Comment connecter l'objet à mesurer

Auteur : Boris Adlung, Rigol Technologies Europe

"Pourquoi ai-je besoin d'une sonde ? Est-ce que je pourrai utiliser la sonde pour prendre toutes les mesures ? Quels avantages cet instrument offre-t-il ? Ce sont quelques questions que de nombreux développeurs se posent lorsqu'ils mettent en place un nouvel oscilloscope.

un lien logique

Les sondes aident à connecter l'oscilloscope à l'objet en cours de développement lors de la mesure. Il existe différentes sondes pour réaliser différents types de tests. Par exemple, les courants peuvent être mesurés avec une pince ampèremétrique, tandis que les signaux numériques peuvent être enregistrés et affichés sur un oscilloscope à mémoire numérique (MSO) avec une sonde logique et l'interface nécessaire. Le but des instruments en général est non seulement de créer un contact simplifié entre l'appareil de mesure et l'objet à mesurer, mais aussi que les mesures offrent une très grande précision du signal.

Il est important que l'influence ajoutée par tout type de sonde soit aussi faible que possible afin qu'elle n'affecte pas la source du signal, c'est-à-dire l'objet à tester. Dans une configuration de mesure, il est également important de savoir ce que vous voulez mesurer ; par exemple, la détection des rayonnements indésirables doit être minimisée ou complètement éliminée.

Contrairement à un cordon de test, les sondes établissent une connexion de haute qualité avec une connexion simple. Une résistance de mesure élevée empêche la capture d'interférences ou de bruits indésirables provenant du réseau. La résistance de mesure élevée permet de capter une tension idéale sur la sonde et ainsi d'établir une connexion optimale à l'oscilloscope.

résistance d'entrée commune

Une sonde passive, par exemple, a deux points de contact : la borne active et la connexion à la terre. Pour la connexion active, les sondes passives ont un crochet qui peut être facilement attaché au circuit et une connexion à la terre au moyen d'un câble de courte longueur avec une pince crocodile. En plus de la tête de connexion pratique, la sonde se compose d'un câble coaxial avec un connecteur BNC. Avec l'oscilloscope, la sonde définit la résistance d'entrée de la mesure. L'oscilloscope a une impédance d'entrée de 1 MÙ et une faible capacité pour des bandes passantes jusqu'à 350 MHz ou 500 MHz. Dans le cas d'une connexion directe, cette capacité place une charge sur l'appareil sous test, ce qui signifie que la sonde doit ajouter une réduction capacité de sorte que cette charge est encore faible.

Plage de tension et bande passante

Une sonde passive possède également deux réglages qui peuvent être utilisés pour obtenir un diviseur de tension. Pour le réglage x1 normal, le signal est appliqué à l'oscilloscope à 1 MÙ, en utilisant la sonde sans le diviseur de tension. Les valeurs mesurées sont ensuite transmises à l'oscilloscope 1:1. Dans ce cas, non seulement la plage de tension maximale est limitée, mais également la bande passante. Des valeurs de tension et de bande passante plus élevées peuvent être obtenues avec une configuration 10:1. Cependant, dans un tel cas, l'oscilloscope doit également être réglé sur 10:1 pour le réglage vertical afin d'afficher l'amplitude correcte. Dans la configuration 1:1 avec l'oscilloscope, la résistance mesurée Z suivante est obtenue_M:

Formule 1 : Mesure de résistance de la sonde (x1) avec l'oscilloscope.

Ici, vous pouvez voir que le fil de terre (GND) est inductif. Plus ce fil est long, plus il a d'inductance. D'après la formule, on peut voir que si ù augmente (c'est-à-dire la bande passante), cette résistance augmente également, de même que l'influence (voir Figure 2). On peut également voir à partir de la formule 1 que la capacité crée un résonateur. Par conséquent, les mesures de bande passante plus élevées afficheront une valeur excessive qui peut être réduite en raccourcissant le fil GND.

Pour chaque millimètre de câble GND, une induction d'environ 1 nH est générée. Plus la connexion à la terre est courte aux hautes fréquences, mieux c'est. Des connexions plus courtes peuvent être réalisées avec un ressort de masse pour minimiser ces effets. Le facteur de gain x1 peut être utilisé dans les mesures nécessitant l'enregistrement d'une faible bande passante et d'une faible tension. Par conséquent, la plupart des mesures dans la plage de tension/bande passante normale nécessiteront de préférence le facteur de gain x10. Pour l'exemple du PVP2350, la sonde standard de la série d'oscilloscopes MSO5000, les deux facteurs d'amplification peuvent être définis. Dans ce cas, des tensions jusqu'à 30 V peuvent être mesurées._RMS à x1 et tensions jusqu'à 300 V_RMS dans la gamme x10. Par conséquent, la contrainte est augmentée d'un facteur 10.

