Entrées différentielles Vraies sur un Oscilloscope: quels avantages pour vous?

Publié par Nicolas le

PicoScope 4444 4 voies différentielles 20 MHz

Les avantages des entrées différentielles vraies sur l’oscilloscope

Qu'il s'agisse d'alimentations de ligne, d'alimentations intégrées ou de communication de données audio ou série, les mesures de tensions différentielles offrent des avantages difficiles à exploiter avec des oscilloscopes qui utilisent des sondes conventionnelles à référence de masse.

Comme tous les étudiants débutants en électronique le savent, la tension mesurée entre deux points est égale à la différence de potentiel électrique entre ceux-ci. Placez les sondes d’un voltmètre numérique (DVM) sur les bornes d’une batterie, cette différence se traduit par une lecture en volts sur l’appareil. Dans la plupart des cas, les DVM ont des entrées flottantes sans référence absolue de tension. C’est une connaissance tacite que nous comprenons tous. La tension est facilement mesurable. Après tout, vous n’avez même pas besoin d’ouvrir le circuit pour obtenir une mesure.

Mais attention, le danger guette…

La mesure de tension devient un peu plus délicate lorsqu’on utilise un oscilloscope. En effet, les oscilloscopes sont presque toujours conçus avec des entrées simples (SE) référencées à la masse (Figure 1). 

Comparaison entrées oscilloscope différentielles ou non
Figure 1: Comparaison entre des étages d’entrée simples (SE) et différentiels

Chaque voie de mesure partage cette référence de masse commune – c’est le cylindre extérieur de la prise BNC. Ainsi, les oscilloscopesmesurent habituellement les  amplitudes par rapport la masse.

prise BNC

Cela peut sembler ne pas être une différence fonctionnelle significative, mais cela a des conséquences majeures. Plus particulièrement et faute de  précautions, le fait de mesurer les circuits d’alimentation risque de créer un court-circuit par inadvertance. Considérez qu’une sonde simple mise à la masse est normalement attachée, en interne, directement au châssis de l’équipement et ensuite, via le câblage secteur, à la terre. Ce chemin à faible impédance présente des atouts en termes de sécurité pour l’opérateur. C’est préférable lorsque des courants forts cherchent  un moyen de rejoindre la terre par l’intermédiaire de matières organiques qui, malheureusement, se trouveraient sur leur passage, tel qu’un ingénieur imprudent !

Mesurez un point de tension plus élevée d’un circuit électrique avec une sonde simple standard et, souvent, il en résultera des étincelles ou l’arrêt rapide du système en cas de surintensité. Vous n’avez peut-être même pas commencé à mesurer. Même avant, une pince crocodile mal placée et la mise à la terre peut provoquer un court-circuit !

Faire flotter en sécurité

Donc où est la solution? Comment faire des mesures de tension avec un oscilloscope en toute sécurité dans ces conditions ?

La réponse tient dans la suppression du chemin vers la masse. La figure 1 montre un étage d’entrée différentiel simple ( à droite). L’entrée ‘flotte’ par rapport à la masse, assurant ainsi que toute différence de potentiel entre les points de la sonde puisse être mesurée. Il est peu probable qu’il y ait des courts-circuits car il n’y a pas de chemin de terre à basse impédance.

L’approche la plus simple pour imiter les mesures différentielles sur un oscilloscope classique, c’est d’exploiter les fonctions mathématiques de l’oscilloscope. Celles-ci peuvent être appliquées sur deux canaux. Connectez les sondes simples à deux voies (disons les voies 1 et 2), puis connectez leurs pinces de masse ensemble tout en vous assurant qu’elles ne s’éloignent pas de l’appareil testé (DUT). Vous devez toujours éviter les court-circuits potentiels ! Enfin, en soustrayant le canal 2 du canal 1, vous observerez un résultat pseudo-différentiel à l’écran. Notez que cela se fait en sacrifiant une voie supplémentaire ! De plus, toute erreur de tension dans ce système est additive et indésirable. L’utilisation de deux canaux pour une seule mesure pseudo-différentielle signifie que deux erreurs se glissent dans le système, ce qui double leur impact.

Traditionnellement, la façon de loin la plus élégante (bien que plutôt coûteuse) de faire flotter les entrées est d’acheter des sondes différentielles. Les véritables étages d’entrée différentiels sont précieux pour supprimer les variations de tension présentes simultanément sur les deux entrées (appelées bruit en mode commun – VCM dans le schéma). C’est une caractéristique intéressante, surtout lorsqu’il s’agit de sonder des circuits sensibles en présence de beaucoup de bruit électrique – typique des alimentations de puissance et des moteurs. La figure 2 illustre cet avantage par une trace claire (VSIG), le signal d’intérêt, qui se montre stable même en présence d’une perturbation considérable en mode commun.

Figure 2: Réjection du bruit de mode commun
Figure 2: Réjection du bruit de mode commun

Un oscilloscope sur PC facilite les mesures différentielles.

