Analisi Pratica delle Sonde dell'Oscilloscopio

Le sonde per oscilloscopio sono una parte essenziale della tua configurazione di laboratorio se possiedi un oscilloscopio, ma ti sei mai fermato a considerare in che modo le sonde potrebbero influenzare il segnale che stai attentamente studiando per comprendere il comportamento del tuo circuito o analizzare le prestazioni di un componente?

Questo articolo esaminerà diverse sonde per oscilloscopi, ne confronterà le prestazioni, vedrà come le sonde influenzano ciò che vedi e determinerà quali sonde sono migliori per la tua applicazione. Per ottenere risultati completi, ho integrato le mie sonde di alta qualità con alcune delle sonde più economiche disponibili su Amazon e Digi-Key per vedere le differenze.

Guardando le diverse opzioni disponibili, ci si aspettava che le sonde economiche fossero tutte scadenti e che le sonde costose fossero generalmente migliori. Tuttavia, i risultati potrebbero sorprendere.

Analisi delle Sonde per Oscilloscopio

L'analisi delle prestazioni delle sonde per oscilloscopio mirava a scoprire di più sui diversi tipi di sonde e a comprendere come influenzano le misurazioni utilizzando una gamma di sonde in scenari reali.

Le prestazioni delle sonde sono particolarmente critiche quando si osservano segnali ad alta velocità, una sonda di scarsa qualità non solo non riuscirà a visualizzare un'onda accurata, ma le sue proprietà capacitive e induttive possono influenzare il funzionamento del circuito che stai cercando di monitorare. È quindi fondamentale capire quale sonda stai utilizzando e come influenzerà i segnali che stai cercando di misurare.

I problemi con le differenze tra sonde possono essere particolarmente problematici nei laboratori più grandi dove potresti avere accesso a molti tipi diversi di sonde. Le misurazioni registrate durante il test di un circuito probabilmente saranno diverse se torni a rimisurare utilizzando altre sonde. Questo è uno dei motivi per cui è necessario avere registrazioni complete di quale apparecchiatura di test utilizzi, inclusi quali sonde e cavi per test di verifica e validazione formali. 

Le sonde per oscilloscopio testate erano le seguenti:

• Rigol PVP2150 sonda da 150MHz
• Rigol PVP2350 sonda da 350MHz
• Keysight N2140A sonda da 200MHz
• Keysight N2889A sonda da 350MHz
• Keysight N2894A sonda da 700MHz
• Pico Technology TA375 sonda da 100MHz
• Digilent P6100 460-004 sonda da 100MHz
• Youmile P6100 sonda da 100MHz
• YPioneer sonda ad alta tensione P4200 da 100MHz

Sonde per Oscilloscopio Spiegate

Una sonda per oscilloscopio ideale replicherà il segnale che misura sul circuito stampato con assoluta fedeltà all'oscilloscopio senza caricare il circuito o permettere al rumore di degradare il segnale. La realtà è che ci sarà sempre qualche elemento di distorsione del segnale, carico e rumore. I compromessi tipici sono minimizzare gli effetti negativi sia sulla scheda del circuito sia sul segnale misurato entro i vincoli di budget.

Ci sono due tipi principali di sonde, passive e attive. Come suggerisce il nome, le sonde passive utilizzano componenti passivi per attenuare il segnale in modo che la massima differenza di potenziale del segnale misurato sia entro i limiti dell'oscilloscopio. Nella sua forma più semplice, una sonda passiva senza attenuazione è effettivamente una lunghezza di filo. Le sonde attive utilizzano un circuito attivo, tipicamente basato su amplificatori operazionali, per minimizzare l'impedenza di ingresso e migliorare la sensibilità. La sonda ideale ha un'alta impedenza di ingresso e una bassa capacità di ingresso.

Tipicamente le sonde utilizzano cavi coassiali schermati per minimizzare il rumore, il che aggiunge alle proprietà induttive e capacitive delle sonde passive. Di solito, le sonde includono un circuito di compensazione che consente la regolazione manuale dei parametri di impedenza per minimizzare l'effetto sul circuito a cui la sonda è attaccata. Naturalmente, questa impedenza varierà con la frequenza, quindi è sempre essenziale regolare la compensazione alla frequenza del segnale misurato. Possiamo anche vedere che la lunghezza del cavo tra la testa della sonda e il connettore dell'oscilloscopio influenzerà le misurazioni, in particolare la larghezza di banda. Questo impatto è il motivo per cui i cavi delle sonde sono abbastanza lunghi da essere utili ma non più lunghi del necessario.

