001153900-Probes-Instructors-Guide-ES

Introducción a las sondas
de osciloscopio
Guía del instructor
Serie de ejercicios prácticos de introducción a las sondas
de osciloscopio, además de algunas consideraciones
importantes para lograr una buena fidelidad de señal.
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Introducción a las sondas de osciloscopio
Guía del instructor
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propósito específico de formar a los usuarios o usuarios potenciales en el uso de osciloscopios Tektronix
y los instrumentos correspondientes. Cualquier reproducción deberá ir acompañada de una copia de esta
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Introducción a las sondas de osciloscopio
Guía del instructor
Contenido
INTRODUCCIÓN A LA GUÍA DEL INSTRUCTOR DE EXPERIMENTOS PRÁCTICOS ......... 4
OBJETIVOS .............................................................................................................................................................4
INTRODUCCIÓN A LOS EXPERIMENTOS PRÁCTICOS .............................................................. 4
OBJETIVOS .............................................................................................................................................................4
LISTADO DE EQUIPO.............................................................................................................................................4
DESCRIPCIÓN DE LAS SONDAS DE OSCILOSCOPIO ................................................................ 5
INTRODUCCIÓN .....................................................................................................................................................5
TÉRMINOS Y CONSIDERACIONES ACERCA DE LAS PRESTACIONES .............................................................8
CARGA DE SONDA ................................................................................................................................ 10
IMPACTO DE LA RESISTENCIA DE ENTRADA ..................................................................................................11
IMPACTO DE LA CAPACIDAD DE ENTRADA .....................................................................................................12
IMPACTO DE LA INDUCTANCIA DE SONDA .....................................................................................................13
INMUNIDAD AL RUIDO .......................................................................................................................................14
DISTINTOS TIPOS DE SONDA......................................................................................................... 14
SONDAS PASIVAS ................................................................................................................................................14
SONDAS ACTIVAS ................................................................................................................................................17
SONDAS DIFERENCIALES ...................................................................................................................................19
SONDAS DE CORRIENTE .....................................................................................................................................19
USO DE UNA SONDA PASIVA .......................................................................................................... 22
AJUSTE DE LA COMPENSACIÓN DE SONDA .....................................................................................................22
DISTINTOS MÉTODOS DE CONEXIÓN ..............................................................................................................25
EJERCICIO FINAL................................................................................................................................. 26
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Guía del instructor
Introducción a la guía del instructor de experimentos
prácticos
Objetivos
El propósito de esta guía del instructor es dar respuesta a cada ejercicio.
Las notas del instructor aparecen en texto azul en negrita.
Introducción a los experimentos prácticos
Objetivos
1.
2.
3.
4.
Conocer las características fundamentales de una sonda de osciloscopio.
Describir los distintos tipos de sonda y sus usos.
Saber cómo conectar sondas a varios puntos de prueba de un circuito.
Conocer el modo en que las sondas pueden afectar a la calidad de las medidas electrónicas.
Listado de equipo
1. Un osciloscopio digital de la serie Tektronix TDS1000C-EDU.
2. Dos sondas pasivas Tektronix TPP0101 o TPP0201 10X.
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Introducción a las sondas de osciloscopio
Guía del instructor
Descripción de las sondas de osciloscopio
Introducción
Las sondas de osciloscopio hacen posible la conexión, tanto física como eléctrica, entre una fuente de
señales y un osciloscopio. La mayor parte de las sondas se compone de una punta de sonda, un metro
o dos de cable flexible y un conector que encaja en la entrada del osciloscopio.
La punta de la sonda permite sostener la sonda mientras ésta se conecta al punto de prueba. Esta
punta de sonda suele tener un gancho accionado por muelle que permite conectarla al punto de
prueba, así como una conexión a tierra, que proporciona el punto de referencia para las medidas
de tensión (recuerde que este tipo de medidas siempre se obtienen en relación con un punto de
referencia). En muchas sondas, esta conexión a tierra consiste en un cable negro con una pinza
de cocodrilo que hace que sea más sencillo realizar la conexión con los puntos de prueba.
Figura 1: Conexión de un circuito.
El funcionamiento de un circuito puede verse afectado por la conexión de una sonda, y un osciloscopio
solo puede mostrar y medir la señal que la sonda suministra a la entrada de osciloscopio. Por lo tanto,
la sonda debe tener un impacto mínimo en el circuito al que se conecta y mantener una fidelidad de
señal adecuada para las medidas que se desea obtener o, de lo contrario, el resultado puede ser
incorrecto o inducir a error.
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Guía del instructor
Conexión fácil y cómoda
La sonda ideal debe poder permitir la conexión física de forma cómoda y sin dificultades. En el caso
de los minicircuitos, como la tecnología de montaje superficial (SMT) de alta densidad, la facilidad
y comodidad de conexión se ven favorecidas por puntas de sonda en miniatura y varios adaptadores
de punta de sonda. En aplicaciones como los circuitos eléctricos industriales, donde las tensiones
elevadas y los cables de mayor calibre son frecuentes, se requieren unas sondas físicamente más
voluminosas y con márgenes de seguridad más amplios. Para obtener medidas de corriente, es
necesaria una sonda de corriente con abrazadera. Con solo estos pocos ejemplos de conexión física
se deduce que no existe un único tamaño o configuración de sonda ideal para todas las aplicaciones.
