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Electronique

Réparation de Jouets

Sonde différentielle

vue de la sonde différentielle terminée...Je décris dans cet article la réalisation d'une sonde différentielle pour mon labo, créée à l'origine par Philippe DEMERLIAC (cyrob.org).
Au regard du prix parfois exorbitant des sondes disponibles dans le commerce, j'ai préféré opter pour la construction amateur.
Cet instrument me faisait défaut, et pour dépanner les alimentations à découpage il est plus que nécessaire; que dis-je, il est primordial pour la sécurité de l'utilisateur !
Je n'ai que très peu modifié son schéma d'origine en supprimant simplement la prise USB auxiliaire qui ne me sert pas (j'ai suffisamment de hub-USB sur ma paillasse...), et en ajoutant un petit commutateur permettant de sélectionner ou non le filtre passe-bas de sortie.

Fonctionnement

executable  INFOS PROJET
  Types de composants : Traversants et CMS
  Niveau : ◆◆◇◇◇
  Temps de construction : env. 1 h 30
  Coût : env. 50 €

Le principe n'est pas sorcier, il s'agit en premier lieu d'un simple atténuateur réalisé par des associations de résistances et de condensateurs (R1...R3 // C1...C3 et C7 // C9, R4...R6 // C4...C6 et C8 // C10), suivi d'un amplificateur opérationnel utilisé en mode amplificateur différentiel (β≅1). En sortie un filtre passe-bas (R14 / C15) permet de réduire le phénomène de résonance du système.

 

 

Schéma de principe

J'ai redessiné le schéma sous Eagle afin de pouvoir obtenir un circuit imprimé compatible avec mon coffret préféré pour les petits instruments, le MCRH3135 MULTICOMP.

schéma de la sonde différentielle...

Modifications

 Par rapport au schéma original, voici les modifications et/ou différences que j'ai apportées :

  • Suppression de la prise USB auxiliaire, inutile pour mon usage
  • Remplacement de l'AOP LT1357 par un LF356 que j'avais en stock
    • LT1357 : Bande passante 25 MHz / ±15V, Courant d'alimentation 2,5 mA
    • LF356 : Bande passante 5 MHz / ±15V, Courant d'alimentation 10 mA
  • Remplacement du convertisseur d'alimentation DC5V / ±15V HPR105 par un PDME1-S5-D15-S (compatible broche à broche) disponible chez mon fournisseur habituel
    • HPR105 : Tension d'entrée DC5V, Tension de sortie ±15V, Courant de sortie (max.) ±25 mA, Puissance de sortie 750 mW, Rendement 75 %
    • PDME1-S5-D15-S : Tension d'entrée DC5V, Tension de sortie ±15V, Courant de sortie (max.) ±34 mA, Puissance de sortie 1 W, Rendement 83 %
  • Remplacement des condensateurs électrochimiques traversants par des modèles CMS que j'avais en stock
  • Déplacement de la LED "Power' (couleur Orange 3mm) entre les ±15V du convertisseur DC (si l'une des deux tensions venait à disparaître, la LED s'éteindrait signalant ainsi un défaut...)

Circuit imprimé

 vue du circuit imprimé (Top)...  vue du circuit imprimé (Bottom)...

 suivant n Si vous êtes intéressé par ce projet, je peux aussi vous céder 1 (ou plusieurs) exemplaire(s) de ce circuit imprimé, cliquez ici

Réalisation

Il n'y a rien de spécial à signaler ici, si ce n'est bien entendu de respecter absolument les spécifications (voir dans la liste...) des composants permettant de réaliser l'atténuateur, à cause des hautes tensions à mesurer (< 600V !)
Je n'ai pas prévu d'empreinte pour des condensateurs électrochimiques de type traversant, il demeure cependant possible compte tenu de leur taille (~6 mm) de les souder sur les pastilles prévues pour la version CMS... L'ampli OP est monté sur un support tulipe, juste pour le cas où il serait nécessaire de le remplacer... les résistances ajustables sont des modèles 25 tours pour un meilleur ajustement. Les selfs de choc de type VK200 proviennent du site Chinois.

