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Sonde oscilloscope



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1.1 Définition de la sonde oscilloscope

Essentiellement, une sonde d'oscilloscope établit une connexion physique et électronique entre le point de test ou la source de signal et l'oscilloscope ; En fait, une sonde d'oscilloscope est un certain type d'équipement ou de réseau qui relie la source de signal à l'entrée de l'oscilloscope. Il doit fournir une connexion pratique et de haute qualité entre la source de signal et l'entrée de l'oscilloscope. Il existe trois problèmes clés concernant la suffisance de la connexion : la connexion physique, l'impact sur le fonctionnement du circuit et la transmission du signal.

1.2 Le processus de développement des sondes d'oscilloscope

Au cours des 50 dernières années, diverses conceptions d'interface de sonde d'oscilloscope ont constamment évolué pour répondre aux exigences d'augmentation de la vitesse de la bande passante des instruments et des performances de mesure. Au début, des fiches bananes et des connecteurs de type UHF étaient généralement utilisés. Dans les années 1960, les connecteurs BNC ordinaires sont devenus le type d'interface de sonde le plus couramment utilisé en raison de la taille plus petite et de la fréquence plus élevée du BNC. L'interface de sonde BNC est toujours utilisée dans la conception d'instruments de test et de mesure, et les connecteurs actuels de type BNC de meilleure qualité fournissent la fonction de bande passante maximale disponible proche de 4 GHz.

Plus tard, certains fabricants ont proposé une alternative de conception à l'interface de sonde BNC commune. Lors de l'utilisation du connecteur BNC, une broche de détection de facteur d'échelle codée analogique supplémentaire a été fournie en tant que conception d'interface mécanique et électronique. Une partie de l'oscilloscope permet aux oscilloscopes compatibles de détecter et de modifier automatiquement la plage d'atténuation verticale affichée par l'oscilloscope.

1.3 La structure de la sonde de l'oscilloscope

La plupart des sondes sont composées d'une tête de sonde, d'un câble de sonde, d'un équipement de compensation ou d'un autre réseau de conditionnement de signaux et d'un connecteur de sonde.

Pour effectuer des mesures à l'oscilloscope, vous devez d'abord pouvoir connecter physiquement la sonde au point de test. Pour y parvenir, la plupart des sondes ont au moins un ou deux mètres de câble associé. Mais le câble de la sonde réduit la bande passante de la sonde : plus le câble est long, plus la chute est importante. En plus du câble d'un ou deux mètres de long, la plupart des sondes ont également une tête de sonde ou une poignée avec une sonde. La tête de sonde peut fixer la sonde et l'utilisateur peut déplacer la sonde pour entrer en contact avec le point de test. Habituellement, cette sonde adopte une forme de crochet à ressort, qui peut réellement connecter la sonde au point de test.

Afin d'obtenir des résultats de mesure utilisables, le signal sur la sonde doit être transmis à l'entrée de l'oscilloscope avec une fidélité suffisante à travers la tête de sonde et le câble.

Fonctionnalités de classification

Il existe des centaines voire des milliers de sondes d'oscilloscope différentes sur le marché. L'un des indicateurs techniques des sondes d'oscilloscope est les caractéristiques de fréquence. Il est pratique de diviser les types de sondes par fréquence, mais la couverture en fréquence des sondes d'oscilloscope est limitée et il est difficile de les diviser en fonction des bandes de fréquences radio telles que LF, HF, VHF, UHF et RF. Les sondes d'oscilloscope sont l'une de toutes les sondes. Les sondes les plus couramment utilisées sont les sondes de tension et de courant, et les sondes sont généralement classées en fonction des objets de mesure.

La première catégorie

2.1 Sonde de tension passive 2.1.1 Sonde passive

La sonde passive est constituée de fils et de connecteurs. Lors de l'atténuation, des résistances et des condensateurs sont également inclus. Il n'y a pas de dispositifs actifs (transistors ou amplificateurs) dans la sonde, il n'est donc pas nécessaire d'alimenter la sonde. Les sondes passives sont généralement les sondes les plus solides et les plus économiques. Ils sont non seulement faciles à utiliser, mais aussi largement utilisés.