Por lo tanto, las sondas se han diseñado con diversos tamaños y configuraciones a fin de satisfacer
los requisitos de conexión física en cada una de las aplicaciones.
Figura 2: Punta de sonda en miniatura.
Figura 3: Sonda de corriente con abrazadera.
Prácticamente todas las sondas vienen con los accesorios estándar, entre los que se suele incluir
una pinza de terminal de conexión a tierra que se puede fijar a una fuente de señales de tierra, una
herramienta de ajuste de compensación y uno o varios complementos de punta de sonda que sirven
para ayudar a conectar la sonda a los puntos de prueba.
Figura 4: Sonda pasiva típica con accesorios estándar.
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Fidelidad de la señal
La sonda idónea debería transmitir cualquier señal desde la punta de sonda a la entrada de
osciloscopio con una fidelidad de señal total; es decir, la señal en la entrada de osciloscopio debería
ser exactamente la misma que la señal original en la punta de la sonda. A fin de lograr la fidelidad más
absoluta, el circuito de la sonda (desde la punta hasta la entrada de osciloscopio) debería carecer
totalmente de atenuación y tener un ancho de banda infinito y una fase lineal en todas las frecuencias.
Lamentablemente, la sonda ideal no existe. La siguiente sección se centra en las principales
consideraciones de prestaciones de las sondas reales.
Puntos clave para recordar
1. Las sondas hacen posible la conexión, tanto física como eléctrica, entre el osciloscopio y el punto
de prueba.
2. El funcionamiento de un circuito puede verse afectado por la conexión de una sonda.
3. Existen diversos tamaños y configuraciones de sonda para satisfacer los requisitos de conexión
física en cada una de las aplicaciones.
4. Con una sonda ideal, la señal en el osciloscopio debería ser exactamente igual a la señal en el
punto de prueba.
Ejercicio
1. La “conexión a tierra” de la sonda del osciloscopio proporciona el punto de referencia para las
medidas de tensión.
a. Verdad
b. Falso
Respuesta: a
2. ¿Cuál de los siguientes son atributos de sonda de osciloscopio convenientes? (Rodee con un
círculo todas las opciones que proceda.)
a. Tiene un impacto mínimo en la señal de interés.
b. Fácil de conectar al dispositivo que se está probando.
c. Siempre es de tamaño reducido y compacto.
d. La señal en el osciloscopio es idéntica a la de la punta de la sonda.
Respuesta: a, b, d
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Términos y consideraciones acerca de las prestaciones
Atenuación
La atenuación es la relación entre la amplitud de la señal de entrada de la sonda y la amplitud de la
señal de salida, que normalmente se mide en CC. Muchas sondas se denominan sondas “10X”, lo que
quiere decir que la señal que se aplica al osciloscopio es 1/10 de la amplitud de la señal de entrada
real. En consecuencia, es importante que el osciloscopio conozca la atenuación de la sonda y la tenga
presente en sus medidas.
Ancho de banda
Las sondas reales tienen un ancho de banda finito. Por ancho de banda se entiende la frecuencia a la
que la amplitud de una onda sinusoidal disminuye en 3 dB o en un porcentaje aproximado del 30%.
Amplitud
3 dB abajo
Ancho de banda
de funcionamiento
Operación
fuera de
banda
Figura 5: En frecuencias más allá del punto 3 dB, las amplitudes
de señal pasan a ser demasiado atenuadas y los resultados de las
medidas pueden ser poco fiables.
Para lograr que el error de amplitud de onda sinusoidal no supere el 3%, el ancho de banda de la
combinación de osciloscopio y sonda debe quintuplicar, como mínimo, el del circuito sometido
a prueba, motivo por el cual esto a veces se conoce como “regla de quintuplicación”.
ancho de banda de osciloscopio ≥ 5.º armónico de señal
ancho de banda de sonda ≥ ancho de banda de osciloscopio
Ejemplo: Si la señal de interés es de 100 MHz, el ancho de banda tanto del osciloscopio como de la
sonda debería ser superior a 500 MHz.
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Tiempo de subida
El ancho de banda y el tiempo de subida o bajada tienen una relación inversa. El tiempo de subida del
sistema de medida (combinación de sonda y osciloscopio) debe ser menor que una quinta parte del
tiempo de subida o bajada de la señal medida (otra “regla de quintuplicación”). De este modo, se
garantiza un margen de error inferior al 3% en el tiempo de subida o bajada medido.
tiempo de subida de sistema de medida ≤
~
tiempo de subida de senal
5
tiempo de subida de sistema de medida =
(tiempo de subida de osciloscop io )2 + (tiempo de subida de sonda )2
Ejemplo: Si la señal de interés presenta un tiempo de subida de 50 ns, el tiempo de subida del sistema
de medida debería ser más rápido que 10 ns. Si el osciloscopio presenta un tiempo de subida de 2 ns,
el tiempo de subida de la sonda debería ser más rápido que 9,8 ns.
Fase lineal
Las limitaciones de ancho de banda también influyen en la forma de las señales, al demorar diferentes
componentes de frecuencia en distintas cantidades de tiempo. Estas variaciones provocan que las
señales complejas (en especial, los pulsos) se distorsionen.
Puntos clave para recordar
1. La atenuación es la relación entre la amplitud de la señal de entrada de la sonda y la amplitud
de la señal de salida.
2. El ancho de banda del osciloscopio y la sonda debe quintuplicar, como mínimo, el del circuito
sometido a prueba para lograr que el error de amplitud de onda sinusoidal no supere el 3%.
