Análise Real do Mundo de Sondas de Osciloscópio

As sondas de osciloscópio são uma parte essencial do seu laboratório se você possui um osciloscópio, mas você já parou para considerar como as sondas podem estar afetando o sinal que você está cuidadosamente estudando para entender o comportamento do seu circuito ou analisar o desempenho de um componente?

Este artigo analisará diferentes sondas de osciloscópio, comparará desempenho, verá como as sondas afetam o que você vê e determinará quais sondas são melhores para sua aplicação. Para obter resultados abrangentes, complementei minhas sondas de alta qualidade com algumas das sondas mais baratas disponíveis na Amazon e na Digi-Key para ver as diferenças.

Ao olhar para as diferentes opções disponíveis, a expectativa era de que as sondas baratas seriam todas ruins e as sondas caras geralmente seriam melhores. No entanto, os resultados podem bem ser uma surpresa.

Análise de Sondas de Osciloscópio

A análise do desempenho das sondas de osciloscópio visou descobrir mais sobre diferentes tipos de sondas e entender como elas impactam as medições usando uma variedade de sondas em cenários do mundo real.

O desempenho da sonda é particularmente crítico ao olhar para sinais de alta velocidade, uma sonda de baixa qualidade não apenas falhará em exibir uma forma de onda precisa, mas suas propriedades capacitivas e indutivas podem afetar a operação do circuito que você está tentando monitorar. É, portanto, vital entender qual sonda você está usando e como ela afetará os sinais que você está tentando medir.

Os problemas com diferenças de sondas podem ser particularmente problemáticos em laboratórios maiores, onde você pode ter acesso a muitos tipos diferentes de sondas. As medições registradas ao testar um circuito provavelmente serão diferentes se você voltar e remensurar usando outras sondas. Esta é uma das razões pelas quais você precisa ter registros completos de quais equipamentos de teste você usa, incluindo quais sondas e cabos para testes formais de verificação e validação. 

As sondas de osciloscópio testadas foram as seguintes:

• 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 alta tensão P4200 100MHz

Sondas de Osciloscópio Explicadas

Uma sonda de osciloscópio ideal duplicará o sinal que mede na placa de circuito com absoluta fidelidade no osciloscópio sem sobrecarregar o circuito ou permitir que o ruído degrade o sinal. A realidade é que sempre haverá algum elemento de distorção do sinal, sobrecarga e ruído. Os típicos compromissos são minimizar os efeitos adversos tanto na placa de circuito quanto no sinal medido dentro das restrições orçamentárias.

Existem dois tipos principais de sondas, passivas e ativas. Como o nome sugere, as sondas passivas utilizam componentes passivos para atenuar o sinal, de modo que a diferença de potencial máxima do sinal medido esteja dentro dos limites do osciloscópio. Na sua forma mais simples, uma sonda passiva sem atenuação é efetivamente um comprimento de fio. As sondas ativas usam um circuito ativo, tipicamente baseado em amplificador operacional, para minimizar a impedância de entrada e melhorar a sensibilidade. A sonda ideal possui uma alta impedância de entrada e baixa capacitância de entrada.

Tipicamente, as sondas usam cabos coaxiais blindados para minimizar ruídos, o que adiciona às propriedades indutivas e capacitivas das sondas passivas. Geralmente, as sondas incluem um circuito de compensação que permite o ajuste manual dos parâmetros de impedância para minimizar o efeito no circuito ao qual a sonda está conectada. Claro, essa impedância variará com a frequência, portanto, é sempre essencial ajustar a compensação à frequência do sinal medido. Também podemos ver que o comprimento do cabo entre a cabeça da sonda e o conector do osciloscópio afetará as medições, particularmente a largura de banda. Este impacto é o motivo pelo qual os cabos das sondas são longos o suficiente para serem úteis, mas não mais longos do que o necessário.

Sondas de osciloscópio especializadas também estão disponíveis para aplicações como medições de alta tensão que geralmente não se encontram em placas de circuito eletrônico gerais. Estas incluirão recursos de segurança para proteger o usuário do risco de choque elétrico.

