La sonda è spesso considerata un semplice accessorio, ma è l'elemento che collega fisicamente lo strumento al circuito e ne condiziona in modo diretto banda, accuratezza e fedeltà della misura. Conoscerne il funzionamento, i limiti e le diverse tipologie è indispensabile per ottenere risultati affidabili.

Nel primo articolo di questa serie si è visto come la banda di un sistema di misura dipenda dalla combinazione tra oscilloscopio e sonda.

Quest'ultima, però, diventa anche parte del circuito in prova: ne preleva energia, introduce capacità e induttanze parassite e, se collegata in modo scorretto, può generare forme d'onda che nel circuito non esistono.

Idealmente la sonda dovrebbe trasferire il segnale allo strumento con la massima fedeltà, alterando il meno possibile il comportamento del circuito; le diverse tipologie disponibili rappresentano altrettanti compromessi tra queste due esigenze, a cui si aggiungono gamma di tensione, sicurezza dell'operatore e costo.

La sonda passiva 10×

La sonda passiva con attenuazione dieci a uno è fornita di serie con la quasi totalità degli oscilloscopi. Nella testa della sonda è presente un resistore da 9 MΩ che, con la resistenza d'ingresso di 1 MΩ dello strumento, forma un partitore 10:1 e presenta al circuito una resistenza di 10 MΩ.

Da solo, però, il partitore resistivo non funzionerebbe: la capacità del cavo e quella d'ingresso dell'oscilloscopio, nell'ordine di qualche decina di picofarad, formerebbero con il resistore da 9 MΩ un filtro passa-basso con frequenza di taglio di poche decine di kilohertz.

Il resistore della sonda è quindi affiancato da una piccola capacità e il partitore diventa compensato: quando le costanti di tempo, cioè i prodotti tra resistenza e capacità, dei due rami sono uguali, il rapporto di attenuazione rimane costante a qualsiasi frequenza. Poiché la capacità d'ingresso varia da uno strumento all'altro e da un canale all'altro, un condensatore regolabile, collocato di norma nel connettore, consente di ristabilire questa condizione.

Fig. 1: Schema equivalente semplificato di una sonda passiva 10×. Il resistore nella testa della sonda da 9 MΩ e la resistenza d'ingresso dell'oscilloscopio da 1 MΩ formano il partitore resistivo; la capacità nella punta e la capacità regolabile di compensazione rendono il rapporto di attenuazione indipendente dalla frequenza, a condizione che le costanti di tempo dei due rami siano uguali.

Il rovescio della medaglia dell'attenuazione introdotta dal partitore compensato è una sensibilità dieci volte inferiore, che penalizza i segnali di piccola ampiezza.

Il vantaggio è un carico molto più leggero sul circuito: la capacità vista dalla punta scende a 8-12 pF, contro i circa 100 pF di una sonda 1×, nella quale cavo e ingresso dello strumento sono collegati direttamente al punto di misura.

Per la stessa ragione la banda delle sonde 1× è limitata a qualche megahertz, mentre le sonde passive 10× raggiungono diverse centinaia di megahertz.

Sulle sonde con commutatore 1×/10× è buona norma verificarne la posizione prima di ogni misura, insieme al fattore di attenuazione impostato sull'oscilloscopio.

La compensazione: un'operazione da non trascurare

Una sonda non compensata altera in modo sistematico la risposta in frequenza, attenuando o esaltando le componenti ad alta frequenza rispetto a quelle a bassa frequenza. L'effetto si osserva collegando la sonda al segnale a onda quadra, tipicamente a 1 kHz, disponibile sul pannello frontale dell'oscilloscopio (indicato tipicamente come Probe Comp o Cal): con la compensazione corretta si ottengono fronti netti e livelli piatti, una sottocompensazione produce fronti arrotondati e una sovracompensazione genera picchi in corrispondenza delle transizioni.

L'errore riguarda anche le misure di ampiezza, che possono risultare falsate di diversi punti percentuali. La regolazione va ripetuta ogni volta che si sposta la sonda su un altro canale o strumento.

Fig. 2: Effetto della compensazione su un'onda quadra a 1 kHz, simulata con il circuito equivalente di Figura 1. Al centro la condizione corretta; a sinistra la capacità di compensazione è insufficiente e i fronti risultano arrotondati; a destra è eccessiva e produce picchi che non appartengono al segnale.

L'effetto di carico

Ogni sonda presenta al circuito un'impedenza finita, in parallelo al nodo da misurare.

