Análisis del mundo real de sondas de osciloscopio

Las sondas de osciloscopio son una parte esencial de su configuración de laboratorio si tiene un osciloscopio, pero ¿alguna vez se ha detenido a considerar cómo las sondas podrían estar afectando la señal que está estudiando cuidadosamente para entender el comportamiento de su circuito o analizar el rendimiento de un componente?

Este artículo examinará diferentes sondas de osciloscopio, comparará el rendimiento, verá cómo las sondas afectan lo que ve y determinará qué sondas son mejores para su aplicación. Para obtener resultados completos, complementé mis sondas de alta calidad con algunas de las sondas más baratas disponibles en Amazon y Digi-Key para ver las diferencias.

Al mirar las diferentes opciones disponibles, la expectativa era que las sondas baratas serían todas malas y las sondas caras generalmente serían mejores. Sin embargo, los resultados pueden ser una sorpresa.

Análisis de Sondas de Osciloscopio

El análisis del rendimiento de las sondas de osciloscopio tenía como objetivo descubrir más sobre diferentes tipos de sondas y entender cómo impactan en las mediciones usando una gama de sondas en escenarios del mundo real.

El rendimiento de la sonda es particularmente crítico cuando se observan señales de alta velocidad, una sonda de baja calidad no solo fallará en mostrar una forma de onda precisa, sino que sus propiedades capacitivas e inductivas pueden afectar el funcionamiento del circuito que está tratando de monitorear. Por lo tanto, es vital que comprenda qué sonda está utilizando y cómo afectará las señales que está tratando de medir.

Los problemas con las diferencias de sondas pueden ser particularmente problemáticos en laboratorios más grandes donde puede tener acceso a muchos tipos diferentes de sondas. Las mediciones registradas al probar un circuito probablemente serán diferentes si regresa y vuelve a medir usando otras sondas. Esta es una de las razones por las que necesita tener registros completos de qué equipo de prueba usa, incluyendo qué sondas y cables para pruebas formales de verificación y validación. 

Las sondas de osciloscopio probadas fueron las siguientes:

• Rigol PVP2150 sonda de 150MHz
• Rigol PVP2350 sonda de 350MHz
• Keysight N2140A sonda de 200MHz
• Keysight N2889A sonda de 350MHz
• Keysight N2894A sonda de 700MHz
• Pico Technology TA375 sonda de 100MHz
• Digilent P6100 460-004 sonda de 100MHz
• Youmile P6100 sonda de 100MHz
• YPioneer sonda de alto voltaje P4200 de 100MHz

Explicación de las Sondas de Osciloscopio

Una sonda de osciloscopio ideal duplicará la señal que mide en la placa de circuito con absoluta fidelidad en el osciloscopio sin cargar el circuito o permitir que el ruido degrade la señal. La realidad es que siempre habrá algún elemento de distorsión de la señal, carga y ruido. Los compromisos típicos son minimizar los efectos adversos tanto en la placa de circuito como en la señal medida dentro de las restricciones presupuestarias.

Existen dos tipos principales de sondas, pasivas y activas. Como sugiere el nombre, las sondas pasivas utilizan componentes pasivos para atenuar la señal de modo que la máxima diferencia de potencial de la señal medida esté dentro de los límites del osciloscopio. En su forma más simple, una sonda pasiva sin atenuación es efectivamente un largo de cable. Las sondas activas utilizan un circuito activo, típicamente basado en amplificadores operacionales, para minimizar la impedancia de entrada y mejorar la sensibilidad. La sonda ideal tiene una alta impedancia de entrada y baja capacitancia de entrada.

Por lo general, las sondas utilizan cables coaxiales blindados para minimizar el ruido, lo que suma a las propiedades inductivas y capacitivas de las sondas pasivas. Usualmente, las sondas incluyen un circuito de compensación que permite el ajuste manual de los parámetros de impedancia para minimizar el efecto en el circuito al que está conectada la sonda. Por supuesto, esta impedancia variará con la frecuencia, por lo que siempre es esencial ajustar la compensación a la frecuencia de la señal medida. También podemos ver que la longitud del cable entre la cabeza de la sonda y el conector del osciloscopio afectará las mediciones, particularmente el ancho de banda. Este impacto es la razón por la cual los cables de las sondas son lo suficientemente largos para ser útiles pero no más largos de lo necesario.

