​Sélectionnez la sonde d’oscilloscope qui convient à votre application

​Une sonde d’oscilloscope établit un contact physique avec un point de test et transmet à l’oscilloscope les données du signal électrique provenant du circuit testé. Il existe plusieurs types de sondes d’oscilloscope qui répondent à différents besoins en matière de test et de mesure, notamment les sondes passives, actives, différentielles et de courant. Au niveau de base, les sondes d’oscilloscope se composent d’une pointe de sonde conductrice, d’une tête de sonde destinée au réglage manuel et d’un câble qui se connecte à l’oscilloscope.

^{​Figure 1 : Les sondes actives et passives sont adaptées à différentes applications et répondent à différents critères de mesure.}

Sondes passives

​Les sondes passives sont les plus utilisées dans les applications et sont composées uniquement d’éléments de circuit passifs. Ces sondes peuvent fournir une connectivité directe 1:1 du point sous test à l’entrée de l’oscilloscope, ou une atténuation d’une valeur particulière à l’aide d’un diviseur de tension ou d’un autre circuit. Les sondes passives sont généralement peu coûteuses, robustes et flexibles. Elles servent à mesurer la tension et sont dotées d’une bande passante relativement faible. Poursuivez votre lecture pour en savoir plus sur chaque spécification présentée dans le tableau 1.

​Compatibilité des sondes passives avec les oscilloscopes NI

​Tous les oscilloscopes PXI ne peuvent pas être utilisés avec toutes les sondes — la plage de capacité d’entrée de 1 mégaohm d'une sonde passive peut ne pas être compatible avec la capacité d’entrée de 1 mégaohm d’un certain oscilloscope. Toutes les sondes d’oscilloscope NI ont des connexions BNC, donc les oscilloscopes PXI avec connecteurs en face avant SMA ou SMB nécessitent des adaptateurs, comme indiqué dans le tableau 2. Ces adaptateurs sont disponibles à l’unité ou en lots de 10.

• ​Adaptateur SMB-BNC (781449-01) : adaptateur individuel

• Adaptateur SMB-BNC (781449-10) : lot de 10 adaptateurs

​Les sondes d’oscilloscope peuvent affecter les signaux de plusieurs manières. La résistance d’entrée, la capacité et la bande passante d’une sonde déterminent les changements qu’elle impose au signal qu’elle transmet à l’oscilloscope. Cette section porte sur les phénomènes physiques à l’origine de ces modifications. Pour voir des applications pratiques de ces effets, consultez la section Exemples des effets de charge.

​L’impédance du circuit et d’entrée de l’oscilloscope produisent ensemble un filtre passe-bas. Pour les très basses fréquences, le condensateur agit comme un circuit ouvert et a peu ou pas d’effet sur la mesure. Pour les hautes fréquences, l’impédance du condensateur devient significative et charge la tension vue par l’oscilloscope. La figure 2 présente cet effet dans le domaine fréquentiel. Si l’entrée est une onde sinusoïdale, l’amplitude tend à diminuer avec l’augmentation de la fréquence, et la phase est décalée.

​La charge affecte également la réaction de l’oscilloscope à un changement brusque de tension. La charge due à l’impédance d’entrée de l’oscilloscope (et à la capacité de la sonde) peut être brisée en deux parties : charge résistive et charge capacitive. La figure 3 présente la charge d’entrée de la sonde et de l’oscilloscope divisée en charge résistive et charge capacitive, qui peuvent être analysées indépendamment. La charge résistive est entièrement due à la résistance d’entrée de l’oscilloscope, tandis que la charge capacitive est due à la capacité de la sonde combinée à la capacité d’entrée de l’oscilloscope.

Le circuit à charge résistive de la figure 3 est un autre exemple de circuit diviseur de tension. La tension fournie à l’entrée de l’oscilloscope, V_IN, est donc une réplique de V_s mais avec une amplitude réduite. L’équation 1 présente la formule du produit de la tension dans le temps pour V_MAX.

L’effet de la charge capacitive est plus complexe et se traduit par une réponse exponentielle de la tension. V_IN st un produit de l’échelon de tension V_Squi va de zéro volt à V_MAX volts dans le temps, comme le montre l’équation 2.

