Sondes d'oscilloscope

Cet article apporte un éclairage sur les différents types de sondes pour l'oscilloscope, ainsi que sur les précautions à prendre lors de leur utilisation.

Sonde passive

La sonde passive est le type de sonde le plus couramment utilisé. Souvent, lorsque vous achetez un oscilloscope, une sonde de ce type est fournie pour chaque canal.

La tête de cette sonde est constituée d'une pince de masse et d'un chapeau dans lequel se trouve un crochet rétractable. En retirant le chapeau, vous pouvez connecter la sonde à une broche ou à un fil dénudé pour la mesurer. Si vous le souhaitez, le chapeau avec le crochet peut être complètement retiré, ce qui vous permet de sonder directement avec la pointe de la sonde.

Pour la plupart des mesures de base, ces sondes suffiront. Cependant, il existe des limites dont il faut tenir compte lorsqu'on travaille avec des circuits fragiles, des hautes tensions ou des hautes fréquences. De plus, cette sonde ne peut mesurer que la tension, pas le courant.

Les tensions spécifiées auxquelles la sonde est destinée s'appliquent uniquement à la tension continue. À des fréquences plus élevées, la tension maximale admissible diminue. Vous trouverez cette courbe dans le manuel de la sonde.

Une sonde passive. À gauche : la pince de mise à la terre, à droite : le connecteur BNC.

Bande passante et mise à l'échelle

Afin de capter moins de bruit électromagnétique, la sonde passive, contrairement aux sondes des multimètres, est constituée d'un coaxial. L'effet secondaire est que une certaine capacité est ajoutée au câble, ce qui limite la fréquence maximale mesurable par la sonde. Il est donc essentiel de prêter attention à la bande passante de la sonde, c'est pourquoi cette information est toujours indiquée dans la description du produit.

Presque toutes les sondes ont un commutateur de facteur d'échelle qui permet d'atténuer le signal mesuré par un facteur 10. Certaines sondes peuvent atténuer le signal jusqu'à x 100. Ceci est utile lorsque la gamme de l'oscilloscope est insuffisante pour la mesure, ou pour réduire la charge sur l'objet sous test (DUT). La sonde et l'oscilloscope ont ensemble une impédance non négligeable qui peut affecter significativement la mesure dans certains cas.

Cependant, la définition d'un facteur d'échelle peut affecter l'image du signal mesuré lorsque la capacité d'entrée de la sonde est mal adaptée. C'est pourquoi les oscilloscopes sont dotés d'une pince de test à l'avant, sur laquelle est généré un signal de test sous la forme d'une onde carrée. En mesurant ce signal avec la sonde avant la mesure réelle, la capacité d'entrée de la sonde peut être réglée correctement à l'aide du tournevis en plastique inclus, de sorte que le signal mesuré ressemble à une onde carrée correcte.

Après l'application d'un facteur d'échelle, l'oscilloscope peut remettre les valeurs à l'échelle en spécifiant le facteur d'échelle utilisé dans le menu du canal utilisé.

Pince de mise à la terre

La pince de mise à la terre sert de point de référence pour le signal mesuré. Ce câble est maintenu court pour éviter de créer une boucle sur laquelle le bruit s'accumule en captant les signaux électromagnétiques de l'environnement. Plus cette boucle est petite, ou plus la terre est proche de la pointe de la sonde, moins les interférences seront captées.

La masse d'un canal arbitraire est égale à la masse de tous les autres canaux. Cela signifie qu'il est possible de mesurer un signal avec la pointe d'une sonde, référencée par rapport à la pince de mise à la terre d'une seconde sonde. Il faut donc toujours relier les pinces de mise à la terre au même potentiel pour éviter les courts-circuits.

En outre, les masses ne sont pas seulement reliées entre elles, mais aussi à la masse de l'oscilloscope. Tout ce qui est en contact avec une pince de mise à la terre est implicitement mis à la terre. Il en résulte un risque accru de court-circuit accidentel par une boucle de terre involontaire.

Si l'on doit mesurer entre deux points différents (comme les phases du secteur, ou entre deux points arbitraires dans un circuit amplificateur), il existe plusieurs façons de surmonter ce problème :

• On peut couper avec du ruban adhésif la ligne de terre de la prise secteur de l'oscilloscope. Non seulement ce n'est pas pratique, mais c'est aussi particulièrement dangereux car la terre (et par conséquent son châssis) peut être soumise à des tensions élevées.
• On pourrait utiliser deux sondes, toutes deux référencées par rapport à la terre. En prenant numériquement la différence des deux canaux avec la fonction MATH, vous pouvez utiliser vos sondes comme une sonde différentielle brute. Cette méthode peut être utilisée, mais tous les oscilloscopes ne disposent pas de la fonction MATH. De plus, cette méthode nécessite l'utilisation de deux canaux simultanément, ce qui est le nombre maximum de canaux sur les DSO plus économiques.Cependant, cette méthode n'est pas non plus adaptée aux sondages sur le réseau.
• Il existe une sonde différentielle pour cela, qui est spécialement créée à cet effet. Pour en savoir plus sur cette sonde, voir ci-dessous.