3. El tiempo de subida del sistema de medida debe ser menor que una quinta parte del tiempo de subida
o bajada de la señal medida para lograr que el error en el resultado medido no supere el 3%.
4. Las limitaciones de ancho de banda también influyen en la forma de las señales, al demorar
diferentes componentes de frecuencia en distintas cantidades de tiempo.
Ejercicio
1. Si necesitara medir una onda sinusoidal de 25 MHz, ¿cuál sería el ancho de banda mínimo de
osciloscopio y sonda que debería usar?
Según la “regla de quintuplicación” de ancho de banda:
ancho de banda mínimo = 5 x 25 MHz = 125 MHz
2. Si midiera una señal de +5 V con una sonda 10X, ¿cuál sería la amplitud de señal en la entrada de
osciloscopio?
Señal de amplitud = +5 V / 10 = +0,5 V
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Carga de sonda
La carga de sonda es una medida que señala el modo en que la sonda afecta al dispositivo que se
está probando (DUT). Este dispositivo se puede modelar como una fuente de señales (Es) con
resistencia de entrada (Ri) y una carga (RL) conectada. La sonda se puede modelar a modo de
resistencia (Rp) y condensador (Cp).
Ri
Vs
Punto de prueba
RL
RP
CP
Figura 6: Diagrama de circuito equivalente de un DUT con una sonda conectada.
Para simplificar los análisis posteriores, se puede usar el equivalente Thévenin del DUT en el diagrama
de circuito.
RD
VD
Punto de prueba
RP
CP
Figura 7: Diagrama de circuito simplificado usando el equivalente de Thévenin de un DUT.
Una sonda ideal tiene una impedancia infinita; es decir, no atrae ninguna corriente de señal del dispositivo.
Si la sonda no carga el dispositivo, no alterará el funcionamiento del circuito detrás del punto de prueba, ni
tampoco la señal que se aprecia en dicho punto. En la práctica, no se puede conseguir una sonda con
carga cero. Con todo, el objetivo siempre debe ser minimizar la cantidad de carga, lo que se consigue
seleccionando la sonda adecuada.
El valor de la impedancia del dispositivo influye en el efecto de la carga de sonda. Por ejemplo, con una
impedancia de dispositivo baja, una sonda 10X de impedancia alta tendría un efecto de carga insignificante;
sin embargo, en el caso de las impedancias altas, la señal en el punto de prueba podría modificarse de
manera notable a causa de la sonda. Este cambio en la señal se debe a que la impedancia de la sonda
está conectada en paralelo con la impedancia del dispositivo. Para minimizar este efecto de carga, puede
hacer uso de una sonda con una impedancia más alta (por ejemplo, una sonda activa) o medir la señal en
un punto de prueba en el que la impedancia sea más baja (por ejemplo, los emisores de transistor y fuentes
FET presentan una menor impedancia que los colectores de transistor y drenajes FET).
Por ejemplo, si la impedancia de dispositivo es de alrededor de 100 Ω y la resistencia de entrada de la
sonda es de 1 MΩ, el impacto de la resistencia de entrada de la sonda será mínimo. Igualmente, si la
frecuencia de la señal es baja, el impacto de la capacidad de entrada de la sonda también será mínimo.
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Impacto de la resistencia de entrada
En CC, la impedancia reactiva de la capacidad de entrada de la sonda es infinita y no supone carga
alguna en el DUT, lo que significa que la carga de sonda se debe completamente a los efectos de la
resistencia de entrada de la sonda.
Lo ideal es Vmed = VD. En el plano práctico, el divisor de tensión entre la resistencia de entrada del DUT
y de la sonda reducirá la tensión medida. A fin de minimizar este efecto de carga resistivo, puede usar
una sonda con una resistencia más alta o medir la señal en un punto de prueba en el que la resistencia
de entrada sea menor.
Vmed = VD
RD
VD
RP
RP + RD
Punto de prueba
RP
CP
Figura 8: Efectos de la resistencia de entrada (Rp).
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Impacto de la capacidad de entrada
A medida que la frecuencia de la señal aumenta, la impedancia reactiva de la capacidad de la sonda
disminuye y tiene el efecto dominante en la carga de la sonda. Por lo tanto, la carga de capacidad
aumenta los tiempos de subida y bajada en las formas de onda de transición rápida y reduce la
amplitud de los detalles de alta frecuencia en las formas de onda. Para minimizar este efecto de carga
de capacidad, se puede usar una sonda de baja capacidad (por ejemplo, una sonda activa) o medir la
señal en un punto de prueba en el que la impedancia sea menor.
RD
Punto de prueba
VD
RP
CP
Figura 9: Efectos de la capacidad de entrada (Cp).
El otro impacto decisivo de la capacidad de entrada de la sonda es la degradación del tiempo de subida.
En conjunto, la resistencia del DUT (RD) y la impedancia del sistema de medida (sonda+osciloscopio)
(dominada por Cin) crean una red RC. Como probablemente recuerde, un condensador responde a los
cambios de tensión. En consecuencia, si realiza un paso de tensión de tiempo de subida de 0 ns en un
condensador, éste tardará cierto tiempo en responder al cambio de tensión en cuestión. La cantidad de
tiempo dependerá de la constante de tiempo en la red RC. Una estimación adecuada del tiempo de subida
(definido como oscilante entre los puntos 10% y 90%) es la siguiente:
tr = 2,2( RDCP )
A modo de ejemplo, una capacidad de entrada de sonda de 100 pF daría como resultado un tiempo
de subida de 220 ns con una resistencia del DUT de aproximadamente 1 kΩ. Sin embargo, si la
capacidad de entrada fuera de 10 pF, el tiempo de subida sería de tan solo 22 ns.