​Les réponses en échelon dues aux deux effets de charge sont présentées à la figure 4. La charge résistive modifie la taille de l’échelon de tension, mais ne modifie pas la forme du waveform. La charge capacitive ralentit le temps de montée de l’échelon, mais finit par atteindre la même valeur finale que la réponse idéale. La largeur de bande et le temps de montée d’un système sont inversement proportionnels. Étant donné que la largeur de bande de l’instrument est effectivement réduite, les temps de montée et de descente des entrées d’impulsion augmenteront.

​Il arrive que le modèle de circuit utilisé pour cette analyse ne soit pas précis pour tous les types de circuits pratiques. La résistance de sortie (capacité d’entraînement) des circuits numériques varie parfois en fonction de la tension de sortie, ce qui modifie l’effet de charge. Même si ce modèle n’est pas précis à 100 % pour un tel circuit, le principe de base de la charge résistive et capacitive s’applique toujours. La capacité de charge ralentira donc le temps de montée du signal, tandis que la charge résistive aura tendance à modifier l’amplitude de sortie. L’augmentation du temps de montée dans un circuit numérique se traduit par une augmentation du délai lorsque le signal atteint la porte logique suivante. En effet, le signal mettra plus de temps à atteindre le seuil logique, ce qui retardera la commutation de la porte suivante. L’impédance d’entrée de 1 MΩ d’un oscilloscope typique est suffisamment élevée pour empêcher la charge résistive de la plupart des circuits numériques, mais la charge capacitive d’une sonde 1:1 introduira un retard significatif dans le signal.

Cette section présente deux exemples d’effets de charge causés par le sondage de circuits. Dans chaque exemple, les effets qui se produisent à la suite du sondage du circuit entraîneraient un changement fondamental du comportement du dispositif ou l’arrêt complet de son fonctionnement.

Charge capacitive

Un circuit LC, également appelé circuit résonant, contient un inducteur et un condensateur en parallèle. L’effet final de ce circuit est que la bobine de l’inducteur émet une fréquence de résonance à une valeur donnée déterminée par l’inducteur et le condensateur. La fréquence est régie par l’équation 3.

Ce circuit est utilisé dans les tags de la demande de renseignements commerciaux, ce qui servira d’exemple pour illustrer cet effet de charge. La figure 5 présente un circuit LC très courant dans une puce RFID.

Il arrive que l’ingénieur qui conçoit ou teste ce circuit souhaite sonder la ligne contenant le condensateur. Si l’ingénieur fixe une sonde SP500X au point de potentiel élevé de ce circuit, la capacité de la sonde sera ajoutée en parallèle avec C1 entre le potentiel élevé et la terre, comme le montre la figure 6.

La capacité supplémentaire de la sonde entraîne une modification de la fréquence de résonance du circuit LC conformément à l’équation 4.

En raison de ce changement de fréquence, le tag RFID émettra une fréquence très différente de celle de l’émetteur prévu, qui n’accumulera pas suffisamment d’énergie pour être détectée par le capteur ou pour être caractérisée fonctionnellement en vue d’un fonctionnement correct.

Charge résistive

​Le circuit oscillateur de la figure 7 contient une résistance de 10 mégohms en parallèle avec un inverseur CMOS. Les sondes ont une résistance d’entrée de 10 mégohms pour empêcher un courant significatif à travers la sonde et éviter d’affecter le circuit testé. Dans ce cas, le circuit testé inclut un élément à haute résistance.

​Un ingénieur peut s’intéresser au potentiel au point de jonction de CTRA In, de la résistance de 10 mégohms, et de l’alimentation de l’oscillateur à quartz, comme illustré à la figure 8. Ce point de sonde mettrait la résistance d’entrée de la sonde de 10 mégohms en parallèle avec la résistance de 10 mégohms, formant un diviseur de tension. L’oscillateur à quartz de ce circuit est censé fonctionner avec une tension spécifique. Si l’oscillateur reçoit la moitié de la tension attendue, il pourrait fonctionner de façon sporadique ou ne pas fonctionner du tout.

Sondes 1:1

​Une sonde 1:1 (un pour un), également appelée sonde 1x, connecte l’entrée d’impédance de 1 MΩ de l’oscilloscope au circuit mesuré. Elles sont conçues pour minimiser les pertes et faciliter la connexion, mais pour le reste, elles équivalent à l’utilisation d’un câble pour connecter l’oscilloscope. La figure 4 présente le schéma de circuit d’une entrée d’oscilloscope à haute impédance connectée à un circuit testé. Le circuit testé est modélisé comme une source de tension avec une résistance en série. La sonde 1:1 (ou le câble) introduit une capacité importante qui apparaît en parallèle avec l’entrée de l’oscilloscope. Une sonde 1:1 peut avoir une capacité d’environ 40 à 60 pF, qui est généralement plus grande que la capacité d’entrée de l’oscilloscope.

