Appareil pour échantillonner et normaliser des signaux électriques La présente invention a pour objet un appareil pour échantillonner et normaliser des signaux élec triques d'entrée à haute fréquence, comprenant une sonde électrique ayant un conducteur tubulaire ex terne de protection et un conducteur de signaux in terne supporté à l'intérieur du contact externe et isolé de ce dernier,
un circuit d'échantillonnage supporté dans le conducteur externe et dont l'entrée est con nectée à la sortie du conducteur des signaux pour transmettre une partie de la forme d'onde d'un signal d'entrée appliqué au conducteur de signal sous forme d'une impulsion d'échantillonnage à la sortie des circuits d'échantillonnage en modifiant l'état conducteur des circuits d'échantillonnages.
Cet appareil est caractérisé par un dispositif de normali sation de réponse, comprenant un tronçon d'une ligne de transmission ayant un conducteur de signal dont la sortie est connectée à l'entrée du conducteur de signal interne et dont l'entrée est destinée à être connectée à une source de signaux d'entrée à échan- tilloner pour empêcher les signaux transitoires pro duits par le changement de l'état conducteur du moyen d'échantillonage de déformer l'impulsion d'échantillonnage, en retardant les signaux réfléchis par l'entrée du dispositif de normalisation,
de façon à les empêcher d'atteindre le circuit d7échantillon- nage avant qu'il soit retourné à son état conduc teur de repos.
Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'appareil selon l'invention.
La fig. 1 est une coupe d'une partie d'une sonde d'échantillonnage direct et d'un dispositif de nor malisation de réponse qui y est fixé ; la fig. 2 est une coupe du dispositif de normali sation de réponse de la fig. 1 représenté séparé de la sonde, des pièces étant en arrachement pour plus de clarté ; et la fig. 3 est une coupe verticale partielle à plus grande échelle suivant la ligne 3-3 de la fig. 2. Comme représenté sur la fig. 1, une sonde d'échantillonnage direct 10 peut comprendre un con ducteur 12 sous forme d'une enveloppe tubulaire, et un conducteur de signaux 14.
La sonde 10 peut com porter un dispositif de normalisation de réponse 16 en fixant ce dispositif de normalisation aux extrémités antérieures du conducteur de signaux 14 et du con ducteur en forme d'enveloppe 12. La sonde d7échan- tillonnage 10 contient un conditionneur d'échantil lonnage 18 qui peut être sous forme d'un pont à quatre diodes comprenant deux diodes d'entrée 20 et 22 et deux diodes de sortie 24 et 26.
La cathode et l'anode des diodes d'entrée 20 et 22 respective ment sont connectées à la borne d'entrée 28 de ce conditionneur, tandis que la cathode et l'anode des diodes de sortie 24 et 26 respectivement sont connec tées à la borne de sortie 30 de ce conditionneur. La borne d'entrée 28 du conditionneur d'échantillon nage 18 est connectée au conducteur de signaux 14 qui est isolé du conducteur 12 mis à la masse par un élément d'écartement 31 en matière isolante, et la borne de sortie 30 de ce conditionneur est connec tée à l'oscilloscope (non représenté) par l'intermé- diaire d'un conducteur de sortie 32 qui peut être un petit câble coaxial.
L'anode de la diode d'entrée 20 est connectée à l'anode de la diode de sortie 24 et à un premier conducteur d'interrogation 34. En ou tre, la cathode de la diode d'entrée 22 est connectée à la cathode de la diode de sortie 26 et à un second conducteur d'interrogation 36. Les conducteurs 34 et 36 peuvent être de petits câbles coaxiaux qui sont connectés à une source appropriée de tension continue de polarisation de façon à appliquer une faible tension continue néga tive aux anodes des diodes 20 et 24 et une faible tension continue positive aux cathodes des diodes 22 et 26, pour polariser normalement ces diodes dans le sens non conducteur de façon que le pont 18 soit rendu non conducteur.
Un générateur d'impul sions d'interrogation (non représenté) qui fournit une paire d'impulsions d'interrogation étroites de polarité opposée est connecté aux conducteurs 34 et 36 de façon à appliquer une impulsion positive aux anodes des diodes 20 et 24 et simultanément une impulsion négative aux cathodes des diodes 22 et 26 afin de polariser ces diodes provisoirement dans le sens conducteur et de rendre le conditionneur d'échantillonnage 18 conducteur pendant une brève période de temps déterminée par la largeur de ces impulsions.
