In una misura accurata le sonde sono parte integrante, e spesso critica, della catena di misura e non va dimenticato che esse sono tutt’altro che trasparenti e la loro influenza sul risultato della misura merita di essere ben compresa.
Le sonde sono spesso considerate solo un filo con uncino, comodo mezzo per prelevare il segnale cui siamo interessati e poco altro. Girando nei laboratori ed osservando lo stato di conservazione di questi oggetti, le condizioni del cavo, la dispersione degli accessori originali, quando non l’uso “della prima sonda trovata disponibile”, riflettono la scarsa attenzione riservata a questi fedeli compagni di tante battaglie. Prima di occuparci dei fenomeni elettrici, merita sottolineare come la stabilità della connessione meccanica al punto di misura abbia accresciuto la sua importanza nelle applicazioni moderne. La stabilità meccanica contribuisce infatti grandemente ad assicurare la ripetibilità delle misure, altro fattore fondamentale. Nei circuiti precedenti alla diffusione dei componenti a montaggio superficiale, era quasi sempre possibile trovare dove agganciare le sonde, senza particolari pianificazioni a priori. Oggi la densità di montaggio e le maggiori velocità in gioco richiedono invece una attenta predisposizione dei punti di misura durante lo sviluppo dell’applicazione e non possono essere lasciate all’improvvisazione. I simulatori SPICE ben si prestano anche all’analisi di alcuni degli effetti introdotti dalle sonde. Le varie versioni demo in circolazione sono più che sufficienti allo scopo, avendo bisogno di pochi componenti per la nostra analisi. Questi semplici esperimenti potranno anche aumentare le nostre capacità di correlazione tra simulazione e misura, integrando la modellazione dello stadio di ingresso degli strumenti reali. I principali problemi elettrici nella connessione con lo strumento sono:
# Effetto di carico sul circuito sotto esame
# Limitazione della Banda passante
# Distorsioni introdotte sul segnale
# Rumore
Tali effetti interagiscono tra loro, se non curati, complicando ulteriormente le cose. Analizziamoli uno ad uno.
EFFETTO DI CARICO
L’oscilloscopio può essere considerato un sofisticato voltmetro, inserito in parallelo nel circuito sotto misura. Come per tutte le misure voltmetriche, è desiderabile che l’impedenza di ingresso dello strumento sia molto maggiore dell’impedenza presentata dal circuito nel nodo interessato, in modo da ridurre l’errore sistematico della misura (qualsiasi testo di misure elettriche/elettroniche risulterà utile per rivedere il calcolo dell’errore introdotto). Tipicamente desideriamo che l’impedenza di ingresso dello strumento sia almeno due ordini di grandezza superiore e questo viene normalmente garantito dalle sonde passive con attenuazione, non casualmente le più diffuse. L’impedenza di ingresso di una sonda con partizione 10:1 è tipicamente 10 Mohm con 10 pF di capacità in parallelo.
LIMITAZIONE DELLA BANDA PASSANTE
Strettamente connesso alla capacità equivalente in parallelo all’ingresso troviamo il problema della limitazione nella larghezza di banda del canale di misura, ovvero dell’incremento dell’errore commesso nella misura dell’ampiezza del segnale, al crescere della frequenza. Simuliamo con SPICE il comportamento in frequenza di una sonda 10:1 (figura 1), usata nella misura di un segnale sinusoidale (simulazione AC).
Figura 1: circuito per la Simulazione AC di una sonda passiva.
Un segnale sinusoidale di ampiezza 1V, costante in frequenza, viene applicato all’ingresso del circuito equivalente della sonda, modellizzata da un resistore ideale da 10 megaohm ed un condensatore da 10 picofarad in parallelo. L’ampiezza del segnale presente all’uscita della sonda viene riportata nel grafico di figura 2.
Figura 2: ampiezza del Segnale trasmesso allo strumento in funzione della frequenza.
Vediamo che mentre a bassa frequenza le nostre aspettative di fedeltà sono soddisfatte molto bene, non altrettanto si può dire al crescere della frequenza, già oltre poche decine di MHz. Questo è dovuto alla riduzione nell’impedenza di ingresso dovuta alla capacità parassita. La riduzione della banda passante comporta anche la distorsione del segnale riprodotto, filtrando le componenti a frequenza più elevata eventualmente presenti nel segnale acquisito, comportando quindi una perdita di fedeltà ed informazione. L’uso di una sonda attiva, munita di amplificatore interno, migliora di molto la situazione, come visibile in figura 3.
Figura 3: ampiezza del Segnale trasmesso da Sonda attiva.
