sonde_11.doc

 

 

 

 

Vous devez utiliser le document ci-dessus pour avoir un document plus visible et plus clair.

Les sondes d’oscilloscopes

I) Description.

Il existe trois grandes catégories de sondes :

1) Les sondes passives (R, L, C), atténuatrices ou non, avec des rapports d’atténuation de 1, 10 ou 100 (Sondes 1X, 10X, 100X).

2) Les sondes actives, qui sont de véritables amplificateurs ou adaptateurs (différentielles ou non).

3) Les sondes de courant, qui sont en fait des transformateurs de courant. Rem : certaines sondes de courant utilisent une mesure par effet Hall, dans ce cas elles permettent la mesure de courants allant du continu à plusieurs centaines de KHz, avec des plages de courant pouvant dépasser 100A. Ce sont en réalité des sondes actives.

Rem : Il existe d’autres types de sondes adaptées à la mesure d’autres grandeurs physiques (Température, luminosité, pression, etc.…). Ce sont souvent des sondes actives ou passives suivant le type de capteur utilisé.

II) Principe et caractéristiques des sondes passives de tension.

La sonde à pour but :

1) De relier le signal à mesurer vers l’oscilloscope, en apportant le minimum de perturbation aux signaux mesurés et donc au système sur lequel on effectue des mesures.

2) D’éviter le captage de bruits (électromagnétiques) liés au système ou à l’environnement.

3) D’éviter l’effet d’induction entre 2 cordons de mesure, et d’éviter la non équipotentialité des masses par une prise de masse la plus près possible du signal à mesurer.

II.a) Principe :

L’oscilloscope a une impédance d’entrée constituée en générale par une résistance de 1 MOhm et d’un condensateur en parallèle de 15 à 50pF. Une sonde passive, non atténuatrice (1X) ajoutera sa propre capacité à celle d’entrée de l’oscilloscope (environ 50 à 100pF au mètre). Ainsi ce type de sonde s’utilisera surtout en basse fréquence (jusqu’à 10 à 20 MHz maximum). Ex : La sonde Tektronix P2200 ou P2220 a une bande passante de 6MHz en position X1 alors quelle est donnée pour 200MHz en position X10.

La sonde la plus couramment utilisée est la sonde 10X (ou la sonde commutable 1X, 10X). D’un prix accessible (environ 20€), elle permet en position x10 de bénéficier de toutes les performances en fréquence et en temps de montée de l’oscilloscope. Elle augmente l’impédance d’entrée (vue par le circuit sous test) et réduit l’influence des capacités du câble blindé et de l’oscilloscope.

Vs1

0

Sonde (10X)

R1

9Meg

Ve

0

C2

25pF

R2

1Meg

0

Oscilloscope

C1

{x*1pF}

Figure 1

Son schéma correspond au schéma ci-contre (Figure 1).


Oscilloscope

0

Vs2

SW1

SW SPST

R2

1Meg

C2

25pF

C1

{x*1pF}

Sonde commutable

(1X/10X)

R1

9Meg

0

Ve

0

Figure 2

Figure 2Rem : Le schéma de la sonde commutable (1X/10X) correspond au schéma ci-contre (Figure 2).

On constate juste l’ajout d’un commutateur SW1 qui permet de mettre en court circuit C1 et R1 (en position x1).

II.b) Etude de la sonde en position 1X :

Dans tous les cas de mesure, le signal Ve que l’on souhaite visualiser est toujours issu d’un montage équivalent à un générateur de Thévenin (Eth et Rth), avec Rth non négligeable.

Ainsi même la sonde en x1 correspond à la fois à un atténuateur, mais aussi à un filtre passe bas.

<!–[if mso & !supportInlineShapes & supportFields]> SHAPE \* MERGEFORMAT <![endif]–>

Vs1

0

Sonde (1X)

Ve

C2

25pF

R2

1Meg

0

Oscilloscope

0

Rth

Eth

0

Ve

<!–[if mso & !supportInlineShapes & supportFields]> <![endif]–>

En effet on souhaiterait visualiser le signal Eth, or l’oscilloscope visualise Vs1. Les deux signaux sont reliés par une équation (fonction de transfert).