Lorsque ceci se produit, une partie d'un signal d'entrée haute fréquence appliqué à la borne d'entrée 28 du conditionneur d'échantillonnage 18 est transmise sous forme d'une impulsion d'échan tillonnage par l'intermédiaire du conditionneur d'échantillonnage à sa borne de sortie 30.
La ten sion de l'impulsion d'échantillonnage dépend de la différence de tension entre le signal d'entrée et la tension continue de référence appliquée à la borne de sortie 30 à partir du circuit de mémoire connecté au conducteur de sortie 32, ainsi que de l'efficacité d'échantillonnage du conditionneur d'échantillonnage. L'efficacité d'échantillonnage (E) du conditionneur d'échantillonnage 18 est sensiblement égale à la du rée de conditionnement ou de déclenchement (TI) pendant laquelle le conditionneur d'échantillonnage est conducteur, divisée par la constante de temps (RC)
d'un circuit série comprenant la résistance in terne de la source de signaux et la capacité connec tée à la sortie du conditionneur d'échantillonnage ou
EMI0002.0011
Etant donné que ce circuit série comprend la résis tance interne de la source, il est évident que l'effi cacité d'échantillonnage du conditionneur varie lors qu'on vérifie des sources de signaux ayant des im pédances différentes lorsqu'on utilise une sonde d'échantillonnage direct classique.
Toutefois, lorsque le dispositif de normalisation de réponse 16 est fixé à l'extrémité antérieure d'une sonde d'échantillonnage direct 10, la ligne à retard formée par le dispositif de normalisation de réponse empêche le condition- neur d'échantillonnage d'être soumis à l'impédance interne de la source de signaux du fait que ce condi- tionneur d'échantillonnage est conducteur pendant un temps inférieur au double du temps transitoire du dispositif de normalisation.
Etant donné que le pont d'échantillonnage n'est soumis ou ne voit que l'impédance caractéristique du dispositif de normali- sation, comme résistance de charge série, l'efficacité d'échantillonnage du conditionneur est constante.
Le dispositif de normalisation de réponse 16 est représenté plus en détail sur les fig. 2 et 3 et com prend un conducteur externe creux 38 dont l'extré mité postérieure présente trois évidements 40 pour venir en prise avec l'extrémité antérieure du conduc teur 12 de la sonde 10 lorsque la partie postérieure du dispositif de normalisation est appliquée à l'ex trémité antérieure de cette sonde.
Un conducteur interne 42 formé par un fil métallique de résistance est supporté dans le conducteur externe 38 du dis positif de normalisation de façon que le conducteur interne s'étende à peu près parallèlement à la paroi cylindrique du conducteur externe et en soit espacé pour être isolé par l'air, une matière plastique mousse ou autre matière diélectrique, pour former une ligne de transmission ayant une impédance caractéristique sensiblement uniforme de 300 ohms environ. Une extrémité du conducteur interne 42 est fixée à une douille métallique 44 au moyen d'un dispositif de fixation 46 en forme de manchon qui est pressé sur l'extrémité tronconique effilée de cette douille pour serrer le conducteur interne 42 entre le manchon et l'extrémité effilée de la douille 44.
Après avoir pressé le manchon 46 sur l'extrémité effilée de la douille 44, on peut appliquer une petite quantité de soudure 48 aux extrémités antérieures du manchon et de la douille au contact du conducteur interne 42 pour empêcher le manchon d'être enlevé. L'autre extrémité du conducteur interne 42 est fixée à l'ex trémité postérieure effilée d'une pointe 50 qui forme la pointe de la sonde du dispositif de normalisation. Un autre manchon de fixation 52 est utilisé pour serrer le conducteur interne 42 entre l'extrémité effilée de la pointe 50 et ce manchon, et il est fixé à cette pointe par une soudure 54 d'une façon ana logue au manchon de fixation 46.
La douille 44 est fixée rigidement dans un élé ment d'écartement isolant 56 qui peut être moulé en une matière plastique appropriée. L'élément d'écartement 56 peut avoir une forme hexagonale pour fournir un bon ajustage à frottement entre l'élément d'écartement et le conducteur externe 38 qui présente un épaulement 58 pour empêcher un mouvement d'avance de l'élément d'écartement afin de maintenir le conducteur interne 42 à l'état tendu. Après avoir serré le conducteur interne 42 à l'aide des manchons 46 et 52, il est tendu par un mouve ment de la pointe 50 à l'écart de la douille 44.