In questo caso la capacità di ingresso presentata è infatti molto più piccola, 2 pF nell’esempio, estendendo cosi la banda passante utile. Abbiamo però alcuni inconvenienti, oltre alla necessità di acquisto della sonda attiva e spesso, del relativo alimentatore. L’impedenza di ingresso è tipicamente un megaohm invece che dieci megaohm e l’escursione di tensione d’ingresso è assai ristretta, se confrontata con una sonda passiva, pena il danneggiamento del transistore MOS o FET che realizza lo stadio d’ingresso dell’amplificatore. Per la stessa ragione, precauzioni vanno anche prese per evitare di far subire all’elemento attivo scariche elettrostatiche (ESD). Occorre lavorare indossando il braccialetto di messa a terra ed in ambiente antistatico.
DISTORSIONI INTRODOTTE SUL SEGNALE
Un altro subdolo effetto parassita è dovuto all’induttanza dei conduttori costituenti la sonda, in particolare la connessione di massa. Un terminale di massa munito di coccodrillo viene tipicamente usato per connettere il ritorno comune del circuito (impropriamente, ma comunemente, chiamato “massa”). Tale tipo di collegamento presenta una induttanza che possiamo stimare in un centinaio di nano Henry, considerando una lunghezza di dieci centimetri. Per analizzare l’effetto, eseguiremo alcune simulazioni SPICE ‘transient’, cioè di transitori nel dominio del tempo, a differenza del caso precedente, analizzato nel dominio della frequenza. In figura 4 possiamo vedere un segnale digitale acquisito considerando nulla l’induttanza dei collegamenti.
Figura 4: acquisizione Segnale digitale con L=0.
L’induttanza introdotta dalla punta metallica della sonda della lunghezza di un paio di millimetri va in serie al polo caldo, mentre filo più coccodrillo causano una induttanza in serie alla “massa” della sonda di valore ben maggiore rispetto alla precedente. Si è fatto uso della regola empirica che calcola l’induttanza di un conduttore isolato in circa un nano Henry al millimetro. Notiamo come il circuito to risonante formato dall’induttanza dei collegamenti con la capacità d’ingresso causi oscillazioni in corrispondenza dei ripidi fronti di salita e discesa (overshoot, undershoot). La forma d’onda visibile sull’oscilloscopio risulta quindi alterata rispetto al segnale reale nel circuito. In generale, overshoot ed undershoot sono indesiderabili essendo fenomeni causa di rumore nell’applicazione e di possibili problemi di compatibilità elettromagnetica. In circuiti integrati veloci a bassa tensione di alimentazione, quali le ultime generazioni di memorie dinamiche, eccessivi picchi di tensione ripetitivi possono anche ridurre l’affidabilità nel tempo del componente, favorendo la generazione di guasti. Diventa quindi importante in sede di caratterizzazione dei prototipi verificare la reale entità delle sovra elongazioni, discriminando problemi di misura. Ancora una volta le sonde attive con la loro bassa capacità di ingresso ci vengono in aiuto. Anche l’uso di corti terminali di massa a baionetta, paralleli al terminale caldo, in alternativa al lungo filo+coccodrillo, aiutano a ridurre il fenomeno. Tali terminali a baionetta sono quasi sempre forniti di serie come accessori delle moderne sonde.
L’affidabilità è un parametro progettuale essenziale. La Reliability R(t) di un componente è strettamente collegata alla funzione densità di probabilità di guasto f(t) e al Mean Time To Failure che esprime il tempo medio di funzionamento di un componente.
Molti lo sottovalutano, ma l’uso delle sonde deve essere sempre fatto in maniera consapevole, così come l’utilizzo di un qualsiasi strumento. Spesso si rischia di vedere cose che in realtà non sono veritiere, come rumore dovuto semplicemente a come si è fissato il punto di massa. Come detto alla fine, in molti casi l’uso di terminali a baionetta per la massa consentono di ottenere acquisizioni più precise.
Se i problemi esistenti alle alte frequenze fossero come quelli esistenti alle basse frequenze, l’elettronica sarebbe un gioco da ragazzi. Purtroppo al crescere della frequenza si cominciano ad accumulare problemi di ogni tipo.
Ne convengo con Daniele, l’errato utilizzo delle sonde porta a trovare valori errati, sfortunatamente effetto provato durante dei miei test.
In generale vale la regola secondo cui la qualità della misura non potrà mai superare quella della sonda. Meglio quindi scegliere sempre sonde di qualità, possibilmente con funzione di trasferimento tendenzialmente piatta per non influenzare la misura.
Scusate ho letto con interesse l’articolo, ma credo ci sia un problema nelle imagini, Figura 2 e Figura 3 io le vedo come fossero esattamente identiche (il testo dice che dovrebbero essere molto diverse). É forse un problema del mio browser ?
Grazie per il commento. L’asse delle x è sbagliata nella figura 2…cambiando la capacità in ingresso la banda si fa più estesa.