Comment utiliser votre sonde d'oscilloscope : conseils pour les sondes d'oscilloscopes

R&S®ESSENTIALS | Oscilloscope numérique et fondamentaux des sondes

Types de sondes d'oscilloscope

Auteur : Paul Denisowski, Ingénieur gestion produit

Il existe deux principaux types de sondes d'oscilloscope : actives et passives. Le choix entre les deux se résume à un compromis entre simplicité et sophistication.

Les sondes passives sont plus simples – elles ne nécessitent aucune source d'alimentation externe et sont rentables. Elles sont fiables, robustes et très faciles à utiliser : connectez-la à l'oscilloscope, attachez le cordon de masse, et vous êtes prêts. Un ensemble de sondes passives est souvent fourni groupé avec les oscilloscopes, les rendant facilement disponibles pour une grande variété de mesures de base.

Les sondes actives, d'un autre côté, apportent un niveau plus élevé de précision et de performance sur la table – ou plutôt, sur le banc. Comme leur nom le suggère, ces sondes sont équipées de composants actifs qui leurs permettent de gérer des signaux haute fréquence. Cela signifie également qu'elles s'accompagnent d'un prix plus élevé, mais leur flexibilité accrue et leur sensibilité améliorée les rend indispensables pour les applications qui exigent une précision élevée.

Enfin, le choix entre les sondes passives et actives dépend des exigences spécifiques de la tâche à gérer. Il s'agit d'équilibrer les exigences de mesure avec votre budget et le niveau de performance souhaité.

Compensation des sondes d'oscilloscopes passives

La compensation de sonde passive est essentielle pour garantir la précision et la fiabilité des mesures d'oscilloscope. Lorsqu'un oscilloscope est connecté à une sonde passive sans la bonne compensation, cela peut engendrer des représentations de forme d'onde distordues et imprécises. Cette distorsion devient particulièrement prononcée à des fréquences plus élevées, impactant la fidélité des signaux mesurés. En réglant précisément la capacité de la sonde à l'aide de la compensation, l'objectif est d'obtenir une réponse en fréquence plate et précise, en particulier sur la bande passante entière de l'oscilloscope.

Le processus de compensation implique un ajustement de la capacité variable au sein de la sonde passive afin de contrecarrer la capacité d'entrée inhérente de l'oscilloscope. La plupart des oscilloscopes possèdent un générateur de formes carrées 1000 Hz intégré pour la compensation de sonde.

• Étape 1 : Connecter la pointe de la sonde à la source du signal.
• Étape 2 : Connecter le cordon de masse de la sonde à la terre.
• Étape 3 : Configurer l'oscilloscope pour afficher la sortie de compensation de la sonde.
• Étape 4 : Insérer un outil non conducteur dans le petit trou dans le boîtier de compensation de la sonde.
• Étape 5 : Tourner cet outil pour ajuster la capacité de la sonde jusqu'à ce que l'onde carrée soit affichée la plus rectangulaire possible.

Une sonde est correctement compensée lorsque les parties hautes du signal de compensation affiché sont plus ou moins horizontaux. Des sondes sur-compensées présentent des dépassements sur le front avant du signal, tandis que des sondes sous-compensées présentent une sous-oscillation sur le front avant. Pour résoudre cela, la capacité de compensation doit être ajustée jusqu'à ce que les fronts de la forme d'onde soient bien rectangulaires. Généralement, ce réglage fin ne nécessite qu'une petite rotation.

Utilisation de cordons de masse les plus courts possible avec des sondes passives d'oscilloscopes

Une autre astuce importante lors de l'utilisation de sondes passives est de réduire la longueur de la liaison de masse. Les sondes passives fonctionnent d'une panière “terminaison simple” : elles mesures la tension par rapport à la masse et nécessitent une solide connexion de masse. Cette connexion est généralement établie à l'aide d'un cordon de masse avec une pince crocodile, et il est important de conserver ce cordon le plus court possible. Un cordon de masse trop long introduit une inductance au signal mesuré, impactant les composants à des fréquences plus élevées et engendrant potentiellement un repliement, des dépassements ou des sous-oscillations dans les signaux à ondes carrées. On remarquera que lorsqu'un point de masse est disponible près du point de mesure, un cordon de masse à ressort peut réduire la longueur de la connexion de masse.

Sélection de la bonne impédance d'entrée

Maintenant, examinons la configuration de l'impédance d'entrée de la voie. Avec certains oscilloscopes, les utilisateurs disposent de la flexibilité de choisir entre une impédance d'entrée 50 ohms et 1 méga-ohm. La sélection de l'impédance d'entrée pour correspondre à l'impédance de la source de signaux ou la configuration de sondage est appelée la “terminaison.” Cela est effectué sur chaque voie à l'aide de l'interface de l'oscilloscope. L'impédance “standard” pour une entrée d'oscilloscope est généralement réglée à 1 mégaohm, qui est le choix approprié lorsque l'on travaille avec des sondes passives.

Cependant, lorsque des sondes actives ou une connexion directe utilisant un câble BNC sont impliquées, la terminaison optionnelle 50 ohms devient pertinente. De nombreux instruments de test et mesure,ainsi que d'appareils RF, utilisent 50 ohms comme terminaison standard. La sélection de la bonne impédance d'entrée est cruciale car un mauvais réglage peut impacter l'amplitude du signal mesuré. Par exemple, un réglage de la terminaison à 1 méga-ohm au lieu de 50 ohms pourrait engendrer la visualisation du double de la tension attendue.