La plus faible capacité de la sonde augmente également la bande passante de 35 MHz à 350 MHz.La figure 1 montre également une connexion pour x10. Négliger la résistance du câble coaxial (puisqu'il est << R_O et R_P), le diviseur de tension selon la formule 2 est maintenant créé lorsque la constante de temps telle qu'exprimée dans la formule 3 est prise en compte.

Formule 2 : Avec un diviseur de tension réglé sur x10, les capacités diminuent en utilisant la même constante de temps que la Formule 3.

Formule 3 : Constante de temps du diviseur de tension à x10.

Dans la plupart des applications, les mesures peuvent être prises avec cette bande passante et des valeurs de tension à x10. Dans ce cas, vous devez également régler x10 sur l'oscilloscope pour le réglage vertical. Lorsque vous utilisez une sonde avec un oscilloscope, vous devez toujours tenir compte de la bande passante des deux éléments (sonde et oscilloscope). La bande passante 3dB est fortement influencée par la sonde, il faut donc en tenir compte lors de l'achat de l'oscilloscope. Si la bande passante du système est trop faible pour l'application, une sonde avec une bande passante plus élevée doit être utilisée.

Dans la figure 1 une compensation a été intégrée. Dans ce cas, une capacité réglable a été installée sur la sonde et, pour le PVP2350, elle peut être réinitialisée entre 10 pF et 25 pF avec le tournevis fourni.

Les mesures d'impédance plus élevée ne sont plus utilisées dans les applications à bande passante plus élevée. Le but ici est d'obtenir un réglage du circuit (généralement 50 Ω) afin d'éviter les réflexions indésirables. Si une sonde est nécessaire pour des applications à haute fréquence, des sondes actives peuvent également être utilisées à la place de sondes passives. Pour prendre la bonne décision, il est essentiel que le facteur d'amplification puisse être appliqué dans une certaine bande passante et en même temps n'influence pas trop le circuit.

Amplificateurs et pinces ampèremétriques

Les sondes actives intègrent un amplificateur linéaire large bande qui doit être alimenté. En plus de la bande passante, le dispositif actif atteint une précision de signal très élevée avec une faible capacité d'entrée. Son inconvénient est la limitation de la tension d'entrée (par exemple, la tension maximale pouvant être mesurée avec le PVA8000 est de 30 V_pico).

Les pinces ampèremétriques offrent une possibilité de connexion pour mesurer les courants. Un oscilloscope étant un voltmètre, ces courants doivent être convertis en une valeur de tension. Comme la conversion tension/courant est connue à partir de la fiche technique de la pince ampèremétrique, le courant peut être affiché et mesuré sur l'oscilloscope à l'aide de l'amplification et de l'unité [A].

Les pinces ampèremétriques sont basées sur un transformateur où la ligne de mesure représente l'enroulement primaire et la pince ampèremétrique représente l'enroulement secondaire. C'est ainsi que les courants alternatifs peuvent être mesurés. Les courants continus sont mesurés avec une sonde à effet Hall.

sondes différentielles

Des mesures différentielles sont nécessaires lorsque des mesures sont prises entre deux valeurs de tension potentielle. Deux options s'offrent à vous pour les réaliser. D'une part, une sonde différentielle haute fréquence est nécessaire pour les signaux de données différentiels rapides tels que Ethernet ou LVDS. Par contre, les sondes différentielles sont nécessaires dans le domaine des mesures haute tension si l'on veut mesurer des différences de tension qui ne prennent pas la terre comme référence. Pour les basses fréquences, ces mesures peuvent également être visualisées à l'aide de deux sondes passives (voie 1 : potentiel 1, voie 2 : potentiel 2) et d'une fonction mathématique (voie 2 – voie 1). Cependant, ces mesures contiennent du bruit, des erreurs peuvent survenir lors de leur fonctionnement entre les sondes et la tension d'entrée maximale des sondes passives doit être respectée.

Un problème clé à prendre en compte dans les sondes différentielles est le facteur de réjection en mode commun (CMRR). Les changements de mode commun sont des changements simultanés indésirables des potentiels 1 et 2 par rapport à la masse qui sont visibles en sortie puisque seul le changement entre les potentiels 1 et 2 est mesuré. Il s'agit du facteur d'amplification du mode différentiel par rapport au mode commun, qui devrait être beaucoup plus élevé. Cette valeur dépend de la bande passante. La sonde différentielle haute tension PHA2150 a une bande passante allant jusqu'à 200 MHz et la tension différentielle maximale pouvant être mesurée est de 1500 V. CMRR_CC est > 80 dB et CMRR_1MHz est >50dB.