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1 Jacques BAUDET Ingénieur CNRS honoraire Université des Sciences et Technologies de Lille Lobjectif de ce diaporama est : de présenter les sondes les.

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1 1 Jacques BAUDET Ingénieur CNRS honoraire Université des Sciences et Technologies de Lille Lobjectif de ce diaporama est : de présenter les sondes les plus couramment utilisées pour prélever une tension et la transmettre à un oscilloscope de montrer leur impact (par leur impédance) sur le circuit étudié (représenté par son générateur de Thévenin équivalent) dévoquer les problèmes liés à leur emploi en « hautes fréquences »

2 2 TABLE des MATIERES - SCHEMA EQUIVALENT de la SOURCE à MESURERSCHEMA EQUIVALENT de la SOURCE à MESURER - PARAMETRES dENTREE de lOSCILLOSCOPEPARAMETRES dENTREE de lOSCILLOSCOPE - le CABLE ou la SONDE DIRECTEle CABLE ou la SONDE DIRECTE - la SONDE COMPENSEE PASSIVEla SONDE COMPENSEE PASSIVE - les SONDES au-delà de quelques DIZAINES de MHzles SONDES au-delà de quelques DIZAINES de MHz - la SONDE COMPENSEE ACTIVEla SONDE COMPENSEE ACTIVE - la SONDE « BASSE IMPEDANCE »la SONDE « BASSE IMPEDANCE » - la LIAISON DIRECTE BASSE IMPEDANCE (50 Ω)la LIAISON DIRECTE BASSE IMPEDANCE (50 Ω) - PROBLEMES POSES par la LIAISON de MASSE entre la SONDE et le CIRCUIT TESTEPROBLEMES POSES par la LIAISON de MASSE entre la SONDE et le CIRCUIT TESTE - RELATION entre « TEMPS de MONTEE » et « BANDE PASSANTE » dun OSCILLOSCOPERELATION entre « TEMPS de MONTEE » et « BANDE PASSANTE » dun OSCILLOSCOPE - QUELQUES PIEGESQUELQUES PIEGES DIAPO à à à à à à 46

3 3 COMMENT MESURER une TENSION SANS (TROP) la DEGRADER ? OU COMMENT VISUALISER le SIGNAL EXISTANT REELEMENT À TEL ou TEL ENDROIT dun CIRCUIT ?

4 4 le SIGNAL à MESURER se COMPORTE COMME SI IL ETAIT: Issu dun GENERATEUR de F.E.M.: E G SCHEMA ELECTRIQUE de THEVENIN du POINT à MESURER (« P ») CAS dun CIRCUIT PASSIF PUREMENT RESISTIF E G MAIS AUSSI AFFECTE dune RESISTANCE INTERNE « R G » RGRG P COMMENT CONNAÎTRE la VRAIE VALEUR de E G ?

5 5 CHARGE PRESENTEE par l OSCILLOSCOPE L OSCILLOSCOPE PRESENTE une RESISTANCE: R e =1 MΩ MAIS AUSSI ET SURTOUT une CAPACITE PARASITE: C e (quelques dizaines de pF) ReRe CeCe VeVe

6 6 CHARGE PRESENTEE par l OSCILLOSCOPE et la LIAISON au POINT « P » LIAISON au POINT de MESURES «P» une CAPACITE PARASITE due à la LIAISON ReRe CeCe ClCl ORDRE de GRANDEUR de C e +C l : - Câble blindé de 1,6 m : 160 pF - Sonde directe : 80 pF VeVe P IL VIENT ENCORE SAJOUTER

7 k 10k 100k 1M 10M 100M 1G F (Hz) X ou R (Ω) 10M 1M 100k 10k 1k ReRe X e+sonde X e+câble en FONCTION de la FREQUENCE, lIMPEDANCE PRESENTEE par ce DIPOLE est dabord RESISTIVE… RAPPEL puis au-delà de QUELQUES kHz la REACTANCE, «X», de C e +C l FAIT DIMINUER CONTINUMENT cette IMPEDANCE en CONSEQUENCE, ON CONSTATE que: la REACTANCE des CAPACITES PRESENTEES par lOSCILLOSCOPE et la LIAISON PROVOQUE une DIMINUTION CONTINUE de lIMPEDANCE VUE par le POINT « P ». (même avec des sources de faible résistance interne, R G, on ne dépasse pas une dizaine de MHz avec ce mode de captation) AVERTISSEMENT: Les tracés de R e et X ne sont plus strictement valables quand la fréquence dépasse quelques MHz à cause de la présence déléments parasites (selfs dues aux liaisons, capacités entre broches des composants). Cette représentation nen a pas tenu compte pour ne garder que la relativité des évolutions de Re et X dans la gamme utile de fréquences de ce mode de captation

8 8 QUELLE VALEUR lOSCILLOSCOPE DONNE-T-IL de la SOURCE à MESURER en FONCTION de SES PARAMETRES et de CEUX de la LIAISON ?