Sonde per oscilloscopio specializzate sono disponibili anche per applicazioni come misurazioni ad alta tensione che di solito non si trovano nei circuiti elettronici generali. Queste includeranno funzionalità di sicurezza per proteggere l'utente dal rischio di scosse elettriche.

Quando si sceglie una sonda per oscilloscopio, ci sono diversi fattori importanti da considerare.

• Larghezza di banda definisce la massima frequenza effettiva che la sonda può misurare con precisione, specificata utilizzando il punto -3dB del segnale. I segnali che superano significativamente questa frequenza saranno, nella migliore delle ipotesi, attenuati e persi e, nella peggiore, estremamente distorti, fornendo misurazioni fuorvianti.
• Tempo di salita definisce il più rapido cambiamento del segnale transitorio che la sonda può misurare con precisione, fondamentalmente la ripidità della pendenza di un segnale che cambia rapidamente.

L'oscilloscopio e la sonda limiteranno la massima frequenza e il tempo di salita che è possibile misurare con precisione, il che può diventare un fattore seriamente restrittivo quando si osservano segnali di orologio digitali dove un tempo di salita accurato dipende dalla misurazione precisa dei componenti del segnale ad alta frequenza del segnale a onda quadra.

La massima differenza di potenziale misurabile che la sonda può misurare con precisione è la gamma dinamica. Questo è generalmente specificato per i componenti del segnale in corrente continua e tipicamente si ridurrà all'aumentare della frequenza del segnale. Sono disponibili sonde per misurazioni differenziali, specificando sia i valori in modo comune che in modo differenziale della gamma dinamica. Sono disponibili anche sonde progettate per misurare gli alimentatori, sintonizzate per misurare il piccolo segnale alternato imposto su un significativo segnale in corrente continua.

Approccio di Test delle Sonde per Oscilloscopio

Il processo di test ha utilizzato l'analisi della risposta in frequenza basata su diagrammi di Bode su varie sonde disponibili in una vasta banda di frequenze. Gli oscilloscopi utilizzati per il test delle sonde hanno una capacità interna per questo tipo di test, ma sono limitati a un massimo di 50MHz. Per produrre un confronto su una banda più ampia e rappresentativa, un Generatore di Forme d'Onda Arbitrarie Siglent SDG7102A è stato programmato per passare attraverso frequenze da 700kHz a 700MHz. L'oscilloscopio utilizzato per il test delle sonde ha limitato questa banda di test. Il Generatore di Forme d'Onda ha anche permesso il test della risposta del tempo di salita, capace di generare segnali con un fronte di salita con un tasso di 500 picosecondi.

Il focus del test era principalmente sull'uso tipico delle sonde per segnali con elementi ad alta velocità piuttosto che semplicemente misurare onde sinusoidali ad alta velocità. Questo metodo di test rappresenta l'uso tipico delle sonde per oscilloscopio, fornendo risultati più preziosi ai progettisti di circuiti. Vedremo che l'analisi della risposta in frequenza ha fornito alcuni spunti affascinanti.

Un aspetto critico del test era assicurare la corretta compensazione delle sonde in modo che i risultati potessero essere correlati e confrontati per produrre una valutazione qualitativa delle prestazioni.

Risultati del Test delle Sonde per Oscilloscopio

È possibile visualizzare al meglio i risultati del test nel video di accompagnamento a questo articolo, dove si possono osservare le forme d'onda prodotte da ogni sonda e vedere le differenze e, in alcuni casi, la mancanza di differenza nei risultati. 

Ad esempio, il test di due sonde Rigol con bande passanti specificate di 150MHz e 350MHz ha prodotto una risposta in frequenza quasi identica, inclusa la forma dell'onda e il sovratensione sostenuto.

Questi risultati suggeriscono che erano funzionalmente identici e semplicemente etichettati in modo diverso. Questo risultato è in correlazione con le prove aneddotiche degli utenti di queste sonde.

Uno dei risultati chiave è stato i risultati della banda passante, con alcune sonde che dimostrano un punto a -3dB che superava di gran lunga il valore specificato. Ad esempio, le sonde Rigol hanno entrambe catturato segnali con un fronte di salita di circa 750 picosecondi, corrispondenti a una banda passante di circa 460MHz. Questo supera le loro bande passanti specificate di 150MHz e 350MHz. È interessante notare che anche la sonda Keysight N2140A da 200MHz aveva una banda passante osservata di circa 460MHz.

