Instrumentation Avancée

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1 3A Spécialité Électronique & Physique Appliquée Majeure Chantal Gunther ENSICAEN GREYC Équipe Électronique Instruments de Mesure - Oscilloscopes I. Oscilloscope analogique 1. Elément de base d un oscilloscope analogique : le tube cathodique 2. Le système de déviation verticale 3. Le système de déviation horizontale base de temps 4. Sondes 2

2 Instruments de Mesure - Oscilloscopes II. Oscilloscope numérique 1. Architectures 2. Numérisation du signal : échantillonnage & quantification 3. Modes d'acquisition 4. Modes de déclenchement 5. Facteurs de performance des oscilloscopes numériques 6. Choix d'un oscilloscope numérique III. Bibliographie 3 4

3 I. Oscilloscope analogique 5 1. Elément de base d'un oscilloscope analogique : le tube cathodique Schéma de principe d'un oscilloscope une voie en mode y-t 6

4 Le tube cathodique (CRT Cathode Ray Tube) est constitué d une ampoule de verre dans laquelle un vide poussé a été réalisé. Canon à e- La cathode, chauffée à haute température, émet un flux d électrons. Le champ électrostatique, produit par des électrodes portées à un potentiel positif (anodes), dirige les e- le long de l'axe du faisceau et les accélère en direction de l'écran fluorescent. La différence de potentiel entre la cathode et les anodes est habituellement de 2 à 12 kv. Plaques de déflection A la sortie du canon à e -, le faisceau passe entre 2 jeux de plaques de déflection (horizontales & verticales) portées à un potentiel variable qui font dévier le trajet du faisceau proportionnellement aux différences de potentiel des plaques. 7 Ecran fluorescent Un spot de lumière visible est émis à l'endroit où le faisceau d'e - frappe l'écran dont la face interne de l écran est revêtue d une couche de phosphore. Durée de la persistence 10 ms pour les oscilloscopes standard qq heures pour les oscilloscopes à mémoire (storage oscilloscopes). Le déplacement du spot limite la plage des fréquences affichées par un oscilloscope analogique : aux très basses fréquences, le signal apparaît comme un point lumineux se déplaçant très lentement (ce qui ne permet pas de distinguer clairement la forme de l onde). aux fréquences élevées, la limite est liée à la vitesse d écriture de l écran. Les oscilloscopes analogiques les plus rapides affichent des signaux de fréquence > 50 GHz. Ces oscilloscopes sont dotés de commandes pour régler la focalisation (contrôle de la tension de l'anode de focalisation) et l intensité afin d'obtenir un affichage net et lisible. 8

5 2. Le système de déviation verticale Composition du système de déflection verticale à entrée simple (entrée simple : potentiel d'entrée par rapport à la masse). Entrée Y (1 ou 2) 0,1 µf AC Gnd a Atténuateur d'entrée Préamplificateur Amplificateur vertical A Ligne à retard CRT DC NB : étage d entrée différentiel pour un oscilloscope différentiel 9 Couplage de l'entrée DC : couplage direct (direct current) AC : couplage capacitif pour bloquer le continu mais bloque également les composantes < 2 20 Hz utile si l'amplitude AC du signal est faible devant l'amplitude dc MAIS déformation des signaux basses fréquences! Gnd : entrée du système à la masse pour centrer le faisceau sans avoir à déconnecter le signal en entrée Y mesure en absolu. Gain et sensibilité 10 à 20 V entre les plaques de déflection pour une déviation de 1 cm du faisceau 80 à 160 V pour une déviation verticale plein écran. La sensibilité demandée par l'utilisateur fixe le gain total aa du système vertical. Ces niveaux d'amplification sont discrets en mode calibré et continus hors calibre. 10