La pointe 50 est supportée d'une façon isolante à l'in térieur du conducteur externe 38 au moyen d'un autre moyen d'écartement 60 en matière plastique appropriée. Après avoir tendu le conducteur interne, le conducteur externe 38 est serti ou marqué au pointeau pour fournir une saillie interne 62 qui vient en prise avec l'élément d'écartement 60 pour em pêcher un mouvement de l'élément d'écartement et de la pointe 50 par rapport au conducteur externe.
On doit noter que bien que le conducteur interne 42 ne soit pas supporté coaxialement d'une façon pré cise par rapport au conducteur externe 38 en raison de l'utilisation de manchons de fixation 46 et 52, et tandis qu'on peut le réaliser en utilisant d'autres types de moyens de fixation, le fonctionnement satis faisant du dispositif ne dépend pas d'une façon cri tique de la concentricité des conducteurs interne et externe.
L'extrémité postérieure de la douille 44 présente une série de doigts élastiques 64 qui forme une ca vité dans laquelle l'extrémité du conducteur des signaux 14 de la sonde d'échantillonnage s'étend lorsque le dispositif de normalisation de réponse 16 est fixé à cette sonde d'échantillonnage. Le dispositif de normalisation de réponse 16 peut être muni d'un couvercle 66 en matière isolante sur le conducteur externe 38 mis à la masse, comme représenté sur la fi-. 1, pour empêcher ce conducteur externe de court-circuiter des éléments du circuit en cours d'essai lorsque le dispositif de normalisation de ré ponse est introduit dans une position éloignée à l'in térieur de l'appareil en cours de vérification.
Le dispositif de normalisation de réponse peut être formé d'une façon solidaire de la sonde d'échan tillonnage. Toutefois, il est habituellement souhai table de rendre le dispositif de normalisation de ré ponse amovible de façon à pouvoir utiliser la sonde d'échantillonnage seule, ou de pouvoir utiliser divers affaiblisseurs à fiches d'une façon interchangeable pour compenser des signaux ayant une valeur supé rieure à celle que peut traiter la sonde seule. Un affaiblisseur peut être construit de façon à présenter le principe du dispositif de normalisation.
Selon une variante (non représentée) le dispositif de normali sation peut être connecté d'une façon amovible entre la borne d'entrée 28 du conditionneur d'échantil lonnage et l'extrémité 50 de la sonde de façon à pouvoir enlever le dispositif de normalisation et à fixer directement l'extrémité de la sonde à la borne d'entrée du conditionneur d'échantillonnage lorsqu'on désire effectuer un échantillonnage classique.
La capacité totale (CT) que le dispositif de nor malisation de réponse 16 ajoute à celle de la sonde est donnée par la formule suivante
EMI0003.0007
dans laquelle L est la longueur du dispositif de nor malisation, Z" est l'impédance caractéristique du dis positif de normalisation et Vp est la vitesse de pro pagation du signal à travers le dispositif de normali sation, et C, est la capacité parasite des éléments 44, 46, 50 et 52, etc.
Etant donné que le diélectrique utilisé entre le conducteur interne 42 et le conduc teur externe 38 est l'air, ou d'une façon prédomi nante l'air, la vitesse de propagation (V,,) est sensible ment égale à la vitesse de la lumière. Afin d'obtenir une impédance caractéristique élevée (Z,), le dia mètre du conducteur interne 42 est très petit, de l'or dre de 0,025 mm environ, pour augmenter l'induc- tance du dispositif de normalisation tandis que l'es pacement compris entre le conducteur interne 42 et le conducteur externe 38 est aussi grand que possible pour diminuer la capacité entre ces éléments.
Toute fois, la longueur (L) du dispositif de normalisation est déterminée par la durée de déclenchement (T,) qui est la période pendant laquelle le conditionneur d'échantillonnage 18 est rendu conducteur par les impulsions d'interrogation transmises par les conduc teurs 34 et 36.
