Las sondas de osciloscopio más utilizadas son, con diferencia, las sondas de atenuación pasiva 10:1. Es apropiado cuando la frecuencia de la señal bajo investigación es inferior a 600 MHz. La adaptación de la impedancia desde la punta de la sonda hasta el puerto de entrada del canal es crítica.
Un desajuste da lugar a reflexiones, colisiones y pérdida de datos. En el rango de dc a medio megahercio, la impedancia consiste principalmente en resistencia, pero a medida que aumenta la frecuencia, la reactancia capacitiva e inductiva juegan un papel cada vez más prominente en la atenuación de la señal.
La sonda pasiva 10:1 ofrece menos ancho de banda e impone una carga capacitiva más pesada que una sonda activa. La carga inductiva, también más pesada en la sonda pasiva, se puede mitigar parcialmente utilizando un cable de retorno a tierra más corto y manteniéndolo lo más recto posible. (Incluso una vuelta parcial a alta frecuencia es, en efecto, una bobina de vuelta fraccionada.)
Del mismo modo, una sonda activa puede tolerar un cable de retorno a tierra más largo cuando sea necesario. Las sondas pasivas, en general, son satisfactorias para depurar y solucionar problemas en muchos circuitos.
Las sondas activas logran eliminar prácticamente la carga reactiva del circuito examinado mediante un pequeño amplificador de estado sólido en el cuerpo de la sonda cercano a la punta. El dispositivo tiene una alta impedancia de entrada debido a la tecnología que utiliza.
Desde un punto de vista práctico, una diferencia importante entre las sondas activas y pasivas es que las sondas activas requieren energía, ya sea una batería interna o una fuente de alimentación de CC externa.
En el cuerpo activo del sensor hay componentes adicionales. Además de la amplificación, existe el filtrado de señales y también la capacidad de variar las cantidades de automatización entre la sonda y el osciloscopio. Al conectar el conector del cable de la sonda activa en el puerto de entrada del canal analógico, el osciloscopio detecta el tipo y las características de la sonda activa. Dependiendo del fabricante, puede permitir al usuario refinar la medición y la visualización.
Las sondas activas difieren de las sondas pasivas en otros aspectos. Su rango dinámico es más bajo, típicamente de tres a ocho voltios. Pueden dañarse por sondeo por encima de la tensión nominal y también por descarga electrostática. Para limitar las interferencias electromagnéticas, se puede apantallar el cable de retorno a tierra. Además de la impedancia 1 MΩ vista por el circuito bajo prueba, la reactancia capacitiva es a menudo inferior a 1 pF.
El usuario puede introducir un voltaje de desplazamiento para aumentar el rango dinámico limitado ajustando el punto central. De esta forma, un palpador activo con un rango dinámico de ±2,5 V puede leer de cero a 5 Vcc.
Por supuesto, las sondas diferenciales también son dispositivos activos porque contienen semiconductores, pero el diseño general, la configuración con respecto al osciloscopio y el propósito final son totalmente diferentes.
Digamos que desea medir y mostrar en un osciloscopio estándar de sobremesa la tensión entre dos terminales. Ambos están referenciados pero flotan por encima del potencial de tierra del sistema eléctrico. Esto no se puede hacer con una sonda de un solo extremo. Habrá una poderosa corriente de falla que fluye a través del cable de retorno a tierra hacia el osciloscopio.
También habrá corriente de falla a través del conductor de conexión a tierra verde del cable de alimentación, luego el conductor de conexión a tierra desnudo del circuito de derivación hasta la barra neutra en el panel de entrada del servicio eléctrico.
Esta corriente de falla fluye no cuando la punta de la sonda entra en contacto con una tensión flotante (que está bien), sino cuando el cable de retorno a tierra entra en contacto con una tensión flotante, independientemente de si la punta de la sonda está en contacto con algo e independientemente de si el osciloscopio está encendido.
Esta situación problemática surge cuando el usuario intenta medir tensiones flotantes en una configuración Y trifásica o en cualquiera de los dos conductores eléctricos Delta trifásicos sin conexión a tierra. Del mismo modo, se produce en la conmutación de las fuentes de alimentación y del bus de CC en una unidad de motor de frecuencia variable.