6 Le gain A de la chaîne d'amplification est fixe pour assurer la stabilité de l'amplificateur et une bande passante constante (typ. : A = ). Pour une sensibilité donnée (gain total aa), l'atténuateur (de gain a < 1) réduit l'amplitude d'entrée pour optimiser la déviation du faisceau. Exemple : Hyp. : 8 Divisions verticales, A = 1000, Tension de déflection verticale plein écran V FS = 80 V Q? : quelle est la sensibilité verticale maximale de ce système? V 10 Expression du gain total aa : aa. FS 8 Cal Cal(V /Div) 10 Cal(V / Div) aa Sensibilité maximale si l'atténuateur est shunté soit a = 1 NB : aa = 1 soit Cal = 10V/Div et a =1/ Ligne à retard En mode y-t, le balayage en Y doit être synchronisé avec le balayage en X dont le déclenchement est fabriqué à partir du signal Y. Ce traitement induit un retard du signal de déclenchement proche de 80 ns. Pour restaurer la synchronisation, il faut donc retarder le signal Y amplifié de, au moins, 80 ns au moyen d'une ligne à retard (câble coaxial ou ligne serpentin sur circuit imprimé de faible vitesse de propagation). Ces retards sont typ. de 150 ns à 1 ms. Oscilloscope à 2 entrées Y A /Y B (CH1/CH2) Oscilloscope à 2 faisceaux "Dual beam oscilloscope" 2 canons à e -, 1 jeu de plaques de déflection par voie 12

7 Oscilloscope à 2 entrées Y A /Y B (CH1/CH2) Oscilloscope à 2 faisceaux "Dual beam oscilloscope" 2 canons à e -, 1 jeu de plaques de déflection par voie Oscilloscope 2 voies 1 faisceau "Dual trace oscilloscope" Schéma de principe de fonctionnement d un oscilloscope analogique classique à 2 voies 13 Oscilloscope 2 voies 1 faisceau "Dual trace oscilloscope" CHOP - Mode découpé L oscilloscope trace chaque signal par petits segments en commutant d'une voie à l'autre. La commutation s'effectue à une fréquence ~ 100kHz khz. Mode adapté pour des signaux de vitesse moyenne ou élevée (vitesse de balayage 0,5 ms/div) ALT - Mode alterné Les signaux des différentes voies sont tracés à tour de rôle : l oscilloscope effectue un balayage complet sur la voie 1, puis sur la voie 2 avant de revenir à la voie 1, etc. Mode adapté aux signaux lents nécessitant des balayages 1ms/Div sinon sautillement de l'image (+ pb déphasage) ABC des oscilloscopes - Tektronix 14

8 Oscilloscope différentiel L'oscilloscope différentiel est équipé d'amplificateur(s) différentiel(s). Dans ce cas, les 2 points de test ( masse) sont reliés aux entrées différentielles flottantes de l'amplificateur différentiel d'entrée. Entrée différentielle obtenue en soustrayant les signaux appliqués sur les 2 voies d'entrée d'un oscilloscope à entrées simples. Cet amplificateur différentiel n'est pas compensé ce qui induit fréquemment un offset (offset observable en appliquant le même signal aux 2 voies). 0,1 µf AC Entrée Y A Gnd DC Y A Y B X AC + Amplificateur Entrée Y B Gnd -1 DC Le système de déviation horizontale a) Mode XY Il consiste à utiliser un signal d'entrée à la place de la base de temps sur l'axe horizontal. Il permet la mesure de déphasage entre les 2 signaux (courbes de Lissajou). 16

9 b) Représentation temporelle des signaux Mode Y-t Système de déflection horizontal générateur de signal dent de scie (rampe) conçu pour que le déplacement du spot soit une fonction linéaire du temps. Durée d'un balayage : fixée par le choix de la base de temps (TIME/DIV ou SEC/DIV) en position calibrée CAL. Tension de déflection Faisceau à droite de l'écran Durée pendant laquelle le faisceau est coupé T H Faisceau à gauche de l'écran Amplitude telle que le balayage horizontal couvre tout l'écran 0 T X Durée fixée par le choix de la base de temps t 17 Mode non déclenché les signaux de déflection horizontale et verticale ne sont pas synchronisés, la trace n'est pas stable sur l'écran glissement. Mode déclenché les signaux sont synchronisés, la trace d'un signal périodique est stable, le même motif du signal d'entrée est dupliqué sur l'écran à chaque balayage. 18

10 c) Déclenchement (Trigger) De manière générale, tout signal de période multiple de celle du signal peut constituer le signal de déclenchement et d'amplitude > 0,5 Div. Choix du signal de déclenchement signal de la voie 1 ou celui de la voie 2, signal externe (EXT) appliqué sur la borne EXT, réseau 50 Hz (LINE). Le point de déclenchement est défini par son niveau et la pente (>0 ou <0) en ce point. Trig externe, exemples : termes d'une SBPA réponse en fréquence d'un filtre 19 Signal de déclenchement Générateur d'impulsion Affichage correspondant Générateur de balayage 20

