Analyse réelle des sondes d'oscilloscope

Les sondes d'oscilloscope sont une partie essentielle de votre configuration de laboratoire si vous disposez d'un oscilloscope, mais vous êtes-vous déjà arrêté pour considérer comment les sondes pourraient affecter le signal que vous étudiez attentivement pour comprendre le comportement de votre circuit ou analyser la performance d'un composant ?

Cet article examinera différentes sondes d'oscilloscope, comparera les performances, verra comment les sondes affectent ce que vous voyez et déterminera quelles sondes sont les meilleures pour votre application. Pour obtenir des résultats complets, j'ai complété mes sondes de haute qualité avec certaines des sondes les moins chères disponibles sur Amazon et Digi-Key pour voir les différences.

Lors de l'examen des différentes options disponibles, l'attente était que les sondes bon marché seraient toutes mauvaises et que les sondes chères seraient généralement meilleures. Cependant, les résultats peuvent bien surprendre.

Analyse des sondes d'oscilloscope

L'analyse des performances des sondes d'oscilloscope visait à découvrir plus d'informations sur différents types de sondes et à comprendre comment elles impactent les mesures en utilisant une gamme de sondes dans des scénarios du monde réel.

La performance des sondes est particulièrement critique lors de l'examen de signaux à haute vitesse, une sonde de mauvaise qualité ne manquera pas seulement d'afficher une forme d'onde précise, mais ses propriétés capacitatives et inductives peuvent affecter le fonctionnement du circuit que vous essayez de surveiller. Il est donc vital de comprendre quelle sonde vous utilisez et comment elle affectera les signaux que vous essayez de mesurer.

Les problèmes liés aux différences entre sondes peuvent être particulièrement problématiques dans les grands laboratoires où vous pouvez avoir accès à de nombreux types de sondes différents. Les mesures enregistrées lors du test d'un circuit seront probablement différentes si vous revenez et remesurez en utilisant d'autres sondes. C'est l'une des raisons pour lesquelles vous devez avoir des dossiers complets de l'équipement de test que vous utilisez, y compris quelles sondes et câbles pour les tests de vérification et de validation formels.

Les sondes d'oscilloscope testées étaient les suivantes :

• Rigol PVP2150 sonde de 150MHz
• Rigol PVP2350 sonde de 350MHz
• Keysight N2140A sonde de 200MHz
• Keysight N2889A sonde de 350MHz
• Keysight N2894A sonde de 700MHz
• Pico Technology TA375 sonde de 100MHz
• Digilent P6100 460-004 sonde de 100MHz
• Youmile P6100 sonde de 100MHz
• YPioneer sonde haute tension P4200 de 100MHz

Explication des sondes d'oscilloscope

Une sonde d'oscilloscope idéale reproduira le signal qu'elle mesure sur le circuit imprimé avec une fidélité absolue à l'oscilloscope sans charger le circuit ni permettre au bruit de dégrader le signal. La réalité est qu'il y aura toujours une certaine distorsion du signal, charge et bruit. Les compromis typiques visent à minimiser les effets néfastes tant sur le circuit imprimé que sur le signal mesuré, dans les contraintes budgétaires.

Il existe deux principaux types de sondes, passives et actives. Comme leur nom l'indique, les sondes passives utilisent des composants passifs pour atténuer le signal afin que la différence de potentiel maximale du signal mesuré soit dans les limites de l'oscilloscope. Sous sa forme la plus simple, une sonde passive sans atténuation est effectivement une longueur de fil. Les sondes actives utilisent un circuit actif, typiquement basé sur un amplificateur opérationnel, pour minimiser l'impédance d'entrée et améliorer la sensibilité. La sonde idéale a une haute impédance d'entrée et une faible capacité d'entrée.

Typiquement, les sondes utilisent des câbles coaxiaux blindés pour minimiser le bruit, ce qui ajoute aux propriétés inductives et capacitatives des sondes passives. Habituellement, les sondes incluent un circuit de compensation qui permet l'ajustement manuel des paramètres d'impédance pour minimiser l'effet sur le circuit auquel la sonde est attachée. Bien sûr, cette impédance variera avec la fréquence, il est donc toujours essentiel d'accorder la compensation à la fréquence du signal mesuré. Nous pouvons également voir que la longueur du câble entre la tête de la sonde et le connecteur de l'oscilloscope affectera les mesures, en particulier la bande passante. Cet impact est la raison pour laquelle les câbles de sonde sont assez longs pour être utiles mais pas plus longs que nécessaire.

