De multe ori, scopul depanării unor echipamente electronice este acela de a depista defecte intermitente. Dacă sunteţi posesorii unui osciloscop şi afişarea rezultatelor măsurătorilor depinde de cum ţineţi sonda, cea mai probabilă cauză este sonda însăşi. De exemplu, există riscul ca, după ce ţineţi sonda bine şi citirea este perfectă, prin rotirea acesteia să fiţi pus în situaţia de a pierde total semnalul. Problema cea mare este aceea că, de îndată ce observaţi schimbarea semnalului la schimbarea unghiului de susţinere a sondei, veţi începe să vă puneţi întrebări cu privire la precizia tuturor citirilor anterioare.
Ajuns la acest moment, este momentul să vă cumpăraţi noi sonde de osciloscop. Întârzierea cumpărării nu face decât să amâne un deznodământ obligatoriu deoarece este bine ştiut că precizia unui osciloscop este total dependentă de calitatea sondelor utilizate. La fel se pune problema când se caută cumpărarea unor sonde pentru un osciloscop care nu le are din dotare. Alegerea unor sonde depinde puternic de scopul pentru care vor fi folosite, dar trebuie de la început precizat că utilizatorul nu trebuie să se simtă legat de cumpărarea sondelor scumpe oferite de fabricantul osciloscopului. Sonde de înaltă calitate sunt oferite de firme ca Pomona la preţuri mult mai mici, ele realizându-şi scopul la fel de bine ca cele originale.
Numărul mare de aplicaţii din industria electronică (împreună cu numărul mare de tipuri de osciloscoape) ajută la înţelegerea producţiei mari şi diversificate de sonde de osciloscop. Companii ca Pomona vând sonde care sunt adaptate multor modele de pe piaţă, iar pentru realizarea de măsurători precise este important să se înţeleagă specificaţiile tehnice ale unei sonde. Cel mai important este să se cunoască date despre capacitatea de intrare şi încărcarea circuitului, lăţimea de bandă şi răspunsul în frecvenţă, precum şi informaţii despre comportarea la zgomot. În final, când trebuie măsuraţi alţi parametri decât clasicele tensiuni, calitatea sondelor începe să joace un rol semnificativ.
Sonda ideală
Sondele au patru cerinţe esenţiale:
1. trebuie să se conecteze uşor la circuitul supus evaluării;
2. nu trebuie să încarce sursa de semnal;
3. trebuie să conducă la evaluarea precisă a semnalului;
4. trebuie să fie imune la zgomot.
În practică, totdeauna vor apărea unele încărcări datorită osciloscopului însuşi. Firesc, acestea vor conduce la apariţia de capacităţi şi inductanţe parazite şi la existenţa, imposibil de eliminat, a unui zgomot.
Aceste efecte pot fi minimizate prin utilizarea unor sonde standard, prin minimizarea lungimii cablurilor, prin folosirea unor sonde dimensionate corect şi alegerea unui adaptor corespunzător pentru intercoenctarea cu dispozitivul aflat sub test (DUT). Este, de asemenea esenţial, să se reţină regulile de utilizare în condiţii de siguranţă: să nu se depăşească niciodată tensiunea maxim admisibilă, să se folosească totdeauna procedurile corecte de legare la masă, şi conectarea (deconectarea) corectă a sondelor. Utilizatorul trebuie să îşi facă o obişnuinţă în a deconecta totdeauna sonda de la DUT înainte de a o deconecta de la osciloscop (de exemplu când se mută sonda de la un canal al osciloscopului la celălalt). Se recomandă, de asemenea, evitarea lucrului în condiţii de umezeală.
Ideal, o sondă performantă ar trebui să aibă o rezistenţă de intrare infinită, o capacitate de intrare nulă şi o rejecţie infinită a zgomotului.
Realizarea unui compromis rezonabil între aceste cerinţe şi preţ a condus la trei mari categorii de sonde:
• sonde pasive de uz general;
• sonde active pentru înaltă frecvenţă;
• sonde diferenţiale pentru eliminarea perturbaţiilor de mod comun.
Sonde de uz general
Sondele pasive 1:1 de uz general (numite şi sode X 1, a se vedea figura 1) au fost iniţial proiectate pentru a satisface cerinţele primare pentru realizarea unei conectări uşoare între circuitul aflat sub test şi intrarea osciloscopului. Iniţial o astfel de sondă era în linii mari un tester format dintr-un fir conductor ecranat şi proiectat ergonomic astfel încât să se conecteze uşor la circuit, un exemplu fiind acela al dotării sondei cu mici crocodili pentru realizarea conectării cu DUT sau CUT (Circuit Under Test).
Aceste sonde (figura 2) oferă o extensie 1:1 a canalului de intrare al osciloscopului şi tensiunea DUT este aplicată direct pe intrarea osciloscopului. La vârful acestui tip de sondă “se vede” rezistenţa de intrare a instrumentului conectat. Dezavantajul sondei este că, pe lângă rezistenţa de intrare văzută la vârful sondei, în paralel cu aceasta vedem întreaga capacitate a cablului ca şi capacitatea de intrare proprie a osciloscopului.