11 Fonctions supplémentaires HOLD OFF : inhibe le déclenchement de la synchronisation pendant un temps réglable (pour synchroniser certains signaux complexes) DELAY retarde le balayage après déclenchement (pour observer un phénomène périodique "avant" le déclenchement de la synchro). MAGNIFIER ("loupe" en anglais) X5 ou X10 : zoom. Cette fonction dilate la base de temps mais laisse accès à l'ensemble du signal par le bouton de position horizontale. 21 Déclenchement automatique En position automatique (AT), la base de temps est déclenchée périodiquement même sans signal de mesure ou de déclenchement externe. trace horizontale en l'absence de signal Pour un signal de déclenchement donné, le niveau de déclenchement peut différer d'un appareil à l'autre : le signal de déclenchement est couplé capacitivement au système qui détecte l'instant du passage à zéro avec une pente donnée (commutateur Slope), le niveau de déclenchement est ajustable (potentiomètre Level) entre les valeurs crêtes du signal de déclenchement. Déclenchement normal Le niveau de déclenchement est ajusté par le potentiomètre Level. Si ce niveau est >V MAX ou < V min, valeurs extrêmes du signal, il n'y a pas de déclenchement : pas de trace à l'écran. 22

12 Modes spéciaux Déclenchement mono-coup (single sweep) : utile pour observer des signaux transitoires Déclenchement sur signaux vidéo Réglage automatique du niveau de déclenchement. Couplage de déclenchement Choix du type de couplage pour le signal de déclenchement : Couplage en courant alternatif AC Couplage en courant continu DC Couplage de déclenchement en réjection haute fréquence, Couplage de déclenchement en réjection basse fréquence et réjection de bruit. Ces réglages spéciaux sont utiles pour éliminer le bruit du signal de déclenchement afin de prévenir un déclenchement intempestif Les sondes a) Définition Une sonde réalise un lien électrique entre le point test (ou le signal de la source) et l'entrée de l'oscilloscope. 24

13 b) Sonde de tension Sonde de base : un câble ou sonde x1 Sondes plus "évoluées" : sonde passive, sonde active, sonde différentielle Leur fonction est de réaliser une adaptation d'impédance afin de s'affranchir de l'effet de charge qui peut surgir lorsque l'impédance d'entrée de l'oscilloscope Z e (R e // C e ) ne peut plus être supposée infinie devant Z S, celle de la source. Source Câble Entrée oscilloscope e S R S C C (50 pf/m) V osc C e (20 pf) R e (1 MW 25 c) Effet de charge Source Câble + Entrée oscilloscope e S R S V osc C 2 = C e + C C R 2 = R e V e osc S R 1 R S e 1 jr C S 2 Régime continu et basse fréquence Vosc es 1 R 1 S Re L'effet de charge de l'oscilloscope réduit la tension mesurée. Erreur > 10 % pour R S > 100 kw 26

14 A plus haute fréquence, l'effet de charge se traduit par : une réduction de l'amplitude de la tension mesurée une réduction de la bande passante du système, une augmentation du temps de montée du système Le système étant du 1er ordre, temps de montée et bande passante sont liés par la relation : tm f - 3dB 0,35 le temps de montée étant lui-même défini par : t m = t 90% - t 10% où v(t 10% ) = 0,1 v(t ) et v(t 90% ) = 0,9 v(t ). AN : C 2 = 100 pf, R S = 100 W f -3dB 15 MHz, t m = 23 ns 27 NB1 : La dégradation est d'autant plus importante que le câble est long! NB2 : Un tel système ne pourra mesurer des signaux rapides de temps de montée de quelques ns. NB3 : Passe-Bas (R,C) d'ordre 1 t m 2,2 R C La formule suivante est une règle empirique utile pour évaluer l effet des différents temps de montée (TM) du trajet d un signal : TMmesuré 2 2 TMSystMes TMSignal Elle est valide lorsque le temps de montée du système de mesure TM SystMes et celui du signal TM Signal sont tels que TMSystMes TM Signal sinon, elle peut mener à des temps corrigés incorrects. 28