La deuxième catégorie

2.1.2 Sondes de tension passives à haute impédance

Partant des besoins réels, les sondes de tension les plus utilisées sont des sondes de tension passives à haute impédance. La sonde de tension occupe la plus grande partie. Les sondes de tension passives fournissent divers coefficients d'atténuation de 1×, 10× et 100× pour différentes plages de tension. Parmi ces sondes passives, les sondes de tension passives 10x sont les sondes les plus couramment utilisées. Pour les applications où l'amplitude du signal est de 1V crête à crête ou inférieure, une sonde 1× peut être plus adaptée voire indispensable. Dans les applications où des signaux de faible et moyenne amplitude sont mélangés (des dizaines de millivolts à des dizaines de volts), la sonde commutable 1×/10× est beaucoup plus pratique. Cependant, la sonde commutable 1×/10× est essentiellement deux sondes différentes dans un seul produit. Non seulement leurs coefficients d'atténuation sont différents, mais également leurs caractéristiques de bande passante, de temps de montée et d'impédance (R et C) sont également différentes. Par conséquent, ces sondes ne peuvent pas correspondre entièrement à l'entrée de l'oscilloscope et ne peuvent pas fournir les meilleures performances obtenues par les sondes 10× standard.

La troisième catégorie

2.1.3 Sondes de tension passives à basse impédance

La bande passante de la plupart des sondes passives à haute impédance est inférieure à 100 MHz à 500 MHz ou plus. Entre la bande passante élevée. Les sondes de tension passives à basse impédance (également appelées sondes 50 ohms, sondes Zo, sondes diviseurs de tension) ont de très bonnes caractéristiques de fréquence. En utilisant des sondes adaptées aux câbles coaxiaux, la bande passante peut atteindre 10 GHz et 100 picosecondes ou plus. Temps. Cette sonde est conçue pour être utilisée dans des environnements de 50 ohms, qui sont généralement la vérification d'équipements à haute vitesse, les communications par micro-ondes et la réflectométrie dans le domaine temporel (TDR).

La quatrième catégorie

2.1.4 Sonde haute tension passive

La "haute tension" est un concept relatif. Du point de vue de la sonde, nous pouvons définir la haute tension comme toute tension qui dépasse la tension qu'une sonde passive 10× à usage général typique peut gérer en toute sécurité. Les sondes haute tension nécessitent une bonne résistance d'isolement pour assurer la sécurité des utilisateurs et des oscilloscopes.

La cinquième catégorie

2.2 Sondes de tension actives 2.2.1 Sondes actives

Les sondes actives contiennent ou reposent sur des dispositifs actifs, tels que des transistors. Dans le cas le plus courant, le dispositif actif est un transistor à effet de champ (FET), qui fournit une très faible capacité d'entrée. Une faible capacité entraîne une impédance d'entrée élevée sur une bande de fréquences plus large. On peut le voir à partir de la formule Xc ci-dessous :

La sixième catégorie

2.2.2 Sonde FET active

La bande passante spécifiée de la sonde FET active est généralement comprise entre 500 MHz et 4 GHz. En plus de la bande passante plus élevée, l'impédance d'entrée élevée des sondes FET actives permet des mesures à des points de test où l'impédance est inconnue et le risque d'effets de charge est beaucoup plus faible. De plus, étant donné que la faible capacité réduit l'influence du fil de terre, un fil de terre plus long peut être utilisé.

Les sondes FET actives n'ont pas la plage de tension des sondes passives. La plage dynamique linéaire d'une sonde active est généralement comprise entre ±0,6V et ±10V.

La septième catégorie

2.2.3 Sonde différentielle active

Les signaux différentiels se réfèrent les uns aux autres, pas à la terre. La sonde différentielle peut mesurer le signal du dispositif flottant. En substance, il est composé de deux sondes de tension symétriques, chacune avec une bonne isolation et une haute impédance à la terre. Les sondes différentielles peuvent fournir un taux de réjection de mode commun (CMRR) élevé dans une plage de fréquences plus large.