Ainsi : Avec

On obtient :

On retrouve le pont diviseur constitué par R2 et Rth et un filtre passe bas dont la pulsation de coupure est : <!–[if supportFields]> SHAPE \* MERGEFORMAT <![endif]–><!–[if supportFields]><![endif]–> Soit pour Rth = 1 kOhm (valeur courante donnant l’ordre de grandeur).

 

 

L’application numérique donne : <!–[if supportFields]> SHAPE \* MERGEFORMAT <![endif]–>

 

fc= 6,3 MHz

<!–[if supportFields]><![endif]–>

On constate que la sonde en position 1X constitue surtout un filtre passe bas entre le montage et l’oscilloscope.

II.c) Etude de la sonde en position 10X :

Comme dans le cas précédent on souhaite visualiser le signal Eth, or l’oscilloscope visualise Vs1. Les deux signaux sont encore reliés par une équation (fonction de transfert), ou intervient en plus R1 et C1.

<!–[if mso & !supportInlineShapes & supportFields]> SHAPE \* MERGEFORMAT <![endif]–>

Vs1

0

Sonde (10X)

R1

9Meg

Ve

C2

25pF

R2

1Meg

0

Oscilloscope

C1

{x*1pF}

0

Rth

Eth

0

Ve


<!–[if mso & !supportInlineShapes & supportFields]> <![endif]–>

Ainsi : Avec et

Soit :

et : Or en posant :

On obtient :

On retrouve le pont diviseur constitué par R2 et (Rth + R1) et un filtre passe bas dont la pulsation et la fréquence de coupure sont :

[…cf. document] et l’atténuation est de : c’est-à-dire pratiquement 0,1 d’où l’atténuation de 10 et le nom (10X).

On constate en pratique et par simulation que la bande passante peut encore être plus grande par un réglage optimum de C1.

La sonde en position 10X constitue alors surtout un atténuateur par 10 entre le montage et l’oscilloscope et évite le filtre passe bas, et par conséquent ne déforme pas le signal (allure et amplitude).

III) Avantages et inconvénients des sondes passives de tension (atténuatrices 10X ou 100X).

– III.1) Inconvénients :

– 1) Les sondes 10X et 100X provoquent une atténuation, il est donc parfois plus difficile de visualiser des signaux de faible amplitude.

– 2) Il faut penser lors des mesures à multiplier la lecture par le facteur d’atténuation de la sonde.

– III.2) Avantages :

– 1) Les signaux sont beaucoup moins bruités (car le câble de la sonde est de type coaxial donc blindé). Le câble fait écran aux perturbations électromagnétiques liées à l’environnement.

Il est donc beaucoup plus facile de relever certaines caractéristiques des signaux (amplitude, valeur crête, période ou fréquence, déphasage…).

– 2) La bande passante avec la sonde atténuatrice est plus grande (10 fois plus grande avec une sonde 10X, et jusqu’à 100 fois avec une sonde 100X). A une fréquence donnée, la mesure est donc plus précise avec une sonde en position X10 qu’en position X1. Ex : Prenons une sonde comme vue au chapitre (II) en position X1, lors de la mesure d’un signal à 6MHz (correspondant à la bande passante de la sonde). Comme pour tout filtre passe bas du 1er ordre à la fréquence de coupure, l’atténuation est de -3dB et le déphasage est de 45°. L’erreur de mesure sur les amplitudes est donc de , soit 30%. L’erreur sur une mesure de phase est de 45°.

De même la précision de mesure de temps de montée dépend de la bande passante de la sonde.

Avec la sonde X10, sa fréquence de coupure étant 10 fois plus élevée qu’en position X1, les erreurs seront environ 10 fois plus faibles (car une décade avec un premier ordre).