Es necesario tener en cuenta los efectos de la carga de sonda en el circuito. En las aplicaciones de
baja frecuencia, las sondas pasivas estándar suelen ser adecuadas, mientras que en las aplicaciones
de alta frecuencia se debería considerar el uso de sondas con una capacidad de entrada mucho
menor, como las sondas activas, en las que nos detendremos más adelante.
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Impacto de la inductancia de sonda
Como el terminal de conexión a tierra es un cable, presenta cierto grado de inductancia distribuida.
Esta inductancia interactúa con la capacidad de la sonda para generar una oscilación en una
frecuencia concreta, que viene determinada por los valores L y C. Esta oscilación es inevitable, si bien
sus efectos se pueden mitigar si se usa la menor longitud posible de terminal de tierra de la sonda.
Lo mismo sucede cuando se suelda una parte de cable al punto de prueba y se conecta la sonda al
cable. Apenas un par de centímetros de cable pueden hacer que se produzcan cambios de impedancia
muy considerables en las frecuencias altas. Por lo tanto, use los adaptadores de punta de sonda más
cortos que existan a la hora de realizar medidas de alta frecuencia.
RD
Punto de prueba
VD
RP
CP
LP
Figura 10: Efectos de la inductancia de entrada.
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Introducción a las sondas de osciloscopio
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Inmunidad al ruido
Las luces fluorescentes y los motores de ventilador son solo dos de las muchas fuentes de ruido que
existen en nuestro entorno. Estas fuentes pueden inducir su ruido a los cables y circuitos eléctricos
más próximos, lo que provoca que llegue a las señales. Dada la susceptibilidad al ruido inducido,
un simple fragmento de cable no resulta demasiado conveniente para una sonda de osciloscopio.
En su lugar, la mayoría de las sondas de osciloscopio se fabrican con cables coaxiales o “coax”, el
cable de señal recubierto de una malla metálica, que es la conexión a tierra. Esta conexión a tierra
reviste de cierta protección al cable.
La sonda de osciloscopio ideal es completamente inmune a todas las fuentes de ruido, de forma que
la señal que llega al osciloscopio carece del ruido que se apreciaba en la señal en el punto de prueba.
En la práctica, el uso de revestimiento en toda la sonda permite que se alcance un elevado nivel de
inmunidad frente al ruido en la mayoría de los niveles de señal habituales. Aún así, el ruido puede ser
una interferencia en algunas señales de bajo nivel; en concreto, el ruido en modo común puede ser un
problema en las medidas diferenciales, como trataremos más adelante.
Puntos clave para recordar
1. El valor de la impedancia del dispositivo (DUT) influye en el efecto de la carga de sonda.
2. En CC, la carga de sonda se debe completamente a los efectos de la resistencia de entrada de la
sonda. El divisor de tensión entre la resistencia de entrada del dispositivo y de la sonda reducirá la
tensión medida.
3. A medida que la frecuencia de la señal aumenta, la impedancia reactiva de la capacidad de la
sonda disminuye y tiene el efecto dominante en la carga de la sonda. Por lo tanto, la carga de
capacidad aumenta los tiempos de subida y bajada en las formas de onda de transición rápida
y reduce la amplitud de los detalles de alta frecuencia en las formas de onda.
4. A fin de minimizar la carga de sonda, puede usar una sonda de mayor impedancia (mayor
resistencia o menor capacidad) o medir la señal en un punto de prueba en el que la impedancia
sea menor.
5. La inductancia del terminal de tierra interactúa con la capacidad de la sonda para generar una
oscilación en una frecuencia concreta, que viene determinada por los valores L y C. Para minimizar
este aspecto, use el terminal de tierra y los adaptadores de punta de sonda más cortos que pueda.
Ejercicio
1. Para lograr la mínima carga de sonda, ¿cuál debería ser la impedancia de la sonda?
a. Rp = ∞ y Cp = 0
b. Rp = 0 y Cp = ∞
c. Rp = 0 y Cp = 0
d. Rp = ∞ y Cp = ∞
Respuesta: a
2. Si VD = 5 V, RD =1 MΩ y Rp = 10 MΩ, ¿qué Vmed se obtendría?
Vmed = _________________
Respuesta: Vmed = (5 V) x [10 MΩ/(10 MΩ + 1 MΩ)] = 4,55 V
Revisión 1.0
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Introducción a las sondas de osciloscopio
Guía del instructor
3. Si VD es un paso de 10 V, RD = 5 kΩ y Cp = 20 pF, ¿qué tr se obtendría?
tr = ____________________
Respuesta:
tr = 2,2 (5 kΩ x 20 pF) = 220 ns
Distintos tipos de sonda
Sondas pasivas
Las sondas de tensión pasivas constan de los siguientes componentes pasivos: cables, conectores,
resistencias y condensadores. Esta sonda carece de componentes activos (transistores o amplificadores),
de modo que no es necesario suministrarle alimentación.