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Sonde active

Les sondes actives sont beaucoup plus chères et se trouvent généralement dans le segment des oscilloscopes plus rapides (à partir d'environ 1 GHz). Les sondes actives ont une capacité beaucoup plus faible. La bande passante est donc considérablement plus élevée par rapport aux sondes passives. Une sonde active exerce une charge plus faible sur l'objet sous test qu'une sonde passive, ce qui est utile pour mesurer des circuits très sensibles.

Une sonde active avec divers connecteurs de sonde.

Une sonde active comporte des composants actifs et donc elle doit être alimentée en externe. Les sondes actives sont toutefois assez rares et souvent utilisées en combinaison avec des oscilloscopes de qualité élevée. Les fabricants de ces oscilloscopes fabriquent souvent leurs propres sondes actives pour leurs séries respectives. La connexion de la sonde active est donc souvent un hybride non standard de BNC avec des broches supplémentaires en dessous, spécifique à cette gamme d'oscilloscopes. Ces broches fournissent également une alimentation à la sonde.

L'inconvénient des sondes actives est qu'elles sont beaucoup plus chères que les sondes passives. Il s'agit de sondes très spécialisées, fabriquées par les fabricants d'oscilloscopes pour leurs séries de qualité élevée. De plus, la plage de tension est très réduite, souvent entre 5 et 30 V. Les sondes doivent être manipulées avec une extrême précaution. Mais grâce aux sondes actives, il est possible d'effectuer des mesures qui ne sont pas du tout possible avec les sondes passives.

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Sonde différentielle

Avec une sonde différentielle, on peut mesurer entre deux points, comme avec un multimètre. Ceci est possible parce que la sonde négative n'est pas directement référencée à la terre du secteur, mais plutôt un point de référence pour la sonde positive.

Une sonde différentielle avec différentes paires de têtes de sonde : pointe acérée, pince et crochet. Le câble USB sert de câble d'alimentation.

Une sonde différentielle se compose de deux sondes connectées à une boîtier, qui est reliée à l'oscilloscope par un connecteur BNC. Dans la boîtier, la différence (d'où le terme « différentiel ») est prise entre les signaux des sondes, qui sont donc séparés de leur mode commun. Le boîtier doit être alimenté, soit par un adaptateur électrique fourni, soit par le port USB de l'oscilloscope. Si la sonde est équipée d'un interrupteur à échelle, il se trouve sur la boîtier.

On croit souvent que la sonde différentielle est complètement isolée de la sortie vers l'oscilloscope. Ce n'est pas le cas. La réjection en mode commun est limitée par rapport à la masse de l'oscilloscope. En pratique, cela pose rarement des problèmes, car de nombreuses sondes différentielles fournissent des centaines ou des milliers de volts de tension d'isolement.

Les sondes différentielles sont un peu plus limitées en bande passante que les sondes passives, mais ces dernières années, des sondes différentielles de 100 MHz à prix abordable ont fait leur entrée dans l'assortiment d'Eleshop. Les principaux inconvénients de la sonde différentielle par rapport aux sondes passives sont le coût plus élevé et le blindage limité contre les interférences électromagnétiques (à cause des longs câbles de mesure, qu'il vaut mieux tordre pour garder la boucle petite).

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Sonde de courant

Un autre type de sonde est la sonde de courant, qui peut mesurer le courant au lieu de la tension. Toutes les sondes ne sont pas adaptées à la mesure des courants continus. De plus, la bande passante des sondes de courant est limitée.

Une sonde de courant.

Comme la sonde différentielle, celle-ci est constituée d'une sonde spéciale connecté à une boîtier. La sonde est souvent une sonde unique en forme de pince, qui est serrée autour d'un câble ou d'un fil dénudé à mesurer. Ainsi, il n'est pas nécessaire d'ouvrir le circuit pour effectuer la mesure, contrairement à ce qui se passe avec un multimètre. Mais il existe également des sondes de courant à haute fréquence qui sont formées en boucle fermée, destinées à être utilisées pour CEM.

Le courant mesuré est traduit dans la boîtier en une tension à lire sur l'oscilloscope. L'échelle n'est pas toujours 1:1. L'échelle exacte utilisée est souvent spécifiée sur la boîtier près du commutateur d'atténuation ou dans le manuel.

Les valeurs mesurées peuvent être remises à l'échelle sur l'oscilloscope, tout comme avec une sonde passive. Souvent, l'unité du canal peut également être réglée sur les ampères au lieu des volts.

La sonde de courant doit également être alimentée de manière externe. De nombreux modèles récents sont alimentés par USB, par exemple via le port USB de l'oscilloscope ou avec un chargeur de téléphone.

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De quel type de sonde ai-je besoin ?

Une sonde de courant est nécessaire pour mesurer le courant. Déterminez d'abord s'il est nécessaire d'effectuer des mesures sur l'oscilloscope ou à l'aide d'un multimètre. Toutes les sondes de courant ne peuvent pas traiter le courant continu.

Pour la plupart des mesures de tension, une sonde passive standard convient. Si vous effectuez des mesures où vous travaillez avec des points de référence autres que la masse ou la terre, achetez une sonde différentielle. Ces scénarios peuvent concerner des alimentations électriques et des circuits amplificateurs, par exemple. Achetez également une sonde différentielle si vous voulez mesurer sur le secteur.

Travaillez-vous avec des oscilloscopes rapides à partir de 1 GHz ? Et le signal que vous souhaitez mesurer n'est pas bien reçu sur une connexion coaxiale ? Alors les sondes actives sont indispensables.