-3) La sonde atténuatrice perturbe moins le signal et donc le montage. Avec la sonde X1 le montage se retrouvait avec une impédance entre le signal et la masse de 1 MOhm et 25pF en parallèle (dans le cas présenté au chapitre II). Avec la sonde X10 l’impédance ramenée entre le point de mesure et la masse est alors de 10 MOhm (R2 +R1), en parallèle avec 2,27pF (C1 en série avec C2).


Remarque : Les valeurs données des composants (R1, R2, C1, C2) sont des valeurs courantes, mais parfois elles peuvent être supérieures. Ex : Les oscilloscopes TEKTRONIX série 1000 ou 2000 ont une capacité d’entrée plus élevée voir tableau ci-contre (Documentation des sondes P2220).

IV) Utilisation et réglage des sondes passives de tension (atténuatrices 10X ou 100X).

Toute sonde nécessite le réglage du condensateur C1. Celui-ci est toujours ajustable, et est situé soit en extrémité de la sonde, soit aux niveau de la prise BNC de raccordement à l’oscilloscope.

Un petit tournevis souvent en matière synthétique est livré avec la sonde pour permettre le réglage. Ne pas utiliser de tournevis métallique, qui souvent modifie la valeur de C1 (car C1 est très faible).

La face avant des oscilloscopes dispose d’un générateur en signal carré « calibrator », permettant l’ajustement des sondes.

Important : Ne pas oublier qu’une sonde doit toujours être réglée sur l’oscilloscope qui va effectuer la mesure.


L’essai temporel (signal carré) est instantané :

il suffit d’une seule mesure pour calibrer la sonde.
C’est ce qu’on réalise systématiquement avant de visualiser quoi que ce soit avec l’association sonde + oscilloscope.


recopie d'écran scannérisée– Signal supérieur = sonde (déréglée)
en comportement dérivateur

– Signal inférieur = sonde (déréglée)
en comportement intégrateur


Interprétation :
Si C1 est trop faible, la réponse au signal carré montre une atténuation des fronts (Bande passante insuffisante pour passer les harmoniques de rang élevées). Cas du signal inférieur.

Si C1 est trop grand, la réponse au signal carré montre un dépassement (=> Augmentation des fréquences élevées).

Il suffit d’ajuster le condensateur variable C1 afin d’obtenir un signal parfaitement carré. => L’ensemble des harmoniques passent sans atténuation ni amplification => mesure idéale.

Remarques : En sinusoïdal, l’influence du réglage est impressionnant :
il suffit d’un G.B.F. et on mesure à l’oscilloscope, au travers la sonde, l’amplitude de la sinusoïde en fonction de la fréquence.
Un mauvais réglage de la sonde est révélé par un changement de niveau en fonction de la fréquence, ce qui montre l’importance du réglage pour ne pas mesurer n’importe quoi.

Dans certain cas, l’oscilloscope utilisé tient compte de la présence de la sonde : Dans ce cas l’oscilloscope affiche le taux d’atténuation et modifie l’indication du calibre. Ne pas corriger les valeurs d’amplitude pour les mesures.

Si l’oscilloscope utilisé « ne sait pas » qu’une sonde atténuatrice 10X est intercalée pour la mesure, la tension mesurée sera 10 fois plus faible (par le pont diviseur), et ce sera à l’utilisateur de multiplier par 10 le calibre (-ce qui n’est pas en soi un calcul compliqué-, mais dont l’oubli entraîne des conséquences sur les mesures…).

Les sondes actuelles sont souvent commutables 1X/10X, par action d’un interrupteur minuscule. Si l’utilisateur ignore la présence ou non de l’atténuateur, il peut faire des mesures entièrement fausses.
Il est donc indispensable de faire 2 « étalonnages »avant toute mesure :
– 1) Le réglage de la sonde sur le « calibrator » (montré ci dessus),
– 2) Une mesure d’une tension connue, comme la tension d’alimentation du montage sous test, pour vérifier le calibre donné par l’oscilloscope.