9 9 CHARGE PRESENTEE par l OSCILLOSCOPE et la LIAISON au POINT « P » CE QUE MESURE l OSCILLOSCOPE ReRe CeCe ClCl Pour SIMPLIFIER la PRESENTATION des CALCULS et POUVOIR les GENERALISER aux DIFFERENTS TYPES de LIAISONS qui SUIVENT, on POSE: - C : CAPACITE DUE à lINSTRUMENTATION et VUE au POINT « P » - R : RESISTANCE DUE à lINSTRUMENTATION et VUE au POINT « P » 9 Dans ce cas-ci : C=C e +C l et R=R e R C VpVp et en posant k : coefficient datténuation statique Pour cette SOLUTION (câble ou sonde directe), on CONSTATE que V e = V p VeVe SCHEMA EQUIVALENT de THEVENIN du SIGNAL à MESURER E G RGRG P

10 10 en CONCLUSION: Pour faire de bonnes mesures il faut que R G <Fc, V p /E G diminue de 20dB quand F augmente dun facteur k 10k 100k 1M 10M 100M 1G F (Hz) V p /E G en dB F c1/(2π.R G.C) (car ici R G R/10) 1 2 TRACE ASYMPTOTIQUE de la FONCTION de TRANSFERT : V p /E G RAPPELRAPPEL DIPOLE PARALLELE EQUIVALENT à lOSCILLOSCOPE et au CABLE de LIAISON: R=1 MΩ, C=160 pF COURBE 1 : avec R G =100 kΩ k 0,9 ( -0,9 dB) F c 10 kHz COURBE 2 : avec R G =10 kΩ k 0,99 ( 0dB) F c 100 kHz

11 11 Les CALCULS et les GRAPHES des DEUX DIAPOSITIVES PRECEDENTES NE SERONT PAS REPRIS par la SUITE. Les VALEURS de « R » et « C » des DIFFERENTES SONDES SERONT INDIQUEES POUR CHAQUE MODELE (diapositives 18, 28 et 30) : ces VALEURS PERMETTENT de CALCULER le RAPPORT : V p / E g ENFIN, il EST IMPORTANT de NOTER que, dans les 3 MODELES de SONDE QUI SUIVENT (diapositives 12, 27 et 30), le RAPPORT : V e / V p NEST PLUS de 1 (il est le plus souvent de 1/10). CONCLUSION: POUR une R G DONNEE, POUR POUVOIR OBSERVER en PLUS HAUTE FREQUENCE, IL FAUT DIMINUER la VALEUR de la CAPACITE VUE par le POINT « P » et DUE à lOSCILLOSCOPE et à sa LIAISON…

12 12 DITE « PASSIVE » CAR COMPRENANT des COMPOSANTS PASSIFS (R et C) ON A VU (diapo. 10) que les CAPACITES de l OSCILLOSCOPE et de la LIAISON ( on pose ici: ) DEFINISSENT F C pour une R G DONNEE. Pour AUGMENTER F C, l IDEE CONSISTE à PLACER une CAPACITE de FAIBLE VALEUR (par rapport à C), C SO, en SERIE entre la LIAISON et le POINT « P ». CETTE CAPACITE EST PLACEE dans le CORPS de la SONDE pour ISOLER le POINT « P » de C l et C e. C=C l +C e AUX FREQUENCES ELEVEES, QUAND la REACTANCE de C est TRES INFERIEURE à R e, ON PEUT ECRIRE: V e /V p =C SO /(C SO + C) (<<1) C SO P VpVp CHARGE PRESENTEE par lOSCILLOSCOPE et la LIAISON VeVe Re Re C R SO MAIS POUR TRANSMETTRE la COMPOSANTE CONTINUE et les BASSES FREQUENCES, il FAUT PLACER une RESISTANCE R SO en PARALLELE sur C SO. DANS CETTE GAMME de FREQUENCES, ON PEUT ECRIRE: V e /V p = R e /(R SO + R e ) (<<1)

13 13 ON PEUT DEDUIRE de ce SCHEMA que : pour que la transmission du signal soit indépendante de la fréquence, il faut (1) sil y a un réglage à effectuer pour compenser un écart entre ces 2 rapports, le meilleur moyen dintervention est dagir sur C SO puisque sa faible valeur permet de le remplacer par un « condensateur variable » qui permettra dobtenir une bonne dynamique de réglage, adaptée à la C e doscilloscopes différents. Pour tenir compte de cette possibilité de variation, C SO sera remplacé par C SO dans les calculs (C SO désignera alors la valeur donnant légalisation des rapports dans la relation (1)). DEMONSTRATION:le COEFFICIENT de TRANSMISSION V e /V p VeVe Re Re C C SO P VpVp R SO RAPPELS: IMPEDANCE dun DIPOLE « RC// »: Z=R / (1+j2πF.RC) (2) EGALISATION du COEFFICIENT de TRANSMISSION STATIQUE et du COEFFICIENT de TRANSMISSION en FREQUENCES ELEVEES : (rappel de (1)) CALCULS: (pour alléger lécriture, on remplacera 2πF par la « pulsation », ω) À partir de la formule du pont diviseur (utilisant les impédances) et de la relation (2), on peut calculer: Si lon compare les 2 zones encadrées en bleu, les termes complexes du numérateur et du dénominateur se simplifient à condition que: Or la relation (1) permet de dire que cette relation est vérifiée quand: 13 SI les DEMONSTRATIONS CONCERNANT la SONDE COMPENSEE NE VOUS INTERESSENT PAS, VOUS POUVEZ PASSER à la DIAPOSITIVE 15

