Conocer y medir la respuesta de frecuencia de la sonda de un osciloscopio

Un sistema de medida es tan bueno como su eslabón más débil. El ancho de banda de un osciloscopio es siempre la principal especificación anunciada por los fabricantes, pero un sistema de medida no se compone tan solo del osciloscopio. De hecho, el osciloscopio no suele ser el eslabón más débil del sistema de medida.

Un sistema de medida también lo integran sondas, cables, conectores e incluso fijaciones. Cada uno de esos elementos tiene potencial para ocasionar más pérdida de ancho de banda que el osciloscopio. Mientras que los cables y los conectores suelen ocasionar muy poca pérdida, lo contrario sucede con las sondas y sus accesorios. Los proveedores de osciloscopios siguen teniendo dificultades para obtener anchos de banda de las sondas similares al ancho de banda del osciloscopio. Esto se pone claramente de manifiesto con el siguiente ejemplo: aunque se han obtenido anchos de banda de 63 GHz con osciloscopios en tiempo real (DSAX96204Q de Agilent), los anchos de banda de las sondas están limitados a un máximo de 30 GHz (N2803A de Agilent). La otra dificultad con el ancho de banda de las sondas es que cada proveedor utiliza métodos distintos para corregir la falta de linealidad en las respuestas de frecuencia. La corrección de la sonda no es más que un filtro que se aplica al osciloscopio en el momento de utilizarlo para que la repuesta de frecuencia de la sonda sea plana. Cuanto más plana es la respuesta de frecuencia, más repetibles y precisas son las medidas. Las dificultades para diseñar sondas con un ancho de banda elevado y la diversidad de métodos de corrección de las sondas convierten a este elemento en el candidato a ser el eslabón más débil del sistema de medida. Por consiguiente, para obtener la máxima precisión de las medidas, es importante estudiar otras características además del ancho de banda del osciloscopio y saber qué repercusiones tienen el ancho de banda y la respuesta de frecuencia de la sonda.

Para medir la respuesta de frecuencia de una sonda, los proveedores de osciloscopios suelen emplear dos metodologías diferentes (Ventrada/Vsalida y Vfuente/Vsalida). Para comprender las diferencias de cada metodología, es necesario saber qué significan estos términos clave.

Ventrada: la tensión en la entrada de la sonda tal como la carga la misma sonda

Vsalida: la tensión tal como la ve el osciloscopio a través de la sonda

Vfuente: la tensión en la punta de la sonda con una sonda ideal; dicho de otro modo, la tensión en la fuente sin que haya ninguna sonda conectada

El objetivo de las correcciones de la respuesta de frecuencia Ventrada/Vsalida y Vfuente/Vsalida es mantener la respuesta perfectamente plana con respecto al ancho de banda de la sonda. Esto se consigue corrigiendo Vsalida hasta igualarla con Ventrada en el caso de la metodología Ventrada/Vsalida o corrigiendo Vsalida hasta igualarla con Vfuente en el caso de la metodología Vfuente/Vsalida. Para que resulte más claro, la Figura 1 muestra gráficamente esta representación. La diferencia básica entre estos dos métodos es que uno incluye la carga de la sonda (Ventrada/Vsalida), mientras que el otro (Vfuente/Vsalida) no tiene presente la carga de la sonda en su corrección. La hipótesis de la corrección Vfuente/Vsalida funciona en un entorno de 50 Ω (50 Ω es la impedancia hipotética del dispositivo) o si la persona que aplica la corrección de la sonda conoce la impedancia del dispositivo que se sondea. No obstante, a medida que la línea de transmisión se aleja de los 50 Ω, este método pierde precisión, a no ser que se cambie la corrección con la impedancia de la fuente. Dado que el método Ventrada/Vsalida tiene en cuenta la impedancia de la sonda, la corrección será eficaz sea cual sea la impedancia de la línea de transmisión. Grosso modo, mantener la precisión con independencia de la impedancia de la fuente es una de las ventajas de la corrección Ventrada/Vsalida.

Si uno no está seguro de qué método de corrección debería utilizar, existe una forma muy rápida de medir la respuesta de la sonda.

1. Utilizando la fijación de calibración/deskew de la sonda proporcionada por el proveedor de osciloscopios (como la fijación E2655A de Agilent), conecte la fijación al canal 3 del osciloscopio.

2. La E2655A proporciona una entrada y actúa como transmisión si no tiene nada conectado. Conecte la entrada de la E2655A al flanco rápido de calibración. Por ejemplo, la Serie 90000 X de Agilent incorpora un flanco rápido de calibración en el panel frontal que funciona muy bien para esta operación. Active el modo «flanco rápido» de la salida auxiliar del osciloscopio; otro ejemplo es el flanco de calibración N2806A de Agilent, puesto que logra flancos de menos de 10 ps.

3. Dispare en el flanco y haga lo siguiente en el canal 3:

a. Ponga el osciloscopio en modo de promedio (un mínimo de 1.000 promedios).

b. Active la función matemática de diferenciación del paso rápido que ha capturado en el paso a; se crea un pulso.

c. Active la función de la transformada rápida de Fourier (FFT) del pulso creado en el paso b. Con esto obtiene la tensión total de Vfuente (la tensión en la punta de la sonda de una sonda ideal).

d. Guarde la FFT creada en el paso c en la memoria 1 del osciloscopio.

4. Conecte la sonda que considere oportuna (preferiblemente, una sonda activa) al canal 1 del osciloscopio y sondee la punta de la fijación E2655A (véase la Figura 1).

