La Sonde Atténuatrice de Tension
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La Sonde Atténuatrice de Tension
LA SONDE ATTÉNUATRICE TENSION DE Position du problème. Impédance d’entrée d’un oscilloscope. L’entrée d’un oscilloscope est modélisable par un dipôle RC parallèle, avec typiquement R1 = 1MΩ et C = 15 à 30pF. L’impédance d’entrée de l’appareil ne fait que décroître avec la fréquence des signaux à visualiser, ce qui est un handicap pour un voltmètre !! R1 C Le problème est aggravé par l’utilisation d’un cordon de liaison du type « coaxial 50Ω ». Un tel cordon est assimilable à un condensateur de capacité voisine de 100 pF, si bien que l’impédance d’entrée de l’oscilloscope associé à un tel cordon devient : 100pF R C C1 Soit sensiblement, une résistance R1 = 1 MΩ en parallèle avec une capacité C1 ≈ 120 pF. On obtient Z E = R1 1 + (R 1C1ω)2 Ci-dessous, quelques valeurs, pour différentes fréquences (f = ω/2π) 3 f(Hz) 0 ZE (Ω) 10 6 4 5 10 10 10 800k 132k 13k Un oscilloscope muni d’un cordon « coaxial 50Ω » est un piètre voltmètre au delà de quelques dizaines de kHz ! Autre aspect : La réponse en fréquence. Actuellement, un oscilloscope classique offre une bande passante de l’ordre de 100 MHz. (à 100 MHz, un signal sera toutefois atténué de 30% ) On peut admettre moins de 1% d’affaiblissement jusqu’à 15 MHz environ. Si on souhaite visualiser des signaux produits sous une impédance moyenne (de l’ordre de 1 kΩ) sur un oscilloscope muni d’une liaison coaxiale, nous obtenons le schéma électrique suivant : Sonde atténuatrice page 1 Claude Lahache C’est la tension « vosc » qui est effectivement appliquée à l’appareil. 0 L’évolution de « vosc » (en dB) est représentée ci-contre : La bande passante effective n’est plus que de 1,5 MHz environ, très en deçà des 100 MHz de bande passante de l’oscilloscope !! -6 -12 Conclusion : L’utilisation de cordons coaxiaux comme organes de liaison à un oscilloscope présente beaucoup d’inconvénients. -18 1.0KHz Vdb(vosc) 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz Frequency Utilisation d’une sonde 1/10ème La plupart des oscilloscopes sont livrés avec une ou deux sondes atténuatrices 1/10ème . La fonction atténuation ne présente cependant pas d’intérêt pour l’électronicien qui travaille avec des tensions d’amplitude limitée à quelques dizaines de volts tout au plus. Par rapport à une liaison par « câble coaxial 50Ω » la sonde atténuatrice permet d’augmenter l’impédance d’entrée de l’appareil et d’élargir la bande passante effective. Elle réalise un atténuateur compensé. Outre le câble coaxial et les organes de connexion, elle renferme un circuit {R2 ; C2} parallèle, de telle sorte que l’entrée d’une voie d’oscilloscope, munie d’une sonde atténuatrice obéit au schéma suivant : R2 u1 : tension prélevée u1 u2 : tension à l’entrée de l’oscilloscope C2 R1 CC u2 C C et R1 : modèle d’entrée de l’oscillo. CC : capacité du câble de la sonde C2 : capacité ajustable par l’utilisateur C1 Pour une attaque sinusoïdale, la transmittance en tension s’écrit : T= U2 1+ jR 2C2ω = R1 ⋅ U1 R1+R 2 1+ j R1R 2 ⋅(C1+C2)ω R1+R 2 C1, R1 et R2 étant fixées, la forme de la réponse dépend de la valeur de C2. On cherche à obtenir une réponse en fréquence « neutre », c'est-à-dire une atténuation indépendante de la fréquence de travail. Pour qu’il en soit ainsi, les termes en ω dans la transmittance T doivent disparaître. R R Avec ω ≠ 0, la seule possibilité est : jR 2C 2ω = j 1 2 (C1 + C 2 )ω R1 + R 2 Cette condition amène simplement à R1C1 = R 2C2 Quand cette relation est vérifiée, la transmittance T s’écrit Sonde atténuatrice T= page 2 U2 U1 = R1 R1 + R 2 Claude Lahache Pour une sonde 1/10ème, avec R1 = 1MΩ typique, il faut R2 = 9MΩ. Le réglage optimal correspond à C2 = C1/9. Protocole de réglage : En face avant de tout oscilloscope se trouve un « calibrateur », (petit ergot métallique), qui délivre un signal carré, de fréquence voisine de 1kHz, d’amplitude de l’ordre du volt La sonde est connectée à une entrée Y de l’appareil, et injecte le signal du « calibrateur » à l’oscilloscope. A l’aide d’un tournevis, l’utilisateur ajuste C2 de façon à observer à l’écran l’image la plus fidèle possible du signal de calibration. Ci-contre, les aspects possibles : a) C2 trop faible (sonde « sous-compensée ») b) C2 optimale ; toutes les composantes spectrales du signal carré sont atténuées identiquement ; l’atténuation est donc indépendante de la fréquence. c) C2 trop forte (sonde « sur-compensée ») Réponses en fréquence correspondantes (Sonde avec R1 = 1MΩ, R2 = 9MΩ et C1 = 120pF) c) C2 trop forte (Gain HF excessif) -16 b) C2 optimale (Atténuation 20dB constante) -20 -24 c) C2 trop faible (Gain HF insuffisant) -26 30Hz 100Hz Vdb(out) Sonde atténuatrice 1.0KHz 10KHz page 3 100KHz Claude Lahache Impédance d’entrée de l’oscilloscope muni d’une sonde 1/10ème. R2 La sonde est réglée : R1C1 = R2C2 R2 R1 + On a Z E = 1 + jR 2C 2ω 1 + jR 1C1ω C2 u1 R1 CC Compte tenu de R1C1 = R2C2 et R2 = 9R 1, 10R1 ZE = 1 + jR 1C1ω 10R 1 Soit en module : Z E = 1 + (R 1C1ω)2 C C1 Par rapport au résultat de la page 1, une sonde 1/10ème réglée permet de multiplier par 10 l’impédance d’entrée de l’oscilloscope auquel elle est connectée. Bande passante effective. Envisageons toujours la visualisation de signaux produits sous impédance 1kΩ, sur un oscilloscope muni d’une sonde 1/10ème réglée. L’évolution de « vosc » (en dB) avec la fréquence est la suivante : -20 -24 -30 -36 -40 1.0KHz 10KHz Vdb(vosc) 1.0MHz 100MHz 1.0GHz La bande passante effective est maintenant de l’ordre de 13MHz, c'est-à-dire 10 fois plus que lors de l’utilisation d’un cordon coaxial ! (mais on est toujours très en deçà de la bande passante des circuits de l’oscilloscope !!) Sonde atténuatrice page 4 Claude Lahache