Cómo conectar el objeto a medir

Autor: Boris Adlung, Rigol Technologies Europe

«¿Para qué necesito una sonda? ¿Podré utilizar la sonda para tomar todas las medidas? ¿Qué ventajas ofrece este instrumento?” Estas son algunas preguntas que se formulan muchos desarrolladores al poner en funcionamiento un nuevo osciloscopio.

Una conexión lógica

Las sondas ayudan a conectar el osciloscopio al objeto en desarrollo al realizar la medida. Existen diferentes sondas para efectuar varios tipos de pruebas. Por ejemplo, las corrientes se pueden medir con una pinza amperimétrica, mientras que las señales digitales se pueden registrar y visualizar en un osciloscopio de almacenamiento digital (MSO) con una sonda lógica y la interfaz necesaria. El objetivo de los instrumentos en general no solo consiste en crear un contacto simplificado entre el dispositivo de medida y el objeto a medir, sino también que las medidas ofrezcan una exactitud muy alta de la señal.

Es importante que la influencia añadida por cualquier tipo de sonda sea lo más baja posible con el fin de que no afecte a la fuente de señal, es decir, al objeto de la prueba. En una configuración de medida también es importante saber qué se desea medir; por ejemplo, se debería minimizar o anular por completo la detección de una radiación no deseada.

A diferencia de un cable de medida, las sondas establecen una conexión de alta calidad con una conexión sencilla. Una resistencia de medida elevada impide la captura de interferencias no deseadas o de ruido de la red. La alta resistencia de medida permite recoger una tensión ideal en la sonda y de este modo establecer una conexión óptima con el osciloscopio.

Resistencia de entrada conjunta

Una sonda pasiva, por ejemplo, tiene dos puntos de contacto: el terminal activo y la conexión a tierra. Para la conexión activa, las sondas pasivas disponen de un gancho que se puede unir al circuito con facilidad y una conexión a tierra por medio de un cable de corta longitud con una pinza de cocodrilo. Además del práctico cabezal de conexión, la sonda está formada por un cable coaxial con un conector BNC. Junto con el osciloscopio, la sonda define la resistencia de entrada de la medida. El osciloscopio tiene una impedancia de entrada de 1 MÙ y una capacidad baja para anchos de banda de hasta 350 MHz o 500 MHz. En el caso de una conexión directa, esta capacidad coloca una carga en el dispositivo bajo prueba, lo cual significa que la sonda debería añadir una capacidad reducida para que esta carga sea siendo pequeña.

Rango de tensión y ancho de banda

Una sonda pasiva también tiene dos ajustes que se pueden usar para obtener un divisor de tensión. Para el ajuste normal x1, la señal se aplica al osciloscopio a 1 MÙ, utilizando la sonda sin el divisor de tensión. Los valores medidos pasan luego al osciloscopio 1:1. En este caso no solo se limita el rango máximo de tensión sino también el ancho de banda. Se pueden conseguir unos valores más altos de tensión y del ancho de banda con una configuración 10:1. No obstante, en tal caso el osciloscopio también se debe fijar en 10:1 para el ajuste vertical para visualizar la amplitud correcta. En la configuración 1:1 conjunta con el osciloscopio se obtiene la siguiente resistencia medida Z_M:

Fórmula 1: Medida de resistencia de la sonda (x1) junto con el osciloscopio.

Aquí se puede ver que el cable de tierra (GND) es inductivo. Cuanto más largo es este cable, más inductancia tiene. En la fórmula se puede ver que, si ù aumenta (es decir, el ancho de banda), esta resistencia también se incrementa y también lo hace la influencia (ver Figura 2). Se puede ver asimismo en la fórmula 1 que la capacidad crea un resonador. Como resultado de ello, las medidas de un mayor ancho de banda mostrarán un valor excesivo que se puede reducir acortando el cable GND.

Por cada milímetro de cable GND se genera una inducción de aproximada de 1 nH. Cuanto más corta es la conexión a tierra a altas frecuencias, mejor. Con un muelle a tierra se pueden obtener unas conexiones más cortas para minimizar estos efectos. Se puede usar el factor de ganancia x1 en medidas que requieran registrar un ancho de banda reducido y una tensión pequeña. Por tanto, la mayor parte de las medidas dentro del rango normal de tensión/ancho de banda necesitarán preferiblemente el factor de ganancia x10. Para el ejemplo de la PVP2350, la sonda estándar de la serie de osciloscopios MSO5000, se pueden establecer ambos factores de amplificación. En este caso se pueden medir tensiones de hasta 30 V_RMS a x1 y tensiones de hasta 300 V_RMS en el rango x10. Por tanto, la tensión se incrementa en un factor 10.