Des sondes d'oscilloscope spécialisées sont également disponibles pour des applications telles que les mesures de haute tension que vous ne trouvez généralement pas dans les cartes de circuits électroniques générales. Celles-ci incluront des fonctionnalités de sécurité pour protéger l'utilisateur du risque de choc électrique.

Lors du choix d'une sonde d'oscilloscope, plusieurs facteurs importants sont à considérer.

• La bande passante définit la fréquence maximale effective que la sonde peut mesurer avec précision, spécifiée en utilisant le point de -3dB du signal. Les signaux qui dépassent significativement cette fréquence seront, au mieux, atténués et perdus et, au pire, extrêmement déformés, donnant des mesures trompeuses.
• Le temps de montée définit le changement de signal transitoire le plus rapide que la sonde peut mesurer avec précision, essentiellement la raideur de la pente d'un signal à changement rapide.

L'oscilloscope et la sonde limiteront la fréquence maximale et le temps de montée que vous pouvez mesurer avec précision, ce qui peut devenir un facteur sérieusement restrictif lors de l'examen des signaux d'horloge numériques où un temps de montée précis dépend de la mesure précise des composants de signal haute fréquence du signal carré.

La différence de potentiel maximale mesurable que la sonde peut mesurer avec précision est la plage dynamique. Celle-ci est généralement spécifiée pour les composants de signal de courant continu et réduira typiquement à mesure que la fréquence du signal augmente. Des sondes de mesure différentielle sont disponibles, spécifiant à la fois les valeurs de mode commun et de mode différentiel de la plage dynamique. Des sondes conçues pour mesurer les alimentations électriques sont également disponibles, accordées pour mesurer le petit signal alternatif imposé sur un signal de courant continu significatif.

Approche de Test des Sondes d'Oscilloscope

Le processus de test a utilisé une analyse de réponse en fréquence basée sur le diagramme de Bode sur les différentes sondes disponibles sur une large bande de fréquences. Les oscilloscopes utilisés pour le test des sondes ont une capacité interne pour ce type de test mais sont limités à un maximum de 50MHz. Pour produire une comparaison sur une bande passante plus large et plus représentative, un Générateur de Formes d'Onde Arbitraires Siglent SDG7102A a été programmé pour parcourir des fréquences de 700kHz à 700MHz. L'oscilloscope utilisé pour le test des sondes a contraint cette bande passante de test. Le Générateur de Formes d'Onde a également permis de tester la réponse en temps de montée, capable de générer des signaux avec un bord montant avec un taux de 500 picosecondes.

L'accent du test était principalement mis sur le cas d'utilisation typique de sondage de signaux avec des éléments à haute vitesse plutôt que de simplement mesurer des ondes sinusoïdales à haute vitesse. Cette méthode de test représente l'utilisation typique des sondes d'oscilloscope, donnant des résultats plus précieux aux concepteurs de circuits. Nous verrons que l'analyse de réponse en fréquence a fourni des aperçus fascinants.

Un aspect critique du test était de s'assurer de la bonne compensation des sondes afin que les résultats puissent être inter-correlés et comparés pour produire une évaluation qualitative de la performance.

Résultats des Tests des Sondes d'Oscilloscope

Vous pouvez visualiser au mieux les résultats des tests sur la vidéo accompagnant cet article, où vous pouvez observer les formes d'onde produites par chaque sonde et voir les différences et, dans certains cas, l'absence de différence dans les résultats. 

Par exemple, le test de deux sondes Rigol avec des bandes passantes spécifiées de 150MHz et 350MHz a produit une réponse en fréquence presque identique, incluant la forme d'onde et le dépassement soutenu.

Ces résultats suggèrent qu'elles étaient fonctionnellement identiques et simplement étiquetées différemment. Ce résultat est en corrélation avec des preuves anecdotiques de la part des utilisateurs de ces sondes.

Une des principales découvertes était les résultats de bande passante, avec certaines sondes démontrant un point de -3dB qui dépassait largement la valeur spécifiée. Par exemple, les sondes Rigol ont toutes deux capturé des signaux avec un bord montant d'environ 750 picosecondes, correspondant à une bande passante d'environ 460MHz. Cela dépasse leurs bandes passantes spécifiées de 150MHz et 350MHz. De manière intéressante, la sonde Keysight N2140A de 200MHz avait également une bande passante observée d'environ 460MHz.

