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
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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
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