Riassunto dei Risultati Rigol

La sonda Rigol PVP2150 da 150MHz e la sonda Rigol PVP2350 da 350MHz hanno prodotto forme d'onda misurate quasi identiche.

Rigol PVP2150

Rigol PVP2350

Riassunto dei risultati Keysight

Il Keysight N2140A, conveniente dal punto di vista economico, viene fornito in confezioni da due sonde con compensazione di fabbrica precisa e risultati eccezionali nei test di misurazione dei fronti rapidi. La forma d'onda misurata corrispondeva in modo significativo al segnale di test di origine, fornendo un'eccellente precisione di misurazione.

Le osservazioni della sonda Keysight N2889A da 350MHz, di fascia più alta, hanno mostrato che produceva una forma d'onda misurata più rappresentativa rispetto alla forma d'onda del segnale rispetto ai modelli Rigol più economici. Questa sonda ha prodotto una rappresentazione eccezionale della forma d'onda del tasso di salita su una larghezza di banda di circa 460MHz. Tuttavia, dato che il suo costo è più di cinque volte l'opzione Rigol a basso costo, i risultati non erano significativamente migliori. Un punto da notare è che la capacità di ingresso di questa sonda è maggiore rispetto alla prova della sonda Keysight a larghezza di banda inferiore, il che è essenziale quando si sondano segnali in punti su una scheda elettronica sensibili al carico capacitivo.

La sonda Keysight N2894A da 700MHz, la più apprezzata, ha un prezzo circa dieci volte superiore rispetto alla sonda economica ma con circa la metà della capacità di ingresso. I risultati dei test hanno notato che la velocità misurata del fronte di salita corrisponde a una larghezza di banda di solo circa 520MHz. Tuttavia, questo valore supera la larghezza di banda dell'oscilloscopio per un ingresso ad alta impedenza, quindi, sebbene questa sonda non rappresenti la forma d'onda così bene quanto la sonda da 200MHz, la limitazione della larghezza di banda in ingresso dell'oscilloscopio potrebbe essere la causa. Sulla carta, la sonda Keysight da 700MHz dovrebbe essere la migliore opzione, e potrebbe esserlo nel mondo reale dopo la risoluzione delle limitazioni di calibrazione di test e sonda.

Questa limitazione è cruciale quando si misurano segnali con componenti più veloci della larghezza di banda del proprio oscilloscopio. L'ingresso da 50 Ohm dell'oscilloscopio di test aveva una larghezza di banda di 6.3GHz, superando di gran lunga la capacità del segnale del generatore di funzioni utilizzato per creare la forma d'onda di test. La sonda economica N2140A ha generalmente prodotto una forma d'onda più pulita rispetto al modello N2894A di fascia più alta.

Riassunto dei risultati Pico Technology

La sonda Pico Technology TA375 per la gamma di oscilloscopi USB PicoTest ha una larghezza di banda relativamente bassa e produce una delle forme d'onda meno rappresentative.

I test hanno mostrato che la risposta del fronte di salita è relativamente veloce ma include un sostanziale overshoot del 35%. Riducendo il tempo di salita del segnale di test a circa due nanosecondi si è controllato l'overshoot a un livello accettabile e si è prodotto un segnale misurato relativamente pulito quando ridotto a tre nanosecondi.

In conclusione, questa sonda a basso costo è eccellente per lavori a bassa frequenza con il suo abbinamento tipico con un oscilloscopio da 20MHz.

Riassunto dei Risultati Digilent

Fermamente nella categoria budget è la sonda Digilent 460-004, etichettata "P6100", che vedremo essere lo stesso numero di modello della sonda Youmile che esamineremo in seguito.

Questa sonda con larghezza di banda di 100MHz ha mostrato anche un overshoot del 35% quando misurava un'onda quadra a 100MHz. Tuttavia, questa scarsa prestazione era limitata alla risposta del fronte di salita, e il resto della forma d'onda misurata era ragionevolmente rappresentativo del segnale di test.

Riducendo il fronte di salita a meno di 2,5 nanosecondi, rappresentando una larghezza di banda di 155MHz, l'overshoot è sceso al di sotto del 5%, che è comunque ben al di sopra delle specifiche pubblicizzate. Queste sonde a basso costo possono essere eccellenti quando si utilizza un oscilloscopio con larghezza di banda minima, come Analog Discovery o altri oscilloscopi USB Digilent.

Riassunto dei Risultati Youmile

La prima impressione della sonda Youmile P6100 è che sia visivamente identica alla sonda Digilent 460-004 con la stessa larghezza di banda specificata e sia solo leggermente più costosa. Tuttavia, i test hanno mostrato che rispetto alla sonda Digilent, la risposta in frequenza cala bruscamente a causa di una calibrazione di fabbrica inadeguata.