14 14 DEMONSTRATION: IMPEDANCE, Z e, du DIPOLE, VU du POINT « P », EQUIVALENT à CET ENSEMBLE Re Re C C SO P Z e R SO RAPPELS: IMPEDANCE dun DIPOLE « RC// »: Z=R / (1+jω.RC) (2) EGALISATION du COEFFICIENT de TRANSMISSION STATIQUE et du COEFFICIENT de TRANSMISSION en FREQUENCES ELEVEES: (rappel de (1)) Ze = IMPEDANCE EQUIVALENTE aux 2 DIPOLES RC PARALLELES PLACES en SERIE Pour ce calcul, on supposera que la sonde est bien compensée, cest-à-dire que C SO =C SO. CALCULS: Or, daprès la relation (1) et la note en orange ci-dessus, la zone encadrée en bleu est égale à C SO et le terme complexe du numérateur et le second produit du dénominateur se simplifient: On obtient:: En reprenant la relation (2), on constate que cette impédance est assimilable à celle dun dipôle « RC// » dont les composantes seront respectivement désignées par R e et C e. Limpédance de ce dipôle sécrit:: CALCULS (suite): identification des 2 représentations de limpédance Z e : et Si lon utilise la relation (1) pour exprimer ces paramètres uniquement en fonction de ceux de loscilloscope, de la liaison et du coefficient de transmission de la sonde, on obtient:

15 15 2) à partir des 4 relations ci-dessus, on peut mettre la relation de transmission sous la forme: (4) Cette relation dépend à la fois de la décompensation de la sonde et de la fréquence (voir diapo. 19 et 20). NOTE: si dans la relation (4) on pose δ = 1, on retrouve la relation (3) SYNTHESE des CALCULS du COEFFICIENT de TRANSMISSION de la SONDE en FONCTION de C SO Coefficient de transmission:avec: (rappel de la relation (1)) (extrait de la diapositive 13) On pose: - où correspond au coefficient de compensation de la sonde -qui correspond à la constante de temps du circuit de compensation. La relation (1) permet de déduire: et donc de déterminer cette constante de temps uniquement par les paramètres de loscilloscope et de la liaison hors circuit de compensation (voir diapo. 12). 2 CONFIGURATIONS SONT à CONSIDERER: 1) (3) la sonde délivre le signal au point « P » avec une atténuation constante et ce, dans toute sa gamme de fonctionnement prévue par le constructeur (en général, quelques dizaines de MHZ car au-delà, on est confronté à des problèmes de propagation, qui seront abordés à partir de la diapo. 23) 15

16 16 CHARGE PRESENTEE par lOSCILLOSCOPE et la LIAISON Re Re C (=C e +C l ) SYNTHESE des CALCULS sur IMPEDANCE PRESENTEE au POINT « P » par lINSTRUMENTATION DIPOLE EQUIVALENT vu par « P » R e CeCe P CIRCUIT de COMPENSATION C SO R SO Z e AVEC: R e = R e / k SO C e = k SO.C EXEMPLE: (les valeurs de C et C T sont approximatives car variables selon les sondes et les oscilloscopes) si k SO =1/10, C=80 pF et C T= 7 pF R e = 10. R e = 10 MΩ C e = C/10 = 8 pF C e +C T = 15 pF 16 C T : Capacité répartie sur le trajet entre le circuit de compensation et lembout (« TIP » en anglais) de la sonde (donc de faible valeur). Elle est due au couplage avec le circuit de masse CT CT (5) (issu des calculs de la diapo. 14)

17 17 en FONCTION de la FREQUENCE, lIMPEDANCE PRESENTEE par le DIPOLE EQUIVALENT à la SONDE COMPENSEE est DABORD RESISTIVE… RAPPEL des PARAMETRES VUS par «P» DANS le CAS de la LIAISON par CABLE ou par SONDE DIRECTE puis au-delà de QUELQUES kHz la REACTANCE, «X» de ce DIPOLE FAIT DIMINUER cette IMPEDANCE RAPPEL 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G F (Hz) X ou R (Ω) 10M 1M 100k 10k 1k X e+câble X e+sonde ReRe X T+sonde comp. R e AVERTISSEMENT: Les tracés des R et X ne sont plus strictement valables quand la fréquence dépasse quelques MHz à cause de la présence déléments parasites (selfs dues aux liaisons, capacités entre broches des composant, etc.). Cette représentation nen a pas tenu compte pour ne garder que la relativité des évolutions des R et X dans la gamme utile de fréquences de ce mode de captation