Utilización de sondas diferenciales
Existen varias estrategias para evitar el peligro. Una de ellas es utilizar sondas diferenciales en lugar de una sonda pasiva estándar. Las sondas diferenciales, al estar optimizadas para adquirir sólo la señal diferencial entre dos puntos de prueba, siempre rechazan (es decir, no miden ni muestran) ninguna señal de modo común. Para asegurar y maximizar este rechazo de modo común, las dos vías de señal deben ser idénticas en términos de atenuación, respuesta de frecuencia y retardo de tiempo.
La señalización diferencial utiliza dos señales complementarias de polaridad opuesta para transmitir, cada una en su propio conductor, desde el transmisor al receptor. Al torcer los dos conductores, el efecto perjudicial de una señal externa acoplada capacitivamente disminuye porque se acopla por igual a los dos conductores opuestos, cancelando la interferencia.
Los primeros diseños consistían en un par de sondas pasivas terminadas en un amplificador diferencial ubicado como un dispositivo separado adyacente al osciloscopio. Un diseño alternativo colocó el amplificador diferencial dentro del cuerpo de la sonda, pero en la era de los amplificadores de tubo de vacío, esto era difícil de manejar.
Actualmente, la miniaturización de estado sólido permite que todo el circuito se asiente en un cuerpo de sonda diferencial razonablemente compacto, que está cableado a una sola entrada de canal analógico en el osciloscopio.
Debido a que sólo hay un camino de señal fuera del cuerpo de la sonda, se reduce el costoso emparejamiento del camino de señal. Está previsto un cable de retorno a tierra en el cuerpo de la sonda diferencial, pero este circuito no es necesario para la mayoría de las mediciones.
Calibración de la sonda diferencial
En la mayoría de las sondas diferenciales se incluye una variedad de hardware, que facilita el sondeo de puntos de prueba muy espaciados, como pines adyacentes con distancias diferentes en los circuitos integrados. Todo esto es muy fácil de usar una vez que se ha superado el proceso de compensación diferencial de la sonda, que se describe en el manual de usuario.
Para comenzar, conecte la sonda diferencial a una de las entradas de canal analógico y encienda ese canal. Utilice el adaptador de cable en Y para conectar a los terminales de compensación de la sonda, una fuente de onda cuadrada en el panel frontal del osciloscopio que se utiliza también para compensar sondas pasivas. A continuación, pulse Autoset para mostrar una onda cuadrada estable.
Para continuar la calibración de la sonda diferencial, el osciloscopio debe calentarse durante unos 20 minutos, dependiendo de la temperatura ambiente. Por ejemplo, en el osciloscopio Tektronix MDO3000, en el menú de utilidad, seleccione Calibración.
El pase debe mostrarse en el cuadro de estado. Si no se muestra Pasa, realice una copia de seguridad y una compensación de la trayectoria de la señal. Para ello, desconecte todas las sondas y fuentes de señal de las entradas de canal y seleccione Calibrar.
Cuando aparezca Pass en la casilla de estado, vuelva a conectar la sonda diferencial a la fuente de onda cuadrada. 1. En el menú vertical, seleccione Calibración de sonda. En la ventana Probe Setup, seleccione Clear Probe Calibration (Borrar calibración del sensor) y Calibrate Probe (Calibrar sensor). La calibración de la sonda diferencial ha finalizado.
Después de la calibración, la sonda diferencial está lista para su uso. La sonda está protegida contra la tensión estática. Pero se debe tener cuidado para evitar que el amplificador de la punta de la sonda se dañe por sobretensión.
El rango de señal en modo común se refiere al voltaje máximo con respecto a la tierra que puede aplicarse a cualquiera de las dos entradas sin saturar los circuitos de entrada de la sonda. Para comprobar esta tensión en modo común, ajuste el rango de la sonda a 42 V, conecte una entrada de sonda a tierra y conecte la otra entrada de sonda a una de las salidas de señal diferencial. Realice la prueba por separado con cada salida de señal diferencial.
Debido al entorno eléctrico en el que se utilizan, las sondas diferenciales en algunas aplicaciones deben tener una tensión nominal más alta, normalmente 600 V. El rango de precios es de entre 350 y más de 5.000 euros. Estas sondas vienen en varios tamaños, las más pequeñas se caracterizan por un mayor ancho de banda.
Los tamaños más grandes, aunque menos portátiles, tienen rangos de voltaje más altos y mayor portabilidad. Con un cable de 30 pies (3 m), la sonda más grande se puede colocar a cierta distancia del osciloscopio. La carcasa de la sonda a veces está llena de aceite dieléctrico para una estabilidad de alto voltaje.