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mesures > Sonde pour oscilloscope 004
Dernière mise à jour : 05/10/2025Présentation
Cette sonde de type différentielle dispose de deux entrées flottantes In+ et In- et d'une sortie asymétrique référencée à la masse, prête à connecter à l'entrée BNC traditionnelle d'un oscilloscope (impédance d'entrée 1 M).
Cette sonde qui apporte une atténuation de 100:1 (rapport sortie/entrée de 1:100) a été spécialement conçue pour un usage en basses fréquences (domaine audio) et en particulier pour visualiser des signaux audio au sein d'un amplificateur audio à tubes électroniques (à lampes) qui fait usage de tensions élevées. Rappelons que l'utilisation d'une sonde différentielle permet d'effectuer en toute sécurité des mesures entre deux points quelconques d'un circuit, même si aucun de ces points n'est relié à la masse (ce qui est impossible - car très risqué pour le matériel et l'utilisateur - avec une sonde traditionnelle).
Deux versions sont proposées :
- Schéma 004aa
: sonde "complète", bande passante 10 MHz
- Schéma 004ab
: sonde "simplifiée", bande passante 1 MHz
Avertissements
- En utilisant une sonde atténuatrice de rapport très élevé comme c'est le cas ici, la mesure de signaux "faibles" est difficile ou impossible. Les résultats dépendent beaucoup de la qualité de l'oscilloscope, notamment de son calibre de sensibilité maximale et de son bruit de fond. Pensez bien qu'un signal d'entrée d'amplitude 1 Vpp (crête à crête, avant atténuation) ressort avec une amplitude de 10 mVpp.- Le prototype de cette sonde n'est pas encore réalisé et pour l'heure je ne peux pas en garantir le bon fonctionnement. Je précise que je possède déjà une sonde différentielle professionnelle et que si je tente d'en réaliser une, ce n'est pas pour combler un manque, mais plutôt par amusement, curiosité et goût du risque ;)
Schéma 004aa
Cette sonde est composée de deux parties : atténuateur d'entrée (parties haute et médiane du schéma ci-après) et amplificateur différentiel (partie inférieure du schéma).
Atténuateur d'entrée différential
Les résistances R1 à R10 constituent le plus gros de l'atténuateur d'entrée. Associés à l'ensemble R11..R14, ces composants forment un diviseur de tension résistif qui apporte l'atténuation désirée au signal d'entrée appliqué entre les bornes In+ et In-.
Les condensateurs C1
à C10 associés aux condensateur C11 à C14 et VC1/VC2 permettent de
compenser l'atténuation dans les hautes fréquences. Ils forment un
diviseur de tension capacitif qui travaille "à l'inverse" des
résistances d'entrée. Grâce à ces condensateurs, la bande passante de
la sonde est d'envion 10 MHz.
Les condensateurs ajustables VC1 et VC2
permettent d'applanir la bande passante au-delà de 1 MHz. Il est tout à
fait possible de ne
pas installer
ces condensateurs si une bande passante de 1 MHz suffit, et
il est également possible d'utiliser un AOP moins performant.
Dans ce cas, on aboutit au schéma 004ab visible plus loin.
Etage différentiel (désymétriseur)
L'amplificateur opérationnel (AOP) U1 assure la désymétrisation du signal d'entrée atténué. On retrouve le signal asymétrique (référencé à la masse) sur la sortie dudit AOP et donc également sur le connecteur de sortie BNC J1/Out. La résistance R17 protège l'AOP contre tout court-circuit accidentel en sortie, sa valeur est faible en regard de l'impédance d'entrée de l'oscilloscope qui fait suite.
Les diodes D1 à D4 sont impératives. Elles protègent l'AOP dans le cas où la tension d'entrée (même atténuée) possède une grande amplitude sur l'entrée In+ ou In-, de manière permanente ou brève (impulsionnelle). Les diodes D5 à D8 ne sont là que pour limiter l'amplitude de la tension différentielle à une valeur compatible avec les capacités de l'AOP utilisé. Dans le cas présent, j'ai utilisé des diodes Schottky BAT46 et des diodes zener de 2V4.
Le condensateur C16 doit être supprimé (remplacé par un strap) si on veut pouvoir visualiser des tensions continues appliquées à l'entrée de l'oscilloscope. Il ne doit être conservé que dans le cas où on souhaite ne visualiser que des tensions alternatives. Si je l'ai prévu, c'était avec l'objectif de ne visualiser que des tensions alternatives associées à un signal dynamique (audio). Premièrement parce qu'un multimètre par nature "flottant" suffit pour les mesures de tensions continues, deuxièmement parce que les tensions de décalage (offset) de l'AOP posent moins de problème avec un couplage en alternatif ;)
Alimentation
Cette sonde requiert une tension d'alimentation double (symétrique) de +/-12V avec une intensité de courant d'environ 20 mA sur chacun des deux rails positif et négatif (consommation de l'AOP). La consommation peut être différente si l'AOP choisi n'est pas celui indiqué sur le schéma.