​La construction des sondes 1:1 ne permet pas d’obtenir le même niveau de performance attendu d’une sonde atténuatrice, comme expliqué dans la section sur les sondes 10:1.

Sondes 10:1

​Une sonde 10:1 (également appelée sonde 10x, sonde diviseur ou sonde atténuatrice) comprend une résistance et un condensateur (en parallèle) intégrés à la sonde. La figure 8 présente le circuit d’une sonde 10:1 connectée à une entrée à haute impédance d’un oscilloscope. Si R1C1 = R2C2, ce circuit a pour résultat étonnant que l’effet des deux condensateurs s’annule exactement. Dans la pratique, cette condition peut ne pas être remplie de manière exacte, mais elle peut être approchée. Le condensateur est généralement réglable et peut être ajusté pour obtenir une correspondance presque parfaite. L’équation 5 montre la relation entre Vs et VIN dans ces conditions.

​Cette équation rappelle celle du diviseur de tension. R2 est la résistance d’entrée de l’impédance d’entrée élevée (1 MΩ) de l’oscilloscope et R1 = 9R2. L’équation 6 présente le résultat de l’équation 5 avec une sonde 10X.

​Équation 6 : Une sonde 10X donne 1/10 de la tension à l’entrée de l’oscilloscope.

​Ainsi, la combinaison sonde et entrée d’oscilloscope résultante possède une bande passante beaucoup plus large que la sonde 1:1, grâce à l’annulation effective des deux condensateurs. La pénalité encourue est la perte de tension. L’oscilloscope ne voit plus qu’un dixième de la tension d’origine (d’où le nom de sonde 10:1). Notez aussi que le circuit mesuré voit une impédance de charge de R1 + R2 = 10 MΩ, bien plus élevée qu’avec une sonde 1:1. Certaines sondes sont conçues de manière à pouvoir passer facilement d’un fonctionnement 1:1 à un fonctionnement 10:1.

​Avec une sonde 10:1, les effets de charge résistive et capacitive sont réduits (par rapport à une sonde 1:1). Bien que la capacité d’entrée de l’oscilloscope soit idéalement annulée, une capacité résiduelle due à la sonde, CPROBE, subsiste. Cette capacité, spécifiée par le fabricant, charge le circuit testé.

​La perte de tension d’un facteur 10 n’est pas un problème tant que la tension mesurée n’est pas si faible que sa division par 10 la rend illisible par l’oscilloscope. Cela signifie que la sensibilité de l’oscilloscope et la tension du signal peuvent être des facteurs déterminants pour l’utilisation d’une sonde 10:1. Sur la plupart des oscilloscopes, l’utilisateur doit se rappeler qu’il utilise une sonde 10:1, puis multiplier les mesures obtenues par un facteur de 10. C’est une gêne, c’est pourquoi certains oscilloscopes incluent deux graduations d’échelle : une valable pour une sonde 1:1 et l’autre pour une sonde 10:1. D’autres oscilloscopes vont encore plus loin et ajustent automatiquement les lectures de la valeur correcte lors de l’utilisation d’une sonde d’atténuation.

​Notez que certaines sondes 10:1 ont une résistance sur l’entrée de la sonde de sorte que la charge résistive soit de 1 mégaohm. Ces sondes ne représentent pas une amélioration de la charge résistive par rapport à la sonde 1:1, mais elles ont une charge capacitive moindre.

Autres sondes d’atténuation

​Les sondes atténuatrices sont proposées dans plusieurs valeurs telles que 50:1 et 100:1. Les principes généraux de ces sondes sont les mêmes que pour la sonde diviseur 10:1 : on échange niveau de tension et largeur de bande pour obtenir une bande passante plus large, au prix de pertes plus importantes dans la sonde et d’une tension plus faible à l’entrée de l’oscilloscope. Un oscilloscope plus sensible peut s’avérer nécessaire pour les mesures de faible niveau. Il existe aussi certaines sondes passives d’impédance 50 Ω qui disposent d’une largeur de bande plus grande mais avec des applications limitées.