Les sondes différentielles actives offrent des performances supérieures à celles des sondes passives simples. La réjection en mode commun élevée se combine avec une faible capacité d’entrée. Cela permet de réduire la charge et le bruit du circuit pour découvrir davantage de ce qui se passe réellement. Ceci pour vous aider à voir la différence. Maintenant que vous avez appris les avantages des entrées différentielles, vous vous demandez pourquoi elles ne sont pas plus répandues sur les oscilloscopes. Pourquoi s’agit-il d’une fonction supplémentaire ?

Pour faire simple, la complexité supplémentaire augmente les coûts de fabrication et fait monter le prix. De plus, ces sondes différentielles sont actives et nécessitent une alimentation dédiée. (interne avec des piles qu’ils faut changer, ou externe avec un bloc secteur)  Mais imaginez si les capacités de mesure différentielle étaient présentes dans un format d’instrument très portable. C’est exactement ce que fait le PicoScope 4444. Il offre un oscilloscope sur PC  à haute résolution avec quatre entrées différentielles intégrées.

PicoScope 4444 4 voies différentielles 20 MHz
Le PicoScope 4444 vu de face avec ses 4 voies différentielles

Remarquez le frontal unique du produit – pas de BNC. Le PicoScope 4444 remplace les connecteurs traditionnels par quatre connecteurs robustes de type D à 9 broches, mettant en évidence ses différences distinctes. Les nouveaux connecteurs permettent de fixer une famille de sondes différentielles intelligentes. Des broches supplémentaires facilitent le contrôle numérique entre l’électronique de la sonde et l’oscilloscope. Elles fournissent également l’alimentation et permettent l’identification automatique des sondes.

A l’intérieur on trouve un système d’échantillonnage à 4 canaux indépendants à résolution variable permettant une acquisition avec une résolution de 12 ou 14 bits (12 bits @ 400 MS/s à 14 bits @ 50 MS/s) couplée à une profondeur mémoire de capture de 256 Mpoints. La bande passante d’entrée analogique est de 20 MHz, ce qui convient à une large gamme d’applications de puissance et de communication. La résolution verticale s’échelonne à partir d’ un minimum de ±10 mV et jusqu’à ±50 V différentiel pleine échelle. Les tensions en mode commun sont réduites de 60 dB à 1 MHz.

Et en voir même davantage.

circuit intégré pour alimentation
Figure 3a et 3b: Un circuit intégré d’alimentation DC/DC représente un défi de mesure pour les sondes simples.

Au-delà des avantages évidents en matière de sécurité, vous pouvez extraire des informations importantes même dans des circuits à basse tension où les sondes simples classiques sont inefficaces. Les applications typiques sont toutes celles qui comportent d’importants nœuds flottants, qui sont intrinsèquement sensibles à l’effondrement de la boucle de retour à la terre dès que la pince crocodile mord ! Par ailleurs, il existe de nombreux systèmes où un bruit important en mode commun rend les mesures par sondes simples inefficaces.

Considérons le simple circuit d’alimentation DC/DC intégré illustré ci dessus. D’un coup d’œil rapide (figure 3a), il n’est pas immédiatement évident de savoir si l’induction de puissance est mise à la terre ou flottante. C’est une image compliquée car le courant de l’induction est déterminé par plusieurs facteurs, à savoir les niveaux absolus de VIN, VOUT et le courant de charge DC statique. C’est un cas intéressant de test de mesure différentielle.

L’ISL9120, un circuit intégré (CI) convertisseur multimode, est capable de fonctionner en mode “buck”, “boost” ou “pass-through”. Quatre interrupteurs internes du CI entourent l’induction (figure 3b) déterminant le flux de courant. Compte tenu de toutes les combinaisons de commutateurs, il est difficile de déterminer les tensions instantanées qui apparaissent dans l’induction (aux bornes LX1 et LX2). Ajoutez à cela les différents modes de commutation, qui compliquent le déclenchement, et ce circuit réclame à grands cris des sondes différentielles. La prochaine fois, nous utiliserons le PicoScope 4444 pour étudier plus en profondeur ce qui se passe au niveau de la tension aux bornes de l’induction.

Offrant la flexibilité, la précision et la sécurité des entrées différentielles, le PicoScope 4444 améliore l’environnement de travail de tout ingénieur. De plus, des adaptateurs simples de type BNC pour prise  D 9 broches sont disponibles pour permettre l’utilisation de sondes traditionnelles lorsque c’est tout ce dont on a besoin. Mais l’élégance du PicoScope 4444 provient de l’élimination des boucles de terre gênantes. Une petite innovation qui permet d’éviter les courts-circuits gênants, calmant ainsi les nerfs des ingénieurs du monde entier.

Pour en savoir plus...

Vous pouvez consulter notre fiche produit PicoScope 4444. Vous pouvez également lire notre page sur les oscilloscopes Pico Technology ou consulter le site  Pico Technology.

Catégories : Test & Mesure

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