindi creando la curva di Lissajous, mentre gli oscilloscopi digitali con funzionalità DPO (fosfori digitali) riescono ad acquisisire e visualizzare in tempo reale anche i segnali in modalità XY.

Utilizzando processori interni ad alta velocità, gli oscilloscopi digitali offrono molte funzioni matematiche avanzate utili per interpretare le misurazioni e ridurre l'impatto della distorsione.

Ad esempio, l'inserimento di un blocco filtro digitale può essere utilizzato per estrarre caratteristiche del dispositivo sul circuito in prova. In molti casi, il blocco di elaborazione sarà abbastanza flessibile da fungere da filtro arbitrario e può essere utilizzato, ad esempio, per simulare gli schemi di pre-enfasi e de-enfasi utilizzati nei protocolli seriali ad alta velocità.

Con larghezze di banda che ora raggiungono le decine di gigahertz e software sempre più sofisticati che possono automaticamente estrarre i segnali, gli oscilloscopi digitali consentono di eseguire rapidamente il debug di una vasta gamma di problemi di circuito, ma una particolare attenzione alle tecniche di misurazione e di verifica garantiscono che il progettista non sia sviato da distorsioni indesiderate.

*Cliff Ortmeyer, Global Head of Technical Marketing di Farnell