Un esquema simplificado de una sonda pasiva tendría el siguiente aspecto:
Punta
Cable
Caja de
compensación
Figura 11: Esquema de sonda pasiva.
Las ventajas de las sondas pasivas son las siguientes:
ƒ Son relativamente económicas.
ƒ Son resistentes desde el punto de vista mecánico.
ƒ Presentan un amplio rango dinámico.
ƒ Tienen una elevada resistencia de entrada.
El principal inconveniente de las sondas pasivas es el siguiente:
ƒ Presentan una elevada capacidad de entrada.
Las sondas de tensión pasivas se suelen especificar mediante factores de ancho de banda
o atenuación, como 1X o 10X. El factor de atenuación representa la relación de la amplitud de señal
de entrada y de salida.
Las sondas más comunes proporcionan, como mínimo, el mismo ancho de banda que el osciloscopio
y tienen un factor de atenuación de 10X. Se trata de una buena combinación de ancho de banda, carga
de sonda de capacidad y sensibilidad en la mayoría de las aplicaciones.
Revisión 1.0
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Figura 12: Sonda pasiva Tektronix TPP0201.
Sondas de tensión pasivas TPP0101/TPP0201
ƒ Atenuación de 10X
ƒ Ancho de banda de 200 MHz
ƒ Longitud de 1,5 m
Ancho de banda
Capacidad de entrada
TPP0101
CC a 100 MHz
<12 pF (tip)
TPP0201
CC a 200 MHz
<12 pF (tip)
Resistencia de entrada
10 MΩ ±1,5%
10 MΩ ±1,5%
Ejercicio
1. Con una sonda pasiva TPP0101 o TPP0201, ¿cuál es el valor aproximado de tr si RD = 1 MΩ?
tr = ______________________________
Respuesta:
tr = 2,2 (1 MΩ x 12 pF) = 26,4 μs
2. Con una sonda pasiva TPP0101 o TPP0201 y una atenuación de 10X, ¿qué Vmed se obtendría si
RD = 1 MΩ y
VD = 5 V?
Vmed = ______________________________
Respuesta: Vmed = (5 V) x [10 MΩ/(10 MΩ + 1 MΩ)] = 4,55 V
Revisión 1.0
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Sondas activas
Las sondas de tensión activas están dotadas de componentes activos, como transistores y amplificadores,
y precisan de alimentación para funcionar. Un esquema simplificado de una sonda activa tendría el
siguiente aspecto:
Cable
Punta
Figura 13: Esquema de sonda activa.
En contraste con las sondas pasivas, las ventajas de las sondas activas son las siguientes:
ƒ Presentan una capacidad de entrada baja.
ƒ Tienen un ancho de banda amplio.
ƒ Tienen una elevada resistencia de entrada.
ƒ Proporcionan una mejor fidelidad de la señal.
En contraste con las sondas pasivas, los inconvenientes de las sondas activas son los siguientes:
ƒ Tienen un coste más elevado.
ƒ Presentan un rango dinámico limitado.
ƒ Son menos resistentes desde el punto de vista mecánico.
Las sondas activas tienen una capacidad de entrada muy baja. En consecuencia, la sonda es capaz
de mantener una impedancia de entrada alta en un amplio ámbito de frecuencias. Esta elevada
impedancia de entrada de una sonda activa permite obtener medidas en puntos de prueba de
impedancia desconocida con un riesgo mucho menor de que se produzcan los efectos de la carga.
Al tener un índice de carga bajo, las sondas de tensión activas se pueden usar en circuitos con
impedancia alta en los que la carga sería excesiva si se usaran sondas pasivas. Asimismo, las
sondas activas son menos sensibles a los efectos de la inductancia en terminales de tierra largos.
No obstante, los componentes activos cuentan con un rango de tensión de entrada máximo más
restringido, dadas las limitaciones del amplificador y las fuentes de alimentación.
Compare las especificaciones de estas sondas activas y pasivas:
Atenuación
Ancho de banda
Capacidad de entrada
Sonda pasiva
TPP0201
10X
CC a 200 MHz
12 pF (tip)
Resistencia de entrada
Tensión de entrada máxima
10 MΩ
300 VRMS CATII
Revisión 1.0
Sonda activa
TAP1500
10X
CC a 1.500 MHz
≤1 pF
1 MΩ
±8 V
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Introducción a las sondas de osciloscopio
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Figura 14: Sonda activa Tektronix TAP1500.
Como puede apreciarse, la forma de la sonda (especialmente la punta) también es muy diferente a la
de la sonda pasiva. Este factor de forma y accesorios más reducidos hacen que sea posible que la
punta de la sonda y la conexión a tierra estén mucho más próximas a los componentes de montaje
superficial pequeños. Advierta igualmente la caja (más grande) que se conecta al osciloscopio. Esta
caja contiene el circuito de fuente de alimentación necesario para proporcionar energía al circuito de
la sonda.
Ejercicio
1. Con una sonda pasiva TPP0101 o TPP0201, ¿qué tr se obtendría si RD = 1 MΩ?
tr = ______________________________
Respuesta:
tr = 2,2 (1 MΩ x 12 pF) = 26,4 μs
2. Con una sonda activa TAP1500, ¿qué tr se obtendría si RD = 100 kΩ?
tr
= ______________________________
Respuesta:
tr = 2,2 (100 kΩ x 1 pF) = 220 ns
3. ¿Qué sonda proporciona un tiempo de subida más rápido?