La huitième catégorie

2.3 Sonde de courant

Du point de vue du principe, la valeur de tension mesurée par la sonde de tension est divisée par la valeur d'impédance mesurée. Il est facile de La valeur actuelle peut être obtenue. Cependant, en fait, l'erreur introduite par cette mesure est très importante, de sorte que la méthode de conversion de tension en courant n'est généralement pas utilisée. La sonde de courant peut mesurer avec précision la forme d'onde du courant en utilisant une entrée de transformateur de courant, et le flux magnétique du courant de signal est transformé en une tension par un transformateur, puis amplifié par l'amplificateur dans la sonde et envoyé à l'oscilloscope.

La neuvième catégorie

2.3.1 Sonde de courant alternatif

Dans un transformateur, avec le changement de direction du courant, le champ électrique change et la tension est induite. La sonde de courant AC est un appareil passif et ne nécessite pas d'alimentation externe.

Dixième catégorie

2.3.2 Sonde de courant continu

Les sondes de courant traditionnelles ne peuvent mesurer que les signaux AC et AC, car un courant continu stable ne peut pas être dans le courant induit du transformateur. Cependant, en utilisant l'effet Hall, un dispositif semi-conducteur avec une polarisation de courant générera une tension correspondant à un champ électrique continu. Par conséquent, la sonde de courant continu est un appareil actif et nécessite une alimentation externe.

Les sondes de courant sont donc fondamentalement divisées en deux catégories : les sondes de courant AC et les sondes de courant AC/DC. Les sondes de courant AC sont généralement des sondes passives et les sondes de courant AC/DC sont généralement des sondes actives.

La onzième catégorie

2.4 Sonde logique

Lorsque vous utilisez un oscilloscope pour observer et analyser les caractéristiques analogiques des formes d'onde numériques, vous devez utiliser une sonde logique pour isoler la cause exacte. Les concepteurs numériques doivent généralement examiner des impulsions de données spécifiques qui se produisent dans des conditions logiques spécifiques, ce qui nécessite des fonctions de déclenchement logique .

La douzième catégorie

2.5 Autres sondes

Le champ d'application des oscilloscopes étant très large, il existe diverses sondes spéciales en plus des types de sondes mentionnés ci-dessus. Ces sondes professionnelles ont des fonctions différentes selon les différents capteurs frontaux. Ci-dessous, nous en présentons deux pour la compréhension des lecteurs uniquement.

En principe, la sonde photoélectrique est une combinaison d'une sonde de tension ordinaire et d'un dispositif de conversion photoélectrique, qui peut mesurer directement le signal optique transmis par le dispositif optique et la fibre optique.

La sonde de température est une combinaison d'une sonde de tension ordinaire et d'un capteur de température, qui peut mesurer directement la température d'un objet. La sonde de température est une sorte de sonde de capteur, et diverses sondes de capteur peuvent mesurer une variété de quantités physiques avec l'oscilloscope.

Influence de la mesure

3.1 Effet de charge

Le soi-disant effet de charge est lorsque l'oscilloscope est connecté au circuit sous test, parfois la résistance d'entrée de l'oscilloscope affectera le circuit sous test. Produire une influence, faire changer le signal du circuit testé. Si l'influence de l'effet de charge est importante, la mesure de la forme d'onde ne peut pas être effectuée avec précision. Si vous souhaitez réduire l'effet de charge, vous devez augmenter la résistance d'entrée à une extrémité de l'oscilloscope. Plus la résistance d'entrée est grande et plus la capacité d'entrée est petite, plus l'effet de charge est faible.

