Selezionare una sonda di ricambio per oscilloscopio è facile, quando si sa come fare

All'inizio della mia carriera, ero a capo di un ufficio di 22 ingegneri e tecnici. Avevamo circa 35 oscilloscopi il cui guasto più comune era dovuto a sonde difettose. Puntali della sonda rotti, connettori con segnali intermittenti, cavi danneggiati: alla sonda di un oscilloscopio può capitare proprio di tutto. Quindi, sostituivamo più di trenta sonde all'anno.

Trovare le sonde di ricambio non richiede poteri speciali: basta conoscerne le specifiche e sapere come funzionano. Quasi tutti gli oscilloscopi vengono consegnati con una sonda passiva per canale, un accessorio di prova molto comune. Le sonde passive sono il frutto di ottant'anni di sviluppo tecnologico, ma l'idea di base è ancora molto semplice. Come si può vedere dalla Figura 1, la sonda passiva 10:1 è fondamentalmente un attenuatore compensato da collegare alla terminazione di ingresso a 1 MΩ dell'oscilloscopio. L'ingresso a 1 MΩ dell'oscilloscopio può essere pensato come resistore a 1 MΩ con una ridotta capacità in parallelo.

Figura 1: Modello di circuito per una sonda passiva 10:1, ad alta impedenza, che opera assieme all'ingresso a 1 MΩ dell'oscilloscopio. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

L'attenuazione 10:1 si ottiene mettendo un resistore da 9 MΩ in serie con l'ingresso dell'oscilloscopio, R_IN nella Figura 1. Questa combinazione attenuerà i segnali a bassa frequenza all'ingresso della sonda di un fattore dieci all'ingresso dell'oscilloscopio. Per i segnali ad alta frequenza, la capacità di shunt dell'ingresso dell'oscilloscopio (C_in), aggiunta alla capacità del cavo coassiale, agisce come un filtro passa-basso ai segnali di ingresso.

Per ottenere una risposta in frequenza piatta è richiesta un'equalizzazione. L'aggiunta di un filtro passa-alto in serie con una frequenza di taglio che è la stessa del filtro passa-basso, appiattisce la risposta in frequenza della combinazione sonda-oscilloscopio. Questo si ottiene rendendo la costante di tempo R_IN x C_IN uguale alla costante di tempo di Ro x (C_{SCOPE in}+C_CABLE+C _COMP). Poiché la capacità di ingresso dell'oscilloscopio varia leggermente, il condensatore variabile C_COMP viene aggiunto per regolare la costante di tempo del componente passa-basso. Questo condensatore è regolato per impostare la compensazione a bassa frequenza secondo le istruzioni riportate nel manuale dell'oscilloscopio.

Vediamo un esempio su come cercare una sonda sostitutiva. Supponiamo di voler trovare una sonda sostitutiva per un oscilloscopio a quattro canali, 1 GHz, HDO4104A di Teledyne LeCroy. Questo oscilloscopio in genere ha in dotazione quattro sonde PP018 da 500 MHz. Fra le informazioni che dobbiamo sapere sull'oscilloscopio c'è la capacità di ingresso, C_{SCOPE in}, riportata nella scheda tecnica. La scheda tecnica riporta come capacità di ingresso 16 pF; se non è esplicitamente indicata si può presumere una tolleranza di ±20%.

Iniziare cercando sul sito DigiKey le sonde per oscilloscopio. Uno dei risultati della ricerca è Cavetti di prova - Sonde per oscilloscopi, come mostra la Figura 2.

Figura 2: Utilizzare la pagina Cavetti di prova - Sonde per oscilloscopi del sito web DigiKey per disporre dei criteri di ricerca: Sonda passiva, Attenuazione 10:1, Larghezza di banda di 500 MHz e Resistenza di ingresso sonda di 10 MΩ. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

La ricerca produce le 16 offerte di prodotti indicate nella Figura 3.

Figura 3: I risultati della ricerca elencano 16 sonde, le prime otto delle quali sono in magazzino. Una delle selezioni è precisamente la sonda cercata, PP018, ma ci sono sonde idonee di altri produttori. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Sei dei primi otto risultati della ricerca sono sonde di Teledyne LeCroy, compresa la sonda PP018 che viene fornita con l'oscilloscopio. Ci sono anche sonde di altri due produttori: CT4203 di Cal Test Electronics e P500-010 di Carlisle Interconnect Technologies. Vale sempre la pena valutare altre opzioni.

Consultando le schede tecniche di ogni sonda, possiamo confrontare le specifiche chiave mostrate nella Tabella 1.

Tabella 1: Confronto delle offerte di sonde di tre diversi produttori utilizzando otto specifiche chiave. (Tabella per gentile concessione di Art Pini)

Le tre sonde sono abbastanza simili. Una specifica chiave che non è stata menzionata in precedenza è l'intervallo di compensazione. Questo è l'intervallo di capacità di ingresso dell'oscilloscopio che la sonda può soddisfare. Poiché l'oscilloscopio ha una capacità di ingresso di 16 pF ±20%, tutte queste sonde possono essere idonee.

Il secondo problema è il diametro del puntale. Il diametro più piccolo di 2,5 mm permette di tenere le sonde più vicine senza interferenza fisica. Il puntale più grande da 5 mm è più robusto e sarà meno soggetto a rotture. Questa è una decisione ingegneristica che solo l'utente può prendere.

Conclusione

Anche se gli ingegneri sanno quanto sia importante prendersi cura delle sonde per oscilloscopio, poiché non tutti i danni sono immediatamente visibili, accade che anche quelle maneggiate con il massimo riguardo si guastino. E spesso proprio nel mezzo del test più importante.

Come abbiamo mostrato, usando il motore di ricerca dei prodotti DigiKey e le linee guida di base per la selezione che abbiamo indicato, trovare una sonda di ricambio è relativamente semplice. Fatta eccezione per il diametro del puntale, le tre sonde selezionate qui differiscono principalmente nel costo: la decisione ingegneristica finale.

In alternativa, la si può "prendere in prestito" da una scrivania vicina.