Respuesta: La sonda activa TAP1500.
Revisión 1.0
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Sondas diferenciales
Las sondas de tensión activas y pasivas miden la tensión en relación con la conexión a tierra. A veces
es necesario medir la diferencia entre dos tensiones cuando ninguna de ellas está conectada a tierra.
Estas señales “diferenciales” se miden entre sí, en lugar de con respecto a la conexión a tierra. Entre
los ejemplos de señales diferenciales encontramos las señales de canal de lectura de disco duro, los
sistemas de alimentación multifase y las señales de comunicación de datos RS-422 y CAN.
En algunas ocasiones, las señales diferenciales se pueden medir usando dos sondas para tomar
medidas con referencia a tierra y, a continuación, usando las funciones matemáticas del osciloscopio
para restar un canal de otro. Esto funciona si las señales son de baja frecuencia y tienen suficiente
amplitud para elevarse por encima de cualquier ruido.
Sin embargo, este método plantea algunos problemas. Cualquier diferencia de retraso de propagación que
exista entre las sondas y los canales del osciloscopio hará que se produzca una falta de alineación temporal
de las señales. En las señales de alta velocidad en concreto, esto puede suponer un problema que acabe
en serios errores de tiempo y amplitud. De igual modo, cualquier diferencia de ganancia o respuesta de
frecuencia entre los dos canales provocará una cancelación incompleta del ruido en “modo común” o en
el rechazo de ruido que hay impreso en ambas líneas de señal a causa de factores como relojes cercanos
o el ruido procedente de fuentes externas, como las luces fluorescentes.
Punta
Cable
Entrada 1
Entrada 2
Figura 15: Esquema de sonda diferencial.
Tal como se aprecia aquí, una sonda diferencial usa un amplificador diferencial en la punta de sonda
cercana al dispositivo para restar las dos señales, lo que da como resultado una señal diferencial para
que la mida un canal del osciloscopio. Como los trayectos de la señal coinciden en la sonda, una
sonda diferencial puede proporcionar un rendimiento de “relación de rechazo en modo común” (CMRR)
verdaderamente alto en un amplio rango de frecuencias.
En contraste con la resta de las medidas de la sonda pasiva, las ventajas de las sondas diferenciales
activas son las siguientes:
ƒ Tienen un ancho de banda amplio.
ƒ Presentan una relación de rechazo en modo común amplia.
ƒ Muestran una falta de alineación temporal mínima entre entradas.
ƒ Tienen una capacidad de entrada reducida.
Al ser sondas activas, los inconvenientes principales de las sondas diferenciales en comparación con
las sondas pasivas son las siguientes:
ƒ Tienen un coste más elevado.
ƒ Presentan un rango dinámico limitado.
ƒ Son menos resistentes desde el punto de vista mecánico.
Revisión 1.0
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Introducción a las sondas de osciloscopio
Guía del instructor
Como se puede ver en las figuras 16 y 17, la forma de la punta de la sonda e, incluso, los accesorios,
están especialmente diseñados para hacer que ambas entradas coincidan. La sonda de factor de
forma más pequeña que muestra la figura 16 está diseñada para aplicaciones de alta frecuencia y para
conectarse a dispositivos microelectrónicos, mientras que la sonda de la figura 17 está diseñada para
aplicaciones de alta tensión y para conectarse a componentes de alimentación de gran tamaño.
Figura 16: Sondas diferenciales Tektronix
TDP0500 y TDP1000.
Figura 17: Sonda diferencial y de alta tensión
Tektronix P5205.
Sondas de corriente
Las sondas de tensión se pueden usar para medir la corriente que fluye a través de un circuito, para
lo que se mide la caída de tensión (que suele ser una medida diferencial) en una resistencia conocida
(que se puede haber añadido al circuito). A continuación, se debe dividir la tensión entre el valor de
resistencia para obtener la corriente.
Existe una mejor forma de tomar medidas de corriente: usar una sonda de corriente. El flujo de
corriente a través de un conductor hace que se forme un campo de flujo electromagnético alrededor
del conductor. Las sondas de corriente están pensadas para sentir la intensidad de este campo
y convertirla en la tensión correspondiente para que el osciloscopio pueda obtener la medida. Gracias
a ello, las formas de onda de corriente se pueden ver y analizar con un osciloscopio. Cuando se usan
de forma conjunta con las características de tensión de un osciloscopio, las sondas de corriente
también permiten que se puedan realizar una amplia variedad de medidas de alimentación.
Por lo general, existen dos tipos de sondas de corriente para osciloscopios: sondas de corriente CA,
que suelen ser sondas pasivas, y sondas de corriente CA/CC, que suelen ser sondas activas. En
ambos tipos se usa el mismo principio de acción de transformador para sentir la corriente alterna (CA)
en un conductor. Las sondas CA/CC incorporan un dispositivo adicional, conocido como dispositivo de
efecto Hall, con el que se detecta la corriente CC, puesto que dicha corriente no genera un campo de
flujo modificador y, en consecuencia, no puede desencadenar la acción de transformador.
También son dos los factores de forma básicos relativos a las sondas de corriente, a saber, de núcleo
dividido o de núcleo fijo. Con una sonda de corriente de núcleo fijo, el conductor que se va a medir debe
atravesar primero el conductor del transformador de la sonda para, seguidamente, volver a conectarse al
dispositivo. La ventaja de las sondas de núcleo fijo reside en su respuesta de alta frecuencia, que le permite
medir señales de CA y pulsos de corriente muy rápidos y de amplitud baja. Las sondas de corriente de
núcleo dividido (como las que se muestran a continuación), hacen que la sonda rodee el conductor. Estas
sondas proporcionan una forma de conexión mucho más sencilla a la mayoría de los circuitos.
