Quando pensiamo all'accuratezza delle misurazioni, tendiamo a consultare le schede tecniche degli oscilloscopi per controllare specifiche come la velocità di campionamento, la larghezza di banda e la risoluzione del convertitore analogico/digitale (ADC).
Tuttavia, se vogliamo davvero assicurarci che il segnale sullo schermo dell'oscilloscopio sia accurato, dobbiamo andare oltre l'oscilloscopio, più vicino al dispositivo in prova o DUT. Un fattore critico ma spesso trascurato per ottenere misurazioni accurate è, infatti, rappresentato dalla qualità della sonda utilizzata per collegare l'oscilloscopio al DUT.
Un oscilloscopio a 8 canali che utilizza appieno i suoi ingressi per testare un'applicazione di azionamento motoreLa sonda giusta, se usata correttamente, garantisce che il segnale che giunge all'oscilloscopio sia “pulito” ed esente da distorsione. Senza un adeguato condizionamento del segnale, anche un oscilloscopio ad alta risoluzione può produrre risultati fuorvianti, rendendolo meno efficace negli scenari di misura pratici. Se vogliamo che l'oscilloscopio fornisca la rappresentazione più accurata di ciò che accade nel DUT, il sistema di sonde è dove tutto inizia.
Le sonde sono strumenti essenziali che devono essere considerati e valutati da ogni punto di vista, tenendo ben presenti elementi come la sicurezza, la precisione e l’usabilità.
È altresì cruciale assicurarsi che il sistema di sonde sia appropriato per l’utilizzo che se ne vuole fare, e vanno valutati accuratamente elementi come il tipo di sonda utilizzata, le sue specifiche, le caratteristiche della punta della sonda e persino il modo in cui la sonda viene maneggiata.
L’offerta di un'ampia gamma di sonde adatte a diverse applicazioni è importante quanto la proposta di risorse che aiutino a scegliere la sonda giusta e a utilizzarla correttamente. In questo articolo analizzeremo perché le sonde sono essenziali per assicurare la fedeltà del segnale, le capacità delle sonde passive e di quelle attive, quando usare una sonda piuttosto che un’altra e le specifiche importanti delle punte delle sonde.
Non esiste un unico parametro per specificare l'accuratezza con cui un oscilloscopio misura un segnale. Una comune misconcezione è quella di confondere l'accuratezza con la risoluzione nominale dell’ADC (convertitore analogico-digitale) dell'oscilloscopio.
Sebbene una risoluzione ADC più elevata significhi una rappresentazione più precisa di un segnale, questo parametro, individualmente, non tiene conto di problemi come la distorsione o il rumore del segnale e non considera la qualità del percorso critico del segnale che alimenta l'ADC.
Un modo per tenere conto di questi problemi è specificare l'ENOB (numero di bit “effettivi”) come misura della risoluzione effettiva di un ADC dopo aver tenuto conto di rumore, distorsione e altre imperfezioni nella catena di misura front-end dell'oscilloscopio.
Un componente chiave di questa catena di misura è il sistema di sonde. Per ottenere un ENOB più elevato, sia l'oscilloscopio che il sistema di sonde devono essere ottimizzati. Ecco perché l'accoppiamento di un oscilloscopio ad alta risoluzione con una sonda di bassa qualità può determinare misure meno accurate rispetto all'uso di una sonda di alta qualità, che sarà capace di mantiene la fedeltà del segnale, consentendo all'oscilloscopio di utilizzare appieno la sua risoluzione, fornendo così misurazioni accurate.
Le sonde più comuni per le misure generiche sono le sonde passive, spesso incluse con l'oscilloscopio. Le sonde passive standard sono uno strumento comunemente trascurato. Ogni stadio di ingresso dell’oscilloscopio ha infatti una tensione massima che può gestire senza che il segnale vada in clipping o danneggi l'oscilloscopio se sovraccaricato troppo a lungo.
Le sonde passive attenuano l'ampiezza del segnale prima che raggiunga l'oscilloscopio per garantire che quest'ultimo possa gestirlo, rendendole uno strumento molto importante per la fedeltà del segnale.