Ainsi qu'on l'a précédemment mentionné, le dis positif de normalisation de réponse fonctionne comme une ligne à retard pour empêcher le signal transi toire, transmis de la borne de sortie 30 du condi- tionneur d'échantillonnage 18 par l'intermédiaire du conducteur de signaux 14 au conducteur interne 42 du dispositif de normalisation, lorsque ce condition- neur d'échantillonnage est rendu conducteur,
d'être réfléchi de l'extrémité antérieure du dispositif de nor malisation au voisinage de la pointe 50 par l'inter médiaire du conducteur interne à la borne d'entrée 28 du conditionneur d'échantillonnage avant que ce dernier soit de nouveau rendu non conducteur. Si t,,, est le retard nécessaire du signal transistoire pour parcourir la longueur (L) du dispositif de normali sation dans un sens, alors
EMI0003.0026
Etant donné que
EMI0003.0028
il s'ensuit que
EMI0003.0029
Par conséquent, la longueur du dispositif de normali sation est déterminée par l'équitation suivante
EMI0003.0030
Ainsi,
la longueur du dispositif de normalisation doit être légèrement supérieure au produit de la moitié de la durée de déclenchement multipliée par la vi tesse de propagation afin d'empêcher le signal trans itoire produit par la décharge sur la borne de sortie 30 du conditionneur d'échantillonnage 18 de défor mer la partie du signal d'entrée transmis par l'inter médiaire du conditionneur d'échantillonnage sous forme de l'impulsion d'échantillonnage. On doit no ter que du fait que les diodes formant le pont d'échantillonnage 18 sont légèrement polarisées dans le sens non conducteur, une partie des impulsions d'interrogation rendant le conditionneur d'échantil lonnage conducteur est utilisée pour surmonter la tension continue de polarisation dans le sens non conducteur appliquée à ces diodes.
Ainsi, de faibles quantités des impulsions d'interrogation sont couplées d'une façon capacitive aux bornes d'entrée et de sor tie du conditionneur d'échantillonnage même pendant que ce conditionneur reste non conducteur. Ceci pro voque une certaine distorsion de l'impulsion d'échan tillonnage transmise par l'intermédiaire de ce condi- tionneur pour modifier la tension de référence em magasinée dans le circuit de mémoire du système d'échantillonnage. Toutefois, cette distorsion est ex trêmement faible en comparaison de celle précédem ment produite par le signal transitoire transmis de la borne de sortie 30.
Afin d'amortir les oscillations du signal d'entrée réfléchi lorsqu'il est réfléchi de l'extrémité de la ligne à retard du dispositif de normalisation au voisinage de la pointe 50 et de la borne d'entrée 28 du condi- tionneur d'échantillonnage lorsque ce dernier est à l'état non conducteur, le conducteur interne 42 du dispositif de normalisation peut être fait avec un fil métallique à haute résistance, par exemple en Ni- chrome , ayant une grande résistance de 1000 ohms environ par 30 cm,
qui est uniformément répartie sur la longueur du conducteur interne. Selon une va riante, on peut connecter plusieurs résistances fixes en série avec le conducteur interne 42 pour fournir cet effet d'amortissement. Toutefois, l'utilisation du conducteur interne de la ligne à retard comme résis tance permet au dispositif de normalisation de ré ponse d'avoir une impédance caractéristique sensible ment uniforme. En outre, on doit noter qu'on peut utiliser une ligne à retard artificielle du type à cons tantes localisées au lieu de celle représentée.
Cette ligne à retard à constantes localisées est formée par une série de tronçons identiques de bobines d'induc tion et de condensateurs qui sont connectés pour fournir le retard correct<I>(ta)</I> tout en permettant au dispositif de normalisation de réponse d'avoir une longueur physique beaucoup plus courte. On peut utiliser d'autres formes de ligne de transmission, comme une ligne en forme de bande, toutefois la ligne du type coaxial est préférée à des fins de pro tection.
Le dispositif de normalisation de réponse 16 et le conditionneur d'échantillonnage 18 n'ont pas un effet de charge appréciable sur la source de signaux lorsque le conditionneur d'échantillonnage est rendu non conducteur du fait que la ligne de transmission fournie par le dispositif de normalisation est courte et a une impédance caractéristique relativement éle vée et est terminée à l'extrémité de la sonde par la haute impédance du conditionneur qui est de l'ordre de 100 kilohms. Egalement,
même si le condition- neur d'échantillonnage présente une faible impédance à la source de signaux lorsque ce conditionneur est rendu conducteur, ceci n'a pas d'effet sur la partie du signal reçu par la sonde qui est transmise par l'intermédiaire du conditionneur d'échantillonnage du fait que le retard du dispositif de normalisation empêche le changement momentané de l'impédance du pont d'échantillonnage d'affecter le signal tant que ce pont n'est pas de nouveau rendu non conduc teur.