Résumé des Résultats Rigol

La sonde Rigol PVP2150 de 150MHz et la sonde Rigol PVP2350 de 350MHz ont produit des formes d'onde mesurées presque identiques.

Rigol PVP2150

Rigol PVP2350

Résumé des résultats Keysight

Le Keysight N2140A, économique, est livré en deux packs de sondes avec une compensation d'usine précise et des résultats de mesure de test de bord rapide exceptionnels. La forme d'onde mesurée correspondait grandement au signal de test source, offrant une excellente précision de mesure.

Les observations de la sonde Keysight N2889A 350MHz, mieux notée, ont montré qu'elle produisait une forme d'onde mesurée plus représentative par rapport à la forme d'onde du signal que les modèles Rigol moins chers. Cette sonde a produit une représentation de forme d'onde exceptionnelle du taux de bord sur une bande passante d'environ 460MHz. Cependant, étant donné que son coût est plus de cinq fois supérieur à l'option Rigol à faible coût, les résultats n'étaient pas significativement meilleurs. Un point à noter est que la capacité d'entrée de cette sonde est supérieure à celle du test de sonde Keysight à bande passante inférieure, ce qui est essentiel lors de la sonde de signaux à des points sur un circuit imprimé qui sont sensibles à une charge capacitive.

La sonde Keysight N2894A 700MHz, la mieux notée, est tarifée environ dix fois plus cher que la sonde économique mais avec environ la moitié de la capacité d'entrée. Les résultats des tests ont noté que la vitesse mesurée du bord montant équivaut à une bande passante d'environ 520MHz. Cependant, cette valeur dépasse la bande passante de l'oscilloscope pour une entrée à haute impédance, donc bien que cette sonde ne représente pas aussi bien la forme d'onde que la sonde de 200MHz, la limitation de la bande passante en entrée de l'oscilloscope pourrait en être la cause. Sur le papier, la sonde Keysight de 700MHz devrait être la meilleure option, et elle pourrait l'être dans le monde réel suite à la résolution des limitations de calibration des tests et des sondes.

Cette limitation est cruciale lors de la mesure de signaux avec des composants plus rapides que la bande passante de votre oscilloscope. L'entrée de 50 Ohm de l'oscilloscope de test avait une bande passante de 6.3GHz, dépassant de loin la capacité du signal du générateur de fonctions utilisé pour créer la forme d'onde de test. La sonde N2140A, économique, a généralement produit une forme d'onde plus propre que le modèle N2894A mieux noté.

Résumé des résultats Pico Technology

La sonde Pico Technology TA375 pour la gamme d'oscilloscopes USB PicoTest a une bande passante relativement faible et produit l'une des formes d'onde les moins représentatives.

Les tests ont montré que la réponse du front montant est relativement rapide mais inclut un dépassement substantiel de 35%. Réduire le temps de montée du signal de test à environ deux nanosecondes a contrôlé le dépassement à un niveau acceptable et a produit un signal mesuré relativement propre lorsque réduit à trois nanosecondes.

En conclusion, cette sonde à petit budget est excellente pour les travaux à basse fréquence avec sa paire typique avec un oscilloscope de 20MHz.

Résumé des Résultats Digilent

Fermement dans la catégorie budget se trouve le Digilent 460-004, étiqueté "P6100", que nous verrons être le même numéro de modèle que la sonde Youmile que nous examinerons plus tard.

Cette sonde de bande passante de 100MHz a également montré un dépassement de 35% lors de la mesure d'une onde carrée de 100MHz. Cependant, cette mauvaise performance était limitée à la réponse du front montant, et le reste de la forme d'onde mesurée était raisonnablement représentatif du signal de test.

Réduire le front montant à moins de 2,5 nanosecondes, représentant une bande passante de 155MHz, a fait chuter le dépassement en dessous de 5%, ce qui est toujours bien au-dessus de la spécification annoncée. Ces sondes à faible coût peuvent être excellentes lors de l'utilisation d'un oscilloscope avec une bande passante minimale, comme Analog Discovery ou d'autres oscilloscopes USB Digilent.

Résumé des Résultats Youmile

La première impression de la sonde Youmile P6100 est qu'elle est visuellement identique à la sonde Digilent 460-004 avec la même bande passante spécifiée et est seulement légèrement plus chère. Cependant, les tests ont montré que par rapport à la sonde Digilent, la réponse en fréquence chute brusquement en raison d'un étalonnage d'usine inadéquat.