5. La señal que se observa en el canal 1 es el flanco rápido cargado por la sonda. En este paso, la señal de flanco rápido refleja en la medida tanto la pérdida de la sonda como la carga de esta. Repita el paso 3, pero, esta vez, utilice esta señal del canal 1 (y guarde la forma de onda en la memoria 2). Ahora debería obtener una nueva respuesta de frecuencia, que es la respuesta de la sonda o Vsalida. En los pasos 3 y 4 ha medido Vsalida y Vfuente. Ya solo necesita una tensión más: Ventrada. Esta es la tensión de la sonda en la punta de la sonda tal como la carga la misma sonda. Lo bueno de este proceso es que esta medida ya está a su disposición. La transmisión obtenida de la fijación E2655A indica ahora Ventrada, puesto que la señal ha cambiado como consecuencia de la carga de la punta de la sonda.

6. Para medir Ventrada, repita el paso 3 utilizando de nuevo el canal 3, pero, ahora, con la sonda conectada a la fijación. Guarde la nueva forma de onda en la memoria 3.

Ahora que ya ha obtenido las tres señales, no tiene más que utilizar la función de división en el osciloscopio para ver la corrección de la sonda o la respuesta de la sonda. Para medir Ventrada/Vsalida, divida la forma de onda de la memoria 3 entre la de la memoria 2. Para obtener el valor de Vfuente/Vsalida, divida el resultado de la memoria 1 entre el de la memoria 2.

Igual que antes, el objetivo de un osciloscopio y, en última instancia, de un fabricante de sondas es corregir la respuesta de la sonda (Vsalida) de modo que Ventrada sea igual a Vsalida para la corrección Ventrada/Vsalida o que Vfuente equivalga a Vsalida en el caso de la metodología Vfuente/Vsalida. El motivo por el que el proveedor desea que Vsalida se parezca a Ventrada (para el método Ventrada/Vsalida) es que no quiere que sus clientes vean diferencias enormes en las medidas provocadas por la pérdida del cable entre una medida que solo incorpora la carga de la sonda (Ventrada) y la que ve realmente el osciloscopio después del sondeo (Vsalida). Al dividir Ventrada entre Vsalida, cuanto más plana es la respuesta, mejor es la corrección obtenida y más real es la representación que muestra el osciloscopio de la señal. Observe las Figuras 4 y 5 para ver una comparación entre una medida de respuesta de sonda corregida y una sin corregir.

El objetivo de este artículo no es debatir las ventajas y los inconvenientes de los métodos de corrección de sondas Ventrada/Vsalida y Vfuente/Vsalida, puesto que ambas correcciones tienen sus ventajas. En última instancia, Vfuente/Vsalida corrige la respuesta de la sonda basándose en la hipótesis de que la sonda no tiene carga. Para aplicar este método, es necesario tener ciertos conocimientos sobre la línea de transmisión sondeada. En el caso del método de corrección Vfuente/Vsalida, el fabricante del osciloscopio debe establecer una impedancia hipotética de la línea de transmisión. Parte de la hipótesis de que la línea es de 50 Ω. Si bien este valor es el más habitual, no todas las líneas de transmisión son iguales y, si la hipótesis no es acertada, la corrección de la sonda pierde precisión. El otro método consiste en dividir Ventrada entre Vsalida. Este método incluye la carga de la sonda, por lo que su corrección es independiente de la impedancia de la fuente.

Según se ha explicado anteriormente, cada proveedor de osciloscopios determina para el usuario el método de corrección de la sonda que se aplica a su osciloscopio y, por lo general, los usuarios finales no tienen control alguno sobre el método de corrección. Comienza a aparecer una alternativa en forma de software que permite a los usuarios elegir su método de corrección. Agilent Technologies ofrece esta funcionalidad por medio de su software PrecisionProbe. El software permite a los usuarios medir la respuesta de frecuencia de la sonda para después corregirla. Asimismo, con el software PrecisionProbe, los usuarios pueden elegir el método de corrección. Otra característica fundamental es que, si la impedancia de su línea de transmisión es distinta de 50 Ω, PrecisionProbe le permite elegir la impedancia de la fuente. En otras palabras, al no basarse en la hipótesis de una línea de transmisión de 50 Ω, hace que el método Vfuente/Vsalida sea siempre preciso sea cual sea la impedancia de la fuente.

PrecisionProbe es una novedosa alternativa a la corrección de la sonda, puesto que proporciona cierto control de la respuesta de la sonda al usuario final. Los fabricantes de osciloscopios pasan años diseñando sondas de elevado ancho de banda para que ofrezcan un alto ancho de banda y una gran precisión. Lamentablemente, no basta con el diseño de hardware, y es necesario corregir el procesamiento de señal digital (DSP) de las sondas para conseguir que estas sean precisas.

Sin embargo, incluso con esta corrección, la sonda puede seguir siendo el eslabón más débil del sistema de medida. Para determinar si esto supone un problema en su sistema de medida, debe saber cómo medir la respuesta de una sonda y qué corrección se aplica a dicha sonda. En la actualidad hay disponibles herramientas, como el software PrecisionProbe N2809A de Agilent, que facilitan la medida de la respuesta de frecuencia de las sondas y también proporcionan a los usuarios de osciloscopios funciones que antes eran impensables. Tener conocimiento más amplio de este componente clave del sistema de medida le permitirá realizar medidas más repetibles y precisas.