15 Bande passante BW SystMes du système de mesure Erreur de mesure du temps de montée BW SystMes = BW Signal 41 % BW SystMes = 2 BW Signal 12 % BW SystMes = 3 BW Signal 5 % BW SystMes = 5 BW Signal 2 % 0,35 BWsignal TMSignal où TM Signal temps de montée du signal 29 Pour observer des signaux carrés : BWSystMes 5 BWSignal 2 approches envisagées pour réduire cet effet de charge par adaptation d'impédance : sondes haute impédance (sondes passives et actives) Elles permettent de minimiser l'effet de charge en raison soit : - de leur faible capacité d'entrée (sondes actives à JFET) - de la compensation en fréquence réalisée par un atténuateur "spécial" oscilloscopes d'impédance d'entrée 50 W + sondes 50 W faiblement capacitives Applications HF 30

16 d) Sonde passive de compensation sonde 1/10 e Sonde R 1 Entrée oscilloscope R 2 = R e C 2 = C e + C C V 1 C 1 V 2 v2 1 v1 R 1 1 jr 1C 1 1 R2 1 jr2c2 R1C 1 R2C2 v2 R 2 cons tante v1 R1 R2 31 C 2 (entrée oscilloscope + câble) 100 pf R 2 (entrée oscilloscope) = 1 MW C 1 : capacité ajustable entre 12 pf et 17 pf Résistance d'entrée "sonde + oscilloscope" Capacité d'entrée "sonde + oscilloscope" R R1 R2 10 MW R2 C1 C C 2 13pF C1 C2 C2 32

17 Compensation de la sonde par réglage de C 1 Sur-compensée Sous-compensée Compensée 33 Acquisition d'un signal avec une sonde adaptée à l'oscilloscope effet de l'inductance du fil de masse Connecteur de masse standard de la sonde (6.5-inch soit 16,5 cm) clipé à la masse près du point de test. ABCs of Probes - Tektronix Connecteur de masse de la sonde avec une prolongation (28-inch soit 71 cm) clipée à la masse du circuit (utile si plusieurs points de test éloignés). 1 Oscillations à la fréquence f 2 LC 34

18 Inductance du fil de masse Le fil de masse de la sonde n'a pas été utilisé. La connexion à la masse est réalisée par un câble dont une extrémité est clipée à la masse du circuit, l'autre à la borne de masse de l'oscilloscope. La longueur de la boucle de masse est plus grande (inductance plus élevée) ce qui conduit à une fréquence d'oscillation plus faible. 35 Sondes passives 1/10 e Avantages Résistance d'entrée élevée Economique Grande dynamique Inconvénients Capacité d'entrée élevée Non compatible avec les systèmes 50 W Nécessite une compensation 36

19 e) Sondes actives Avantages Résistance d'entrée élevée Capacité d'entrée élevée Grande bande passante Compatible avec les systèmes 50 W ou 1 MW Pas de compensation Grande dynamique Inconvénients Coût Dynamique limitée Nécessite une alimentation 37 f) Performances typiques des principaux types de sonde Type Bande passante BW Temps de montée TM Capacité d'entrée Résistance d'entrée Sonde passive 1 15 MHz 23 ns 100 pf 1 MW Sonde passive MHz 500 MHz 3.5 ns 700 ps 13 pf 8 pf 10 MW Sonde passive 3 GHz Z 0 9 GHz 120 ps - 40 ps 1 pf 0,15 pf 500 W Sonde active 500 MHz 6 GHz 700 ps ps 2 pf 0,4 pf 10 MW kw 38

20 Temps de montée des signaux logiques 39 g) Autres types de sondes Sonde de courant n tours de conducteurs autour du noyau augmentent la sensibilité d'un facteur n 40

21 Sonde différentielle Instrumentation & Capteurs avancés 41 h) Bande passante et temps de montée de l'oscilloscope La bande passante des oscilloscopes est limitée afin de réduire la contribution des composantes de bruit. Pour un oscilloscope donné, la fréquence affichée (dans les spécifications et sur la face avant) correspond à la fréquence à -3 db. NB : le temps de montée d'un oscilloscope 60 MHz est de 0,35 5,8 ns. f -3dB 42