Dans la mesure à l'oscilloscope, un autre type d'effet de charge fait référence à l'effet de charge de la sonde sur le circuit testé. Pour assurer la précision de la mesure, il est nécessaire de réduire l'effet de charge de la sonde sur le circuit à tester afin de ne pas l'affecter. Pour le signal à mesurer, une sonde avec une impédance d'entrée élevée doit être sélectionnée. L'impédance d'entrée de la sonde peut être équivalente à la connexion parallèle de résistance et de capacité. Aux basses fréquences (inférieures à 1MHz), la charge de la sonde est principalement l'impédance ; aux hautes fréquences (supérieures à 10MHz), la charge de la sonde est principalement une réactance capacitive. Afin de réduire l'effet de charge de la sonde sur le circuit à tester, une sonde à haute impédance et à faible réactance capacitive doit être sélectionnée, telle qu'une sonde passive avec une bande passante de 100 MHz. Sa résistance d'entrée est de 1-10Ω et sa capacité d'entrée est de 1-10pF. L'effet de charge de la sonde active est meilleur que celui de la sonde passive, et la caractéristique de fréquence est meilleure.

3.2 Adaptation d'impédance

L'impédance est le rapport de la tension au courant. Dans des circonstances idéales, l'instrument testé ne doit pas affecter son fonctionnement normal lors du test, et la valeur mesurée doit également être la même. C'est la même chose lorsque l'instrument de test n'est pas connecté. Lors de la connexion d'instruments de mesure, l'impact de l'impédance sur la précision de la mesure doit être pris en compte. Afin de garantir que la puissance maximale peut être transmise entre les instruments, l'impédance doit être adaptée. Si l'impédance est une résistance pure, la valeur de l'impédance d'entrée et de l'impédance de sortie doit être égale. Si l'impédance comprend une composante de réactance, l'impédance d'entrée de la charge doit être conjuguée à l'impédance de sortie de la source, et la puissance maximale peut être transmise à ce moment.

La valeur d'impédance de l'adaptation d'impédance est généralement la même que la valeur d'impédance caractéristique de la ligne de transmission utilisée. Pour les systèmes radiofréquence, une impédance de 50 Ω est généralement utilisée. Pour les instruments à haute impédance, en raison de l'existence d'une capacité parallèle équivalente, à mesure que la fréquence augmente, l'impédance combinée parallèle diminue progressivement, ce qui chargera le circuit à tester. Comme l'impédance d'entrée 1MΩ, lorsque la fréquence atteint 100MHz, l'impédance équivalente n'est que d'environ 100Ω. Par conséquent, les oscilloscopes à bande passante élevée utilisent généralement une impédance d'entrée de 50 pour assurer la correspondance entre l'oscilloscope et la source. Cependant, lors de l'utilisation d'une impédance d'entrée de 50 , il faut considérer que l'effet de charge de l'impédance d'entrée de 50 est plus évident. À ce stade, il est préférable d'utiliser une sonde active à faible capacité.

3.3 Charge capacitive

À mesure que la fréquence du signal ou la vitesse de balayage augmente, la composante capacitive de l'impédance devient le facteur principal. En conséquence, la charge capacitive devient un problème majeur, en particulier la charge capacitive affectera le temps de montée et le temps de descente de la forme d'onde à commutation rapide et l'amplitude des composants haute fréquence dans la forme d'onde.

Indicateurs techniques

4.1 Bande passante et temps de montée

La bande passante de la sonde fait référence à la fréquence qui fait chuter l'amplitude de sortie de la réponse de la sonde à 70,7 % (-3 dB). Le temps de montée fait référence à la réponse de 10 à 90 % de la sonde à la fonction pas à pas, indiquant que la sonde peut être rapidement convertie de la tête à l'entrée de l'oscilloscope. Pour la plupart des sondes, le produit de la bande passante et du temps de montée est proche de 0,35. Dans de nombreux cas, la bande passante est vérifiée par le temps de montée des impulsions pour assurer une distorsion minimale.

4.2 Capacité

L'indice de capacité de la tête de sonde fait référence à la capacité sur la pointe de la sonde, qui est la capacité de la sonde équivalente au point de test du circuit à tester ou du dispositif à tester. La sonde équivaut à un condensateur à une extrémité de l'oscilloscope, et cette valeur de capacité doit correspondre à la capacité de l'oscilloscope. Pour les sondes 10× et 100×, cette capacité est appelée capacité de compensation, qui est différente de la capacité de la pointe de la sonde. Ce qui suit continuera à introduire le condensateur de compensation.