Otra característica importante de algunas sondas de corriente es el escalado automático. Con sondas
de corriente como las que se muestran a continuación, la sonda comunica los factores y las unidades
de escala adecuados, de modo que el osciloscopio muestra las formas de onda y las medidas en las
unidades correctas (por ejemplo, en amperios).
Revisión 1.0
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Como se aprecia en estas imágenes, las puntas de sonda de núcleo dividido están pensadas para
sujetarse alrededor del conductor. La sonda de corriente de factor de forma más pequeña está
diseñada para corrientes de hasta 30 ARMS/50 Apico y frecuencias de ≥120 MHz, mientras que la otra
sonda se destina a corrientes más altas (de hasta 150 ARMS/500 Apico) en frecuencias de hasta
20 MHz, además de para conectarse a conductores de tamaño mucho mayor.
Figura 18: Sonda de corriente
Tektronix TCP0030.
Figura 19: Sonda de corriente
Tektronix TCP0150.
Puntos clave para recordar
1. Las sondas pasivas son relativamente económicas y muy resistentes desde un punto de vista
mecánico, si bien tienden a tener una capacidad de entrada considerable.
2. Las sondas activas presentan una capacidad de entrada baja. Dan buenos resultados a la hora de
medir señales de alta frecuencia o circuitos con una impedancia elevada, ya que son capaces de
mantener una impedancia de entrada elevada a lo largo de un amplio rango de frecuencias.
3. Una sonda diferencial reporta una relación de rechazo en modo común (CMRR) amplia y una falta
de alineación temporal mínima entre entradas para medir señales diferenciales.
4. Una sonda de corriente sirve para tomar medidas de corriente. Algunas sondas de corriente solo
pueden detectar la corriente CA, de modo que, si hay que medir también la corriente CC, será
necesaria una sonda de corriente CA/CC.
Ejercicio
1. Debe medir la tensión en un dispositivo donde no hay ninguna conexión de tensión a tierra.
¿Qué tipo de sonda usaría?
Respuesta: Sonda de tensión diferencial.
2. Debe medir el flujo de corriente que transcurre por un dispositivo. ¿Qué tipo de sonda usaría?
Respuesta: Sonda de corriente.
3. En caso de que sea necesario probar un circuito de alta frecuencia, ¿qué tipo de sonda deberá
usar?
Respuesta: Sonda activa.
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Uso de una sonda pasiva
Ajuste de la compensación de sonda
1. En los siguientes pasos se describe y muestra el procedimiento adecuado para ajustar una sonda
de osciloscopio. A fin de lograr la mejor fidelidad de la señal, se recomienda llevar a cabo este
procedimiento cada vez que la sonda se conecte al osciloscopio.
a. Encienda el osciloscopio; para ello, pulse el interruptor de encendido situado en la parte
superior izquierda del instrumento.
b. Pulse el botón Config. Predeter. (Default Setup) del panel frontal para establecer el
osciloscopio a un estado conocido.
c.
Conecte una sonda pasiva TPP0101 o TPP0201 10X a la entrada del canal 1. Para conectar
un conector BNC, presione y gire el conector de la sonda hasta que se deslice en el conector.
A continuación, gire el anillo de retención en el sentido de las agujas del reloj para que el
conector se fije.
2. Para que el osciloscopio tome las medidas correctamente, debe conocer la atenuación de cada una
de las sondas. Algunas combinaciones de sonda/osciloscopio establecen la atenuación
automáticamente, pero en otras será necesario hacerlo de forma manual.
a. Pulse el botón 1 amarillo para mostrar el menú del canal 1.
b. Compruebe que la lectura en el lateral de la pantalla refleja que el osciloscopio está configurado
para una sonda 10X.
c.
Conecte el terminal de tierra de sonda negro al conector de tierra en el extremo inferior derecho
del osciloscopio. Apriete la parte más ancha del conector de tierra para abrir la boca de la pinza
de cocodrilo y fíjelo en el conector.
d. Conecte la punta de la sonda al conector de señal Compensación de la sonda (Probe Comp)
que hay al lado del terminal de tierra. Sostenga la sonda como una jeringa y tire de la punta
accionada por muelle para sacar la punta de gancho de la sonda. Tras ello, fíjela al conector.
e. Pulse el botón Autoconfigurar (Autoset) del panel frontal para configurar el osciloscopio
automáticamente.
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3. Las sondas están diseñadas para igualar las entradas de modelos de osciloscopio específicos. Sin
embargo, existen pequeñas diferencias entre osciloscopios e, incluso, entre los distintos canales de
entrada de un osciloscopio. Para paliarlas, deberá “compensar” una sonda pasiva cada vez que
cambie una conexión de canal o sonda del osciloscopio. La compensación es el proceso de
establecimiento manual de la atenuación de CA, para lo cual se ajusta la relación de las
capacidades que se muestran en paralelo con las resistencias del atenuador de la sonda.
a. Hágase con la herramienta de ajuste que se suministra con la sonda o con un pequeño
destornillador no magnético.
b. Inserte la herramienta de ajuste de la sonda en el pequeño orificio que hay en el cuerpo de la
sonda, cercano a la zona en la que la sonda se une al conector de entrada BNC del
osciloscopio.
c.