18 18 POURQUOI ce CHOIX du COEFFICIENT de TRANSMISSION ? Lobjectif initial de la sonde compensée était de diminuer la capacité vue du point « P » pour augmenter la bande passante danalyse dune source de tension, représentée par un générateur de Thévenin de résistance interne R G. Cet objectif a impliqué lutilisation dun circuit additionnel (diapo. 12). Mais ce circuit peut provoquer, comme on la vu diapo. 13, une anomalie de transmission en fonction de la fréquence lorsquil nest pas correctement ajusté à la capacité de la liaison vers loscilloscope et à la capacité dentrée de ce dernier (ceci sera illustré diapo; 19). Cette anomalie peut toutefois être compensée en agissant sur C SO selon la procédure qui est indiquée diapo. 20. Le choix de « 1/10 » pour coefficient de transmission, nest pas anodin car il facilite grandement la correction (quand elle nest pas automatique) de la sensibilité sélectionnée sur loscilloscope: par exemple une sensibilité de 1 mV/division nécessite 10 mV au niveau du point « P » pour obtenir une déviation de 1 division sur lécran de loscilloscope. On peut être tenté, pour augmenter encore la bande passante danalyse, de diminuer C e en diminuant k SO (par exemple =1/100) cest-à-dire en diminuant C SO, mais ce serait au détriment de la sensibilité puisque alors il faudrait 100 mV au point « P » pour que loscilloscope voie 1 mV. De plus il faudrait aussi réduire C T, qui est du même ordre de grandeur que C e (quand k SO =1/10) ce qui impliquerait dimportantes contraintes sur la connexion de masse. Enfin, si lon veut travailler en hautes fréquences, on est confronté à des phénomènes de propagation dondes qui viennent altérer les mesures au-delà dune cinquantaine de MHz (diapo. 23 et 24). 18 IL NE FAUT PAS OUBLIER QUE DANS CETTE SECONDE SOLUTION, le COEFFICIENT de TRANSMISSION de la SONDE est : V e /V p = k SO = 1/10 (en général) le COEFFICIENT dATTENUATION V p /E G PRESENTE en DIAPO.9 et TRACE en DIAPO.10 pour une LIAISON DIRECTE se CALCULE AISEMENT en POSANT dans la DIAPO.9 : R=R e =10 MΩ et C=C e +C T =15 pF ON CONSTATE QUE POUR une R G DONNEE la BANDE PASSANTE EST ENVIRON 10 FOIS SUPERIEURE à CELLE OBTENUE avec la LIAISON DIRECTE. LES SOLUTIONS 3, 4 et 5, PRESENTEES DIAPO. 27, 30 et 32 PERMETTRONT de PALIER LARGEMENT A CES DIFFICULTES…

19 19 RAPPEL DIAPO. 15 0,1 0,2 0, V e /V p 0,12 0,11 0,10 0,09 0,08 RAPPEL: R e = 1 MΏ R SO = 9 MΏ k SO = 1 / 10 C = 80 pF F kHz C SO =7 pF C SO =10,9 pF ALTERATION du COEFFICIENT de TRANSMISSION de la SONDE, en FONCTION de la FREQUENCE, DUE à une COMPENSATION INADAPTEE CIRCUIT RELIANT le POINT « P » à lENTREE de lOSCILLOSCOPE ReRe CeCe ClCl VeVe VpVp P C SO R SO C=C l +C e 1 er CAS: avec les valeurs ci-dessus, si C SO est égal à: 7 pF (soit δ=0,79), la partie imaginaire du numérateur est inférieure de 20% à celle du dénominateur: le coefficient de transmission en fréquences élevées est inférieur au coefficient de transmission statique. 2 ème CAS: avec les valeurs ci-dessus, si C SO est égal à: 10,9 pF (δ=1,22), la partie imaginaire du numérateur est supérieure de 20% à celle du dénominateur: le coefficient de transmission en fréquences élevées est supérieur au coefficient de transmission statique. SI lON COMPARE la PARTIE IMAGINAIRE du NUMERATEUR à CELLE du DENOMINATEUR.. 3 ème CAS: avec les valeurs ci-dessus, C SO doit être égal à : 8,9 pF (δ=1), pour obtenir légalité de la partie imaginaire du numérateur et de celle du dénominateur. Le coefficient de transmission est alors indépendant de la fréquence (ou dit « apériodique ») et ce jusque quelques dizaines de MHz (au delà voir diapo. 23 à 26). C SO =C SO =8,9 pF QUATRE DIAPOSITIVES sur les EFFETS dune MAUVAISE COMPENSATION de la SONDE et sur la MANIERE dEFFECTUER une BONNE COMPENSATION Les simulations qui suivent ont été vérifiées expérimentalement en ce qui concerne les ordres de grandeur de: - la gamme de fréquences de transition des graphes des diapositives 19 et 20 - les constantes de temps de la diapositive 21

20 20 EN CONSEQUENCE: Pour des valeurs de R e, R SO et C figées, la valeur de C SO a un impact important sur la courbe de transmission de lensemble « sonde-oscilloscope » en pouvant provoquer un décalage non négligeable entre le coefficient de transmission statique et le coefficient de transmission en fréquences élevées. Comme le montre le graphe, ce décalage se fait sentir principalement entre 1 et 10 kHz, ce qui peut paraître paradoxal étant donné que lobjectif de ces sondes est de permettre de « monter en fréquence » (on constate que les fréquences dites précédemment « élevées » commencent à partir dune dizaine de kHz) Puisque C, par sa composante C e (voir diapo. 9), peut varier dun oscilloscope à lautre, il est impératif de pouvoir ajuster C SO à C. 20 C SO est donc réalisé avec un « condensateur variable » (ou « CV ») 0,1 0,2 0, V e /V p 0,12 0,11 0,10 0,09 0,08 RAPPEL: R e = 1 MΏ R SO = 9 MΏ k SO = 1 / 10 C = 80 pF F kHz C SO =7 pF C SO =10,9 pF C so =C So =8,9 pF