También están disponibles sondas de osciloscopio especializadas para aplicaciones como mediciones de alto voltaje que generalmente no se encuentran en las placas de circuitos electrónicos generales. Estas incluirán características de seguridad para proteger al usuario del riesgo de choque eléctrico.

Al elegir una sonda de osciloscopio, hay varios factores importantes a considerar.

• Ancho de banda define la máxima frecuencia efectiva que la sonda puede medir con precisión, especificada usando el punto de -3dB de la señal. Las señales que excedan significativamente esta frecuencia, en el mejor de los casos, serán atenuadas y perdidas y, en el peor de los casos, extremadamente distorsionadas, dando mediciones engañosas.
• Tiempo de subida define el cambio transitorio más rápido de la señal que la sonda puede medir con precisión, básicamente la inclinación de la pendiente de una señal de cambio rápido.

El osciloscopio y la sonda limitarán la máxima frecuencia y tiempo de subida que puedes medir con precisión, lo que puede convertirse en un factor seriamente restrictivo al observar señales de reloj digitales donde un tiempo de subida preciso depende de la medición precisa de los componentes de señal de alta frecuencia de la señal de onda cuadrada.

La máxima diferencia de potencial medible que la sonda puede medir con precisión es el rango dinámico. Esto generalmente se especifica para componentes de señal de corriente directa y típicamente se reducirá a medida que la frecuencia de la señal aumenta. Están disponibles sondas de medición diferencial, especificando tanto los valores de modo común como de modo diferencial del rango dinámico. También hay sondas diseñadas para medir fuentes de alimentación, ajustadas para medir la pequeña señal alterna impuesta sobre una señal significativa de corriente directa.

Enfoque de Prueba de Sondas de Osciloscopio

El proceso de prueba utilizó análisis de respuesta en frecuencia basado en diagramas de Bode en las diversas sondas disponibles a lo largo de una amplia banda de frecuencia. Los osciloscopios empleados para la prueba de sondas tienen una capacidad interna para este tipo de pruebas, pero están limitados a un máximo de 50MHz. Para producir una comparación a lo largo de un ancho de banda más amplio y representativo, se programó un Generador de Formas de Onda Arbitrarias Siglent SDG7102A para avanzar a través de frecuencias de 700kHz a 700MHz. El osciloscopio utilizado para la prueba de sondas limitó este ancho de banda de prueba. El Generador de Formas de Onda también habilitó la prueba de la respuesta de tiempo de subida, capaz de generar señales con un borde ascendente con una tasa de 500 picosegundos.

El enfoque de la prueba se centró principalmente en el caso de uso típico de sondear señales con elementos de alta velocidad en lugar de simplemente medir ondas senoidales de alta velocidad. Este método de prueba representa el uso típico de sondas de osciloscopio, proporcionando resultados más valiosos para los diseñadores de circuitos. Veremos que el análisis de respuesta en frecuencia proporcionó algunos insights fascinantes.

Un aspecto crítico de la prueba fue asegurar la correcta compensación de las sondas para que los resultados pudieran ser cruzados y comparados para producir una evaluación de rendimiento cualitativa.

Hallazgos de la Prueba de Sondas de Osciloscopio

Puedes ver mejor los resultados de las pruebas en el video acompañante de este artículo, donde puedes observar las formas de onda producidas por cada sonda y ver las diferencias y, en algunos casos, la falta de diferencia en los resultados. 

Por ejemplo, la prueba de dos sondas Rigol con anchos de banda especificados de 150MHz y 350MHz produjo una respuesta en frecuencia casi idéntica, incluyendo la forma de la onda y el overshoot sostenido.

Estos resultados sugieren que eran funcionalmente idénticas y solo etiquetadas de manera diferente. Este resultado se correlaciona con evidencia anecdótica de usuarios de estas sondas.

Uno de los hallazgos clave fue los resultados de ancho de banda, con algunas sondas demostrando un punto de -3dB que superó con creces el valor de especificación. Por ejemplo, las sondas Rigol capturaron señales con un borde ascendente de aproximadamente 750 picosegundos, correspondiendo a un ancho de banda de unos 460MHz. Esto supera sus anchos de banda especificados de 150MHz y 350MHz. Curiosamente, la sonda Keysight N2140A de 200MHz también tuvo un ancho de banda observado de unos 460MHz.