22 Sonde + oscilloscope TM mesuré TM 2 Oscilloscope TM 2 Sonde TM 2 Signal Les sondes d'oscilloscopes sont souvent conçues de sorte que leur temps de montée soit beaucoup plus court que celui de l'oscilloscope : TMSonde TM Oscilloscope Dans la liste d'accessoires d'un oscilloscope donné, le fabricant précise la (les) sonde(s) associée(s) à l'oscilloscope pour que les spécifications soient vérifiées. 43 Oscilloscope analogique Instruments de diagnostiques lors de dépannage (TV, enregistreur vidéo, audio) Instruments d'intérêt pédagogique Avantages Facilité d'utilisation Affichage très rapide, rafraîchi fois/s Affichage en intensité montre des anomalies du signal Économique Inconvénients Bande passante limitée par le tube cathodique Limité à 2 voies Pas de mémorisation d'un signal affiché en mode monocoup Difficulté d'obtenir une impression du signal sans avoir recours à un appareil photo Modes de déclenchement limités Mesures à partir de l'affichage et fonctions mathématiques de base Pas de transfert des données pour leur analyse vers un PC 44

23 II. Oscilloscope numérique Acquisition Balayage horizontal Déclenchement Balayage vertical L'oscilloscope numérique associe plusieurs systèmes réalisant les fonctions suivantes : acquisition et enregistrement rapide de signaux électriques dans une mémoire interne visualisation des signaux en temps réel ou presque (coût en temps de la lecture de la mémoire et de la visualisation) analyse et traitement du signal (amplitude, fréquence, FFT, zoom,.) Les écrans LCD (dont certains sont tactiles) équipent à présent les oscilloscopes numériques et ont permis de développer des oscilloscopes portables Architectures L'essentiel des performances de l'oscilloscope numérique est lié à la numérisation et au stockage des données. a) Oscilloscope à mémoire numérique - Digital Storage Oscilloscope DSO Oscilloscope numérique traditionnel Architecture de traitement en série pour réguler l acquisition, l interface utilisateur et l écran d affichage tramé Les signaux saisis sont traités en série vitesse de saisie limitée par la vitesse du µp. Affichage ligne par ligne 46

24 b) Oscilloscope à phosphore numérique - Digital phosphor Oscilloscope DPO Architecture de traitement en parallèle Les signaux saisis sont enregistrés dans une base de données BDD (BDD avec mise à jour permanente phosphore numérique ) Le µp et le système d'acquisition fonctionnent en parallèle : tramage direct des données puis copie directe du contenu de la BDD vers l'affichage 47 Fonctions du µp o gestion de l'affichage, o automatisation des mesures, o pilotage de l'instrument. Affichage rafraîchi tous les 1/30 e s de l'image du signal enregistrée dans la base de données. Evénements intermittents saisis en temps réel. Le DPO affiche les signaux en 3 dimensions : amplitude, temps et distribution de l amplitude dans le temps information sur la récurrence d'un événement. DPO : meilleur outil polyvalent 48

25 Extrait du guide de sélection des oscilloscopes numériques Tektronix 49 Instrumentation & Capteurs avancés 50

26 Instrumentation & Capteurs avancés 51 c) Oscilloscope à échantillonnage numérique Architecture : un pont d'échantillonnage est placé en tête de la chaîne d'acquisition (avant l'amplificateur et l'atténuateur) La fréquence du signal a été réduite en raison de l'échantillonnage. De ce fait, la bande passante de l'oscilloscope à échantillonnage est plus élevée et, de plus, l'amplificateur mis en œuvre peut être à bande étroite (signal échantillonné). La dynamique d'entrée est moins importante 52

27 Souvent, plusieurs convertisseurs sont temporellement entrelacés pour augmenter une fréquence d'échantillonnage effective. Méthode d échantillonnage en temps équivalent pour saisir et afficher les échantillons d un signal Acquisition précise de signaux de composantes fréquentielles beaucoup plus élevées que la fréquence d échantillonnage de l oscilloscope. Limitation de la plage dynamique de l'oscilloscope à échantillonnage puisqu'il ne comporte pas d'étage de mise à niveau automatique avant l'échantillonneur : souvent < 1VCC Numérisation du signal : échantillonnage & quantification La numérisation est effectuée par le convertisseur analogique - numérique (CAN) en 2 temps : l'échantillonnage : la valeur instantanée du signal est prélevée à intervalles réguliers ou intervalles d'échantillonnage ; la quantification : la résolution verticale du CAN, et donc de l oscilloscope numérique, se mesure en bits. La numérisation du signal par le CAN est effectuée tant que la mémoire n'est pas remplie. 54