21 21 DANS la PRATIQUE: loscilloscope délivre un signal carré de fréquence de 1 kHz (donc une transition positive suivie, 0,5 ms après dune transition négative…etc.) (la faible valeur de cette fréquence sexplique par la valeur élevée de qui caractérise la constante de temps détablissement du signal dans la relation ci-dessus). on y connecte la sonde à laide dun tournevis, on agit sur le condensateur variable de manière à obtenir sur 21 lécran un signal le plus carré possible REPONSE à un ECHELON UNITE: Grâce à la « Transformation de Laplace Inverse », on montre aisément que cette réponse est de la forme (cest-à-dire à un coefficient près, sans importance ici): On conçoit que selon le rapport, la réponse change de forme vis-à-vis de léchelon initial (voir diapo. suivante). En particulier, si ce rapport vaut 1, léchelon initial sera transmis parfaitement puisque la partie temporelle de la réponse sannule alors. si, la sonde est dite « compensée ». Ceci se produit pour et correspond au résultat donné par la relation (1) (diapo. 13) à condition de poser:. NORMALISATION de CETTE RELATION La partie complexe de cette relation peut sécrire: et sappellent « constantes de temps » et sont homogènes à un temps. En appliquant les valeurs usuelles indiquées ci-dessus, on obtient respectivement, si les capacités sont exprimées en pF: (μs) et (μs) COMMENT AJUSTER la COMPENSATION de la SONDE ? RAPPEL de la RELATION de TRANSMISSION (diapo. 15) VALEURS RENCONTREES USUELLEMENT k SO = 1 / 10 R SO = 9 MΏ C = 80 pF ( ce nest quun ordre de grandeur)

22 22 0 0,5 1 1,5 2 2,5 t (ms) C SO = 7 pF (sous compensée) C SO =10,9 pF (sur compensée) C SO =8,9 pF =C SO (bien compensée) QUAPPARAIT-IL sur lECRAN ? CONCLUSION Le REGLAGE des SONDES COMPENSEES EST INDISPENSABLE: - MEME SI lON TRAVAILLE en BASSES FREQUENCES - SURTOUT QUAND ON CHANGE dOSCILLOSCOPE en effet la diapo. 20 a mis en évidence que le décalage entre les coefficients de transmission statique et en fréquences élevées se produit majoritairement entre 1 et 10 kHz et peut atteindre des valeurs de lordre de ±1 dB voire plus.

23 23 VeVe MEME AVEC une SONDE COMPENSEE de REACTANCE TRES SUPERIEURE à L IMPEDANCE de la SOURCE, MES MESURES NE SONT PAS COHERENTES ! On peut considérer que la vitesse de propagation « c ca » des signaux dans un câble blindé usuel est proche de la vitesse de la lumière soit dans ce cas km/s. Sil sagit de signaux sinusoïdaux de fréquence F, leur propagation peut être caractérisée par une longueur donde λ déterminée par le rapport: λ= c ca / F. Or, il apparaît quà partir du moment où la fréquence est suffisamment grande pour que λ/4 devienne inférieure à la longueur « l » du câble (donc quand l > λ/4), cest-à-dire quand la fréquence du signal transmis est supérieure à c ca / 4.l, le déphasage du signal introduit par la propagation engendre dans le câble des ondes « stationnaires ». Ces ondes stationnaires ont pour effet de modifier lamplitude du signal résultant, apparaissant aux deux extrémités du câble. Par exemple, pour un câble de 1,25 m, ces phénomènes se produisent pour une fréquence supérieure à 40 MHz. (cette valeur est en général de lordre de la valeur limite dutilisation des sondes passives donnée par les constructeurs). AINSI, PLUS ON ACCROIT la FREQUENCE, PLUS lINCERTITUDE DUE à CETTE DIFFERENCE dAMPLITUDE AUGMENTE. MAIS le PROBLEME EST PEUT-ETRE AILLEURS ! de toutes façons, si je pouvais augmenter cette réactance (donc C) ce ne serait pas plus mal...

24 24 SOLUTION Si lon pouvait charger lextrémité du câble par une résistance éliminant les ondes stationnaires, les amplitudes absolues des signaux prélevés aux deux extrémités du câble seraient strictement identiques, (alors que leurs phases demeureraient forcément différentes). OR, IL EXISTE pour un CABLE DONNE, une RESISTANCE REPONDANT à ce CRITERE, et ce, POUR TOUTES les FREQUENCES… CETTE RESISTANCE SAPPELLE: « IMPEDANCE CARACTERISTIQUE » ELLE VAUT: Z c = (L/C) 1/2 « L » et « C » expriment les paramètres linéiques du câble. L est généralement exprimé en « nH/m » et C en « pF/m »

25 25 la RESISTANCE dENTREE de lOSCILLOSCOPE DOIT DONC VALOIR : 50 Ω valeur très inférieure à celle des oscilloscopes utilisés précédemment la plupart des oscilloscopes travaillant jusque quelques centaines de MHz possèdent les 2 types dentrée : soit 1 MΩ soit 50 Ω. les PHENOMENES PROPAGATOIRES DISPARAISSENT le POINT de MESURES « P » VOIT une IMPEDANCE PUREMENT REELLE REDUITE à 50 Ω CETTE IMPEDANCE EST REDUITE à 50 Ω ! l e PROBLEME est que Z C RESULTANTE EST de FAIBLE VALEUR (le plus souvent 50 Ω): EN CONSEQUENCE MAIS

