Em outro artigo neste site, baseados em material da Agilent Technologies, mostramos que as pontas de prova de osciloscópios para uso em banda larga, podem apresentar problemas que afetam o sinal, levando a falsas interpretações de resultados. Neste artigo, que é uma complementação do assunto, mostramos como usar as pontas de prova em trabalhos que envolvam sinais de altas freqüências ocupando bandas altas como os encontrados em equipamentos de telecomunicações modernos. (2004)
É o procedimento usado para uma medida que define exatamente o que está sendo medido. De nada valem as informações técnicas sobre a curva de resposta de uma ponta de prova se o modo como as medidas devem ser feitas não forem fornecidas.
Para isso é preciso fazer um ajuste da ponta de prova antes da medida.
Independentemente de como seja a resposta no domínio do tempo ou das freqüências, o sinal antes e depois da ponta de prova precisam ser medidos. Na figura 1 mostramos como o “setup” de uma ponta de prova deve ser feito.
Uma adaptação consistindo de uma linha de transmissão exposta de 50 Ω pode ser usada para permitir que a ponta de prova seja conectada à fonte e também que o sinal seja medido.
Para possibilitar uma medida precisa de Vin, esta adaptação precisa ter um mínimo de perdas e reflexões entre o ponto que está sendo analisado e a conexão do lado direito. Tanto o lado direito da adaptação e a saída da ponta de prove precisam ser conectados a sistemas terminados em 50 Ω, como as entradas de um osciloscópio de microondas, medidores de potência ou portas calibradas de um analisador vetorial de redes (VNA).
A impedância de saída de uma ponta de prova não é um item significativo nestas medidas na maioria dos casos. No entanto, quando uma ponta de prova é usada na entrada de um instrumento que tenha uma terminação de 50 Ω pobre, podem ocorrer reflexões que se propagam de volta para a ponta.
Isso causa perturbações na resposta de passo da ponta de prova.
Por que os usuários de uma ponta de prova devem medir essas grandezas quando ela é fornecida pelos fabricantes?
O que ocorre é que sempre bom conferir se a ponta de prova está em bom estado antes de usá-la em medidas importantes. Por exemplo, se vamos medir resistências com o multímetro, sempre o zeramos antes, para garantir que os resultados obtidos depois disso estão corretos.
Outro ponto importante vem do fato de que tanto a impedância de entrada como a resposta de freqüência de uma ponta de prova são muito dependentes dos acessórios de conexão. É uma boa idéia fazer as medidas usando apenas um acessório de cada vez.
Os fabricantes normalmente não fornecem informações sobre a resposta de freqüência da ponta quando diversos acessórios são usados.
Para esse teste utilizam sinais que tenham taxas de crescimento rápidas, comparando-se o sinal na entrada e na saída da ponta de prova. A figura 1 mostrou como isso pode ser feito.
Veja que não é preciso ter um sinal perfeito para estes testes. Basta verificar se as imperfeições que existem na entrada devem estar presentes na saída.
Muitos osciloscópios dispõem de sinais de calibração com tempos de crescimento muito curtos e que pode ser usados para excitar uma entrada de 50 Ω. Esse sinal de calibração e uma derivação de 50 Ω no trajeto do sinal são ideais para se verificar a qualidade de uma ponta de provas e de seus acessórios de conexão.
Se a impedância de entrada de 50 Ω do osciloscópio não for boa com sinais de altas freqüências, um atenuador de alta qualidade de 50 Ω deve ser usado.
Ele vai reduzir os erros entre os sinais na entrada do osciloscópio e na entrada da ponta de prova. Esse erro é normalmente causado por reflexões do sinal na ponta com problemas.
Acessórios Amortecidos e sem Amortecimento
Nas figuras 2(a), (b) e (c) temos as comparações de medidas feitas para um sinal com bom aterramento usado pontas de prova de 3,5 GHz usando fios terminais de 2 polegadas.
A ponta de prova da esquerda usa um fio de 2 polegadas ue é conectado diretamente ao ponto que está sendo testado. A ponta da direita usa o mesmo comprimento de fio mas possui um resistor de 215 Ω entre o ponto testado e o fio terminal.
Isso torna a estrutura na entrada da ponta de prova uma linha de transmissão com terminação na fonte. Excluindo os acessórios de conexão, as duas pontas de prova são similares nas não idênticas, porque a ponta de prova da direita está otimizada para aser usada com acessórios apropriadamente amortecidos e a prova da esquerda otimizada para ser usada com pinos de metal não amortecidos.
Os gráficos no domínio das freqüências em 2 (a) mostram que as duas conexões das pontas de prova têm a mesma impedância nas baixas freqüências. No entanto, a ponta não amortecida ressoa com uma resistência baixa de 15 Ω aproximadamente em 750 MHz enquanto que a ponte amortecida nunca tem impedância menor que 230 Ω até 4 GHz.
Os gráficos no domínio das freqüências de Vin, Vout e resposta dVin/Vout revelam alguns pontos importantes. Observando a Vin medida, a conexão não amortecida carrega a fonte de 25 Ω em 750 MHz, reduzindo Vsrc em 9 dB aproximadamente.
