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Cet article présentera les différents types de sondes et leur utilisation. Qu’est-ce qu’une sonde ? L’oscilloscope est l’instrument de mesure le plus utilisé par les ingénieurs électroniciens, et la sonde d’oscilloscope est sans aucun doute l’accessoire le plus couramment utilisé avec un oscilloscope. La sonde d’oscilloscope est un composant électronique qui relie le circuit à tester à l’entrée de l’oscilloscope. Sans sonde, l’oscilloscope n’est plus qu’un objet décoratif, qu’on ne peut utiliser que comme décoration. Avant de choisir une sonde d’oscilloscope, il est préférable de consulter le manuel de l’oscilloscope pour savoir quel type de sonde convient à celui-ci. Voici quelques points que nous considérons comme importants lors du choix d’une sonde : veiller à ce que l’interface de la sonde corresponde à celle de notre oscilloscope. La plupart des interfaces de sonde des oscilloscopes sont de type BNC. Certains oscilloscopes peuvent avoir une interface SMA. Vérifiez si l’impédance d’entrée et la capacité de la sonde sélectionnée correspondent à celles de l’oscilloscope. Car nous souhaitons tous réduire au minimum l’impact de l’éprouvette sur le circuit à tester. Le degré de compatibilité entre l’impédance et la capacité du capteur et celui de l’oscilloscope **affecte la précision du signal mesuré.** https://pic3.zhimg.com/80/v2-5bcc1dd26e801a485478a93e375933d6_720w.jpgInterface BNC https://pic2.zhimg.com/80/v2-9b2be07c20c56635b4b4f44e105f3bd9_720w.jpgInterface SMA Certains oscilloscopes prennent en charge un changement d’impédance d’entrée entre 50 Ω et 1 MΩ. Cependant, pour la plupart des mesures, 1 MΩ est le plus courant. Une impédance d’entrée de 50 Ω est souvent utilisée pour mesurer des signaux à haute vitesse, tels que les ondes micrométriques. Il y a aussi le retard de transmission du signal dans les circuits logiques et la mesure de l’impédance des cartes de circuit imprimé, etc. L’impédance d’entrée de l’oscilloscope peut souvent être fixée à 1 MΩ ou 50 Ω, mais la capacité d’entrée de l’oscilloscope est influencée par la bande passante et d’autres facteurs de conception. En général, pour un oscilloscope à impédance de 1 MΩ, la capacité d’entrée courante est de 14 pF. Cette valeur peut également se situer entre 5 pF et 100 pF. Ainsi, afin que la sonde corresponde à la capacité d’entrée de l’oscilloscope, il est nécessaire de connaître la plage de capacité de la sonde avant de la choisir, puis d’ajuster sa capacité à l’aide d’une tige de calibration. C’est ce qu’on appelle la compensation de la sonde, et c’est également la première étape à prendre en compte lors de son utilisation. https://pic3.zhimg.com/80/v2-14b29ac4ba9de82d2878ffa2b6715896_720w.jpg Alors, de combien de capteurs avons-nous besoin et quels capteurs ? Selon nos besoins de mesure, les exigences en termes de nombre et de type de capteurs varient également. C’est un peu comme les utilisateurs de reflex : peut-être n’ont-ils qu’un seul appareil photo, mais ils possèdent souvent de nombreux objectifs. Par exemple, si l’on se contente de mesurer simplement une tension continue, un capteur passif de 1 MΩ est généralement suffisant. Cependant, si l’on doit mesurer fréquemment, dans les tests des systèmes d’alimentation, la différence de tension relative entre deux fils phase ou entre un fil phase et le fil neutre, alors nous avons besoin d’une sonde différentielle. https://pic1.zhimg.com/80/v2-ab82fabf5b83f636af4748700653c0d0_720w.jpg Sonde différentielle, sonde passive : la sonde passive est la sonde la plus courante ; en général, le fabricant en fournit plusieurs avec l’oscilloscope. Les sondes passives courantes se composent d’une tête de sonde, d’un câble de sonde, d’un équipement de compensation ou d’autres réseaux de régulation du signal, ainsi que d’une connexion de sonde. Aucun composant actif, tel que des transistors ou des amplificateurs, n’est utilisé dans ces types de sondes, il n’est donc pas nécessaire de les alimenter en énergie. En général, les sondes passives sont plus courantes, plus faciles à utiliser et moins chères. Les rapports d’atténuation réglables courants pour les sondes passives sont les suivants : 1× : pas d’atténuation ; 10× : atténuation de 10 fois ; 100× : atténuation de 100 fois ; 1000× : atténuation de 1000 fois. Les sondes de tension passives offrent divers coefficients d’atténuation pour différentes gammes de tensions. Parmi ces sondes passives, la sonde de tension passive 10× est la plus couramment utilisée. Pour les applications dont l’amplitude du signal est de 1 V en amplitude efficace ou