Ao escolher uma sonda de osciloscópio, há vários fatores importantes a considerar.

• Largura de banda define a frequência máxima efetiva que a sonda pode medir com precisão, especificada usando o ponto de -3dB do sinal. Sinais que excedem significativamente esta frequência serão, na melhor das hipóteses, atenuados e perdidos e, na pior das hipóteses, extremamente distorcidos, fornecendo medições enganosas.
• Tempo de subida define a mudança de sinal transitório mais rápida que a sonda pode medir com precisão, basicamente a inclinação da curva de um sinal que muda rapidamente.

O osciloscópio e a sonda limitarão a frequência máxima e o tempo de subida que você pode medir com precisão, o que pode se tornar um fator seriamente restritivo ao analisar sinais de relógio digitais onde um tempo de subida preciso depende da medição precisa dos componentes de sinal de alta frequência do sinal de onda quadrada.

A diferença de potencial máxima mensurável que a sonda pode medir com precisão é a faixa dinâmica. Isso geralmente é especificado para componentes de sinal de corrente contínua e geralmente reduzirá à medida que a frequência do sinal aumenta. Sondas de medição diferencial estão disponíveis, especificando tanto os valores de modo comum quanto de modo diferencial da faixa dinâmica. Sondas projetadas para medir fontes de alimentação também estão disponíveis, ajustadas para medir o pequeno sinal alternado imposto sobre um significativo sinal de corrente contínua.

Abordagem de Teste de Sondas de Osciloscópio

O processo de teste utilizou análise de resposta de frequência baseada em gráfico de Bode em várias sondas disponíveis em uma ampla faixa de frequência. Os osciloscópios usados para o teste de sondas possuem capacidade interna para este tipo de teste, mas são limitados a um máximo de 50MHz. Para produzir uma comparação em uma largura de banda mais ampla e representativa, um Gerador de Formas de Onda Arbitrárias Siglent SDG7102A foi programado para percorrer frequências de 700kHz a 700MHz. O osciloscópio usado para o teste de sondas restringiu esta largura de banda de teste. O Gerador de Formas de Onda também possibilitou o teste de resposta de tempo de subida, capaz de gerar sinais com uma borda de subida com uma taxa de 500 picosegundos.

O foco do teste foi principalmente no caso de uso típico de sondagem de sinais com elementos de alta velocidade, em vez de simplesmente medir ondas senoidais de alta velocidade. Este método de teste representa o uso típico de sondas de osciloscópio, fornecendo resultados mais valiosos para os projetistas de circuitos. Veremos que a análise de resposta de frequência forneceu alguns insights fascinantes.

Um aspecto crítico do teste foi garantir a compensação correta das sondas para que os resultados pudessem ser cruzados e comparados para produzir uma avaliação de desempenho qualitativa.

Resultados do Teste de Sondas de Osciloscópio

Os resultados do teste podem ser melhor visualizados no vídeo acompanhante deste artigo, onde você pode observar as formas de onda produzidas por cada sonda e ver as diferenças e, em alguns casos, a falta de diferença nos resultados. 

Por exemplo, o teste de duas sondas Rigol com larguras de banda especificadas de 150MHz e 350MHz produziu uma resposta de frequência quase idêntica, incluindo a forma de onda e o overshoot sustentado.

Esses resultados sugerem que elas eram funcionalmente idênticas e apenas rotuladas de forma diferente. Esse resultado correlaciona-se com evidências anedóticas de usuários dessas sondas.

Um dos principais achados foi os resultados de largura de banda, com algumas sondas demonstrando um ponto de -3dB que excedeu o valor especificado. Por exemplo, as sondas Rigol capturaram sinais com uma borda de subida de aproximadamente 750 picosegundos, correspondendo a uma largura de banda de cerca de 460MHz. Isso excede suas larguras de banda especificadas de 150MHz e 350MHz. Curiosamente, a sonda Keysight N2140A de 200MHz também teve uma largura de banda observada de cerca de 460MHz.

Resumo dos Resultados Rigol

A sonda Rigol PVP2150 de 150MHz e a sonda Rigol PVP2350 de 350MHz produziram formas de onda medidas quase idênticas.