28 a) Echantillonnage en temps réel Un oscilloscope à échantillonnage en temps réel échantillonne et capture le signal en une seule passe ou occurrence de ce signal. seul moyen de saisir des événements transitoires rapides mono-coup avec un oscilloscope numérique. 55 Echantillonnage en temps réel avec interpolation L oscilloscope recueille quelques points d échantillonnage du signal en un seul passage et utilise l interpolation pour compléter la représentation graphique. Modes d'affichage avec interpolation faciliter la visualisation des signaux améliorer la précision d'affichage de signaux échantillonnés peu de fois par cycle. - interpolation linéaire signaux à fronts droits tels que les ondes carrées - interpolation sin(x)/x formes d onde incurvées ou irrégulières Méthode adaptée lorsque la fréquence d échantillonnage est 3 à 5 fois plus élevée que la bande passante du système. 56

29 La définition des fronts requiert une fréquence d échantillonnage suffisamment élevée. 57 b) Echantillonnage en temps équivalent Un oscilloscope à échantillonnage répétitif (échantillonnage en temps équivalent) échantillonne le signal sur un grand nombre de périodes et il n est pas sujet aux erreurs de repliement de l échantillonnage. Le critère de Nyquist ne s'applique pas puisque les données ne sont pas acquises en temps réel en un balayage. La bande passante d'un oscilloscope à échantillonnage est plus grande que celle imposée par la vitesse maximale d'échantillonnage. L'échantillonnage en temps équivalent est aléatoire ou séquentiel. NB : échantillonnage en temps équivalent réservé aux signaux répétitifs. 58

30 Echantillonnage en temps équivalent séquentiel. Saisie d'un échantillon après un retard bien défini par rapport à un événement de déclenchement (ce retard augmente au fur et à mesure des déclenchements) Echantillonnage en temps équivalent aléatoire. Saisie aléatoire par rapport au déclenchement et affichage en fonction de l intervalle de temps entre l échantillon et le déclenchement 59 Echantillonnage en temps séquentiel Points d échantillonnage reliés par interpolation pour produire un signal continu. Certains oscilloscopes utilisent l'échantillonnage en temps équivalent pour les signaux répétitifs rapides dont les composantes fréquentielles sont égales ou beaucoup plus élevées que la bande passante analogique de l oscilloscope. 60

31 3. Modes d'acquisition Mode échantillon mode d acquisition le plus simple. un seul point d échantillonnage enregistré au cours de chaque intervalle de signal. Mode détection de crête Au cours de 2 intervalles de signal, le point de valeur minimum et le point de valeur maximum saisis sont enregistrés et utilisés pour créer les 2 échantillons correspondants. fréquence d échantillonnage élevée saisie des variations rapides du signal entre les échantillons en mode échantillon 61 Mode haute résolution moyenne de plusieurs échantillons saisis au cours d un seul intervalle de signal effectuée par le système pour produire un seul échantillon. fréquence d échantillonnage élevée diminution du bruit amélioration de la résolution pour les signaux lents. Mode enveloppe similaire au mode détection de crête. mais combinaison des échantillons minimum et maximum de plusieurs acquisitions pour former un signal indiquant leur accumulation respective au cours du temps. Mode moyennage un seul point d échantillonnage enregistré au cours de chaque intervalle du signal comme en mode échantillon affichage de la moyenne des échantillons saisis lors des acquisitions successives pour produire le signal affiché réduction du bruit sans perte de bande passante si signal répétitif. 62

32 4. Modes de déclenchement (fonctions de déclenchement évoluées en numérique) Facteurs de performance des oscilloscopes numériques format des données exportées type d'interface (Standard USB, Ethernet/LAN, GPIB) compatibilité des imprimantes fonctions mathématiques disponibles (FFT, ) informations à prendre en compte lors du choix d'un oscilloscope numérique bande passante fréquence d'échantillonnage capacité mémoire facteurs incontournables 64

33 a) Bande passante BW osc Oscilloscope analogique La visualisation d'un signal d'étendue spectrale BW sig requiert une bande passante BW osc de l'oscilloscope telle que : BW osc 5 BW sig. Oscilloscope numérique La condition précédente appliquée à la bande passante analogique équivalente d'un oscilloscope numérique est nécessaire mais pas suffisante. La fréquence d'échantillonnage et la profondeur mémoire sont également importantes. 65 b) Fréquence d'échantillonnage f e La fréquence d'échantillonnage précisée dans les spécifications d'un oscilloscope numérique correspond à sa fréquence maximale d'échantillonnage f emax. Pour préserver l'intégrité du signal mesuré (échantillonnage en temps réel) par l'oscilloscope de bande passante BW osc, la fréquence d'échantillonnage f e doit vérifier les conditions suivantes : en théorie, le théorème de Shannon impose : f e 2 BW sig. en pratique, la restitution du signal est satisfaisante si : f e 4 BW sig A cette condition, l'oscilloscope restitue une forme d'onde satisfaisante après sinx reconstruction (après échantillonnage en temps réel avec interpolation en du x signal). 66