moins, la sonde 1× peut être plus adaptée, voire indispensable. Dans les applications où se mélangent des signaux à faible et moyenne amplitude (de quelques dizaines de millivolts à quelques dizaines de volts), une sonde 1×/10× réglable est bien plus pratique. Cependant, la sonde 1×/10× convertible est essentiellement deux sondes différentes au sein d’une seule sonde ; non seulement leurs coefficients d’atténuation diffèrent, mais leurs caractéristiques de bande passante, de temps de montée et d’impédance (R et C) sont également différentes. Par conséquent, ces sondes ne peuvent pas correspondre parfaitement à l’entrée de l’oscilloscope et ne peuvent pas offrir les performances optimales obtenues avec une sonde standard 10×. L’atténuation de la sonde permet d’élargir la plage de mesure de tension de l’oscilloscope grâce à des résistances internes ; ces résistances, utilisées en conjonction avec la résistance d’entrée de l’oscilloscope, créent un diviseur de tension. Par exemple, une sonde 10x typique est équipée d’une résistance interne de 9 MΩ ; lorsqu’elle est utilisée avec un oscilloscope ayant une impédance d’entrée de 1 MΩ, elle crée un rapport d’atténuation de 10:1 sur le canal d’entrée de l’oscilloscope. Cela signifie que le signal affiché sur l’oscilloscope sera égal à 1/10 de l’amplitude réelle du signal mesuré, c’est pourquoi il est souvent nécessaire d’ajuster le rapport d’atténuation dans les paramètres du canal de l’oscilloscope à 10X également. https://pic1.zhimg.com/80/v2-b1c2775303d05ff02ac85cd6ae76e714_720w.jpgCette fonction d’atténuation nous permet de mesurer des signaux qui dépassent les limites de tension de l’oscilloscope. De plus, le circuit d’atténuation entraîne une résistance plus élevée (ce qui est généralement un avantage) et une capacité plus faible, ce qui est important pour les mesures à haute fréquence. https://pic1.zhimg.com/80/v2-84e3eaf69fc42a325ca52b2120dacee8_720w.jpg Schéma du capteur passif 10X. Le capteur actif, étant donné qu’il contient des composants actifs tels que des transistors et des amplificateurs, a besoin d’une alimentation électrique, c’est pourquoi on l’appelle capteur actif. Dans la plupart des cas, le dispositif actif est un transistor à effet de champ (TEF), qui offre une capacité d’entrée très faible ; cette faible capacité entraîne une haute impédance d’entrée sur une plus large bande de fréquences. La bande passante prescrite pour les sondes FET actives se situe généralement entre 500 MHz et 4 GHz. En plus d’une bande passante plus élevée, l’impédance d’entrée élevée des sondes FET actives permet de réaliser des mesures sur des points de test dont l’impédance est inconnue, avec un risque bien moindre d’effet de charge. De plus, comme la faible capacité réduit l’influence du terre, il est possible d’utiliser des fils de terre plus longs. Les sondes FET actives n’ont pas la même plage de tension que les sondes passives. La plage dynamique linéaire des sondes actives se situe généralement entre ±0,6 V et ±10 V. https://pic2.zhimg.com/80/v2-e96bb886ab825fb325891a67bd2763dd_720w.jpg Sonde active, sonde différentielle : la sonde différentielle mesure des signaux différentiels. Les signaux différentiels se référent les uns aux autres, et non à la terre. La sonde différentielle peut mesurer les signaux des composants flottants ; elle se compose essentiellement de deux sondes de tension symétriques, offrant une bonne isolation entre elles ainsi qu’une impédance élevée. La sonde différentielle peut offrir un rapport de répression du mode commun (CMRR) élevé sur une plus large gamme de fréquences. Par rapport aux câblages de signaux simples à borne unique, les avantages les plus évidents des signaux différentiels se manifestent dans trois domaines : une forte résistance aux interférences, car le couplage entre les deux lignes différentielles est excellent ; lorsque des bruits extérieurs interviennent, ils sont couplés aux deux lignes presque en même temps. Or, ce qui importe pour le récepteur, c’est uniquement la différence entre les deux signaux, ce qui permet d’éliminer au maximum les bruits en mode commun provenant de l’environnement. Il est possible d’atténuer efficacement l’EMI ; pour les mêmes raisons, comme la polarité des deux signaux est opposée, leurs champs électromagnétiques émis peuvent s’annuler mutuellement. Plus le couplage est étroit, moins d’énergie électromagnétique est émise vers l’extérieur. La localisation temporelle est précise, car les changements de niveau des signaux différentiels se produisent au point d’intersection des deux signaux, contrairement aux signaux unipolaires classiques