Rigol PVP2150

Rigol PVP2350

Resumo dos Resultados da Keysight

O acessível Keysight N2140A vem como um pacote de duas sondas com compensação de fábrica precisa e resultados excepcionais de medição de bordas rápidas. A forma de onda medida teve uma grande correlação com o sinal de teste de origem, proporcionando uma excelente precisão de medição.

Observações da sonda Keysight N2889A de 350MHz, de classificação superior, mostraram que ela produziu uma forma de onda medida mais representativa em comparação com a forma de onda do sinal do que os modelos mais baratos da Rigol. Esta sonda produziu uma representação excepcional da forma de onda de taxa de borda em uma largura de banda de aproximadamente 460MHz. No entanto, dado que seu custo é mais de cinco vezes a opção de baixo custo da Rigol, os resultados não foram significativamente melhores. Um ponto a ser observado é que a capacitância de entrada desta sonda é maior do que a do teste da sonda de largura de banda inferior da Keysight, o que é essencial ao sondar sinais em pontos de uma placa de circuito que são sensíveis a uma carga capacitiva.

A sonda de alta classificação Keysight N2894A de 700MHz tem um preço cerca de dez vezes maior do que a sonda de orçamento, mas com cerca de metade da capacitância de entrada. Os resultados dos testes observaram que a velocidade medida da borda ascendente equivale a uma largura de banda de apenas cerca de 520MHz. No entanto, este valor excede a largura de banda do osciloscópio para uma entrada de alta impedância, então, embora esta sonda não represente a forma de onda tão bem quanto a sonda de 200MHz, a limitação de largura de banda da frente do osciloscópio pode ser a causa. No papel, a sonda de 700MHz da Keysight deveria ser a melhor opção, e pode ser no mundo real após a resolução das limitações de calibração de teste e sonda.

Esta limitação é crucial ao medir sinais com componentes mais rápidos do que a largura de banda do seu osciloscópio. A entrada de 50-Ohm do osciloscópio de teste tinha uma largura de banda de 6.3GHz, superando em muito a capacidade do sinal do gerador de funções usado para criar a forma de onda de teste. A sonda acessível N2140A geralmente produziu uma forma de onda mais limpa do que o modelo N2894A de classificação superior.

Resumo dos Resultados da Pico Technology

A sonda Pico Technology TA375 para a linha de osciloscópios USB PicoTest possui uma largura de banda relativamente baixa e produz uma das formas de onda menos representativas.

Os testes mostraram que a resposta da borda de subida é relativamente rápida, mas inclui um overshoot substancial de 35%. Reduzir o tempo de subida do sinal de teste para cerca de dois nanossegundos controlou o overshoot para um nível aceitável e produziu um sinal medido relativamente limpo quando reduzido para três nanossegundos.

Em conclusão, esta sonda de baixo custo é excelente para trabalhos de baixa frequência, com seu emparelhamento típico com um osciloscópio de 20MHz.

Resumo dos Resultados da Digilent

Firmemente na categoria de baixo custo está a sonda Digilent 460-004, rotulada como "P6100", que veremos ser o mesmo número de modelo que a sonda Youmile que analisaremos mais tarde.

Esta sonda de largura de banda de 100MHz também mostrou um overshoot de 35% ao medir uma onda quadrada de 100MHz. No entanto, este desempenho ruim foi limitado à resposta da borda de subida, e o restante da forma de onda medida foi razoavelmente representativo do sinal de teste.

Reduzir a borda de subida para abaixo de 2,5 nanossegundos, representando uma largura de banda de 155MHz, reduziu o overshoot para abaixo de 5%, que ainda está bem acima da especificação anunciada. Estas sondas de baixo custo podem ser excelentes ao usar um osciloscópio com largura de banda mínima, como Analog Discovery ou outros osciloscópios USB da Digilent.

Resumo dos Resultados da Youmile

A primeira impressão da sonda Youmile P6100 é que ela é visualmente idêntica à sonda Digilent 460-004, com a mesma largura de banda especificada, e é apenas ligeiramente mais cara. No entanto, os testes mostraram que, comparada à sonda Digilent, a resposta de frequência cai acentuadamente devido à calibração de fábrica inadequada.