In continua i 10 MΩ di una sonda passiva 10× sono trascurabili nella maggior parte dei casi, ma la reattanza della componente capacitiva diminuisce al crescere della frequenza: 10 pF corrispondono a 100 MHz a circa 160 Ω.

Su un nodo con impedenza di sorgente di alcune decine di ohm, come l'uscita di una porta logica, l'effetto si traduce in un rallentamento dei fronti; su un nodo ad alta impedenza, come un oscillatore a quarzo, la sonda può modificare la frequenza di funzionamento o perfino arrestare il circuito. Un semplice controllo consiste nel verificare se il segnale cambia collegando una seconda sonda allo stesso nodo.

Fig. 3: Modulo dell'impedenza d'ingresso in funzione della frequenza per diverse tipologie di sonda, calcolato con valori tipici. La sonda passiva 10× offre un'impedenza elevata solo alle basse frequenze; la sonda attiva, grazie alla capacità inferiore al picofarad, mantiene un'impedenza più alta fino a frequenze molto superiori; la sonda passiva a bassa impedenza presenta un valore modesto ma costante fino al gigahertz.

Esiste anche una famiglia di sonde passive a bassa impedenza, progettate per l'ingresso a 50 Ω dell'oscilloscopio: un resistore nella testa della sonda da 450 Ω o 950 Ω forma un partitore 10:1 o 20:1 con capacità parassite di pochi decimi di picofarad.

L'impedenza di carico, di 500 Ω o 1 kΩ, è modesta, ma rimane quasi costante fino a diversi gigahertz, il che rende queste sonde adatte a segnali veloci su circuiti a bassa impedenza, ma non a nodi ad alta impedenza.

Il collegamento di massa

Il conduttore di massa con terminale a coccodrillo è comodo, ma rappresenta una delle principali fonti di errore ad alta frequenza.

Un conduttore di 15 cm ha un'induttanza dell'ordine di 150 nH, secondo la regola pratica di circa 1 nH per millimetro, che forma con la capacità della punta un circuito risonante serie.

Con 10 pF la risonanza cade intorno a 130 MHz e ogni fronte veloce eccita un'oscillazione smorzata che viene spesso scambiata per un fenomeno reale del circuito.

Con una molla di massa di circa un centimetro l'induttanza scende a una decina di nanohenry e la risonanza si sposta verso i 500 MHz, con effetti molto più contenuti.

L'anello formato da punta e massa capta inoltre i campi magnetici circostanti, aspetto critico vicino ai convertitori di potenza: collegando la punta al proprio terminale di massa, vicino al punto di misura e con il circuito in funzione, si visualizza proprio il disturbo captato.

Fig. 4: Simulazione della risposta a un fronte di 0,7 ns osservato con una sonda passiva da 10 pF, con un conduttore di massa da 15 cm e con una molla di massa da 1 cm, ipotizzando un'impedenza di sorgente di 25 Ω. Il conduttore lungo produce un'oscillazione a circa 130 MHz di ampiezza paragonabile al segnale; la molla riduce drasticamente l'effetto.

Le sonde attive

Quando banda o effetto di carico delle sonde passive non sono più accettabili si ricorre alle sonde attive, nelle quali un amplificatore a transistor a effetto di campo è collocato nella testa della sonda, a pochi millimetri dal punto di misura.

La capacità vista dal circuito scende sotto il picofarad e l'amplificatore pilota il cavo verso l'ingresso a 50 Ω dello strumento, con bande da qualche centinaio di megahertz a decine di gigahertz. 

I limiti delle sonde attive riguardano la dinamica d'ingresso, in genere di pochi volt, la tensione massima applicabile e la sensibilità alle scariche elettrostatiche. L'alimentazione è fornita dalle interfacce proprietarie dei costruttori, che comunicano anche all'oscilloscopio tipo di sonda, attenuazione e dati di correzione.

Una categoria particolare è quella delle sonde per linee di alimentazione, che combinano attenuazione unitaria, basso rumore e un ampio offset per osservare variazioni di pochi millivolt sovrapposte a una tensione continua, come le sonde attive per linee di alimentazione di Teledyne LeCroy. Il tema sarà ripreso nell'articolo dedicato alla power integrity.

Le misure differenziali

Una sonda convenzionale misura la tensione tra la punta e la massa dell'oscilloscopio, collegata alla terra di protezione. Molte grandezze di interesse sono però riferite a nodi flottanti: la tensione gate-source di un transistor nel ramo superiore (high-side) di un circuito di commutazione, la caduta su un resistore di misura, i segnali delle linee differenziali.