Resumen de Resultados Rigol

La sonda Rigol PVP2150 de 150MHz y la sonda Rigol PVP2350 de 350MHz produjeron formas de onda medidas casi idénticas.

Rigol PVP2150

Rigol PVP2350

Resumen de Resultados de Keysight

El económico Keysight N2140A viene en paquetes de dos sondas con compensación de fábrica precisa y resultados excepcionales en mediciones de prueba de bordes rápidos. La forma de onda medida se correlacionó en gran medida con la señal de prueba de origen, ofreciendo una precisión de medición excelente.

Las observaciones de la sonda Keysight N2889A de 350MHz, de mayor calificación, mostraron que producía una forma de onda medida más representativa en comparación con la forma de onda de la señal que los modelos Rigol más económicos. Esta sonda produjo una representación de forma de onda excepcional de la tasa de borde a lo largo de un ancho de banda de aproximadamente 460MHz. Sin embargo, dado que su costo es más de cinco veces el de la opción de Rigol de bajo costo, los resultados no fueron significativamente mejores. Un punto a destacar es que la capacitancia de entrada de esta sonda es mayor que la de la prueba de sonda Keysight de menor ancho de banda, lo cual es esencial al sondear señales en puntos de una placa de circuito que son sensibles a una carga capacitiva.

La sonda Keysight N2894A de 700MHz, de máxima calificación, tiene un precio aproximadamente diez veces superior al de la sonda económica, pero con aproximadamente la mitad de la capacitancia de entrada. Los resultados de las pruebas señalaron que la velocidad medida del borde ascendente equivale a un ancho de banda de solo alrededor de 520MHz. Sin embargo, este valor supera el ancho de banda de entrada de alta impedancia del osciloscopio, por lo que, aunque esta sonda no representa la forma de onda tan bien como la sonda de 200MHz, la limitación del ancho de banda de entrada del osciloscopio podría ser la causa. En teoría, la sonda de 700MHz de Keysight debería ser la mejor opción, y podría serlo en la práctica una vez resueltas las limitaciones de calibración de prueba y sonda.

Esta limitación es crucial al medir señales con componentes más rápidos que el ancho de banda de su osciloscopio. La entrada de 50 ohmios del osciloscopio de prueba tenía un ancho de banda de 6.3GHz, superando con creces la capacidad de la señal del generador de funciones utilizada para crear la forma de onda de prueba. La sonda económica N2140A generalmente producía una forma de onda más limpia que el modelo N2894A de mayor calificación.

Resumen de Resultados de Pico Technology

La sonda Pico Technology TA375 para la gama de osciloscopios USB PicoTest tiene un ancho de banda relativamente bajo y produce una de las formas de onda menos representativas.

Las pruebas mostraron que la respuesta del flanco ascendente es relativamente rápida pero incluye un sobrepico sustancial del 35%. Reducir el tiempo de subida de la señal de prueba a alrededor de dos nanosegundos controló el sobrepico a un nivel aceptable y produjo una señal medida relativamente limpia cuando se redujo a tres nanosegundos.

En conclusión, esta sonda de bajo presupuesto es excelente para trabajos de baja frecuencia con su emparejamiento típico con un osciloscopio de 20MHz.

Resumen de Resultados de Digilent

Firmemente en la categoría de presupuesto está el Digilent 460-004, etiquetado como "P6100", que veremos es el mismo número de modelo que la sonda Youmile que veremos más adelante.

Esta sonda de ancho de banda de 100MHz también mostró un sobrepico del 35% al medir una onda cuadrada de 100MHz. Sin embargo, este pobre desempeño se limitó a la respuesta del flanco ascendente, y el resto de la forma de onda medida fue razonablemente representativa de la señal de prueba.

Reducir el flanco ascendente a menos de 2.5 nanosegundos, representando un ancho de banda de 155MHz, redujo el sobrepico a menos del 5%, que aún está muy por encima de la especificación anunciada. Estas sondas de bajo costo pueden ser excelentes al usar un osciloscopio con un ancho de banda mínimo, como Analog Discovery u otros osciloscopios USB de Digilent.