26 26 DIPOLE EQUIVALENT vu à lEXTREMITE du CABLE du côté «P» R ec V P ? OSCILLOSCOPE à RESISTANCE dENTREE EGALE à 50 Ω et sa LIAISON à la SONDE R ec VeVe LIAISON par CABLE COAXIAL dIMPEDANCE CARACTERISTIQUE Z c (=50Ω) RESISTANCE dENTREE de lOSCILLOSCOPE: R ec =Z c Si R ec = Z c, ALORS V = V e et R ec = R ec QUELLE QUE SOIT F Il RESTE ALORS à INTRODUIRE un CIRCUIT de TRANSFORMATION de RESISTANCE pour que le POINT « P » VOIE une RESISTANCE >>R ec V

27 27 DITE « ACTIVE » car COMPRENANT des SEMI-CONDUCTEURS PRES de SON EMBOUT la PARTIE « ACTIVE » se TROUVE PRES de lEMBOUT, dans le CORPS de la SONDE. ELLE est ALIMENTEE par l OSCILLOSCOPE ou par un BOITIER SPECIFIQUE (ce qui permet dassurer la connexion à dautres appareils de mesures, comme les analyseurs de spectre, ne fournissant pas cette source dalimentation). LIAISON au POINT de MESURES «P»

28 28 VERS le CABLE COAXIAL (diapo. 26) LIAISON ENTRE lEMBOUT (point « P ») et la PARTIE ACTIVE de la SONDE DIVISEUR COMPENSE PLACE dans l EMBOUT ( pour ATTENUER lEFFET de la CAPACITE dENTREE du T.E.C. et de sa LIAISON) ENTREE à T.E.C*. ( R e >>GΩ ) AMPLI. de COURANT SORTIE : BIPOLAIRE Z s << R s R s = R ec = Z c V RsRs V e /V p = 1/10 ou 1/5 F M 1 GHz mais… (voir diapo. 33 à 38) P R1R1 C1C1 ReRe VpVp C eTEC PARAMETRES VUS par «P » pour le CALCUL du COEFFICIENT dATTENUATION: V p /E G (diapo. 9 et 10) -RESISTANCE R : 1 MΩ- CAPACITE C 1,5 pF (ces valeurs sont données à titre indicatif et peuvent varier dune sonde à lautre) *T.E.C.: abréviation de «Transistor à Effet de Champ» En anglo-saxon,: FET: « Field Effect Transistor » 28

29 29 CONCLUSION ce TYPE de SONDE est : 1) FRAGILE - sur le PLAN MECANIQUE - sur le PLAN ELECTRIQUE (surtensions, ESD*) 2) TRES COUTEUX 3) de FAIBLE DYNAMIQUE de TENSION (quelques dizaines de volts crête à crête) 4) DELICAT à COMPENSER (fait par le constructeur) MAIS IL PEUT ATTEINDRE le GHz (selon les modèles de sondes et les oscilloscopes !) ESD: abréviation de lexpression anglo-saxonne « electrostatic discharge » k 10k 100k 1M 10M 100M 1G F (Hz) X ou R (Ω) 10M 1M 100k 10k 1k X e+câble X e+sonde R e X ct+sonde comp. RAPPEL R sonde active X sonde active RAPPEL des PARAMETRES VUS par «P» DANS les CAS de LIAISONS par CABLE ou par SONDE PASSIVE DIRECTE ou COMPENSEE en FONCTION de la FREQUENCE, lIMPEDANCE PRESENTEE par le DIPOLE EQUIVALENT à la SONDE ACTIVE est DABORD RESISTIVE… au-delà dune CENTAINE de kHz la REACTANCE, «X» de ce DIPOLE FAIT DIMINUER cette IMPEDANCE AVERTISSEMENT: Cette représentation na pas tenu compte des fluctuations de R et X aux fréquences très élevées pour ne garder que la relativité de leur évolution dans la gamme utile de fréquences de ce type de sonde

30 30 DIPOLE EQUIVALENT vu à l EXTREMITE du CABLE du côté « P » R A P P E L 50Ω50Ω VeVe 450 Ω VpVp P RESISTANCE PLACEE dans lEMBOUT DIPOLE EQUIVALENT vu par « P » 500Ω500Ω CT CT CAPACITE PARASITE de lEMBOUT: C T 0,5 pF V e /V p = 1/10 (en général) PARAMETRES VUS par «P» pour le CALCUL du COEFFICIENT dATTENUATION : V p /E G (diapo. 9 et 10) -RESISTANCE R = 500 Ω- CAPACITE C 0,5 pF (ces valeurs sont données à titre indicatif et peuvent varier dune sonde à lautre)