Pour maximiser la largeur de bande d’une sonde d’atténuation, le condensateur de la sonde doit être ajusté avec précision de manière à annuler la capacité d’entrée de l’oscilloscope. Une procédure appelée « compensation » permet d’atteindre cet objectif.

La sonde de l’oscilloscope est connectée à une source d’ondes carrées appelée calibrateur, elle-même intégrée à l’oscilloscope. La sonde est ensuite réglée pour que l’onde carrée soit aussi carrée et plate que possible.

1. Connectez l’extrémité BNC de la sonde à CH0 de l’oscilloscope. S’il existe plusieurs réglages d’atténuation sur la sonde, choisissez celui qui vous permet de compenser la capacité.

2. Fixez un adaptateur de connectivité à l’extrémité de la sonde : il vous permettra d’établir une interface avec le calibrateur.

3. Connectez l’extrémité de la sonde à la source du calibrateur. Pour les oscilloscopes NI PXI, le calibrateur sera PFI1.

4. Si vous utilisez une pointe de sonde séparée du câble de transmission, reliez-les ensemble à ce stade pour compléter le circuit de mesure. Les pointes de sonde qui fonctionnent de cette manière se connectent généralement avec une connectivité BNC ou SMB.

5a. Ouvrez la face-avant logicielle Scope (Menu Démarrer->Programmes->National Instruments->InstrumentStudio). Créez une nouvelle face-avant logicielle pour votre oscilloscope. Si vous avez plusieurs oscilloscopes ou numériseurs dans le système PXI, sélectionnez l’oscilloscope approprié dans le cadre de la compensation de sonde. Activez le signal de compensation de sonde dans le menu Paramètres (icône d’engrenage) en haut à droite de la face-avant logicielle Scope.

5b. Si vous utilisez un oscilloscope traditionnel en boîtier ou sur table, le panneau avant de l’instrument devrait désormais afficher le signal d’étalonnage.

6. Ajustez le condensateur réglable pour que la forme d’onde soit aussi carrée que possible. Les figures 12 a) et 12 b) montrent l’affichage de l’oscilloscope durant la compensation avec une sonde surcompensée et une sonde sous-compensée. La figure 12 c) montre l’affichage quand la sonde est correctement compensée.

7. Répétez les étapes 1 à 6 pour tous les canaux et sondes supplémentaires. Gardez à l’esprit que les voies d’oscilloscope sont conçues pour être très similaires, mais que de petits changements dans les composants peuvent modifier légèrement la capacité d’entrée. On observe également de légères différences dans la capacité nominale des sondes. Voilà pourquoi chaque voie de l’oscilloscope et chaque combinaison de sondes doivent être compensées individuellement.

Jusqu’à présent, toutes les sondes examinées étaient des circuits passifs simples dépourvus de composants actifs, tels que des transistors et des amplificateurs. Les sondes actives sont idéales lorsque des capacités extrêmement faibles sont nécessaires pour des mesures à haute fréquence, ou quand une mesure doit être isolée d’une référence de terre donnée. Une sonde active utilise un amplificateur caractérisé par une très faible capacité sur son entrée. La sortie de l’amplificateur est généralement adaptée pour piloter l’entrée de 50 ohms de l’oscilloscope. Il est donc possible d’utiliser une longueur de câble de 50 ohms entre la sonde et l’oscilloscope sans autres effets de charge capacitive.

Le tableau 3 résume les spécifications typiques des différents types de sondes actives d’oscilloscope de tension qui ont été présentées. Les caractéristiques réelles varient en fonction du fabricant et du modèle.

Compatibilité des sondes actives avec les oscilloscopes NI

Avec des effets de charge aussi faibles, toutes les sondes de tension actives NI sont compatibles avec tous les oscilloscopes PXI, sous les considérations supplémentaires suivantes :

• L’utilisation des sondes SA1000X, SA1500X, SA2500X ou DA200025X sur des voies d’oscilloscope BNC voisines nécessite parfois de recourir à un adaptateur BNC à BNC court en raison de la proximité.
• Les NI PXIe-5105, NI PXIe-5108 et NI PXIe-5172 nécessitent un adaptateur SMB vers BNC.
• Les NI PXIe-5170 et NI PXIe-5171 nécessitent un adaptateur SMA vers BNC.

Certains oscilloscopes ont des entrées flottantes ou différentielles avec lesquels il est possible de connecter les deux fils de l’entrée en dehors de la terre. Le problème de la mise à la terre est alors évité.