Gire la herramienta de ajuste lentamente hasta que el osciloscopio muestre la forma de onda
con la parte superior plana, sin sobreimpulsos o redondeos.
d. Una sonda sobrecompensada podría tener este aspecto:
Revisión 1.0
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e. Una sonda con poca compensación podría tener este aspecto:
Revisión 1.0
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Puntos clave para recordar
1. Para mitigar el efecto de carga de una sonda en un punto de prueba de la señal, la amplitud de
señal que se transmite a la entrada del osciloscopio se debe reducir (o atenuar).
2. Para que el osciloscopio tome las medidas correctamente, debe conocer la atenuación de cada una
de las sondas. Es posible que tenga que hacer esto manualmente con algunas combinaciones de
osciloscopio y sonda.
3. Debe “compensar” una sonda pasiva cada vez que cambie una conexión de canal o sonda del
osciloscopio. La compensación se logra conectando la sonda a una señal de onda cuadrada y,
a continuación, ajustando la forma de la señal a una onda cuadrada.
Distintos métodos de conexión
1. Existen varias formas de conectar una sonda a un circuito. La técnica en la que se usa la punta accionada
por muelle funciona bien para conectarse a un gran número de puntos de prueba, conectores de terminal
de prueba y cables individuales. Al solucionar problemas en un circuito, sin embargo, a menudo resulta
más fácil usar una punta de sonda fina, ya que es más fácil colocar la punta de la sonda de forma precisa
en los componentes de paso pequeño, como se verá en los pasos que siguen a continuación.
a. Desconecte la conexión a tierra de la sonda del conector de tierra.
b. Extraiga la punta de la sonda del conector de señal Compensación de la sonda (Probe Comp).
c.
Tire suavemente de la punta de la sonda hasta extraerla completamente.
d. Vuelva a conectar el terminal de tierra de la sonda al conector de tierra.
e. Una la punta de sonda fina al conector de señal Compensación de la sonda (Probe Comp)
y confirme que aparece la misma señal en pantalla.
f.
Empuje suavemente la punta de la sonda de nuevo hacia la sonda.
g. Vuelva a conectar la punta de sonda del canal 1 al conector de señal Compensación de la
sonda (Probe Comp).
2. Es importante comprobar que la sonda no carga la señal en exceso. Una forma sencilla de llevar esto
a cabo consiste en vigilar la señal al añadir la segunda sonda. En los siguientes pasos, observe que,
a medida que la sonda del canal 2 toca la señal de compensación de sonda, la pantalla no se
modifica, lo cual indica que la segunda sonda no está cargando la señal de forma significativa.
a. Conecte la segunda sonda pasiva TPP0101 o TPP0201 a la entrada del canal 2.
b. Conecte el terminal de tierra de sonda negro del canal 2 al conector de tierra en el centro de la
parte frontal inferior del osciloscopio.
c.
Conecte la punta de sonda del canal 2 al conector de señal Compensación de la sonda (Probe Comp).
d. A medida que la sonda del canal 2 toca la señal de compensación de sonda, debería ver que la
pantalla no se modifica, lo cual indica que la segunda sonda no está cargando la señal de forma
significativa.
Puntos clave para recordar
1. Existen varias formas de conectar una sonda a un circuito.
2. Una punta accionada por muelle funciona bien para conectarse a un gran número de puntos de
prueba, conectores de terminal de prueba y cables individuales.
3. Al solucionar problemas en un circuito, a menudo resulta más fácil usar una punta de sonda fina, ya
que es más fácil colocar la punta de la sonda de forma precisa en los componentes de paso pequeño.
4. También es importante comprobar que la sonda no carga la señal en exceso. Una forma sencilla de
llevar esto a cabo consiste en vigilar la señal al añadir la segunda sonda.
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Ejercicio final
1. Una sonda de osciloscopio es:
a. Simplemente un cable.
b. Normalmente, un cable coaxial.
c. Un circuito completo que consta de componentes electrónicos pasivos y, posiblemente,
también activos.
d. Innecesaria en la mayor parte de las medidas.
Respuesta: c
2. A la hora de elegir la sonda de osciloscopio, se recomienda:
a. Usar la que ya viene conectada al osciloscopio.
b. Escoger la sonda correcta en función de la impedancia del circuito y la frecuencia y amplitud
de la señal.
c. Usar la primera que vea en la mesa de trabajo.
d. Distraer a la persona que tengo al lado y usar la suya.
Respuesta: b
3. Las sondas de osciloscopio se caracterizan por:
a. El ancho de banda.
b. La tasa de variación de tensión máxima.
c. La capacidad de entrada.
d. Todas las anteriores.
Respuesta: d
4. Las sondas se pueden conectar a varios:
a. Puntos de prueba.
b. Conectores.
c. Cables de componente.
d. Todas las anteriores.
Respuesta: d
5. Las sondas pueden afectar a la calidad de las medidas electrónicas del siguiente modo:
a. Añadiendo carga CC, dada la resistencia de entrada de la sonda.
b. Añadiendo carga CA, dada la capacidad de entrada de la sonda.
c. Cambiando la forma de la forma de onda, dado el ancho de banda de la sonda.
d. Todas las anteriores.
Respuesta: d
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001-1539-00
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