J'ai constaté lors des différents essais que la sonde était très sensible aux divers champs électriques environnants, notamment en approchant simplement les mains du coffret...
La meilleure solution étant le blindage, j'ai opté pour une feuille de cuivre de 5/10e qui englobe totalement toute la partie base tension du circuit imprimé (voir Figure 8) que j'ai reliée à la masse de la prise USB par l'intermédiaire d'un petit morceau de tresse à dessouder. Le résultat est très net, plus de ronflette !

Finition

Comme à mon habitude maintenant pour de petits instruments, j'aime utiliser le coffret MCRH3135 de MULTICOMP.
J'ai pour cette réalisation utilisé le logiciel d'édition d'images "Gimp" afin de pouvoir placer correctement les appareillages et pouvoir créer une sérigraphie sur mesure. Cette face avant est bien entendu disponible en téléchargement au bas de cette page. L'impression laser effectuée sur un support adhésif polyester argent mat style "alu" permet d'obtenir une belle sérigraphie.

Étalonnage

 Après le montage des différents éléments suivi du contrôle des tensions d'alimentation, voici la procédure d'étalonnage de l'engin, je reprends ici les instructions de CYROB :

  1. Réglage du Zéro
    • pour ce faire il convient de court-circuiter les deux fiches banane de l'entrée de la sonde (circuit le plus court possible, bien entendu...)
    • mesurer avec l'oscilloscope connecté sur la sortie de la sonde, mode couplage DC, l'amplitude du signal la plus faible possible
           (difficile à voir et à réaliser...)
  2. Réglage de réjection du mode commun (CMRR)
    • pour ce faire il convient de court-circuiter les deux fiches banane de l'entrée de la sonde (circuit le plus court possible, bien entendu...)
    • raccorder un générateur de signal sinusoïdal 50 Hz / 20Vcrête à crête (ou la valeur max. de votre générateur...)
    • mesurer avec l'oscilloscope connecté sur la sortie de la sonde, mode couplage DC, ajuster CMRR pour obtenir l'amplitude du signal la plus faible possible
           (difficile à voir et à réaliser, j'ai utilisé la fonction AVERAGE en mode numérique de mon HAMEG HM407...)
  3. Réglage de la compensation de l'entrée –
    • connecter l'entrée + à la masse, et raccorder un générateur de signal carré 1 KHz / 20Vc/c
    • mesurer avec l'oscilloscope connecté sur la sortie de la sonde, mode couplage DC, ajuster Cmp- pour obtenir un créneau le plus carré possible
  4. Réglage de la compensation de l'entrée +
    • connecter l'entrée – à la masse, et raccorder un générateur de signal carré 1 KHz / 20Vc/c
    • mesurer avec l'oscilloscope connecté sur la sortie de la sonde, mode couplage DC, ajuster Cmp+ pour obtenir un créneau le plus carré possible
  5. Contrôle
    • raccorder entre l'entrée + et l'entrée – un générateur de signal carré 1 KHz / 20Vc/c
    • retoucher éventuellement un peu Cmp+ pour obtenir le créneau le plus parfait possible
    • la tension de sortie doit correspondre à celle de la tension de sortie du générateur divisée par 100 (1:100 étant le rapport d'atténuation de la sonde)
  6. Bande passante à -3 dB*
    • raccorder entre l'entrée + et l'entrée – un générateur de signal sinusoïdal d'amplitude 20Vc/c
    • faire doucement varier la fréquence du générateur depuis la valeur la plus basse (1 µHz dans le cas du mien...) jusqu'à la fréquence maximum pour laquelle l'amplitude du signal ne soit plus que de 70%. L'amplitude du signal ne doit quasiment pas bouger sauf à l'approche du point où celle-ci chute à 70% de la valeur max, la fréquence de coupure à -3 dB étant alors atteinte.

Tests et mesures

Pour un signal sinusoïdal de 1 KHz / 20Vc/c fourni par mon générateur, le déphasage mesuré entre l'entrée et la sortie de la sonde différentielle est nul.
La bande passante que j'ai relevée avec les composants présents sur mon schéma est de 885 KHz à -3 dB (voir Figure 1). Il vous faudra la mesurer sur votre exemplaire car avec la tolérance des composants et le circuit imprimé que vous aurez réalisé, elle peut différer quelque peu (voir celle relevée par Philippe DEMERLIAC sur son exemplaire - 600 KHz - pour s'en affranchir).