Lembrando que 6 dB é um fator equivalente a 2 em tensão, se a impedância de entrada da ponta de prova que é a mesma impedância da fonte, Vsrc pode ser reduzida em 6 dB. Isso torna intuitivo que uma impedância de entrada de 15 Ω carrega a fonte de 25 Ω em mais de 6 dB em 750 MHz.
Se a resposta de freqüência de uma ponta de prova é perfeita, a saída será exatamente a mesma que a entrada em toda a faixa de freqüências.
A saída da ponte de prova do lado esquerdo da figura 2, indica que o sinal medido em 750 MHz é 14 dB, ou tem um fator de 5, sobre o nível de baixa freqüência. Na realidade, o sinal medido é 9 dB ou tem um fator 2,8 abaixo do nível de baixa freqüência.
Isso significa que a saída está 23 dB acima da entrada, ou existe um erro de 23 dB em 750 MHz. O gráfico de resposta de Vout/Vin, mostra esse erro.
Em contraste, a resposta de frequência para um amortecimento apropriado da ponta de prova está à direita onde não existe nenhum pico em qualquer freqüência. Mesmo quando usando uma ponta terminal de 2 polegadas, a ponta apropriadamente amortecida tem menos de 3 dB de erro até 1,5 GHz.
Diversas medidas no domínio de tempo foram feitas com duas pontas conforme as sugeridas, num sistema de 25 Ω. Como mostra a figura 2(b), quando medindo baixas freqüências, um sinal retangular de 66 MHz com tempos de subida relativamente pequenos (2 ns), a saída das duas pontas de prova apresentam em suas saídas sinais com boa precisão.
No entanto, quando medindo sinais retangulares com tempos de subida de 1 ns, a saída da ponta apropriadamente amortecida é mais precisa, enquanto que a entrada da ponta não amortecida indica um tempo de subida maior do que realmente ele é. Isso pode parecer impossível para muitos usuários!
Como mostrado na figura 2(c), quando medindo sinais retangulares com tempos de subida rápidos, da ordem de 250 ps. a saída da ponta de prova não amortecida apresenta um “overshot” excessivo, além de oscilação.
O overshot e a oscilação são fáceis de identificar quando medindo baixas freqüências, sinais de 66 MHz, por exemplo. No entanto, quando medindo altas freqüências, como mostrado nos gráficos inferiores, o erro de medida causado pela ponta de prova se torna maior e menos óbvio.
Quando uma ponta de prova real está sendo usada num sistema real, o usuário não tem a comodidade de ver o sinal antes e depois dela. O usuário somente vê o sinal na saída. Assim, para saber se o sinal que ele está vendo não tem distorções ele precisa saber qual é a resposta de freqüência da ponta de prova.
O que muitos usuários realmente querem é simplesmente saber se a performance de seu sistema de medidas é boa o suficiente para não ter erros significantes.
Se uma ponta de prova tem picos na curva de resposta no domínio das freqüências, como a ponta mostrada na figura 2(a), na medida de sinais retangulares, isso significa que pode aparecer mais overshot e oscilação do que o sinal realmente tem.
Quando medindo sinais retangulares de freqüências mais altas, como clocks de sistemas, o sinal na saída da ponta de prova pode aparecer muito distorcido. O grau das discrepâncias depende de muitas variáveis, como a magnitude e freqüência dos picos na ponta de prova, a freqüência do sinal de entrada e o tempo de subida do sinal de entrada.
Simplificando: fica difícil saber quanto uma ponta de prova que apresente picos na sua curva de resposta é menos precisa para uma determinada aplicação.
Também deve ser considerado o que ocorre com uma ponta que tenha uma resposta plana, como a mostrada na direita da figura 2(a).
Quando na medida de sinais retangulares de baixa freqüência, o tempo de subida na entrada da ponta de prova será limitada pelo tempo de subida da própria ponta.
Quando na medida de sinais retangulares de altas freqüências, como clocks de sistemas, o efeito é exatamente o mesmo. No entanto, o sinal visualizado terá a limitação desse tempo de subida.
Acessórios Para Melhor Conexão
A figura 3 mostra medidas feitas com duas pontas de prova diferentes para 4 GHz. Ambas usam acessórios de conexão. A prova da esquerda incorpora uma resistência ótima no ponto que está sendo testado, enquanto a da esquerda não.
A fonte de sinal e conectada diretamente no soquete da ponta de prova. O comprimento interno do soquete com a capacitância do atenuador interno no final do soquete faz com que a estrutura ressoe dentro da faixa de freqüências especificada.
Apesar da faixa de “-3 dB de faixa passante” ser de 4,5 GHz para esta ponta, existe um erro de +3 dB em 2,8 GHz. Para referência, 1 dB é -12% em termos de tensão.
A ponta de prova da direita não é ressonante em toda sua faixa. A menor freqüência em que existe um erro de 3 B é a limite da ponta, que é de 4,8 GHz.
Conclusão
Apesar das especificações dos fabricantes de pontas de prova de banda larga para osciloscópios indicarem características que permitem inferir que as formas de onda a serem observadas são sempre corretas isso não acontece.
A maneira como as pontas são usadas, as características dos acessórios além de outros fatores podem introduzir deformações nos sinais, as quais devem ser consideradas.
Neste artigo mostramos como verificar e ajustar uma ponta de prova de osciloscópio levando a obtenção dos resultados de medidas os mais confiáveis possíveis.