34 Le théorème de Shannon est pris en compte par les constructeurs d'oscilloscopes : ils proposent très souvent une fréquence d'échantillonnage double de la valeur de la bande passante.. en monovoie. En mode d'acquisition multivoies, cette condition peut ne plus être respectée si l'oscilloscope numérique ne dispose que d'un convertisseur CAN. Exemple Oscilloscope Agilent 54642A DSO MHz 2GSa/s 8 MBytes ADC 8 bits f emax.= 2 Géch / s en monovoie (échantillonnage en temps réel) f emax = 1 Géch/s pour 2 voies Dans ce cas, la condition de Shannon est respectée en monovoie ou non. 67 c) Profondeur mémoire (N en nombre de points) Capacité mémoire N, durée d'enregistrement T acq et fréquence d échantillonnage f e sont étroitement liées. Notations BT : n div : n p : T acq : vitesse de balayage (Time base) en s/div nombre de divisions horizontales nombre de points d'échantillonnage durée de l'acquisition du signal (acquisition monocoup en temprs réel) 1 T acq = BT n div = n p sous réserve que f e f emax et n p N. f e 68

35 T acq = BT n div = n p 1 f e n T l pmax f emax N T acq > T l l'échantillonneur est ralenti pour s'adapter à la capacité mémoire : n p = N et f e décroît, il faut veiller à ce que la condition de Shannon soit toujours vérifiée**! T acq < T l la fréquence d'échantillonnage est maintenue à f emax, le nombre n p de points d'échantillonnage s'ajuste pour obtenir la durée d'enregistrement souhaitée : T np f acq emax Actuellement, N 10 Méch en monovoie (oscilloscope numérique de moyenne gamme) La profondeur mémoire ne peut être étendue indéfiniment (encombrement, coût) et elle reste le principal goulet d étranglement des oscilloscopes numériques. **mode priorité à la durée d'acquisition : mode par défaut des oscilloscopes récents 69 Exemple : Oscilloscope Agilent 54642A DSO MHz 2GSa/s 8 MBytes ADC 8 bits - f emax = 2 Géch/s en monovoie (éch. en temps réel) n 6 N pmax Tl 9 femax 4 ms La durée d'acquisition T acq étant fixée, évaluer la vitesse de balayage et la fréquence d'échantillonnage adaptées à cette mesure pour : T acq = 1 ms (< T l ) BT = 100 µs/div pour n p = N, e f -3 T acq = 5 s (> T l ) BT = 500 ms/div n n pmax = N fe T 6 8 Géch / s soit f e > f emax La fréquence d'échantillonnage est alors maintenue à sa valeur maximale, le nombre de points d'échantillonnage est réduit : n f p emax T acq p acq kéch 1,6 Méch/ s 70

36 f e = f emax, n p diminue avec la vitesse de balayage n p = N, f e diminue d'autant que la vitesse de balayage (et donc la durée d'acquisition) augmente Fréquence d'échantillonnage en fonction de la base de temps pour 3 profondeurs mémoire : 10 kéch, 100 kéch, 8 Méch 71 d) Sensibilité et résolution verticale Sensibilité verticale Gamme typique des tensions d'entrée pleine échelle : de ±50 mv à ±50 V Des tensions plus élevées peuvent être mesurées avec des sondes atténuatrices. Résolution verticale ( convertisseur analogique-numérique) La plupart des oscilloscopes numériques fonctionnent avec des CAN 8 bits et sont capables de détecter au mieux des variations du signal 0,4% Si l'oscilloscope est affecté à la mesure régulière de signaux < 50 mv, de signaux audio, de capteurs, un oscilloscope 12 ou 16 bits est plus adapté à la mesure de signaux de l'ordre du µv. 72