Schéma 004ab
Il s'agit dans les grandes lignes de la sonde 004aa de laquelle quelques composants (notamment condensateurs) ont été soustraits. Le schéma semble tout de suite plus simple (en tout cas, moins encombré), et c'est vrai qu'il l'est.
Non seulement le schéma est plus simple, mais en plus on peut utiliser un AOP moins performant et moins cher que celui préconisé, à condition qu'il soit stable avec un gain unitaire. En contrepartie de la plus grande facilité de fabrication, la bande passante de la sonde est moins large.
Mais avec une largeur de bande de 1 MHz, on peut tout de même travailler confortablement dans le domaine audio ;)
Prototype(s)
Dans un premier temps, prototype de la version simplifiée (004ab) sans les condensateurs d'entrée en parallèle sur les résistances de l'atténuateur principal et avec un AOP "standard", conformément à l'implantation des composants visible plus loin. La réalisation du prototype de la version "complète" et normalement "plus performante" (004aa) est prévu, PCB réalisé en attente d'assemblage.
Mesure du taux d'atténuation
Le premier test a consisté à injecter une tension alternative de 22 V directement issue d'un transformateur d'alimentation secteur. Pour une tension efficace mesurée de 22,1 V à l'entrée de la sonde, la tension efficace en sortie de ladite sonde est de 220 mV. Ensuite, grosses sueurs avant de brancher l'entrée différentielle directement sur le secteur (voir remarques)... mais tout s'est finalement bien passé ;)Remarques :
- J'ai utilisé mon symétriseur de tension 013a pour alimenter la sonde différentielle à partir d'une alim de labo mono-tension (tension symétrique de +/-12V à partir d'une tension unique de 24V).
- AOP utilisé : un OPA134... quel luxe !
- Comme je n'avais pas de résistances de 200k, j'ai combiné des résistances de 180k et 220k (6x220k + 4x180k pour un total de 2M04). Avec la résistance R11 de 5k1, le rapport est de 100. Bien sûr, à cela s'ajoute la tolérance des composants que je n'ai pas sélectionnés à 0,1%...
- J'ai fait une chose "pas bien et perfectible" sur le prototype : le plan de masse sur la face inférieure venait jusqu'à l'entrée différentielle et diminuait la distance de sécurité entre entrées et masse (1 mm), point particulièrement important pour des tensions d'entrées élevées. Ceci dit, j'ai tout de même pû injecter une tension de 230V efficace sans observer d'arc électrique potentiellement destructeur.
Les photos qui suivent montrent l'entrée de la sonde différentielle raccordée directement au secteur 230 V.
Mesures réalisées avec oscilloscope et voltmètre True-RMS :
- Tension mesurée sur voltmètre à l'entrée différentielle de la sonde : 238 Vrms
- Tension mesurée sur voltmètre en sortie asymétrique de la sonde : 2,37 Vrms
- Tension mesurée et affichée sur l'oscilloscope (configuration sonde 1:100) : 237 Vrms
Tout est conforme aux résultats attendus, avec une précision tout à fait honorable.
Nouvelles remarques :
- Les diodes zener D7 et D8 de 2V4 implantées sont des modèles traversant et non CMS. Moins joli certes, mais le rôle de protection qu'elles jouent est rempli (limitation par écrêtage de la tension différentielle à l'entrée de l'AOP si amplitude d'entrée trop élevée).
- Pas réussi à remettre la main sur le connecteur BNC que j'avais prévu de souder en sortie de ma sonde différentielle. Du coup, j'ai utilisé un petit connecteur SMA, un câble SMA et un adaptateur SMA/BNC pour raccord à l'oscilloscope.
Mesure de la bande passante
Pour cette mesure, j'ai utilisé mon générateur de fonction doté de deux sorties indépendantes configurées en opposition de phase et bien sûr avec la même fréquence et même tension de sortie (10 Vpp sur chacune des 2 sorties). Mon oscilloscope 4 voies permettait de s'assurer de l'amplitude des deux signaux d'entrée tout en visualisant celui de sortie.
Les résultats ne sont pas extraordinaires (lire peu professionnels) mais restent exploitables. Les mesures mettent en évidence une faiblesse de la sonde différentielle au-delà de 300 kHz, valeur à partir de laquelle l'amplitude du signal de sortie augmente pour atteindre un beau pic de tension (x2) à 480 kHz, avant de redescendre de façon "conventionnelle".
En résumé, on peut considérer que ce prototype est fonctionnel du continu jusqu'à 300 kHz, ce qui lui permet sans problème d'être utilisé pour des signaux sinusoïdaux compris dans la bande passante audio (20 Hz à 20 kHz) et sous des tensions élevées. Pour l'amplitude des signaux d'entrée, je me suis limité aux tests avec la tension du secteur, à savoir 237 Vrms (670 Vpp).
Circuits imprimés (PCB)
Dessinés en 4 couches.PCB version 004aa
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PCB version 004ab
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Historique
05/10/2025
- Ajout photos prototype circuit 004ab.
- Modification PCB 004aa et 004ab : retrait plan de masse dans la zone
d'entrée différentielle (résistances R1 à R10).
23/06//2024
- Première mise à disposition