qui dépendent de deux tensions seuil distinctes. Ainsi, ils sont moins affectés par les variations de procédé et de température, ce qui permet de réduire les erreurs temporelles. De plus, ils conviennent mieux aux circuits à signaux à faible amplitude. Le LVDS populaire aujourd’hui fait référence à cette technologie de signal différentiel à faible amplitude. Le principe de l’amplification différentielle consiste à introduire simultanément une paire de signaux dans le circuit d’amplification, puis à les soustraire pour obtenir le signal d’origine. Un amplificateur différentiel est un amplificateur constitué de deux transistors ayant les mêmes caractéristiques paramétriques, couplés directement. Lorsque des signaux de même amplitude et de même phase sont appliqués aux deux entrées respectivement, la sortie est nulle, ce qui permet de surmonter le décalage de zéro. https://pic2.zhimg.com/80/v2-5a7ee42e83fcb4fb943faa210f13ca5d_720w.jpg Schéma du capteur différentiel. Capteur de courant. Vous pourriez penser qu’il suffit de mesurer la tension avec un capteur de tension, de la diviser par l’impédance à mesurer, afin d’obtenir facilement la valeur de la courant. Alors pourquoi créer un capteur de courant spécifique pour cette mesure ? En effet, l’erreur introduite par cette mesure est si importante que nous n’utilisons généralement pas la méthode de conversion de la tension en courant. La sonde de courant peut mesurer avec précision la forme d’onde de la courant, en utilisant un transformateur de courant comme entrée : le flux magnétique du courant de signal est converti en tension par le transformateur de couplage, puis amplifié par l’amplificateur intégré à la sonde avant d’être envoyé à l’oscilloscope. Les sondes de courant se divisent essentiellement en deux catégories : les sondes de courant alternatif et les sondes de courant alternatif et continu. Les sondes de courant alternatif sont généralement des sondes passives qui n’ont pas besoin d’une alimentation externe, tandis que les sondes de courant alternatif et continu sont généralement des sondes actives. Les sondes de courant traditionnelles ne peuvent mesurer que les signaux alternatifs, car un courant continu stable ne peut pas induire de courant dans un transformateur de courant. Dans un transformateur, le courant alternatif provoque des variations du champ électrique en fonction de la direction du courant, ce qui génère une tension induite. Cependant, en utilisant l’effet Hall, un dispositif à semi-conducteurs présentant un décalage de courant générera une tension correspondant à un champ électrique continu. Ainsi, le capteur de courant continu est un dispositif actif qui nécessite une alimentation externe. https://pic1.zhimg.com/80/v2-e2c5d62db7fcb382c6c0dad241da0a4c_720w.jpg Sonde de courant continu et alternatif. Enfin, examinons quelques conseils concernant les sondes : effectuer une compensation correcte de la sonde : les capacités d’entrée des oscilloscopes peuvent varier, et même sur le même oscilloscope, les différents canaux présentent de légères différences. Pour résoudre ce problème, apprendre à compenser et ajuster la sonde est la compétence la plus fondamentale que les ingénieurs doivent maîtriser. Lorsque la sonde est connectée au circuit à tester, son terminal de terre doit impérativement être relié au terre du circuit à tester. Sinon, en état de suspension, la différence de potentiel entre l’oscilloscope et d’autres appareils ou le sol peut provoquer un choc électrique ou endommager l’oscilloscope, les sondes ou d’autres équipements. Essayez de placer le fil de terre du capteur à proximité du point à mesurer. Un câble de terre trop long peut provoquer des distorsions de forme d’onde telles que du bourdonnement ou des surtensions. Lorsque les deux points de test ne se trouvent pas au potentiel de terre, il est nécessaire de réaliser une mesure « flottante », également appelée mesure différentielle, en utilisant des sondes différentielles spécialisées. La sonde est essentielle pour les mesures effectuées par l’oscilloscope ; il est d’abord nécessaire que son influence sur le circuit à analyser soit minimale, tout en préservant une fidélité de signal suffisante pour les valeurs mesurées. Si la sonde modifie d’une manière quelconque le signal ou le fonctionnement du circuit, l’oscilloscope percevra un signal réel fortement déformé, ce qui peut entraîner des résultats de mesure erronés ou trompeurs. D’après ce qui a été présenté ci-dessus, on peut conclure qu’il existe de nombreux aspects liés au choix et à l’utilisation correcte de la sonde auxquels il convient de prêter attention.