4.3 Aberration

L'aberration est toute déviation d'amplitude de la réponse attendue ou de la réponse idéale du signal d'entrée. En pratique, la distorsion se produit généralement immédiatement entre les transitions de forme d'onde rapides, qui se manifestent par ce que l'on appelle des « oscillations amorties ». Les sondes haute fréquence sans distorsion limite spécifiée peuvent fournir des mesures complètement trompeuses. La présence de distorsion peut expliquer des caractéristiques de bande passante et d'atténuation fortement déformées.

4.4 Coefficient d'atténuation

Lorsque la borne est correctement connectée, la sonde doit avoir un coefficient d'atténuation constant. Le coefficient d'atténuation est le rapport entre le signal de sortie et le signal d'entrée. Certaines sondes peuvent avoir des coefficients d'atténuation sélectionnables. Les coefficients d'atténuation typiques sont 1×, 10× et 100×.

4.5 Compensation d'atténuation de la sonde

La compensation dite d'atténuation de la sonde fait référence au réglage de la capacité variable dans la sonde lorsque l'oscilloscope et la sonde sont utilisés ensemble pour rendre la fréquence relativement stable. La compensation de sonde signifie une compensation de fréquence entre l'extrémité de la sonde et l'entrée de l'oscilloscope.

Bien que la résistance d'entrée de l'oscilloscope ne soit que de 1MΩ, la capacité d'entrée en parallèle varie selon le modèle. Même s'il s'agit du même modèle, la capacité d'entrée sur chaque canal est différente. Par conséquent, si la combinaison de l'oscilloscope et de la sonde est modifiée, la compensation de phase de la sonde doit être modifiée en conséquence.

4.6 Tension nominale maximale

La tension nominale maximale est déterminée par CC + crête CA, c'est-à-dire que la somme de la valeur CC et de la valeur crête CA de la tension de sortie ne peut pas dépasser la tension nominale maximale de l'oscilloscope. Si elle dépasse Cette tension nominale maximale endommagera la sonde.

4.7 Diminution de la tension nominale avec la fréquence

La tension d'entrée maximale de la sonde de tension à basse fréquence a des réglementations claires, et la tension d'entrée diminuera à mesure que la fréquence augmente. Pour les sondes haute fréquence, il faut faire attention au changement de tension d'entrée avec la fréquence. Lorsque la fréquence est supérieure à 1 MHz, la tension d'entrée admissible chute fortement avec l'augmentation de la fréquence.

Précautions

La connexion correcte du signal à tester à l'oscilloscope est la première étape du travail de test. Ici, nous présentons principalement les précautions lors de la connexion de la sonde au circuit à tester.

1. Lors de la connexion de la sonde au circuit à tester, la borne de terre de la sonde doit être connectée au fil de terre du circuit à tester. Sinon, à l'état flottant, la différence de potentiel entre l'oscilloscope et d'autres équipements ou la terre peut provoquer un choc électrique ou endommager l'oscilloscope, la sonde ou d'autres équipements.

2. Lors de la mesure de signaux d'impulsion et de signaux haute fréquence avec un temps d'installation court, veuillez essayer de placer le fil de terre de la sonde aussi près que possible de l'emplacement du point mesuré. Si le fil de terre est trop long, cela peut provoquer une distorsion de la forme d'onde telle qu'une sonnerie ou un dépassement.

3. Afin d'éviter l'influence du fil de terre sur le test du signal haute fréquence, il est recommandé d'utiliser l'accessoire de mise à la terre spécial de la sonde.

4. Afin d'éviter les erreurs de mesure, assurez-vous de vérifier et d'étalonner la sonde avant la mesure. Le principe et la méthode d'étalonnage de la compensation d'atténuation de la sonde ont déjà été introduits, je ne les répéterai donc pas ici.

5. Pour les tests haute tension, une sonde haute tension spéciale doit être utilisée, et les pôles positif et négatif doivent être distingués, et la connexion peut être confirmée avant la mise sous tension pour commencer la mesure.