Enfin, il est important de garder à l'esprit que la tension d'entrée maximale de sécurité peut différer de manière significative entre les deux terminaisons. Le réglage de la terminaison à 50 ohms, contrairement à la terminaison 1 mégaohm, impose souvent un seuil plus faible pour la tension d'entrée maximale de sécurité. Certains oscilloscopes peuvent ne pas disposer de la prise en charge native de la terminaison 50 ohms, mais dans de tels cas, des adaptateurs spécialisés peuvent être utilisés pour fournir la terminaison 50 ohms requise lorsque cela est nécessaire.

Démagnétisation et réglage du zéro des sondes de courant

Portons votre attention sur les sondes de courant : il est important de savoir qu'une sonde ferro-magnétique d'une sonde de courant a le potentiel de retenir le magnétisme ou “flux” même en l'absence de courant. Il s'agit d'un phénomène classique qui se produit fréquemment après qu'une sonde ait été utilisée pour mesurer un courant qui a été appliqué puis coupé. Le magnétisme persistent peut introduire un décalage et influencer la précision de mesure. Pour répondre à cela, la plupart des sondes de courant sont équipées d'une fonction de démagnétisation ou “degauss”, qui peut être activée soit directement sur la sonde ou à l'aide de l'interface utilisateur de l'oscilloscope.

Lorsqu'elle est activée, cette fonction génère une forme d'onde spécifique, créant un champ magnétique aléatoire qui “annule” tout magnétisme résiduel dans la sonde. Il s'agit généralement d'un processus très rapide qui ne prend que quelques secondes. Par conséquent, c'est une bonne idée de démagnétiser une sonde de courant avant le réglage du zéro et avant des mesures conduites.

Utilisation de plusieurs enroulements pour une meilleure sensibilité

Ici, une autre astuce concernant l'utilisation des sondes de courant : vous pouvez enrouler le conducteur à l'aide de la sonde plusieurs fois afin d'améliorer la sensibilité de mesure. La sensibilité de la sonde augmente linéairement avec le nombre de boucles. Par exemple, enrouler le conducteur quatre fois augmente la sensibilité par quatre. Puisqu'un oscilloscope ne peut pas déterminer automatiquement le nombre de boucles, vous devez saisir manuellement la valeur appropriée.

Ces boucles augmentent significativement l'impédance d'insertion ‒ par le carré du nombre de boucles ‒ mais l'impact sur les mesures à des niveaux faibles de courant est négligeable. L'augmentation de l'impédance d'insertion reste relativement petite et n'affecte pas substantiellement la précision de la mesure.

Sondes de redressement pour des mesures de puissance

Pour des mesures de puissance, des sondes de courant sont souvent utilisées avec des sondes de tension. En effet, des évaluations de puissance précises nécessitent à la fois une mesure de tension et de courant. Cependant, des divergences dans les temps de propagation à travers les cordons de sonde peuvent introduire un décalage temporel ou “skew” entre les formes d'ondes de tension et courant mesurées, engendrant potentiellement des lectures de puissance imprécises.

La solution est des montages de redressement spécialisés, qui détectent et compensent ce décalage en générant des impulsions de courant et tension synchronisées. Ces impulsions synchronisées sont mesurées consécutivement par des sondes de tension et courant connectées. Si les formes d'ondes de test présentent un décalage, un redressement approprié ou une valeur de décalage de temps peuvent être saisis dans l'oscilloscope. Cette correction engendre le réalignement des formes d'ondes de courant et tension, améliorant ainsi la précision de mesure.

Utilisation de sondes différentielles pour des mesures flottantes

Les sondes oscilloscopes mesurent normalement la tension avec une référence à la terre; cela s'appelle une “mesure à terminaison unique.” Cependant, “des mesures différentielles” deviennent nécessaires si vous devez mesurer la tension à travers des composants qui ne sont pas connectés à la terre. De telles mesures sont parfois appelées “mesures flottantes.”

Une manière d'effectuer une mesure différentielle implique l'utilisation de deux sondes à terminaison unique, en mesurant par rapport à la terre en deux points, puis en soustrayant ces tensions dans l'oscilloscope. Cela est appelé une mesure “quasi-différentielle”.

Une approche plus efficace est une sonde différentielle dédiée équipée d'un amplificateur différentiel interne. Cette sonde produit une tension correspondant à la différence entre les tensions aux deux points de connexion. Les sondes différentielles excellent dans les mesures flottantes pour plusieurs raisons :

• Elles peuvent mesurer la tension entre deux points quelconque.
• Elles proposent une précision plus élevée en réjection de bruit en mode commun, par exemple, un bruit qui est commun aux deux entrées.
• Elles jouent un rôle crucial dans les la protection des appareils et des opérateurs contre les courants élevés résultant de connexions à la terre accidentelles ou par inattention.

Utilisation des sondes actives pour des mesures difficiles

Notre dernière astuce : utiliser une sonde active pour les mesures plus exigeantes. Comme évoqué précédemment, les sondes actives disposent de composants alimentés, généralement un transistor à effet de champs (FET) dans la pointe de la sonde. La conception des sondes actives engendre une capacité d'entrée significativement plus faible par rapport aux sondes passives. Cette capacité réduite propose deux avantages notables :

• Elle minimise la charge du circuit, permettant une reproduction plus fidèle du signal mesuré sur l'oscilloscope et un impact inférieur sur le fonctionnement du circuit.
• Elle fournit une bande passante plus élevée, cruciale pour la précision de mesure des signaux haut débit, en particulier ceux avec des composantes haute fréquence importantes tels que des ondes carrées ou des impulsions.

De plus, certaines sondes actives peuvent appliquer un décalage substantiel au signal. Cette fonctionnalité est inestimable lors de la mesure de petits signaux AC superposés à des grands signaux DC, tels que l'ondulation d'une alimentation.