Uma tentativa de calibrar a sonda terminou com o controle de ajuste no final de seu curso, e a má fabricação significou que a ferramenta de ajuste de plástico foi danificada, necessitando de uma ferramenta de ajuste de metal para ajustar.

Após a calibração, os resultados dos testes para a sonda Youmile não foram promissores. Quando testada usando uma onda quadrada de 100MHz, o sinal medido tinha pouca semelhança, tornando-a inutilizável como ferramenta de medição. Mesmo reduzindo a frequência para bem dentro da largura de banda especificada da sonda, não foi possível gerar uma forma de onda medida suficientemente representativa do sinal de teste para ser utilizável.

A sonda da Digilent, no geral, produziu resultados muito superiores em comparação com o equivalente da Youmile, apesar da aparência inicial idêntica.

Resumo dos Resultados de Alta Tensão da YPioneer

A YPioneer P4200 de alta tensão é a única sonda 100:1 incluída nesta série de testes para observar o desempenho em comparação com as sondas padrão. Realizei apenas testes comparativos contra as outras sondas; não incluí testes de alta tensão por razões de segurança.

No geral, a sonda de alta tensão de baixo custo produziu formas de onda razoavelmente representativas dentro de sua largura de banda especificada de 100MHz e superou as expectativas ao medir uma borda de subida de 500 picossegundos. O desempenho caiu em torno de tempos de subida de 1,5 nanossegundos, mas isso equivale ao dobro da largura de banda nominal para a sonda.

Descobertas do Teste da Keysight

Usei o osciloscópio Keysight MXR, um equipamento de laboratório muito potente, para todos os testes. Um destaque foi a excelente capacidade de calibração da sonda.

Antes da Calibração Sonda-Osciloscópio

Após a Calibração Sonda-Osciloscópio

No geral, os resultados dos testes de sonda demonstraram que a sonda N2889A de 200MHz da Keysight, a segunda mais barata, superou todas as outras sondas passivas por uma margem enorme. Embora a análise da resposta de frequência não tenha sido a melhor, ela produziu uma forma de onda medida que mais se aproximou do sinal de teste original, que, no final das contas, é o que você deseja da sua sonda.

É crucial lembrar que conectar uma sonda a um circuito pode alterar o comportamento do circuito devido à impedância da sonda. Usar uma sonda para ajustar um circuito com precisão pode ser desfeito se o comportamento do circuito mudar assim que você desconectar a sonda. As propriedades capacitivas e indutivas da sonda também podem distorcer ou atenuar sinais na placa, degradando o desempenho enquanto você tenta diagnosticar problemas.

A lição retirada deste teste enfatiza que a largura de banda da sonda não é o único critério para selecionar a melhor sonda. A largura de banda oferece um excelente ponto de partida, mas é apenas um dos muitos fatores a considerar. Entender o comportamento da sua sonda é crucial para garantir que você interprete corretamente os resultados ao medir sinais.

Conclusão

Os resultados gerais mostraram que uma sonda de marca relativamente barata de 200MHz poderia superar todas as outras em uma série de testes. A Keysight N2140A custa apenas cerca de três vezes mais do que as sondas de orçamento de pior desempenho, mas entrega mais de três vezes o desempenho. Consequentemente, sondas baratas representam uma falsa economia, pois impedem que você faça medições precisas, que é o propósito de usar um osciloscópio. Outra consideração é que, com sondas de marcas renomadas como Keysight, Tektronix ou Rohde e Schwarz, você pode ter uma confiança razoável no controle de qualidade e na consistência entre as sondas.

Finalmente, sua técnica de sondagem pode influenciar substancialmente as medições de sinal ao testar uma placa. Todos os testes de sonda usaram a mesma técnica, o que anula qualquer efeito em testes comparativos, mas quando se trata de usar um osciloscópio de fato, sempre vale a pena garantir que você siga as melhores práticas de sondagem para obter os melhores resultados.