Un oscilloscope à deux voies capable d’afficher les voies 1-2 (la différence entre les deux voies) peut être utilisé comme un oscilloscope à entrée flottante à une voie. L’oscilloscope est configuré pour afficher les voies 1-2. La voie 1 est connectée au point du circuit considéré comme étant la tension la plus positive. La voie 2 est connectée à l’autre point de tension, et la masse de l’oscilloscope est connectée à la masse du circuit. L’oscilloscope affiche donc la différence entre les deux points de tension sans qu’aucun d’entre eux ne doive être à la terre.

Une sonde différentielle résout ce problème, car elle fournit deux entrées de sonde d’oscilloscope qui peuvent être flottantes par rapport à la masse de l’oscilloscope. La tension de sortie de la sonde correspond à la différence entre les tensions des deux bornes d’entrée, ce qui lui permet de piloter l’entrée référencée à la terre d’un oscilloscope. L’amplification différentielle n’est pas parfaite et l’erreur est spécifiée en termes de rapport de réjection du mode commun (CMRR). Les deux entrées sont alimentées par le même signal afin de mesurer le CMRR. Idéalement, la sortie (qui est la différence entre les deux entrées) est toujours nulle. On constate toutefois une petite tension de sortie avec une sonde réelle.

Le CMRR d’une sonde différentielle est généralement meilleur à basse fréquence et se dégrade à haute fréquence. Le CMRR est souvent exprimé en dB.

Sondes haute tension

Les sondes actives à haute tension sont utilisées pour les mesures qui comprennent des décalages de courant continu ou des modes communs élevés, ou de grandes plages de tension. Certaines sondes à haute tension servent à observer de petits changements au niveau des signaux qui ont des modes communs très élevés. Il s’agit par exemple de mesurer de petites variations de signaux sur des lignes de transmission d’énergie. L’autre cas d’utilisation des sondes actives haute tension est la réalisation d’une très grande plage de tension. Certaines sondes actives peuvent transmettre des signaux jusqu’à plusieurs kilovolts.

​Les sondes de courant s’appuient généralement sur l’une des deux technologies suivantes. La plus simple utilise le principe d’un transformateur, dont l’un des enroulements est le fil mesuré. Les transformateurs ne fonctionnent qu’avec des tensions et des courants alternatifs, et les sondes de courant de ce type ne mesurent donc pas le courant continu.

​L’autre type de sonde de courant (les modèles NI) utilise le principe de l’effet Hall. L’effet Hall produit un champ électrique en réponse à un courant présent dans un champ magnétique appliqué. Cette technique nécessite l’utilisation d’une alimentation externe mais permet de mesurer le courant alternatif et le courant continu (AC et DC).

​Les sondes de courant mesurent le courant enfermé dans leurs mâchoires, et il est donc possible d’utiliser plusieurs techniques propres à la sonde de courant. Si la sensibilité de la sonde et de l’oscilloscope est trop faible pour une mesure particulière, plusieurs tours du fil porteur de courant peuvent être insérés dans les mâchoires. La sonde devra alors mesurer un courant plus important (le courant d’origine multiplié par le nombre de tours). De la même manière, il est possible de mesurer la différence entre deux courants si les deux fils en question sont insérés, mais avec les courants circulant dans la direction opposée (la somme sera mesurée si les courants circulent dans la même direction). La taille physique des fils et de la sonde de courant est bien sûr un facteur qui détermine le nombre de fils pouvant être insérés. Bien que le courant ne nécessite pas de connexion électrique directe, il retire tout de même de l’énergie au circuit testé. Normalement, cette faible perte d’énergie ne perturbera pas le circuit, mais peut constituer un facteur dans certains cas. ​NI recommande les sondes de courant Hioki à utiliser avec les oscilloscopes PXI compatibles, qui nécessitent chacun une alimentation Hioki pour fonctionner. Veuillez contacter Hioki directement pour acheter les sondes et les alimentations.

Compatibilité de la sonde de courant avec les oscilloscopes NI

​Tous les oscilloscopes PXI ne peuvent pas être utilisés avec toutes les sondes — les sondes de courant Hioki ne sont compatibles qu’avec les oscilloscopes PXI disposant d’une entrée de 1 MΩ, comme indiqué dans le tableau 5. L’usage de sondes de courant sur des canaux BNC adjacents d’oscilloscope peut nécessiter un adaptateur BNC court en raison de la proximité, comme illustré à la figure 14.