37 Quand le convertisseur travaille au voisinage de sa vitesse d acquisition maximum, sa résolution diminue fortement, on parle alors de bits effectifs. Plus la fréquence d échantillonnage augmente et plus la résolution effective diminue. Pour des oscilloscopes échantillonnant jusqu à plusieurs Géch/s, la résolution effective peut descendre de 8 à 6 bits. Des traitements numériques comme le moyennage permettent d améliorer la résolution, voire d obtenir des résolutions supérieures (jusqu à 12 bits) pour des fréquences d échantillonnage plus faibles. Précision du gain et linéarité Ces facteurs doivent être pris en compte lors de mesures où la valeur absolue est importante et/ou la dynamique d'entrée est importante. 73 d) Oscillocopes numériques de milieu de gamme caractéristiques Oscilloscopes de table Les oscilloscopes de milieu de gamme se mettent au régime minceur, Ph. Schwartz Electronique, n

38 Oscilloscopes sur PC solution économique souplesse de traitement des données par qq clics. 1 ou 2 voies bande passante jusqu'à 500 MHz fréquence d'échantillonnage de 100 Méch/s Associés à un logiciel, ces modules assurent les mêmes fonctionnalités que les appareils de table (acquisition, visualisation en temps réel et stockage) mais n'atteignent pas encore leurs performances. Ils sont disponibles sous 2 formats: carte PCI interne au PC : leur niveau de bruit est important en raison de l'environnement électrique bruyant du PC. carte externe au PC : leur performance au bruit est meilleure mais ces modules nécessitent une connexion au PC ce qui les rend moins portables que les oscilloscopes portables Choix d'un oscilloscope numérique Bande passante BW osc Nombre de voies Vitesse d'échantillonnage f e Profondeur mémoire N Modes d'affichage (visualisation du signal, algorithmes DSP) Modes de déclenchement (signaux de standard CAN, USB, LIN,. ; largeur ou niveau d'un pulse ) Sondes Interfaces (logiciel, connectique : USB, LAN, ) Fonctions d'analyse Il est conseillé d'emprunter un oscilloscope auprès de son distributeur pour le tester. 76

39 Bande passante BW signal = 0,35 T M (TM : temps de montée du signal) BW osc = 5 BW signal (erreur de mesure du temps de montée 2%) Vitesse d'échantillonnage f e f e = 4 BW osc (pour une bonne restitution du signal mesuré en monocoup après interpolation en sinx/x) Profondeur mémoire N Définir la durée d'acquisition T acq souhaitée N = T acq /T e =T acq f e 77 Exemple 1 Application visée : vérification des signaux du bus PCI fonctionnant à 66 MHz, de temps de montée TM = 3 ns BWsignal 0, MHz BW osc = 5 BW signal = 580 MHz Oscilloscope 500 MHz adapté (erreur > 2%) Oscilloscope 100 MHz Oscilloscope 500 MHz 78

40 f e = 4 BW osc = 2,4 Géch/s Oscilloscope 600 MHz, 4 Géch/s Si la durée d'acquisition se limite à une dizaine de périodes du signal (66 MHz), le nombre de points d'échantillonnage est faible : T np T acq e Ce n'est donc pas un critère déterminant puisque la profondeur mémoire des oscilloscopes numériques commercialisés est > 1 kéch. 79 Exemple 2 Application visée : le signal est constitué d'impulsions de largeur 330 ns et de fréquence 155 Hz. Il s'agit de vérifier la période T et la largeur des ces impulsions avec une précision de ± 1 ns. T e = 2 ns soit f e = 500 Méch/s BW osc = f e 125 MHz 4 La durée d'acquisition doit être supérieure à la période du signal soit : 1 T acq = 7 ms > T = 6,4ms 155 7ms n p = 3,5 Méch 2 ns Pour une telle mesure, la profondeur mémoire N doit être 3,5 Méch et une bande passante de 100 MHz est convenable. 80

41 III. Bibliographie ABC des oscilloscopes - Student Reference Manual for Electronic Instrumentation Laboratories S. Wolf, R.F.M. Smith - Pearson Education ABCs of Probes - Digitizing Oscilloscopes - An Introduction & Applications. Prepared for University Of Strathclyde1st Year Students - Geoff WildField Agilent Technologies Ten Things to Consider When Selecting Your Next Oscilloscope - Application Note Agilent Technologies What to Look for When Choosing an Oscilloscope - Alan Tong, Technical Director, Pico Technology (ex Agilent) 81