31 31 CONCLUSION DEUX DOMAINES dAPPLICATIONS: - MESURES en PARALLELE sur des SYSTEMES dIMPEDANCE ADAPTEE (50 Ω) car la présence de la sonde ne perturbe que faiblement la bonne « adaptation dimpédance ». - MESURES en SORTIE de CIRCUITS LOGIQUES de TECHNOLOGIE « ECL »* (en particulier la famille ECLinPS, dutilisation pratique car monotension et qui peut accepter une fréquence dhorloge supérieure au GHz * ECL: «Emitter Coupled Logic ». Cette technologie ne fonctionne pas en régime « bloqué-saturé », comme la TTL, mais selon un principe analogique « détage différentiel » (doù son nom), qui diminue énormément les temps de commutation. 31 ce TYPE de SONDE: - IMPOSE un EMBOUT et une LIAISON de MASSE TRES SOIGNES et SPECIFIQUES à CHAQUE SONDE - NE NECESSITE PAS dALIMENTATION - EST RELATIVEMENT BON MARCHE - EST TRES PERFORMANT* POUR les MESURES sur des APPLICATIONS dIMPEDANCE de SOURCE, R G, EGALE à 50 Ω - la diapo. 10, qui exprime F c quand R G <

32 32 CONCLUSION Si le COMPOSANT ETUDIE « SORT sous 50 Ω » et que lon PEUT CONNECTER, à la PLACE du COMPOSANT qui lui EST DESTINE, un CABLE COAXIAL (dautant meilleure qualité que lon veut explorer des fréquences élevées), CABLE RELIE à un OSCILLOSCOPE de 50 Ω de RESISTANCE dENTREE, CETTE SOLUTION EST la SOLUTION: - la PLUS ECONOMIQUE - la PLUS EFFICACE car SANS ATTENUATION ENTRE V p et V e - la PLUS PERFORMANTE en LARGEUR de BANDE 32 VpVp LIAISON OSCILLOSCOPE-« P » et IMPEDANCES ASSOCIEES VeVe 50Ω50Ω Z c =50 Ω SCHEMA EQUIVALENT de THEVENIN du CIRCUIT à MESURER P E G 50 Ω Pour cette SOLUTION ON CONSTATE que V e =V p

33 33

34 34 1) CETTE LIAISON se COMPORTE COMME une INDUCTANCE ! DIPOLE EQUIVALENT vu par « P » R C L F V p OSCILLOSCOPEOSCILLOSCOPE DIPOLE PRESENTE par la SONDE R C LIAISON à la MASSE POUR une LIAISON FILAIRE, la SELF VAUT ENVIRON 10 nH/cm L F vaut de lordre de 100 nH pour les SONDES ACTIVES jusquà 200 nH pour les SONDES PASSIVES ASSOCIEE à C, cette INDUCTANCE FORME un CIRCUIT RESONNANT SERIE de FREQUENCE F F. ELLE MODIFIE le SIGNAL VU par lOSCILLOSCOPE en INTRODUISANT : - des OSCILLATIONS AMORTIES en PRESENCE de SIGNAUX à FORTE PENTE - des SURTENSIONS en PRESENCE de SIGNAUX de FREQUENCE VOISINE de F F 34 - Pour une SONDE PASSIVE COMPENSEE: F F 100 MHz - Pour une SONDE ACTIVE: F F 400 MHz SI VOTRE OSCILLOSCOPE a une BANDE PASSANTE SAPPROCHANT de F F UTILISEZ une LIAISON de MASSE la PLUS COURTE POSSIBLE ou de préférence une LIAISON CONNECTORISEE 34 - Le PIRE est lABSENCE de LIAISON DIRECTE de MASSE car CELLE-CI SE FAIT ALORS par lINTERMEDIAIRE du SECTEUR… - CETTE LIAISON, ALORS LONGUE et PERTURBEE, EST SOURCE de BRUITS se SUPERPOSANT au SIGNAL MAIS QUAND IL Y A UNE LIAISON FILAIRE (appelée souvent la « queue de masse » 34

35 35 REPRESENTATION du REGIME dOSCILLATIONS AMORTIES APPARAISSANT sur un OSCILLOSCOPE LORSQUE le SIGNAL à VISUALISER est de PENTE RAIDE et que la LIAISON de MASSE est TROP LONGUE.

36 36 2) CETTE LIAISON se COMPORTE COMME une ANTENNE ! EN CAS dENVIRONNEMENT DELIVRANT des SIGNAUX : - H.F. - à PENTE ELEVEE SI VOTRE OSCILLOSCOPE a une BANDE PASSANTE ELEVEE UTILISEZ une LIAISON de MASSE la PLUS COURTE POSSIBLE ou de préférence une LIAISON CONNECTORISEE (il faut alors prévoir lembase lors de la conception de la carte)

37 37 SYNTHESE EXPERIMENTALE de DIFFERENTES CONFIGURATIONS de SONDES (extrait du D.E.A. de Lakdar BENBAHLOULI soutenu en 1995 à lU.S.T.L.)

38 38

39 39 (relation très utilisée pour caractériser un oscilloscope)

40 40 2) BANDE PASSANTE DEFINIE à - 3 dB: SORTIE ENTREE t t2t2 t1t1 trtr 1/τ1/τ x τ CAS dun SYSTEME du PREMIER ORDRE 1) TEMPS de MONTEE : DUREE dETABLISSEMENT, SUITE à une EXCITATION par ECHELON, DEFINIE entre10% et 90% de la VALEUR FINALE RELATIONS de DEPART t r : indice « r » » pour « rise time » ou « temps de montée » en anglo-saxon. A.N.: si F B.P. =100 MHz t r =3,5 ns