Avec mon générateur j'ai pu wobuler* l'ensemble de la sonde, en mode "linéaire" tout d'abord sans filtre puis avec le filtre passe-bas (voir Figures 2 et 3), ensuite en mode "logarithmique" (voir Figures 4 et 5). Ceci permet de vérifier le bon fonctionnement de la sonde sur toute sa plage de fréquence. Nous pouvons quand-même constater une belle déformation de la courbe de réponse (surtout sans le filtre passe-bas...), et en furetant sur le net, j'ai trouvé le site d'un gars qui a construit le kit de cette sonde et a constaté ce même "défaut". Il a résolu cela en ajoutant un condensateur de 1 pF entre les pin 2 et 6 de l'AOP, c'est-à-dire en parallèle de la résistance R11.

J'ai donc redémonté mon exemplaire pour lui ajouter non pas un condensateur de 1 pF (que je n'avais pas...) mais trois de 4,7 pF en série ce qui équivaut à environ 1,57 pF.
Avec ceci fait, la bande passante est passée de 885 KHz (avec le filtre passe-bas activé) à 980 KHz sans filtre additionnel !
Afin de visualiser les différences notables, regardez les Figures 6 à 10... c'est tout de même nettement mieux !

Oscillogrammes

 
Oscillogramme_Sonde Diff BW 885KHz -3dB filter on
Figure 1
 
Oscillogramme_Sonde Diff Courbe de réponse (Lin) 1µHz 2,5MHz filter off
Figure 2
 
Oscillogramme_Sonde Diff Courbe de réponse (Lin) 1µHz 2,5MHz filter on
Figure 3
 
Oscillogramme_Sonde Diff Courbe de réponse (Log) 10KHz 2,5MHz filter off
Figure 4
 
Oscillogramme_Sonde Diff Courbe de réponse (Log) 10KHz 2,5MHz filter on
Figure 5
 
Oscillogramme_Sonde Diff BW 980KHz -3dB filter off
Figure 6
 
Oscillogramme_Sonde Diff Courbe de réponse (Lin) 1µHz 2MHz filter off
Figure 7
 
Oscillogramme_Sonde Diff Courbe de réponse (Lin) 1µHz 2MHz filter on
Figure 8
 
Oscillogramme_Sonde Diff Courbe de réponse (Log) 10KHz 2MHz filter off
Figure 9
 
Oscillogramme_Sonde Diff Courbe de réponse (Log) 10KHz 2MHz filter on
Figure 10

Quelques photos

vue de la sonde différentielle en cours de réalisation...
Figure 11
vue de la sonde différentielle terminée...
Figure 12
vue du blindage à l'intérieur du coffret...
Figure 13

Packages comprenant : save f2
Schéma de principe sous Eagle v7.7.0
Dessin de la sérigraphie de la face avant
BOM liste des composants
Oscillogrammes
Photos de ma réalisation

 

 


* Note

  1. Bande passante à -3 dB : elle correspond à la fréquence pour laquelle le gain est diminué de 3 dB par rapport à la valeur du gain maximum, ce qui équivaut également à 70% de l'amplitude du signal max. (1/√2=0,707)
  2. wobuler : technique qui permet d'observer la courbe de réponse d'un quadripôle en balayant celui-ci avec une plage de fréquence en utilisant un GBF (Générateur Basse Fréquence) disposant bien entendu de cette fonction en interne. Le générateur envoie alors sur l'axe des X (généralement CH I) d'un oscilloscope la plage de fréquence que l'on aura définie au préalable (dans le cas de cette sonde, de 1 µHz à 2 MHz pendant 1 ms), et un signal de déclenchement (un signal carré d'un rapport cyclique de 50%) provenant de son connecteur Ext Trig. Ce signal de synchro sur front montant ou descendant est appliqué à la seconde entrée (CH II) de l'oscilloscope.

 

 

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