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Electronique > Réalisations > Affichage / mesures > Sonde pour oscilloscope 004

Dernière mise à jour : 28/06/2026

Présentation

Cette sonde de type différentielle (proposée en deux versions) 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 avec une sonde traditionnelle est impossible - car très risqué pour le matériel et l'utilisateur).

Deux versions sont proposées :
- Schéma 004aa : sonde "complète", bande passante 10 MHz
- Schéma 004ab : sonde "simplifiée", bande passante 1 MHz (300 kHz sur mon proto)

   

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  (lui même lié à la résolution de ses convertisseurs A/N s'il s'agit d'un oscilloscope numérique). Ne pas oublier qu'avec une telle sonde de 1;100, un signal d'entrée d'amplitude 1 Vpp (crête à crête, avant atténuation) ressort avec une amplitude de 10 mVpp. Cette sonde reste donc réservée à la mesure de signaux d'amplitude élevée (d'amplitude supérieure à 10 V).
- Pour les deux versions de sonde (simplifiée 004ab et complète 004aa), les résultats que j'ai obtenus sont inférieurs à ceux que j'attendais, mais ils restent toutefois suffisament bons pour l'objectif fixé, à savoir mesure de signaux de forte amplitude dans le domaine audio.
- Les tests que j'ai réalisés ne sont pas assez complets ni menés sur le long terme pour garantir un fonctionnement "parfait" et fiable.
- Je précise que je ne suis pas un professionnel des sondes différentielles et que j'ai encore et toujours beaucoup à apprendre. Je possède déjà une sonde différentielle professionnelle et si j'ai tenté d'en réaliser une, ce n'est pas pour combler un manque, mais plutôt par amusement, curiosité et goût du risque ;)

   

Schéma 004aa (version complète)

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 (valeur théorique obtenue par simulation).
 

 
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 simplifié 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 un éventuel court-circuit accidentel en sortie, sa valeur est faible en regard de l'impédance d'entrée de l'oscilloscope qui fait suite (ici, on ne cherche pas à réaliser une adaptation en impédance sur 50 ohms). 

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 doit être conservé si on souhaite visualiser des tensions alternatives. Si je l'ai prévu et si je le laisse, c'est parce que l'objectif de départ est de visualiser des tensions alternatives associées à un signal dynamique (audio). Rappelons qu'un multimètre par nature "flottant" convient pour les mesures de tensions continues ;)

   

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. Idéalement, la masse de l'alimentation devrait être totalement isolée de la terre pour éviter tout "bouclage terre/masse" avec l'oscilloscope

   

Schéma 004ab (version simplifiée)

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 (et même 300 kHz), on peut tout de même travailler confortablement dans le domaine audio ;)

   

Prototype(s)

Dans un premier temps, j'ai réalisé le 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 venue ensuite.
   

Prototype circuit 004ab (version simplifiée)

Mettant en oeuvre principalement des composants CMS et comme vous pouvez vous en douter, je me suis bien amusé...
   
  
   

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 004ab raccordée directement au secteur 230 V.



Mesures comparatives réalisées avec oscilloscope Rigol et voltmètre True-RMS Fluke :
- 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 :

• Sur ce proto, les diodes zener D7 et D8 de 2V4 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).
 

Prototype circuit 004aa (version complète)

Circuit réalisé après le prototype 004ab. Les tests à venir seront menés dans les mêmes conditions que pour la sonde simplifiée 004ab.



A suivre...

   

Circuits imprimés (PCB)

Dessinés en 4 couches.

PCB version 004aa

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PCB version 004ab

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Historique

28/06/2026
- Ajout photos prototype circuit 004aa.

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