La menor capacidad de la sonda también aumenta el ancho de banda desde 35 MHz hasta 350 MHz. La Figura 1 también muestra una conexión para x10. Despreciando la resistencia del cable coaxial (dado que es << R_O y R_P), el divisor de tensión según la fórmula 2 se crea ahora cuando se tiene en cuenta la constante de tiempo tal como expresa la fórmula 3.

Fórmula 2: Con un divisor de tensión a x10, las capacidades disminuyen usando la misma constante de tiempo de la Fórmula 3.

Fórmula 3: Constante de tiempo para el divisor de tensión a x10.

En la mayoría de las aplicaciones se pueden tomar las medidas con este ancho de banda y los valores de tensión a x10. En este caso también hay que fijar x10 en el osciloscopio para el ajuste vertical. Cuando se utiliza una sonda con un osciloscopio siempre hay que tener en cuenta el ancho de banda de ambos elementos (sonda y osciloscopio). El ancho de banda de 3 dB se ve influenciado de manera significativa por la sonda   por tanto se debe tener en cuenta al adquirir el osciloscopio. Si el ancho de banda del sistema es demasiado bajo para la aplicación se debería recurrir a una sonda con un mayor ancho de banda.

En la figura 1 se ha integrado una compensación. En este caso se ha instalado una capacidad ajustable en la sonda, y para la PVP2350 se puede reajustar entre 10 pF y 25 pF con el destornillador suministrado.

En las aplicaciones con un ancho de banda más alto ya no se usan medidas de mayor impedancia. El objetivo aquí lograr el ajuste del circuito (generalmente 50 Ω) con el fin de evitar reflejos no deseados. Si se necesita una sonda para aplicaciones de alta frecuencia, también se pueden utilizar sondas activas en lugar de pasivas. Para tomar la decisión correcta es fundamental que el factor de amplificación se pueda aplicar en un cierto ancho de banda y que al mismo tiempo no influya demasiado sobre el circuito.

Amplificadores y pinzas amperimétricas

Las sondas activas integran un amplificador lineal de banda ancha que es preciso alimentar. Además del ancho de banda, el dispositivo activo logra una exactitud de la señal muy alta con una baja capacidad de entrada. Su inconveniente es la limitación de la tensión de entrada (p.ej., la tensión máxima que se puede medir con la PVA8000 es de 30 V_pico).

Las pinzas amperimétricas ofrecen una opción de conexión para medir corrientes. Dado que un osciloscopio es un medidor de tensión, estas corrientes se han de convertir en un valor de tensión. Como la conversión tensión/corriente se conoce a partir de la ficha técnica de las pinzas amperimétricas, la corriente se puede visualizar y medir en el osciloscopio usando la amplificación y la unidad [A].

Las pinzas amperimétricas se basan en un transformador donde la línea de medida representa el devanado primario y la pinza amperimétrica representa el devanado secundario. Así es como se pueden medir corrientes alternas. Las corrientes continuas se miden con una sonda Hall.

Sondas diferenciales

Se necesitan medidas diferenciales cuando se toman medidas entre dos valores de tensión potencial. Hay dos opciones disponibles para llevarlas a cabo. Por un lado se requiere una sonda diferencial de alta frecuencia para señales rápidas de datos diferenciales como Ethernet o LVDS. Por otra parte, se necesitan sondas diferenciales en el ámbito de las medidas de alta tensión si se desea medir diferencias de tensión que no tomen la tierra como referencia. Para frecuencias más bajas, estas medidas también se pueden visualizar mediante dos sondas pasivas (canal 1: potencial 1, canal 2: potencial 2) y una función matemática (canal 2 – canal 1). No obstante, estas medidas contienen ruido, se pueden producir errores durante su funcionamiento entre las sondas y se debe respetar la tensión máxima de entrada de las sondas pasivas.

Una cuestión clave a considerar en las sondas diferenciales es el factor de rechazo en modo común (CMRR). Los cambios en modo común son cambios simultáneos no deseados en los potenciales 1 y 2 respecto a tierra que son visibles a la salida dado que solo se mide el camio entre los potenciales 1 y 2. Esto por lo que se refiere al factor de amplificación del modo diferencial comparado con el modo común, que debería ser mucho más alto. Este valor depende del ancho de banda. La sonda diferencial de alta tensión PHA2150 tiene un ancho de banda de hasta 200 MHz y la tensión diferencial máxima que se puede medir es 1500 V. CMRR_CC es >80 dB y CMRR_1MHz es >50 dB.