6. Lorsque les deux points de test ne sont pas au potentiel de terre, une mesure "flottante", également appelée mesure différentielle, doit être effectuée et une sonde différentielle professionnelle doit être utilisée.

7 Résumé

Les sondes sont très importantes pour la mesure de l'oscilloscope, donc l'impact de la sonde sur le circuit de détection doit être minimisé, et on espère qu'une fidélité de signal suffisante est maintenue pour la valeur mesurée. Si la sonde modifie le signal ou modifie le mode de fonctionnement du circuit de quelque manière que ce soit, l'oscilloscope verra le résultat de la distorsion du signal réel, ce qui peut conduire à des résultats de mesure erronés ou trompeurs. De l'introduction ci-dessus, nous pouvons voir qu'il y a de nombreux points à noter concernant l'achat et l'utilisation correcte des sondes. Seules les sondes bien adaptées à l'oscilloscope et au circuit à tester sont les sondes que vous devez choisir et utiliser.

Point de mesure

Lorsque vous utilisez la sonde de l'oscilloscope numérique, assurez-vous que le clip de masse est mis à la terre de manière fiable (la masse du système testé, pas la masse réelle), sinon, lors de la mesure, vous verrez un grand signal de 50 Hz, qui est causé par le 50 Hz inductif secteur à fréquence industrielle dans l'espace car le fil de terre de l'oscilloscope n'est pas bien connecté. Si vous constatez qu'il y a un signal fort de 50 Hz sur l'oscilloscope (la fréquence du secteur dans notre pays est de 50 Hz, et il y a 60 Hz dans les pays étrangers), alors vous devez faire attention si le fil de terre de la sonde n'est pas correctement connecté. En raison de l'utilisation fréquente de la sonde de l'oscilloscope, le vibromètre peut entraîner la déconnexion du fil de terre. La méthode de détection est la suivante : ajustez l'oscilloscope à la fréquence de balayage et au gain de l'axe Y appropriés, puis touchez la sonde au milieu de la sonde avec votre main. À ce stade, vous devriez être en mesure de voir la forme d'onde, généralement un signal de 50 Hz. S'il n'y a pas de forme d'onde à ce moment-là, vous pouvez vérifier si le fil de signal au milieu de la sonde a été endommagé. Ensuite, fixez le clip du fil de terre de la sonde de l'oscilloscope à la sonde (ou au crochet) de la sonde, puis touchez la sonde de la sonde avec votre main. A ce moment, vous ne devriez pas voir le signal pour le moment (ou l'amplitude est très faible). Cela signifie que le fil de terre de la sonde est bon, sinon le fil de terre a été endommagé. Habituellement, le fil reliant le clip est déconnecté, généralement re-soudé, et peut être remplacé si nécessaire. Faites attention au fil de terre reliant le clip à ne pas être trop long, sinon il est facile d'introduire des interférences, en particulier dans l'environnement à haute fréquence et à petit signal.

La pince de masse de la sonde de l'oscilloscope numérique doit être proche du point de mesure, en particulier lors de la mesure de signaux avec des fréquences plus élevées et des amplitudes plus petites. Parce que le long fil de terre formera une boucle, c'est comme une bobine qui induira des champs électromagnétiques dans l'espace. De plus, lorsque le courant dans le fil de terre du système est important, une chute de tension sera générée sur le fil de terre, de sorte que le fil de terre de la sonde de l'oscilloscope doit être connecté à la terre près du point testé. L'engrenage X10 de la sonde a une plus grande impédance d'entrée. Par exemple, lors de la mesure de la forme d'onde d'oscillation d'un oscillateur à cristal, l'engrenage X10 de la sonde doit être utilisé. Si l'engrenage X1 est adopté, cela peut entraîner l'arrêt de l'oscillateur à cristal, ou il peut ne pas s'arrêter d'osciller, ou il peut être impossible de voir la vraie forme d'onde en raison de changements excessifs dans les conditions d'oscillation.

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