Collegare la massa di una sonda passiva a un nodo flottante significa cortocircuitarlo verso terra attraverso lo strumento, con conseguenze potenzialmente distruttive; isolare l'oscilloscopio dalla rete per farlo fluttuare è invece una pratica pericolosa per l'operatore. La sottrazione dei segnali di due sonde passive, infine, soffre di una scarsa reiezione di modo comune, che peggiora rapidamente con la frequenza.

Le sonde differenziali attive amplificano direttamente la differenza tra i due ingressi. Il parametro chiave è il rapporto di reiezione di modo comune (CMMR), da valutare sempre in funzione della frequenza, perché valori molto elevati in continua possono ridursi di ordini di grandezza alle frequenze dei fronti di commutazione.

Le sonde differenziali per bassa tensione sono destinate ai segnali differenziali veloci; quelle per alta tensione coprono le applicazioni di potenza, con bande da qualche decina a qualche centinaio di megahertz. Occorre sempre verificare la categoria di misura e la tensione massima verso terra di ciascun accessorio.

Le sonde isolate otticamente

Con i transistor al nitruro di gallio e al carburo di silicio molte sonde differenziali tradizionali sono diventate inadeguate: con fronti oltre i 100 V/ns, anche una piccola tensione di modo comune non soppressa introduce errori di diversi volt sulla tensione di gate di un transistor nel ramo superiore del circuito di commutazione.

Le sonde isolate otticamente separano galvanicamente la testa dall'oscilloscopio, trasmettendo il segnale su fibra ottica.

Ad esempio, le sonde IsoVu di Tektronix offrono bande fino a 1 GHz, tensioni di modo comune fino a 60 kV di picco e una reiezione di 160 dB fino a 1 MHz e di 80 dB a 1 GHz. Le sonde RT-ZISO di Rohde & Schwarz offrono bande da 100 MHz a 1 GHz, aggiornabili, una reiezione superiore a 90 dB a 1 GHz e una dinamica fino a ±3000 V. Le sonde DL-ISO di Teledyne LeCroy sono disponibili da 350 MHz, 700 MHz e 1 GHz, con 160 dB di reiezione e punte intercambiabili per dinamiche da 2 a 2500 V. Il collegamento avviene preferibilmente tramite connettori MMCX o terminali saldati vicino al punto di misura.

Le sonde di corrente

La corrente può essere misurata attraverso la tensione su un resistore di misura in serie al circuito, con bande elevate ma con la necessità di intervenire sul circuito e spesso di misurare su un nodo flottante, come con le sonde isolate per shunt TICP di Tektronix, oppure attraverso il campo magnetico, con sonde a pinza non invasive.

Quelle a trasformatore misurano solo la componente alternata; quelle che combinano un sensore a effetto Hall con un trasformatore misurano anche la continua, come quelle delle famiglie CPxxxx di Teledyne LeCroy. Per correnti di centinaia o migliaia di ampere si ricorre a pinze di maggiori dimensioni, con bande più limitate, o alle bobine di Rogowski, flessibili ma insensibili alla continua.

Le sonde a effetto Hall richiedono la smagnetizzazione del nucleo e l'azzeramento dell'offset prima della misura, operazioni oggi attivabili dall'oscilloscopio, e risentono della deriva termica.

Quando si misurano insieme tensione e corrente per calcolare potenze e perdite di commutazione è inoltre indispensabile compensare il diverso ritardo di propagazione delle due sonde: uno sfasamento di pochi nanosecondi può falsare in modo rilevante l'energia calcolata durante le transizioni. Per questa operazione, detta deskew, sono disponibili apposite adattatori e funzioni automatiche negli oscilloscopi.

Come orientarsi nella scelta

Per segnali riferiti a massa con ampiezze di qualche volt e bande fino a qualche centinaio di megahertz la sonda passiva 10× resta valida, purché compensata e con un collegamento di massa minimo.

Con bande più elevate o nodi sensibili al carico capacitivo servono sonde attive; per segnali differenziali o nodi flottanti sonde differenziali; per i nodi di commutazione dei convertitori con dispositivi a banda proibita larga sonde isolate otticamente.

Per le misure di corrente vanno valutate banda, ampiezza, componente continua e possibilità di intervenire sul circuito.

Nessuna sonda, tuttavia, compensa un collegamento eseguito male: prevedere già in fase di progetto della scheda punti di misura adeguati, con piazzole di massa vicine o connettori coassiali, è spesso il modo più efficace per ottenere misure affidabili.

Accuratezza della sonda e dell'oscilloscopio, incertezza di misura e taratura saranno l'argomento del prossimo articolo della serie.