Une tentative d'étalonnage de la sonde s'est terminée avec le contrôle de réglage au bout de sa course, et une mauvaise fabrication a signifié que l'outil de réglage en plastique a été endommagé, nécessitant un outil de réglage métallique pour ajuster.

Après calibration, les résultats de test pour la sonde Youmile n'étaient pas prometteurs. Lorsqu'elle a été testée avec une onde carrée de 100MHz, le signal mesuré ne ressemblait guère, la rendant inutilisable comme outil de mesure. Même la réduction de la fréquence bien en dessous de la bande passante spécifiée de la sonde n'a pas permis de générer une forme d'onde mesurée suffisamment représentative du signal de test pour être utilisable.

La sonde Digilent a produit globalement des résultats bien supérieurs par rapport à l'équivalent Youmile malgré une apparence initiale identique.

Résumé des Résultats Haute Tension YPioneer

La YPioneer P4200 haute tension, seule sonde 100:1 incluse dans cette série de tests, a été observée pour sa performance par rapport aux sondes standard. Je n'ai effectué des tests comparatifs qu'avec les autres sondes ; je n'ai pas inclus de tests haute tension pour des raisons de sécurité.

Globalement, la sonde haute tension économique a produit des formes d'onde raisonnablement représentatives dans sa bande passante spécifiée de 100MHz et a dépassé les attentes lors de la mesure d'un front montant de 500 picosecondes. La performance a diminué autour de temps de montée de 1,5 nanoseconde, mais cela équivaut à deux fois la bande passante nominale pour la sonde.

Résultats des Tests Keysight

J'ai utilisé l'oscilloscope Keysight MXR, un équipement de laboratoire puissant, pour tous les tests. Un point fort était l'excellente capacité de calibration de la sonde.

Avant la Calibration Oscilloscope-Sonde

Après la Calibration Oscilloscope-Sonde

Globalement, les résultats des tests de sonde ont démontré que la sonde passive N2889A 200MHz de Keysight, la deuxième moins chère, a surpassé toutes les autres sondes passives par une marge énorme. Bien que l'analyse de la réponse en fréquence n'était pas la meilleure, elle a produit une forme d'onde mesurée qui correspondait le plus étroitement au signal de test source, ce qui est finalement ce que vous souhaitez de votre sonde.

Il est crucial de se rappeler que connecter une sonde à un circuit peut modifier le comportement du circuit en raison de l'impédance de la sonde. Utiliser une sonde pour ajuster précisément un circuit peut être vain si le comportement du circuit change dès que vous déconnectez la sonde. Les propriétés capacitatives et inductives de la sonde peuvent également distordre ou atténuer les signaux sur une carte, dégradant la performance pendant que vous essayez de diagnostiquer des problèmes.

Le point à retenir de ces tests souligne que la bande passante de la sonde n'est pas le seul critère à considérer pour choisir la meilleure sonde. La bande passante offre un excellent point de départ, mais ce n'est qu'un des nombreux facteurs à considérer. Comprendre le comportement de votre sonde est crucial pour vous assurer d'interpréter correctement les résultats lors de la mesure des signaux.

Conclusion

Les résultats globaux ont montré qu'une sonde de marque relativement bon marché de 200MHz pouvait surpasser toutes les autres dans la série de tests. La sonde Keysight N2140A coûte seulement environ trois fois plus cher que les sondes budgétaires les moins performantes mais offre plus de trois fois la performance. Par conséquent, les sondes bon marché représentent une fausse économie car elles vous empêchent de faire des mesures précises, qui est le but de l'utilisation d'un oscilloscope. Une autre considération est qu'avec des sondes de grandes marques comme Keysight, Tektronix, ou Rohde et Schwarz, vous pouvez avoir une confiance raisonnable dans le contrôle de qualité et la cohérence entre les sondes.

Enfin, votre technique de sondage peut influencer considérablement les mesures de signal lors du test d'une carte. Tous les tests de sondes ont utilisé la même technique, ce qui annule tout effet dans les tests comparatifs, mais lorsqu'il s'agit d'utiliser un oscilloscope sérieusement, il est toujours payant de s'assurer que vous suivez les meilleures pratiques de sondage pour obtenir les meilleurs résultats.