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42 42 ASSUREZ-VOUS que les TEMPS de PROPAGATION des SIGNAUX dont VOUS VOULEZ MESURER le DEPHASAGE SONT IDENTIQUES dans les DEUX SONDES et dans les DEUX VOIES de lOSCILLOSCOPE EXEMPLE : pour des SIGNAUX SINUSOIDAUX de 200 MHz, toutes choses étant égales par ailleurs, une DIFFERENCE de LONGUEUR des CABLES de 25 cm INTRODUIT un DEPHASAGE de lORDRE de π/2 Pour VERIFIER cette EGALITE, il SUFFIT de MESURER le MEME SIGNAL SIMULTANEMENT avec les DEUX SONDES. 1) La MESURE du DEPHASAGE ENTRE DEUX SIGNAUX PRESENTS en P 1 et P 2 NECESSITE CERTAINES PRECAUTIONS en H.F. ASSUREZ-VOUS ENFIN que ces DEUX SONDES ONT le MEME IMPACT sur la PHASE des POINTS de MESURES (P1 et P2) (lIMPEDANCE EQUIVALENTE des SOURCES PEUT JOUER un ROLE PREPONDERANT sur les phases)

43 43 2) En ANALOGIQUE, lUTILISATION dune SONDE DIRECTE PEUT 2-1) MODIFIER le COMPORTEMENT du CIRCUIT sous TEST 2-2) MASQUER une OSCILLATION en HAUTES FREQUENCES du CIRCUIT sous TEST Note : Ce sujet nest quévoqué dans les deux dernières diapositives car il fait appel à des notions délectronique analogique et dautomatique, inutiles pour la compréhension de ce qui précède: il est bon de savoir que le problème peut apparaître....

44 44 NOUBLIEZ PAS quun AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL avec CONTRE-REACTION TOTALE PEUT AVOIR une FAIBLE MARGE de PHASE (surtout dans le cas damplificateurs large bande). Un DEPHASAGE SUPPLEMENTAIRE APPORTE par lACTION de la CAPACITE de la SONDE sur la RESISTANCE INTERNE de SORTIE de cet AMPLIFICATEUR PEUT le METTRE en OSCILLATION ALORS que SANS la SONDE, IL EST STABLE. 2 CAS PEUVENT SE PRESENTER: - lOSCILLATION EST SUFFISAMMENT BASSE FREQUENCE pour que lENSEMBLE SONDE-OSCILLOSCOPE PUISSE la FAIRE APPARAÎTRE - lOSCILLATION EST TROP HAUTE FREQUENCE pour ETRE VISUALISEE: COMME le SIGNAL ENGENDRE EST RAREMENT SYMETRIQUE, il en RESULTE une TENSION CONTINUE qui VIENT SAJOUTER ou se SOUSTRAIRE à la TENSION de DECALAGE INITIALE de lAMPLIFICATEUR 2-1) lUTILISATION dune SONDE DIRECTE PEUT MODIFIER le COMPORTEMENT du CIRCUIT sous TEST (dans le cas considéré, un amplificateur opérationnel ) DANS les 2 CAS: si lUTILISATION dune SONDE COMPENSEE MODIFIE lALLURE du SIGNAL (il faut évidemment tenir compte de son coefficient datténuation) : VOUS POUVEZ EN CONCLURE que la SONDE DIRECTE PERTURBE le COMPORTEMENT du CIRCUIT SOUS TEST.

45 45 NOUBLIEZ PAS quun REGULATEUR de TENSION ANALOGIQUE se COMPORTE COMME un AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL AVEC CONTRE-REACTION : SI VOUS NE RESPECTEZ PAS les LOCALISATIONS et les VALEURS des CONDENSATEURS PRECONISEES par le CONSTRUCTEUR, il PEUT se METTRE en OSCILLATION 2 CAS PEUVENT SE PRESENTER: - lOSCILLATION EST SUFFISAMMENT BASSE FREQUENCE pour que lENSEMBLE SONDE-OSCILLOSCOPE PUISSE la FAIRE APPARAÎTRE - lOSCILLATION EST TROP HAUTE FREQUENCE pour ETRE VISUALISEE: COMME le SIGNAL ENGENDRE EST RAREMENT SYMETRIQUE, il en RESULTE une TENSION CONTINUE de FAIBLE VALEUR qui NE MODIFIE QUE PEU la TENSION NOMINALE DELIVREE par le REGULATEUR et PASSE INAPERCUE 2-2) lUTILISATION dune SONDE DIRECTE PEUT MASQUER une OSCILLATION en HAUTES FREQUENCES du CIRCUIT sous TEST (dans le cas considéré, un régulateur de tension ) DANS le 1 er CAS le PROBLEME est VITE MIS en EVIDENCE PAR CONTRE SI VOUS NE VOYEZ PAS DOSCILLATION AVEC une SONDE DIRECTE, IL VAUT MIEUX en AVOIR CONFIRMATION avec une SONDE COMPENSEE…

46 46 CE DIAPORAMA SERT de BASE INDISPENSABLE MAIS, en METROLOGIE, RIEN NE VAUT lEXPERIENCE PROFESSIONNELLE Par exemple: que devient un signal « carré », dont les temps de montée et de descente sont très inférieurs à ceux de lensemble « sonde- oscilloscope », quand on fait croître la fréquence de ce signal et quelle se rapproche de la fréquence maximum de lensemble « sonde-oscilloscope » ?


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