Un tentativo di calibrare la sonda si è concluso con il controllo di trim alla fine del suo viaggio, e una scarsa fabbricazione ha significato che lo strumento di trim in plastica è stato danneggiato, necessitando di uno strumento di trim in metallo per l'aggiustamento.

Dopo la calibrazione, i risultati dei test per la sonda Youmile non sono stati promettenti. Quando testata utilizzando un'onda quadra a 100MHz, il segnale misurato aveva scarsa somiglianza rendendola inutilizzabile come strumento di misurazione. Anche riducendo la frequenza ben all'interno della larghezza di banda specificata della sonda, non è stato possibile generare un'onda misurata sufficientemente rappresentativa del segnale di test da essere utilizzabile.

La sonda Digilent ha prodotto complessivamente risultati nettamente superiori rispetto all'equivalente Youmile nonostante l'aspetto inizialmente identico.

Riassunto dei Risultati ad Alta Tensione YPioneer

La YPioneer P4200 ad alta tensione, l'unica sonda 100:1 inclusa in questa serie di test per osservare le prestazioni rispetto alle sonde standard. Ho eseguito solo test comparativi contro le altre sonde; non ho incluso test ad alta tensione per motivi di sicurezza.

Nel complesso, la sonda ad alta tensione economica ha prodotto forme d'onda ragionevolmente rappresentative all'interno della sua larghezza di banda specificata di 100MHz e ha superato le aspettative quando misurava un fronte di salita di 500 picosecondi. La performance è diminuita intorno a tempi di salita di 1,5 nanosecondi, ma ciò equivale al doppio della larghezza di banda nominale per la sonda.

Risultati dei Test Keysight

Ho utilizzato l'oscilloscopio Keysight MXR, un potente strumento di laboratorio, per tutti i test. Uno dei punti di forza è stata l'eccellente capacità di calibrazione della sonda.

Prima della Calibrazione Oscilloscopio-Sonda

Dopo la Calibrazione Oscilloscopio-Sonda

Nel complesso, i risultati dei test sulla sonda hanno dimostrato che la sonda passiva N2889A 200MHz di Keysight, la seconda più economica, ha superato tutte le altre sonde passive con un margine enorme. Anche se l'analisi della risposta in frequenza non è stata la migliore, ha prodotto un'onda misurata che corrispondeva più da vicino al segnale di test sorgente, che in definitiva è ciò che si desidera dalla propria sonda.

È fondamentale ricordare che collegare una sonda a un circuito può alterarne il comportamento a causa dell'impedenza della sonda. Utilizzare una sonda per regolare accuratamente un circuito può risultare inutile se il comportamento del circuito cambia non appena si scollega la sonda. Le proprietà capacitive e induttive della sonda possono anche distorcere o attenuare i segnali su una scheda, degradando le prestazioni mentre si tenta di diagnosticare i problemi.

La lezione da trarre da questi test sottolinea che la larghezza di banda della sonda non è l'unico fattore da considerare nella scelta della migliore sonda. La larghezza di banda offre un ottimo punto di partenza, ma è solo uno dei molti fattori da considerare. Comprendere il comportamento della propria sonda è fondamentale per garantire di interpretare correttamente i risultati quando si misurano i segnali.

Conclusione

I risultati complessivi hanno mostrato che una sonda di marca relativamente economica da 200MHz potrebbe superare tutte le altre in una serie di test. La Keysight N2140A costa solo circa tre volte tanto quanto le sonde economiche con le prestazioni peggiori ma offre più di tre volte la performance. Di conseguenza, le sonde economiche rappresentano un falso risparmio poiché impediscono di effettuare misurazioni accurate, che è lo scopo dell'uso di un oscilloscopio. Un altro aspetto da considerare è che con sonde di marchi importanti come Keysight, Tektronix o Rohde and Schwarz, si può avere una ragionevole fiducia nel controllo della qualità e nella consistenza tra le sonde.

Infine, la tecnica di sondaggio può influenzare sostanzialmente le misurazioni dei segnali quando si testa una scheda. Tutti i test delle sonde hanno utilizzato la stessa tecnica, il che annulla qualsiasi effetto nei test comparativi, ma quando si tratta di utilizzare un oscilloscopio seriamente, conviene sempre assicurarsi di seguire le migliori pratiche di sondaggio per ottenere i migliori risultati.