Resumen de Resultados de Youmile

La primera impresión de la sonda Youmile P6100 es que es visualmente idéntica a la sonda Digilent 460-004 con el mismo ancho de banda especificado y es solo ligeramente más cara. Sin embargo, las pruebas mostraron que, en comparación con la sonda Digilent, la respuesta de frecuencia cae bruscamente debido a una calibración de fábrica inadecuada.

Un intento de calibrar la sonda terminó con el control de ajuste al final de su recorrido, y una mala fabricación significó que la herramienta de ajuste de plástico se dañó, necesitando una herramienta de ajuste de metal para ajustar.

Después de la calibración, los resultados de la prueba para la sonda Youmile no fueron prometedores. Al ser probada con una onda cuadrada de 100MHz, la señal medida tenía poco parecido, haciéndola inutilizable como herramienta de medición. Incluso reduciendo la frecuencia bien dentro del ancho de banda especificado de la sonda, no se logró generar una forma de onda medida suficientemente representativa de la señal de prueba para ser utilizable.

La sonda Digilent produjo resultados mucho más superiores en comparación con el equivalente de Youmile a pesar de la apariencia inicial idéntica.

Resumen de Resultados de Alta Tensión de YPioneer

La YPioneer P4200 de alta tensión es la única sonda 100:1 incluida en esta serie de pruebas para observar el rendimiento frente a las sondas estándar. Solo realicé pruebas comparativas contra las otras sondas; no incluí pruebas de alta tensión por razones de seguridad.

En general, la sonda de alta tensión de bajo presupuesto produjo formas de onda razonablemente representativas dentro de su ancho de banda especificado de 100MHz y superó las expectativas al medir un borde de subida de 500 picosegundos. El rendimiento disminuyó alrededor de tiempos de subida de 1.5 nanosegundos, pero esto equivale al doble del ancho de banda calificado para la sonda.

Hallazgos de la Prueba Keysight

Utilicé el osciloscopio Keysight MXR, una pieza de equipo de laboratorio muy potente, para todas las pruebas. Uno de los puntos destacados fue la excelente capacidad de calibración de la sonda.

Antes de la Calibración Sonda-Osciloscopio

Después de la Calibración Sonda-Osciloscopio

En general, los resultados de las pruebas de la sonda demostraron que la sonda pasiva N2889A de 200MHz de Keysight, la segunda más barata, superó a todas las otras sondas pasivas por un margen enorme. Aunque el análisis de respuesta de frecuencia no fue el mejor, sí produjo una forma de onda medida que coincidía más de cerca con la señal de prueba fuente, que en última instancia es lo que deseas de tu sonda.

Es crítico recordar que conectar una sonda a un circuito puede alterar el comportamiento del circuito debido a la impedancia de la sonda. Usar una sonda para ajustar un circuito con precisión puede deshacerse si el comportamiento del circuito cambia en cuanto desconectas la sonda. Las propiedades capacitivas e inductivas de la sonda también pueden distorsionar o atenuar señales en una placa, degradando el rendimiento mientras intentas diagnosticar problemas.

La conclusión de esta prueba enfatiza que el ancho de banda de la sonda no es lo único que importa al seleccionar la mejor sonda. El ancho de banda proporciona un excelente punto de partida, pero es solo uno de muchos factores a considerar. Entender el comportamiento de tu sonda es crítico para asegurarte de interpretar correctamente los resultados al medir señales.

Conclusión

Los resultados generales mostraron que una sonda de marca relativamente barata de 200MHz podría superar a todas las demás en la serie de pruebas. La Keysight N2140A solo cuesta alrededor de tres veces más que las sondas de presupuesto de peor rendimiento pero entrega más de tres veces el rendimiento. Por lo tanto, las sondas baratas representan una falsa economía ya que te impiden realizar mediciones precisas, que es el propósito de usar un osciloscopio. Otra consideración es que con sondas de marcas importantes como Keysight, Tektronix o Rohde and Schwarz, puedes tener una confianza razonable en el control de calidad y la consistencia entre sondas.

Finalmente, tu técnica de sondaje puede influir sustancialmente en las mediciones de señales al probar una placa. Todas las pruebas de sondas utilizaron la misma técnica, lo que anula cualquier efecto en las pruebas comparativas, pero cuando se trata de usar un osciloscopio en serio, siempre vale la pena asegurarse de seguir las mejores prácticas de sondaje para obtener los mejores resultados.