Una tipica configurazione di test a doppio impulso per la caratterizzazione di dispositivi di commutazione di potenza dinamiciOggi le sonde passive possono offrire una larghezza di banda molto ampia, fino a 1 GHz, e un carico capacitivo molto ridotto per mantenere la fedeltà del segnale nelle applicazioni ad alta impedenza. Infatti, le sonde passive sono progettate per misurare segnali provenienti da circuiti ad alta impedenza senza interferire con il circuito stesso; per evitare di influenzare il circuito, le sonde richiedono una capacità molto bassa e una larghezza di banda sufficientemente ampia per catturare accuratamente un'ampia gamma di frequenze di segnale.
Un'altra categoria di sonde è quella delle sonde attive, utilizzate principalmente per misurare segnali digitali high speed. L'uso di sonde passive in queste applicazioni sovraccaricherebbe il circuito e limiterebbe la larghezza di banda del segnale. Le sonde attive sono dotate di accurati amplificatori integrati e presentano un basso carico sul circuito per mantenere la fedeltà del segnale, quindi soddisfano molto meglio questa esigenza.
In alcuni casi, come nei dispositivi di potenza a commutazione rapida, sono necessarie sonde in grado di gestire un'ampia gamma di velocità di segnale e tensioni molto elevate. Per tali casi, si utilizzano sonde differenziali di alta qualità dotate di un'elevata larghezza di banda e capaci di tollerare tensioni elevate.
Fig. 3: Una sonda di corrente isolata connessa ad uno shunt durante il rilevamento della corrente in una configurazione fuori terra
Una sonda di corrente isolata connessa ad uno shunt durante il rilevamento della corrente in una configurazione fuori terraL'elettronica di potenza a commutazione rapida può anche richiedere l'isolamento galvanico per ottenere prestazioni di reiezione di modo comune su un'ampia larghezza di banda, quando è necessario effettuare misurazioni fuori massa su mosfet a commutazione flottante. L'isolamento in questo contesto applicativo è fondamentale, poiché la reiezione del rumore e delle interferenze provenienti da ambienti rumorosi, quando si ha a che fare con piccoli segnali differenziali sovrastati da un grande rumore di modo comune, può essere fondamentale per garantire capacità di misura accurate.
Nel sistema composto di sonde, cavi, adattatori e punte, ogni elemento contribuisce alla fedeltà del segnale mantenendo schermatura e isolamento, evitando che i loop di massa e il rumore di modo comune influenzino il segnale.
È fondamentale fornire un sistema con punte e accessori specificamente progettati e ottimizzati per i diversi tipi di punti di test, come conduttori a passo fine, pad di test o componenti cosiddetti through-hole. L'uso della punta corretta garantisce la cattura del segnale senza introdurre resistenze, capacità o induttanze aggiuntive che potrebbero influire sulla fedeltà del segnale.
L’assenza di sonde di alta qualità può portare a misurazioni scadenti, anche quando si utilizza un oscilloscopio con alta risoluzione ADC. Se i segnali sono compromessi prima di raggiungere l'oscilloscopio, anche un oscilloscopio ad alta risoluzione fornirà una rappresentazione inaccurata. Un condizionamento adeguato del segnale con le sonde appropriate garantisce che il segnale venga trasmesso fedelmente dal circuito in esame all'oscilloscopio, preservando la fedeltà del segnale.
Una sonda di alta qualità preserva le caratteristiche di ampiezza, contenuto di frequenza e fase senza introdurre rumore, distorsione o effetti di carico significativi. Se l'accuratezza della misura rappresenta uno dei nostri obiettivi, la fedeltà del segnale end-to-end deve essere la priorità.
*Misbah Dhuca è Technical Marketing Manager di Tektronix, dove combina i suoi anni di esperienza nel campo dei test e delle misure con l’obiettivo di aiutare ingegneri e tecnici a perseguire i propri progetti. Dedicandosi a rendere accessibili concetti complessi, crea contenuti che condividono consigli di esperti e applicazioni pratiche per guidare i progettisti verso risultati di test precisi e affidabili. Misbah è convinta che le giuste conoscenze possano consentire ai team di ottimizzare i propri strumenti e di spingersi oltre i confini del possibile nel campo dell'ingegneria.