Creşterea frecvenţei de test duce la creşterea încărcării circuitului. În proiectele practice sonda 1:1 are prevăzută din construcţie o anumită rezistenţă serie pentru a reduce oscilaţiile de stabilire pe palier (ringing) şi aceasta, împreună cu impedanţa de ieşire a circuitului, reduce banda utilă a sondei 1:1 la doar câţiva MHz. Când se lucrează cu o astfel de sondă utilizatorul trebuie să ştie că circuitul este încărcat cu o capacitate de 50 … 150 pF. Nu toate circuitele electronice vor continua să funcţioneze corect după introducerea acestei impedanţe de sarcină.
Reducerea încărcării circuitului
Soluţia pentru reducerea încărcării circuitului (cauzată de capacitatea mare a sondei 1:1) o reprezintă utilizarea sondelor 10:1, sonde care prezintă doar o zecime a capacităţii cablului de conectare la osciloscop la nivelul vârfului lor. Sondele 10:1 au integrate la nivelul vârfului divizoare de tensiune (figura 3).
Divizorul maschează capacitatea cablului aproximativ cu acelaşi factor cu cel specificat la divizarea de tensiune. Astfel, o atenuare de tensiune de 10:1 oferă şi o capacitate la vârful sondei de 10 ori mai mică. Acest lucru permite lărgirea benzii de frecvenţă şi reducerea încărcării circuitului. Un avantaj suplimentar al sondelor 10:1 este acela că ele permit ajustări şi corecţii prin gestionarea valorilor componentelor folosite, rezultând o bandă mai mare şi un răspuns plat în frecvenţă.
Efectul divizorului de tensiune depinde de impedanţa de intrare a osciloscopului la care este conectată sonda. În general osciloscoapele sunt construite să prezinte o rezistenţă de intrare de 1MW, iar o capacitate paralel de 10 … 25 pF este de neevitat. Sondele sunt proiectate pentru a lucra cu această impedanţă şi oferă o atenuare de 10:1. Acestea au o impedanţă de 10M în paralel cu aproximativ 10 … 15 pF, dând în final o încărcare redusă a circuitului şi o bună bandă de frecvenţă. Utilizarea divizorului 10:1 conduce la un avantaj suplimentar deloc de neglijat: posibilitatea lucrului cu tensiuni de test mai mari, fapt ce face ca aceste sonde să reprezinte soluţia optimă în aplicaţii de uz general. La măsurarea semnalelor de joasă tensiune, sondele X 1 sau cele comutabile X 1 / X 10 sunt cele mai bune, cu condiţia să se ţină cont de limitările de bandă introduse.
Comutarea factorilor de atenuare
Sub 1 MHz încărcarea circuitului este dată de rezistenţa de intrare a sondei. Peste această frecvenţă capacitatea de intrare începe să îşi facă simţită prezenţa. Comutarea între diverşi factori de atenuare schimbă rezistenţa şi capacitatea de intrare, modificând astfel lăţimea de bandă şi timpul de front asociat. O sondă 10:1 sau 100:1 va compensa în aşa fel capacitatea de intrare încât va oferi un raport frecvenţă/atenuare plat.
Poate fi necesar câteodată să se realizeze o ajustare a compensării sondei la mutarea acesteia între canalele osciloscopului. De aceea sondele trebuie să aibă o piesă de ajustare special prevăzută pentru acest scop. Domeniul de compensare a unei sonde este plaja dintre valorile minimă şi maximă ale capacităţii de intrare a osciloscopului cu care sonda încă poate fi utilizată, în condiţiile în care răspunsul în frecvenţă este în continuare plat. De exemplu, dacă o sondă poate fi ajustată corect când lucrează cu osciloscoape care au o capacitate de intrare de 12 pF şi la fel de bine cu osciloscoape care au o capacitate de intrare de 35 pF, atunci domeniul de compensare este de la 12 la 35 pF.
Reactanţa sondei afectează banda sistemului
Reactanţa sondei reprezintă factorul primar în determinarea benzii la 3dB a sistemului osciloscop/sondă. Banda este definită ca fiind frecvenţa maximă care poate fi afişată cu o amplitudine nu mai mică de 3dB decât amplitudinea semnalului de test. Verificarea se face prin compararea răspunsului la înaltă frecvenţă cu cel la joasă frecvenţă.
Fabricanţii de osciloscoape indică “banda utilă a sistemului”. Aceasta este banda osciloscopului la care sonda poate fi utilizată fără reducerea benzii totale a sistemului. Astfel, o sondă care este oferită pentru a fi utilizată cu un osciloscop de 100 MHz trebuie să nu introducă limitări şi să ofere o bandă a sistemului tot de 100 MHz. Rareori un utilizator va găsi date despre banda proprie a unei sonde deoarece aceasta este dificil de determinat şi nu conduce la nici un avantaj concret. Ceea ce este important este faptul că sondele trebuie să aibă aceeaşi bandă sau una mai mare decât cea a osciloscopului. Când se specifică, de exemplu, că un anumit tip de sondă poate fi conectată cu un osciloscop de 200 MHz, atunci utilizatorul poate fi sigur că banda sondei este egală sau mai mare decât cea a osciloscopului.
– continuare în numărul viitor –
dwight.hyland@fluke.com